Leicht, korrosionsbeständig und dennoch stabil - diese besonderen Eigenschaften machen Aluminium zu einem vielseitigen und beliebten Werkstoff. Ob im Batteriekasten unseres Elektrofahrzeugs, in Küchenarmaturen, in unseren Fenstern und Fassaden oder in Lebensmittelverpackungen - das begehrte Leichtmetall ist im täglichen Leben unserer modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Entsprechend hoch ist der weltweite Bedarf am Werkstoff. Mehr als 67 Millionen Tonnen wurden allein im Jahr 2021 davon hergestellt und die Nachfrage ist weiterhin steigend. Dies bringt allerdings auch einen Nachteil mit sich: Die Herstellung von Aluminium ist äußerst energieintensiv. Nicht nur der hohe Strombedarf im Schmelzprozess, der überwiegend aus Kohlekraftwerken gedeckt wird, treibt die CO₂-Emission nach oben. Auch im Produktionsprozess selbst wird Kohlenstoff verbrannt und als Kohlendioxid ausgestoßen. Pro Jahr verursacht dies rund 100 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalente weltweit.

Diese prozessbedingte Emission signifikant zu verringern, hat sich nun der deutsche Aluminiumhersteller TRIMET zum Ziel gesetzt. Doch wie genau kann dies gelingen?

Die Herstellung von Aluminium erfolgt in einem Elektrolyseschmelzverfahren, der so genannten Schmelzfluss-Elektrolyse nach Hall-Héroult. Hierbei wird Aluminiumoxid unter Einsatz von Kohlenstoff-Elektroden in der Elektrolyse zu Aluminiummetall reduziert. Während der Elektrolyse verbrennt die Kohlenstoff-Elektrode und wird als CO₂ ausgestoßen. Gemeinsam mit dem isländischen Technologieunternehmen Arctus entwickelte TRIMET nun ein innovatives Verfahren in dem die Kohlenstoff-Elektrode in der Elektrolysezelle durch inertes Kathodenmaterial ersetzt wird. Der entscheidende Vorteil: Da keine Kohlenstoffelektrode verwendet wird, wird Sauerstoff anstelle von CO₂ freigesetzt. Somit ist es erstmals möglich, das Leichtmetall ohne direkte CO₂-Emission herzustellen und einen entscheidenden Beitrag zu leisten für eine nachhaltigere Produktion.

Diese technologische Innovation nun industriell nutzbar zu machen - vom Labormaßstab zur Prototypenzelle über kleine industrielle Zellen bis hin zur Massenfertigung - ist Aufgabe eines Forschungsprojekts. Beteiligt sind neben Experten von TRIMET und Arctus auch die Universität des Saarlandes sowie Experten von Plansee. Bekannt für innovative Lösungen bei neuartigen, herausfordernden Materialanwendungen, ist es unsere Aufgabe, den idealen Werkstoff für den Ersatz der Kohlenstoffelektroden zu entwickeln.

Besonders geeignet ist hier der Werkstoff Titan-Diborid (TiB₂), welcher sich durch extreme Härte und gute Oxidationsbeständigkeit auszeichnet und im Gegensatz zu vielen anderen Werkstoffen nicht mit Aluminium reagiert. Bereits seit Jahren produziert Plansee am Standort Lechbruck TiB₂-Sputtertargets für die Hartstoffbeschichtung von Werkzeugen. Nun gilt es, diesen Werkstoff für den neuen Anwendungsfall anzupassen. Insbesondere geht es um die Optimierung der Korrosionseigenschaften im Kontakt zum Aluminiumelektrolyt als auch der Oxidationsbeständigkeit im oberen Bereich der Elektroden, der sich bei hohen Temperaturen an der Luft befindet. Zusätzlich entwickelt Plansee auf der Basis des bereits vorhandenen Knowhows die Verbindungstechnik der TiB₂-Kathoden zu den elektrischen Kupferanschlüssen für die Stromführung.