Verbundvorhaben: SkalPro - Skalierbare Produktionsprozesse für hocheffiziente Elektroden in der alkalischen Elektrolyse - Teilvorhaben: Entwicklung eines skalierbaren Produktionsprozesses für die Herstellung von Elektrolyse-Elektroden nach der Streckgittertechnologie

Abstract

Im Verbundvorhaben „SkalPro“ (SkalPro – Skalierbare Produktionsprozesse für hocheffiziente Elektroden in der alkalischen Elektrolyse) wurde eine neuartige, industriell skalierbare Prozessroute zur Herstellung hochaktiver Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse (AEL) entwickelt. Zielsetzung war die signifikante Reduktion der spezifischen Elektrodenkosten als einem der dominierenden Kostentreiber von AEL-Systemen sowie die Schaffung einer technologischen Grundlage für deren großskalige industrielle Umsetzung. Hierzu wurde ein integrierter Ansatz verfolgt, der Materialdesign, Prozessentwicklung, strukturelle und elektrochemische Charakterisierung sowie techno-ökonomische Bewertung umfasst. Im Fokus der Arbeiten stand die Entwicklung von Raney-Nickel-basierten Streckgitterelektroden aus walzplattierten Al-Ni-Al-Vormaterialien. Durch gezielte Variation der Streckgittergeometrie (u. a. SWD, LWD, Stegbreite), der Ausgangsmaterialzustände sowie der nachgelagerten Prozessschritte (insbesondere Wärmebehandlung und selektive Laugung zur Ausbildung der Raney-Struktur) konnten belastbare Struktur-Eigenschafts-Korrelationen identifiziert werden. Die resultierenden Elektroden weisen eine hohe spezifische, elektrochemisch zugängliche Oberfläche sowie günstige Transport- und Benetzungseigenschaften auf. Elektrochemische Untersuchungen zeigen niedrige Wasserstoffentwicklungsüberspannungen (ηHER < 150 mV, optimal ~75 mV) bei gleichzeitig hoher mechanischer Integrität und Langzeitstabilität. Ein zentraler Bestandteil des Vorhabens war die Überführung der entwickelten Konzepte in skalierbare Fertigungsprozesse. Die Herstellung der Streckgitterstrukturen konnte mit industrienahen Prozessparametern (bis zu 600 Hübe/min) erfolgreich realisiert werden. Die gefertigten Elektroden wurden in Mini-Stack- und Technikums-Elektrolyseuren unter praxisnahen Betriebsbedingungen validiert, wobei die Leistungsfähigkeit und Reproduzierbarkeit der Elektroden bestätigt werden konnte. Die zugrunde liegende Produktionsroute ist dabei prinzipiell kontinuierlich ausgelegt und erlaubt eine wirtschaftliche Skalierung. Die begleitende techno-ökonomische Analyse zeigt, dass das angestrebte Kostenziel von < 850 €/m² grundsätzlich erreichbar ist. Weiteres Optimierungspotenzial wurde insbesondere in den Prozessschritten der thermischen Behandlung und der chemischen Laugung identifiziert, die maßgeblich die Aktivität und Kostenstruktur beeinflussen. Insgesamt belegt das Vorhaben die industrielle Umsetzbarkeit einer ressourceneffizienten, leistungsfähigen Elektrodenroute auf Basis der Streckmetalltechnologie. Die Ergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur Schließung bestehender technologischer und wirtschaftlicher Lücken im Bereich der AEL und bilden eine belastbare Grundlage für weiterführende Entwicklungs- und Skalierungsarbeiten im Kontext der Wasserstoffwirtschaft. Within the collaborative project “SkalPro” (Scalable Production Processes for High-Performance Electrodes in Alkaline Electrolysis), a novel, industrially scalable process route for the fabrication of highly active electrodes for alkaline water electrolysis (AEL) was developed. The primary objective was to significantly reduce the specific electrode costs—one of the dominant cost drivers in AEL systems—while simultaneously establishing a robust technological basis for large-scale industrial deployment. To this end, an integrated approach was pursued, combining material design, process development, structural and electrochemical characterization, as well as techno-economic evaluation. The core of the work focused on the development of Raney nickel-based expanded metal electrodes derived from roll-bonded Al–Ni–Al precursor materials. By systematically varying the expanded metal geometry (including short way of diamond (SWD), long way of diamond (LWD), and strand width), the initial material condition, and downstream processing steps—most notably thermal treatment and selective leaching for the formation of the Raney structure—reliable structure–property relationships were established. The resulting electrodes exhibit a high electrochemically accessible surface area, favorable mass transport and wettability characteristics, and low hydrogen evolution reaction (HER) overpotentials (ηHER < 150 mV, with optimal values around 75 mV), while maintaining excellent mechanical integrity and long-term stability. A key aspect of the project was the successful transfer of the developed concepts into scalable manufacturing processes. The production of expanded metal structures was demonstrated under industrially relevant conditions, achieving stroke rates of up to 600 strokes per minute. The fabricated electrodes were validated in both mini-stack and pilot-scale electrolyzer systems under application-relevant operating conditions, confirming their performance, reproducibility, and robustness. The underlying production route is inherently designed for continuous operation, enabling economically viable scale-up. The accompanying techno-economic analysis indicates that the targeted cost level of below 850 €/m² is fundamentally achievable. Further optimization potential was identified, particularly in the thermal treatment and chemical leaching steps, which have a significant impact on both electrochemical performance and overall cost structure. In summary, the project demonstrates the industrial feasibility of a resource-efficient and high-performance electrode manufacturing route based on expanded metal technology. The results contribute substantially to closing existing technological and economic gaps in AEL and provide a solid foundation for subsequent development and scale-up activities within the hydrogen economy.