Elektrische Energiespeicher auf Lithium-Basis

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl, Jürgen Kohlhoff

Batterien, die elektrische Energie in chemischer Form speichern können, sind derzeit die wichtigste Energiequelle in portablen und sonstigen mobilen Anwendungen. Vor allem sind sie aus heutiger Sicht das Schlüsselelement in Bezug auf eine konkurrenzfähige Elektromobilität, vom Fahrrad mit Hilfsmotor über vollelektrische PKW und LKW bis hin zu Wasser- und Luftfahrzeugen. Hierbei spielen wiederaufladbare Li-Ionen-Akkumulatoren aufgrund ihrer guten Gebrauchseigenschaften, z.B. minimaler Memory-Effekt und sehr hohe Zyklenzahl, aktuell die zentrale Rolle. Dennoch sind beispielsweise vollelektrische Fahrzeuge wie Tesla S oder Nissan Leaf mit praktischen Reichweiten von ca. 300 km respektive ca. 180 km und „Tankpausen“ von knapp einer bis zu acht Stunden schlecht vermittelbar, auch wenn z.B. in Deutschland ca. 60 % der täglichen individuellen Gesamtfahrstrecken (PKW) unter 50 km liegen und nur ca. 20 % der PKW täglich weiter als 150 km fahren. Darüber hinaus wird ein Potenzial von ca. 4 Mio. Kleintransportern für Handwerk und Zustellbetriebe geschätzt, deren tägliche Fahrleistung unter 100 km liegt – die also bereits mit heutiger Technologie vollelektrisch fahren könnten. Weiterlesen

Recycling von Seltenerdmetallen

Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke

Unter dem Begriff Seltenerdmetalle (auch Seltenerdelemente, SEE) werden üblicherweise die 17 chemisch sehr ähnlichen Elemente der Lanthanoiden sowie Yttrium und Scandium zusammengefasst. Sie finden seit gut zwei Jahrzehnten immer breitere Anwendung vor allem in Hochtechnologien oder „grünen“ Technologien wie der Windenergie oder der Elektromobilität. Eine große Rolle spielen sie insbesondere für den Einsatz in Legierungen, Permanentmagneten, NiMH-Akkumulatoren, Katalysatoren sowie als Leuchtstoffe. Weiterlesen

Kohlenstoffbasierte Festschmierstoffe

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Reibung, Verschleiß und Schmierung sind nach wie vor zentrale Themen bei Konstruktion, Herstellung und Gebrauch beweglicher Bauteile, denn sie bestimmen zu einem wesentlichen Teil Lebensdauer, Wartungskosten und Energieverbrauch der aus ihnen aufgebauten Systeme, wie z.B. Maschinen und Fahrzeuge. Neben flüssigen Schmierstoffen wie z.B. Ölen und höherviskosen Fetten werden für besondere Belastungen, speziell bei hohen Betriebstemperaturen, daher schon lange Mischsysteme aus Ölen bzw. Fetten und Feststoffen wie z.B. Graphit, Molybdendisulfid, Keramikpartikeln oder feinsten (Weich‑)Metallpulvern eingesetzt. Weiterlesen

2D-Materialien

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Stefan Reschke

Das mit Abstand am weitesten erforschte zwei-dimensionale Material (2D-Material), für dessen Entdeckung im Jahr 2004 Novoselov und Geim den Physik-Nobelpreis (2010) erhielten, ist Graphen. Zu Beginn konzentrierte sich die Erforschung der 2D-Materialien fast ausschließlich auf diesen bemerkenswerten Werkstoff. Das Material besteht aus einer einzigen Atomlage kovalent gebundener Kohlenstoffatome und verknüpft eine sehr gute thermische und elektrische Leitfähigkeit mit sehr geringem Gewicht und extrem hoher Festigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit kann allerdings erst durch Modifikationen eingestellt werden, da Graphen ein Isolator ist. Aufgrund dieses außergewöhnlichen Profils wurden in den letzten Jahren zunehmend weitere sehr interessante 2D-Materialien erforscht, die z.T. sehr unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Einige dieser Materialien werden im Folgenden näher beleuchtet. Weiterlesen

Nanogeneratoren

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Das Wort Nanogenerator ist ein Sammelbegriff für kleine und kleinste Energiekonverter, bei denen meist eine nanoskalige Komponente, z.B. Nanoröhren, maßgeblich an der Energiekonversion beteiligt ist. Die Idee ist, sie aus ihrer direkten Umwelt ausreichend Energie ernten zu lassen (Energy Harvesting), um damit aktuelle und insbesondere zukünftige kleine elektronische Einheiten kontinuierlich und ausreichend mit Elektrizität zu versorgen. Solche Kleinstelektronik, wie z.B. hochsensible Bio-, Chemo- oder Umweltsensoren, mikroelektromechanische Bauteile (MEMS) oder Nanoroboter, sollen dadurch unabhängig von externer Energieversorgung durch Kabel oder relativ voluminöse Energiespeicher wie Akkumulatoren oder Batterien werden. Genutzt werden soll dabei die an sich im Überfluss vorhandene Energie aus der Umwelt, nämlich thermische, mechanische, chemische und biochemische Energie. Weiterlesen

Rohstoffknappheit und Ressourceneffizienz

Dr. Ramona Langner

Der jährliche globale Verbrauch an natürlichen Ressourcen wie Bau- und Industriemineralen, Erzen, fossilen Energieträgern und Biomasse steigt rasant an und verdoppelte sich zwischen den Jahren 1979 und 2009 von rund 35 auf fast 70 Milliarden Tonnen. Grund dafür sind eine wachsende Weltbevölkerung, aber auch ein zunehmender Wohlstand in weiten Teilen der Welt. Insbesondere die wirtschaftliche Entwicklung der Schwellenländer führte durch den zusätzlichen Ressourcenbedarf zu einer teilweisen Rohstoffverknappung sowie zu einem Anstieg des Preisniveaus, mit enormen Auswirkungen auf die Versorgung der deutschen Wirtschaft mit natürlichen Ressourcen. Gleichzeitig führt eine übermäßige Nutzung natürlicher Ressourcen zu erheblichen Umweltbeeinträchtigungen bei der Gewinnung von Rohstoffen sowie ihrer Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung. Weiterlesen

Biokunststoffe aus Polymilchsäure

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Biokunststoffe erobern in den letzten Jahren langsam aber stetig den Markt. Einer der bekanntesten Werkstoffe in dieser Gruppe ist Polymilchsäure (PLA, Polylactic acid), die neben Stärkeblends, Celluloseestern und Polyhydroxyalkanoaten (PHA) mittlerweile einen festen Platz im Kunststoffmarkt hat. PLA sind biobasierte und bioabbaubare/kompostierbare Polyester, die aus Milchsäure produziert werden und in zwei stereochemischen Formen auftreten bzw. als deren Gemisch vorliegen. Die Polymere wurden erstmals 1845 beschrieben, aber erst etwa 90 Jahre später konnte ein Herstellungsverfahren entwickelt werden, bei dem Polymilchsäure aus Milchsäuremolekülen synthetisiert werden konnte. Die Eigenschaften der verschiedenen reinen PLA-Copolymere variieren je nach stereochemischer Zusammensetzung. Die monomere Milchsäure und das Dimer (Lactid), ein ringförmiger Zusammenschluss von zwei Milchsäuremolekülen, können synthetisch oder durch Fermentation gewonnen werden. Die biobasierte Produktion durch fermentative Milchsäuregärung überwiegt dabei bei weitem mit einem Produktionsanteil von ca. 90%. Die polymere Milchsäure wird hauptsächlich durch die Reaktion der Lactiden durch Ring-Öffnende- Polymerisation (ROP) erhalten. Dies führt zu höhermolekularem PLA als der Einsatz der freien Säure, da bei dieser Reaktion Wasser als Nebenprodukt auftritt und durch eine aufwändige Destillation aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden muss. Weiterlesen

Papiebasierte Mikrofluidik

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Der Werkstoff Papier, ein über Abseihen aus wässriger Vorlage gewonnener flächiger Faserfilz aus üblicherweise organischen Bestandteilen, ist aus China schon über 1900 Jahre bekannt. In seiner heutigen Form und Vielfalt ist Papier ein sehr preiswerter und überall verfügbarer Werkstoff mit vielen Eigenschaften, die ihn zunehmend auch als Basis- bzw. Trägermaterial für vormals im Hightech-Bereich angesiedelte Technologien einsetzbar machen. Hier gibt es im Rahmen der medizinischen Diagnostik schon länger etablierte Einsatzgebiete wie z.B. Teststreifen zum Nachweis von Schwangerschaft, der Messung von Blutzucker oder Harnglucose, oder in der Bestimmung der Blutgerinnung durch den Patienten selbst, die rein auf dem inhärenten Kapillareffekt des Papiers beruhen. Neue Forschung und Entwicklung der letzten 5–10 Jahre nutzen Papier gezielt zur Herstellung sehr kostengünstiger Komponenten oder Systeme in Elektronik, Diagnostik (Medizin, Lebensmittel, Umwelt) und weiteren sensorischen Anwendungen, als Templatwerkstoff, der beispielsweise mit Keramikschlickern oder Polymeren gefüllt und dann weiterverarbeitet werden kann, sowie in additiven Fertigungsverfahren wie z.B. dem Rapid Prototyping. Weiterlesen

Biokunststoffe aus Polyhydroxyalkanoaten

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Begrenzte Vorräte und steigende Preise des Rohöls führen zusammen mit internationalen Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels zu einem steten Substitutionsdruck nicht nur bei fossilien Kraftstoffen, sondern auch in den Bereichen Basischemikalien und Kunststoffe. Der in den letzten Jahren stetig wachsende Markt für Biokunststoffe, also solche auf der Basis nichtfossiler Rohstoffe, ist daher von großem Interesse. Ein stark wachsendes Segment in diesem Bereich sind die Polyhydroxyalkanoate (PHA), die nach Stärkeblends, Celluloseestern und Polylaktiden die derzeit viertgrößte Gruppe der Biokunststoffe stellen. Sie erzielen zweistellige prozentuale Zuwachsraten und haben eine geschätzte Produktionskapazität von bis zu 130.000 t/Jahr. PHA sind bakteriell hergestellte Polyesteraus gesättigten und ungesättigten Hydroxyalkansäuren mit thermoplastischen Eigenschaften, die nicht-toxisch und zu 100% bioabbaubar sind. Klassische  Anwendungsbereiche sind Fasern, Hygieneartikel und Verpackungen. Ihre Biokompatibilität prädestiniert PHA-Werkstoffe zudem als Träger von Geschmacksstoffen in Lebensmitteln und zur Verwendung im medizinischen Bereich, z. B. als resorbierbare Gefäßimplantate, chirurgische Nahtfäden und Mikrokapseln. Weiterlesen

Dreidimensional strukturierte LTCC-Keramik

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Unter LTCC-Keramik versteht man keramische Formkörper, die durch Sintern bei relativ niedrigen Temperaturen, in der Regel zwischen 800°C und 1000°C, aus einer oder mehreren verschiedenen keramischen Zusammensetzungen hergestellt werden. Üblicherweise handelt es sich bei diesen Werkstoffen um kristallisierbare Gläser (Glaskeramiken) oder Mischungen aus solchen mit Keramiken, die meist als Pulverschlicker oder -pasten in dünnen Schichten von je 50 bis ca. 500 Mikrometern Dicke ausgebracht und übereinander gestapelt werden. Neben Strukturwerkstoffen wie Aluminiumoxid, Cordierit oder Siliziumdioxid werden auch Funktionswerkstoffe wie Piezoelektrika eingesetzt. Bauteile aus LTCC-Keramik finden überwiegend in Mikro- und Mesosystemtechnik Anwendung. Weiterlesen