Students research projects

Die Wandlung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen bietet eine gute Möglichkeit, um auf zukünftige Überangebote oder Engpässe in der Energielieferung reagieren zu können. Eine Möglichkeit dafür ist die Wandlung in chemische Energie in Form von Wasserstoff. Die emissionsfreie Erzeugung des Wasserstoffs ist unter anderem mit Proton-Exchange-Membran (PEM)-Elektrolyseuren möglich. Zukünftig kann Titan als Bipolarplattenmaterial in PEM-Elektrolyseuren durch kostengünstigeren und leichter mechanisch zu bearbeitenden Edelstahl ersetzt werden. Im Zuge dieser Arbeit wird der Edelstahltyp 1.4404 galvanisch beschichtet, um diesen bei Kontakt mit sauren Medien bei gleichzeitig anodischen Potentialen von bis zu 2,0 V vor Korrosion zu schützen. Dafür werden Beschichtungen aus Gold, Platin sowie einer Zinn-Nickel-Legierung getestet. Mit Goldbeschichtungen kam es vermehrt zu Inhomogenitäten sowie zu vereinzelten Stellen erhöhter Rautiefe, was einen Korrosionsvorgang des Schichtsystems bei anodischer Polarisation begünstigte. Im Gegensatz dazu wurde Platin mit geringerer Inhomogenität abgeschieden, wodurch bessere Korrosionsstabilität über einen längeren Polarisationszeitraum gewährleistet werden konnte. Bei der Zinn-Nickel-Beschichtung kam es während anodischer Polarisation zur Bildung von Oxiden an der Oberfläche. Diese wiesen gute Korrosionsstabilität auf, lösten sich bei andauernder Polarisation jedoch auf.

Die Auswirkung einer anodischen Nachbehandlung auf das Korrosionsverhalten von mikrorissigen und konventionellen-Chrom(III) Beschichtungen wurde in dieser Masterarbeit untersucht. Die Korrosionsbeständigkeit der Proben wurde durch verschiedene Methoden wie beschleunigte Salzsprühnebeltests, coulometrische Schichtdickenmessung, linearer Polarisationswiderstandstest und Impedanzspektroskopie bewertet. Die galvanisch abgeschiedenen Proben wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenanalyse (EDX) analysiert. Die Farbe der Proben wurde gemessen und verglichen, um die Auswirkungen der Nachbehandlung auf das optische Erscheinungsbild der Chromschicht zu untersuchen. Die Vickershärte der Proben wurde ebenfalls gemessen, um die Auswirkungen der anodischen Behandlung auf die Härte der Chromschicht zu untersuchen.

Neben der begrenzten Reichweite ist die lange Ladezeit der Batterie eines der Hauptargumente gegen den Umstieg auf batterieelektrische Fahrzeuge. Um den Zielkonflikt zwischen hoher Energiedichte und Ladezeit zu entschärfen, sind vor allem ausgereifte Schnellladealgorithmen entscheidend. Die Auslegung dieser erfolgt meist mittels vereinfachter Zellmodelle, wobei Inhomogenitäten in und zwischen den Zellen nicht ausreichend berücksichtigt werden. Aufgrund der steigenden Anzahl an parallel und seriell verschalteten Zellen zur Erreichung immer höherer Kapazitäten und Spannungsniveaus steigt die Auftretenswahrscheinlichkeit von Inhomogenitäten. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung zweier Ladeverfahren im Hinblick auf Inhomogenitäten auf Zell- und Modulebene, sowie die Ableitung von Implikationen für die Auslegung von Schnellladeverfahren. Dazu wurden die Sensitivitäten eines spannungsgeführten Ladeverfahrens und eines Stromstufenladeprofils gegenüber den Inhomogenitäten analysiert und verglichen. Zur Erreichung der Zielsetzung wurde ein Simulationsmodell aus elektrochemischen, elektrischen und thermischen Teilmodellen optimiert und Inhomogenitäten implementiert. Dabei wurde auf Modulebene insbesondere auf die Verschaltungsart sowie bei Parallelschaltung auf die Anzahl der miteinander verschalteten Zellen eingegangen. Die Ergebnisse zeigen, dass spannungsgeführte Ladeverfahren wesentliche Vorteile gegenüber Stromstufenladeprofilen, vor allem bei Innenwiderstandsänderung, besitzen. Bei serieller Verschaltung schützt die Auslegung auf die höchste Zellspannung und niedrigste Zelltemperatur beide Ladeverfahren effektiv vor kritischen Anodenpotentialen bei Inhomogenitäten. Aufgrund der sich einstellenden Spannungsunterschiede kann es jedoch zu einem Balancing-Bedarf nach Beendigung des Ladevorgangs kommen. Bei paralleler Verschaltung von Zellen konnten kritische Anodenpotentiale zum Ende des Ladevorgangs bei Innenwiderstands- und Ladezustandsabweichungen auf unterschiedliche Ladungseinträge in den Zellen zurückgeführt werden. Diese haben eine open circuit voltage (OCV)-Differenz zur Folge, was zu einer erhöhten Ladestrombelastung von Zellen mit geringerer Schnellladefähigkeit führt. Die Folge ist ein Absinken des Anodenpotentials bei allen Ladeverfahren. Bei spannungsgeführten Ladeverfahren führt die state of charge (SOC)-Differenz zusätzlich zu negativen Auswirkungen auf die Regelung, da der SOC in die Berechnung der Sollspannung eingeht. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, wurde ein SOC-Korrekturfaktor am Bespiel von Temperaturinhomogenitäten entwickelt und erfolgreich angewendet. Die Ergebnisse zeigen den Bedarf der Detektierbarkeit von Inhomogenitäten sowie der Berücksichtigung dieser in der Auslegung von Schnellladeverfahren.

Silizium (Si) gilt als einer der Kandidaten für den Ersatz von Graphit in Anoden von Lithium-Ionen-Batterien, da es mehr Energie speichern und somit die Leistungsfähigkeit verbessern kann. Die hohe mechanische Beanspruchung reinen Siliziums, die durch die starke Volumenänderung während der Lade- und Entladezyklen verursacht wird, sowie seine geringe elektrische Leitfähigkeit haben jedoch bislang eine breite Verwendung verhindert. Daher werden in dieser Arbeit Siliziumkomposite untersucht, um ihre kommerzielle Verwendbarkeit zu verbessern. Die folgende Studie konzentriert sich auf die Synthese und elektrochemische Untersuchung von Ti3C2 MXene-Silizium-Kompositen für Batterieanoden. Ti3C2 ist ein zweidimensionales Material, dessen gute mechanische Festigkeit und Leitfähigkeit dazu beitragen kann, die Probleme von Si-Anoden zu lösen. Die Charakterisierung der Ausgangsmaterialien (Si und Ti3C2 MXene Partikel) bestand in der Untersuchung ihrer Morphologie durch Rasterelektronenmikroskopie (REM), ihrer Größenverteilung mittels dynamische Lichtstreuung (DLS), ihrer chemischen Zusammensetzung durch energiedispersive Spektroskopie (EDS) und ihrer Kristallstruktur durch Röntgenbeugung (XRD). Elektroden unterschiedlicher Zusammensetzung wurden durch Herstellung einer Elektrodensuspension und anschließendes Rakeln auf eine Kupferfolie aufgebracht und durch optische Mikroskopie und SEM charakterisiert. Außerdem wurden Halbzellen mit diesen Elektroden hergestellt und Lade-Entlade-Zyklen bei verschiedenen Stromstärken durchgeführt. Zusätzlich wurden die elektrochemischen Prozesse durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Si durch das Hinzufügen von 20 bis 40% Ti3C2 zwischen 80 % und 89 % seiner theoretischen Kapazität erreichen kann. Im Vergleich dazu konnten mit reinem Si nur 56 % der theoretischen Kapazität erreicht werden. Diese Verbesserung erklärt sich durch eine Reduktion des Ladungsübergangswiderstands, die in den EIS-Ergebnissen beobachtet wurde. Die Elektrode mit 80 Gew.% Si und 20 Gew.% Ti3C2 erreichte die beste spezifische Kapazität nach 100 Lade-/Entladezyklen (640 mAh/g) gegenüber der der Si-Elektrode (572 mAh/g).

Aluminium und seine Legierungen sind neben Stahl die am häufigsten eingesetzten metallischen Werkstoffe. Aluminium bildet in Kontakt mit Luftsauerstoff eine dünne, passivierende Oxidschicht auf seiner Oberfläche aus, welche das Grundmaterial vor weiterer Korrosion schützt. Aluminiumoxid weist zugleich eine hohe Härte und gute Verschleißeigenschaften auf. Für technische Anwendungen, bei welchen hohe Anforderungen an Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bestehen, ist die Dicke der natürlich ausgebildeten Oxidschicht jedoch unzureichend. Die anodische Oxidation ist ein etabliertes Verfahren zur Steigerung der Oxidschichtdicke und somit auch der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Die Eigenschaften der Eloxalschicht (Porenstruktur, Sperrschicht) können durch die gewählten Prozessparameter (Stromdichte, Potential, Temperatur) und der Zusammensetzung des Elektrolyten (Art und Konzentration von Säure, Salzen und Additiven) gezielt beeinflusst werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss ausgewählter organischer Additive (Glycolsäure, Glycerin, Oxalsäure und Anilin) in einem Elektrolyten auf Schwefelsäure-Basis hinsichtlich der Verbesserung der Schichteigenschaften diskutiert. Die Wirkungsweise der Additive auf das Rücklöseverhalten, die Porenbildung und die Schichtstruktur wurden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) beim anodisieren der Aluminiumlegierung 7075 untersucht. Der Einsatz von Glycerin und Oxalsäure erwies sich hinsichtlich der Härte und rücklösungshemmender Funktion als vorteilhaft. Durch Zugabe von Glycolsäure und Anilin konnte keine signifikante Verbesserung festgestellt werden. Ein Additivgemisch liefert stark verbesserte Härteeigenschaften, insbesondere bei höheren Temperaturen. Es konnte anhand der XPS- und in-situ EIS-Ergebnisse gezeigt werden, dass eine Adsorption organischer Verbindungen im Oxid-Elektrolyt-Grenzfläche stattfindet, welche zur Bildung einer kompakteren Oxidschicht beiträgt und einerseits die Anzahl und Größe der Poren, anderseits das Rücklöseverhalten auf ein Minimum reduziert.