Elektrochemische Herstellung von Zinn-Nickel-Dispersionsschichten mit Titandioxidpartikeln. - 103 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Ein potentieller Ersatz für dekoratives Chrom mit hervorragender Korrosions- und Verschleißbeständigkeit stellt eine Legierung aus Zinn und Nickel in equiatomarer Phase dar. Diese Modifikation kann nur durch elektrochemische Verfahren hergestellt werden. Ziel ist die Abscheidung von Zinn-Nickel-Dispersionen, um eine Kombination mit den Vorzügen von Titandioxid zu erreichen. Es ist als Halbleiter optisch aktiv und ermöglicht die Zersetzung organischer Substanzen an dessen Oberfläche. Im Rahmen dieser Arbeit konnten erfolgreich Dispersionsschichten mit nanoskaligen Partikeln aus einem chloridisch-fluoridischen Legierungselektrolyten hergestellt werden. Durch Messmethoden wie RFA, EDX, XRD und elektrochemische Analysetechniken wurden die Schichten hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Zusammensetzung untersucht. Der mittlere Gehalt an Titandioxid beträgt 1,4 m-% bei einem gleichbleibenden Verhältnis von Zinn und Nickel. Die inneren Spannungen werden durch den Partikelzusatz nicht signifikant beeinflusst, während die Korrosionsbeständigkeit leicht abnimmt. Neben der Phase SnNi wurde die Existenz weiterer Zinn-Nickel-Phasen, sowohl in den partikelfreien Schichten als auch in den Dispersionsschichten, festgestellt.
Oberflächen- und Grenzflächencharakterisierung der chemisch Palladium bekeimten HTCC-Keramiken zur autokatalytischen Vernickelung. - 89 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Im Rahmen dieser Arbeit wurden HTCC-Multilagenkeramiken, die mit einer Wolfram- oder Wolfram/Molybdänpaste bedruckt sind, mit Palladium bekeimt und anschließend mit einer haftfesten Nickel-Bor-Legierungsschicht beschichtet. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Oberflächen- und Grenzflächencharakterisierung des Schichtsystems und speziell auf der Palladiumbekeimung. Hierfür wurden umfangreiche Versuche durchgeführt, um den Bekeimungsprozess zu optimieren und dementsprechend eine fehlerfreie, haftfeste und gleichmäßige Nickel-Bor-Abscheidung zu gewährleisten. Die Bewertung der Untersuchungen erfolgte auf der Basis von Schichtdickenuntersuchungen, Lichtmikroskopaufnahmen, zweidimensionalen Rauheitsmessungen und Tape- und Tempertests. Zudem wurden mittels Rasterkraftmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie die Entstehung und das Wachstum der Palladiumkeimschicht untersucht. Weiterhin wurde mit Hilfe von 3D-Oberflächenmessungen nachgewiesen, inwiefern die eingesetzten Vorbehandlungen eine Auswirkung auf die Rauheit der bedruckten Keramiken ausüben und die Haftung des Schichtverbundes beeinflussen. Ebenfalls wurde die Auswirkung einer unterschiedlichen Wärmebehandlung auf Härte, Schichtstruktur und Haftung der Nickel-Bor-Schichten analysiert. Hierfür wurden Röntgendiffraktometrie-Messungen und instrumentierte Eindringprüfungen vorgenommen. Mögliche Diffusionsvorgänge innerhalb der Grenzflächenschicht (Metallisierungspaste / Palladiumkeimschicht / Nickel-Bor-Schicht) wurden durch Rasterelektronenmikroskopie bewertet.
Untersuchung verschiedener Speichertechnologien zum Aufbau hybrider Energiespeicher für elektrische Fahrzeuge. - 93 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
In dieser Arbeit werden anhand von elektrischen Ersatzschaltbildern mathematische Modelle für einen Doppelschichtkondensator, einen Lithium-Ionen-Kondensator sowie für Lithium-Ionen-Zellen definiert und in einer Simulationsumgebung umgesetzt. Neben einer mathematischen Definition der Energiespeicher, wird unter anderem in einer elektrischen Simulationsumgebung das Verhalten der Speicher betrachtet. Durch die Kombination von verschiedenen Speichertechnologien zu hybriden Energiespeichern ist es möglich, diese zu optimieren und den speziellen Anforderungen an Leistung und Energie gerecht zu werden. Mithilfe der erstellten Modelle werden Untersuchungen für unterschiedliche Einsatzfälle von Energiespeichern bei verschiedenen Lastprofilen, Konfigurationen sowie Topologien durchgeführt.
Poröses Silizium als Anode für Lithium-Ionen-Batterien - Herstellung und Charakterisierung von gedruckten Batteriezellen. - 120 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Neben der Energiegewinnung spielt die elektrische Energiespeicherung im Zuge des Ausbaus des Anteils Erneuerbarer Energien für die Stromversorgung in Deutschland und der sich entwickelnden Elektromobilität eine tragende Rolle. Für beide Anwendungen sind elektrochemische Speicher aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Kompaktheit, Flexibilität und Leistungsfähigkeit besonders gut geeignet. Die Lithium-Ionen-Batterie ist ein Vertreter im Bereich elektrochemischer Energiespeicher, der diese Anforderungen besonders gut erfüllt. Durch den Einsatz und die Entwicklung kostengünstiger und effizienter Elektrodenmaterialien sowie einer großtechnischen Herstellungsweise kann dieses Speicherkonzept zukünftig eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von Speichersystemen spielen. Zur Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie soll in dieser Arbeit Silizium als aktives Elektrodenmaterial mit einer bis um den Faktor 11 höheren Speicherfähigkeit im Vergleich zum derzeit verwendeten kohlenstoffbasierten Material eingesetzt und untersucht werden. Die nachfolgende Masterarbeit ist in zwei Versuchsteile gegliedert. Im ersten Versuchsteil liegt der Schwerpunkt zunächst auf der Charakterisierung des eingesetzten Silizium-Rohmaterials. Darauf folgen die Verarbeitung des Materials sowie die Entwicklung von Elektrodenpasten bestehend aus Graphit (als Referenz) und Silizium. Hierbei wird das Silizium Rohmaterial mit ausgewählten Bindemitteln vermischt und dahingehend optimiert, dass eine großflächige Beschichtung mittels Rakelverfahren möglich wird. Für die Herstellung der Pastensysteme werden verschiedene Bindemittel verwendet. In einem zweiten Versuchsteil erfolgt letztlich die Evaluation der Beschichtungsergebnisse in Verbindung mit der elektrischen Charakterisierung der prozessierten Elektroden. Hierzu werden die hergestellten Elektroden in Testzellen verbaut und zykliert. Dabei werden die Fertigungsschritte des Zellbaus sowie das Vorgehen bei der Zyklierung im Einzelnen vorgestellt. Abschließend werden die erzielten Ergebnisse vergleichend diskutiert und ein Ausblick für zukünftige Forschungsarbeiten gegeben. Als Resultat der Elektrodenherstellung und der angestellten Optimierungsmaßnahmen können Graphit-Elektroden mit Kapazitäten von 338 mAh/g (1. Zyklus) bzw. 232 mAh/g (nach 40. Zyklen) mit einem energetischen Wirkungsgrad von bis zu [eta]_Wh= 96,1 % sowie mit einer Coulomb-Effizienz von bis zu [eta]_Ah= 99,8 % erzielt werden. Darüber hinaus erreichen die entwickelten Silizium-Elektroden nutzbare Kapazitäten von bis zu 1965 mAh/g bei einem energetischen Wirkungsgrad von [eta]_Wh= 88,78 % und einer Coulomb-Effizienz von [eta]_Ah= 90,3 %.
Optimierung einer Aluminium-Silzium-Druckgusslegierung im Hinblick auf Korrosionsneigung und Klebbarkeit. - 110 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
In der vorliegenden Bachelorarbeit wird der Einfluss der Legierungselemente Zink, Kupfer und Magnesium, auf die Korrosionsneigung und Klebeeignung einer wärmebehandelten Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung untersucht, wobei das Ziel ein Optimierungsvorschlag bezüglich der Zusammensetzung ist. Im Weiteren werden die für diese Legierung günstigsten Parameter der nasschemischen Oberflächenvorbehandlung bestimmt. Das Schleifen der Oberfläche als zusätzlicher Vorbehandlungsschritt wird ebenfalls untersucht. Hierbei wird in einem ersten Schritt die Oberfläche der Proben durch Photoelektronenspektroskopie und Glimmentladungsspektroskopie charakterisiert. Zur Untersuchung der Korrosionsneigung werden die Proben für eine definierte Zeit in eine Salzsäurelösung (2,5 %) gelegt. Außerdem werden die Proben für mehrere Tage in einen Salzsprühnebeltest mit wechselnden klimatischen Bedingungen gegeben. Im Weiteren werden durch Stromdichte-Potential-Messungen die Korrosionspotentiale und die Korrosionsstromdichten in Abhängigkeit von der jeweiligen Elementkonzentration ermittelt. Zur Auswahl der Oberflächenvorbehandlungsparameter werden die behandelten Versuchskörper ebenfalls dem erwähnten Salzsprühnebeltest ausgesetzt. Außerdem wird durch XPS-Messungen die Klebeeignung des jeweiligen Parametersatzes untersucht. Die Kurz- und Langzeitbeständigkeit der Versuchskörper wird durch den Zugscherversuch nach DIN EN 1465 ermittelt. Zur Untersuchung der Langzeitbeständigkeit werden die Versuchskörper für einen bestimmten Zeitraum einer Kochsalzlösung bei erhöhter Temperatur ausgesetzt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Elemente Kupfer und Zink einen erkennbaren Einfluss auf die Korrosionsneigung besitzen. Außerdem kommt es ab einer Zinkkonzentration von 0,7 Ma.-% nach dem Langzeitstabilitätstest zu Unterwanderungen der Klebeflächen. Ein Einfluss des Elementes Magnesium auf die Korrosionsneigung kann nicht festgestellt werden. Außerdem stellt sich heraus, dass das Schleifen der Versuchskörper zu einer Senkung der Korrosionsneigung führt. Bei den Untersuchungen zur Oberflächenvorbehandlung zeigt sich, dass vor Allem die Entfetterlösung und Entfettungszeit einen Einfluss auf die Korrosionsneigung und die Klebeeignung der Oberfläche besitzen.
Untersuchungen zur Reaktionskinetik im atmosphären CVD-Verfahren. - 85 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
Um die Beständigkeit metallischer Bauteile gegen korrosive Angriffe von Säuren und Wasser zu schützen, werden diese über ein atmosphärisches CVD-Verfahren bei mittlerer Temperatur mit einer Siliciumoxidschicht versehen. Die Aufgabe bestand darin den Beschichtungsprozess zu optimieren, mit dem Ziel die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Reaktionsmechanismen der eingesetzten Precursoren bilden die Grundlage für die Interpretation von Versuchen mit verschiedenen Kombinationen der relevanten Beschichtungsparameter. Infolge dessen wurden die Versuchsparameter standardisiert und unter Verwendung neuer Precursoren angewendet. Als Haupteinflussgröße zur Verbesserung des Beschichtungsprozesses konnte die Anströmung der Bauteile ermittelt werden. Bei der Untersuchung der unterschiedlichen Precursoren zeigte sich, dass eine Precursorkombination mit gezielter Variation der Seitenketten bezogen auf die Zielsetzung Korrosionsschutz die besten Resultate erzielte.
Vergleich und Bewertung galvanisch abgeschiedener Dünngoldschichtsysteme hinsichtlich verschiedener Oberflächentopografien und der daraus resultierenden Bondbarkeit. - 118 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Galvanisch abgeschiedene Goldschichten schaffen die Voraussetzung, Komponenten, deren Substratmaterialien aus Stahl- oder Stahllegierungen bestehen, mittels Golddrahtbonden zu verbinden. Dieser Prozess basiert darauf, zwei Oberflächen durch metallische Interdiffusion zusammenzufügen. Es wird das Ziel verfolgt, die Adhäsion zwischen Drahtbond und Bondoberfläche unter Verwendung einer möglichst dünnen Goldschicht zu verbessern. Als Substrat werden Transistor-Outline-Sockel (TO-Sockel) verwendet, welche bei der Montage opto-elektronischer Bauteilkomponenten eingesetzt werden. Diese bestehen aus Kovar, einer Legierung aus Eisen, Nickel und Kobalt, und werden zum Korrosionsschutz mit einer Nickelschicht und für den nachfolgenden Drahtbondprozess mit einer Goldschicht galvanisch beschichtet. Um den Einfluss auf die Drahtbondbarkeit zu überprüfen, wird der Beschichtungsprozess sowie die Oberflächentopografie des TO-Sockels variiert und anschließend auf die erzeugten Oberflächen gebondet. Auf Grundlage von Zugtests zur Überprüfung der Haftung zwischen Drahtbond und Goldoberfläche ist es möglich, Rückschlüsse auf den Einfluss der abgeschiedenen Schichten auf die Verbindungsqualität zwischen Bond und Oberfläche zu ziehen. Hierbei werden die gebondeten Drähte bis zum Bruch auf Zug belastet und der maximale Wert der Kraft festgehalten. Weiterhin werden das Substrat, die Schichten sowie die Drahtbondverbindungen mit verschiedenen Analysemethoden untersucht. Unterteilt sind die Beschichtungsvariationen in die drei Kategorien Schichtdicke, Schichtsystem und Topografie. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass durch durchdachtes Kombinieren und Anpassen von Substrat- und Schichtmaterialien eine deutliche Reduzierung der Schichtdicken möglich ist. So kann die Gold-Schichtdicke durch das zusätzliche Abscheiden einer 0,05 [my]m dicken Palladium-Diffusionssperrschicht bei nahezu identischen Zugkräften von 0,30 [my]m um 80% auf 0,06 [my]m reduziert werden. Durch gezielte Kombination der Nickel- und Palladium-Schichtdicken könnte die Gold-Schichtdicke noch weiter reduziert werden. Weiterhin liefert eine geeignete Aufrauhung des Substratmaterials vor der Beschichtung erhöhte Zugkräfte. Somit wäre es möglich, mittels der Variation von Ätzmitteln, Ätzzeiten und Konzentrationen, eine optimale Oberflächentopografie zu erzeugen, um somit die Schichtdicken des Nickel/Gold-Systems zu reduzieren.
Produkt- und Prozessdesign für Großserienschnittstellen in der Fertigung von neuen Lithium-Ionenbatterien. - XI, 85 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die Forderungen nach effizienteren und größeren Energiespeichern beschäftigen die Energiespeicherhersteller. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Realisierung einer neuen Lithium-Ionen Batteriezelle und zeigt einen Vergleich zu herkömmlichen Designs auf. Basierend auf der Idee eines neuen Lithium-Ionen Batteriekonzeptes, wird zunächst eine Prozesskette entwickelt und an Hand dieser einzelne Prozessschritte herausgearbeitet. Für dieses neue Batteriedesign wird ein Werkstückträger konstruiert und an reellen Zelldummys getestet. Durch elektrische und elektrochemische Untersuchungen werden Verhaltenseigenschaften der Zelle in Form von Widerständen und der Zellausdehnung aufgezeigt. Zum Schluss wird ein Ausblick für einen Werkstückträger gegeben, der es ermöglicht mehrere Zellen aufzunehmen, um Produktionskosten einzusparen.
Untersuchung der Morphologie und elektrochemischen Eigenschaften von Elektroden für Lithium-Ionen Batterien in Abhängigkeit des temperierten Kalandrierens. - 79 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Entscheidend für die Leistungsfähigkeit einer Lithium-Ionen Sekundärbatterie ist es, das optimale Verhältnis zwischen elektronischer und ionischer Leitfähigkeit herzustellen. Durch exaktes Kalandrieren der Elektrode auf den bestmöglichen Porositätswert ist dies erreichbar. Grundsätzlich werden die Energiedichte sowie die mechanischen Eigenschaften der Elektroden durch das Kalandrieren verbessert. Für niedrige Porositäten resultieren höhere Energiedichten, allerdings wird die Leistungsfähigkeit der Elektroden aufgrund des auftretenden Blockiereffektes des Binders an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche gemindert. In dieser Arbeit wird der grundlegende Einfluss des temperierten Kalandrierens auf die Morphologie und die elektrochemischen Eigenschaften von NCM-Kathoden untersucht. Hierfür werden drei unterschiedliche Flächenkapazitätswerte der Kathoden analysiert (2,0 mAh/cm 2, 2,8 mAh/cm 2 und 3,6 mAh/cm 2). Die Auswirkungen der Kalanderparameter, wie Kalanderspalt und Walzentemperatur, auf die Porosität werden zu Beginn der Arbeit untersucht. Bei höheren Kalanderwalzentemperaturen wurde eine Schichtstärkenzunahme festgestellt, wodurch die Kompaktierung der Elektroden zunehmend schwieriger wird. Dieser Effekt wurde mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX), Röntgenbeugung (XRD) und dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) untersucht. Anhand jener Ergebnisse wird versucht, den auftretenden Effekt zu erklären. Weiterhin wird gezeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden für niedrige Porositäten gesteigert werden kann. Elektroden, die bei einer Temperatur von 100˚C kalandriert wurden, zeigten aufgrund der Umstrukturierung des Bindernetzwerkes eine geringere Leitfähigkeit gegenüber denen bei Raumtemperatur. Im letzten Teil der Arbeit werden die Zusammenhänge zwischen den morphologischen und elektrochemischen Analysen aufgezeigt. Dabei werden C-Raten-Tests von Halbzellen gegenüber Lithium-Anoden (EL-Cells) durchgeführt, um die Entladefähigkeit der Kathoden zu bewerten. Langzeitzyklierungstests von Vollzellen gegenüber Graphit-Anoden (Pouch- Zellen) bei einer Entlade-C-Rate von 3C, dienen der Bewertung der Langzeitstabilität der Kathoden.
Über die Polymerisation von PEDOT in verschiedenen Medien. - 72 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Herstellung und Charakterisierung von Poly(3,4-ethylendioxylthiophen) (PEDOT)-Schichten. In dieser Arbeit wurden die PEDOT-Schichten durch Chronopotentiometrie (CP) in wässeriger Lösung bzw. in Acetonitril-Lösung und in ionischer Flüssigkeiten abgeschieden. Anschließend wurde der Memory-Effekt der PEDOT-Schicht mit Cyclovoltammetrie (CV) untersucht. Ebenfalls wurden durch eine In-situ Analyse mit elektrochemischer Quarzmikrowaage (EQCM) und Ex-situ Analyse mit Rasterelektronenmikroskop (REM), die Eigenschaften der PEDOT-Schichten mit PTFE- oder Diamant-Partikeln analysiert. Es wurde festgestellt, dass in ionischen Flüssigkeiten und ionischen Flüssigkeiten: Acetonitril Mischungen kein Memory-Effekt von PEDOT-Schichten auftritt. Außerdem wurde in dieser Masterthesis herausgefunden, dass durch die Präsenz der Partikel in der PEDOT-Schicht, die Eigenschaften der Schichten beeinflusst werden könnten.