Studienarbeiten

Anzahl der Treffer: 95
Erstellt: Wed, 06 Jul 2022 23:02:54 +0200 in 0.0641 sec


Zimmermann, Christoph;
Beschichtung von Bipolarplatten für die Sauerstoff-Elektrode in PEM-Elektrolyseuren. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

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.



Heß, Anna-Lena;
Systematische Untersuchung und Bewertung zur galvanischen Goldbeschichtung von Titannitrid. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Gegenstand dieser Arbeit ist der mögliche Einsatz von TiN-Schichten als Diffusionsbarriere zur Verhinderung der Oberflächendegradation von Goldoberflächen. Grundvoraussetzung für die Diffusionsuntersuchung an einem Gold-TiN-Schichtsystem ist eine sehr gute Haftung einer galvanisch aufgebrachten Goldschicht auf mittels PVD/CVD abgeschiedenen TiN-Schichten. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es somit, einen möglichen Prozessablauf für die haftfeste galvanische Goldbeschichtung von Titannitrid zu untersuchen. Durch einen Temperprozess nach der Vorvergoldung kann die Haftung des abgeschiedenen Vorgoldes soweit verbessert werden, sodass dieser Prozess als Haftungsgrundlage für die abschließend aufgebrachte Reingoldschicht dienen kann. Die Oxidation der TiN-Schichten während des Temperprozesses beim Zutritt von Sauerstoff beeinträchtigt die Haftung der Reingoldschichten stark. Unterschiedliche Vorbehandlungsabläufe, wobei vor allem die Nutzung einer kathodischen Entfettung entscheidend ist, beeinflussen die Beschichtung im Vorgold-Elektrolyten bezüglich der abgeschiedenen Materialmenge und der Gleichmäßigkeit der erzeugten Schicht. Dies wirkt sich auf das Dewetting der Schichten während des Temperprozesses aus. Jedoch zeigen nur Arc-TiN sowie CVD-Schichten dieses Verhalten, nicht die Magnetron gesputterten Schichten. Schichtstärke und Ofentemperatur bestimmen bei konstanter Haltezeit die Ausprägung des Dewettings. Es wurde somit demonstriert, dass die haftfeste galvanische Vergoldung von Titannitridschichten, wenn die beiden Faktoren Temperprozess und Vorbehandlung richtig gewählt sind.



Moazezi, Alireza;
The effect of post-treatment on corrosion behavior of micro-cracked chromium (III) coatings. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

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.



Menye Bimoa, Jeannette;
Pulsabscheidung für die elektrolytische Bandverzinkung. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden die frühen Stadien der Zinkabscheidung in einem sauren Sulfatelektrolyten auf Stahlsubstraten mit potentiostatischen Stromtransienten und in-situ Mikrogravimetrie (Quarzmikrowaage, QCM) untersucht. Die Abscheidung im Bereich des Abscheidungspotentials von Zink (-0,85 V vs. NHE) erfolgt durch spontane Nukleation und diffusionskontrolliertes zweidimensionales Wachstum. Die Auswertung der Massenzunahme mit hoher zeitlicher Auflösung in Abhängigkeit von der geflossenen Ladungsmenge mit der QCM zeigte, dass in den ersten Sekunden der Zinkabscheidung fast ausschließlich Wasserstoffentwicklung stattfindet. Weiterhin wurde das dendritische Wachstum bei Gleichstrom-, Pulsstrom- sowie Puls-Umkehrabscheidung in der Hull-Zelle untersucht. Dabei zeigte sich, dass Pulsstrom gegenüber Gleichstrom bezüglich des dendritischen Wachstums keinen Vorteil hat. Bei Puls-Umkehrabscheidung setzt die Dendritenbildung signifikant später ein.



Modellierung und Vergleich von Schnellladeverfahren für Lithium-Ionen-Batterien auf Zell- und Modulebene im Hinblick auf intra- und interzelluläre Inhomogenitäten. - Ilmenau. - 104 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

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.



Schöberl, Jan;
Untersuchung des thermischen Verhaltens von HV-Batteriemodulen im Fall eines thermischen Events auf Zellebene. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Aufgrund der zunehmenden Wettbewerbsfähigkeit von Elektroautos gegenüber Fahrzeugen mit konventionellem Verbrennungsmotor und gesetzlichen Regulierungen bezüglich der Reduktion von CO2-Emissionen, verzeichnen Elektroautos in Deutschland einen exponentiellen Anstieg in den Zulassungszahlen. Mit der Anzahl von elektrifizierten Fahrzeugen auf den öffentlichen Straßen steigt auch die Anzahl an Vorfällen mit brennenden Elektrofahrzeugen, was die Batteriesicherheit zunehmend in den Fokus von Kritikern der Mobilitätswende rückt. Im Zentrum der Batteriesicherheit steht das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Zellen (engl. thermal runaway) und die anschließende thermische Ausbreitung auf Nachbarzellen und in der Gesamtbatterie (engl. thermal propagation). Da die Sicherheit der Fahrzeuginsassen und die Umwelt bei einem thermischen Event erheblich gefährdet und die Sicherheit der Batterie auch für die Zertifizierung auf internationalen Märkten erforderlich ist, muss das thermische Verhalten einer Zelle im Fehlerfall besser verstanden werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit zunächst das thermische Durchgehen mit Hilfe von Messungen im adiabatischen Reaktionskalorimeter charakterisiert und anschließend der Einfluss des Ladezustands und der Modultemperatur auf die freiwerdende Energie und die thermische Ausbreitungsgeschwindigkeit im Zellmodul untersucht. Zudem wird die Impedanzmessung als Methode für eine frühzeitige Warnung vor einem bevorstehenden thermischen Event als proof of concept an parallel verschalteten Zellen bei verschiedenen Triggermethoden untersucht. Die Messungen im adiabatischen Reaktionskalorimeter und die Parametrierung einer internen Wärmequelle, welche auf einer Arrhenius-Gleichung basiert, zeigen, dass das Verhältnis zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeabfuhr entscheidend für die Stabilität der Lithium-Ionen-Zelle ist. Mit der Einflussanalyse an Zellmodulen konnte eine Zunahme der freigesetzten Energiemenge mit zunehmendem Ladezustand festgestellt werden. Zudem zeigt die Propagationszeit eine nichtlineare Abhängigkeit von der Modultemperatur und dem Ladezustand. Das thermische Durchgehen konnte mit einer Impedanzmessung bei einem thermisch initiierten Event anhand eines Gradienten im Realteil und im Überladefall anhand einer Zunahme des Polarisationswiderstands frühzeitig detektiert werden.



Rojas, Christopher;
Chemomechanical study of silicon composite anodes for lithium ion batteries. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

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).



Untersuchung des Einflusses von Temperatur und mechanischen Spannungen auf das Lithium-Plating in Lithium-Ionen-Zellen. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Der Verkehrssektor stellte im Jahr 2020 den drittgrößten CO2-Produzenten in Deutschland dar. Eine Möglichkeit in diesem Sektor Emissionen zu senken, besteht im Umstieg auf die Elektromobilität. Trotz eines großen Angebots an elektrisch angetriebenen Automobilen diverser Hersteller, schließen nach wie vor viele Menschen die Anschaffung eines batterieelektrischen Fahrzeugs für sich aus. Aus diesem Grund ist es nötig, Kaufanreize zu schaffen. Eine Möglichkeit besteht hierbei in der Verkürzung der Ladezeit und einer Steigerung der Batterielebensdauer. Bei beiden Aspekten stellt die Alterung der Lithium-Ionen-Batterie in Folge des Auftretens von Lithium-Plating ein großes Problem dar. Aus diesem Grund wurde der Degradationsmechanismus im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Auf Basis einer Erprobung und Optimierung von Laborzellen, welche für entsprechende Versuche eingesetzt werden sollten, war es das Ziel im Anschluss den Einfluss von Druck und Temperatur auf das Platingverhalten zu untersuchen. Mit Hilfe der Anwendung von Coulometrie und elektrochemischer Detektion konnte gezeigt werden, dass mit sinkender Temperatur das Plating-Verhalten zunimmt. Versuche zum Druckeinfluss konnten hingegen nicht durchgeführt werden, da in den dafür vorgesehenen Laborzellen kein Plating erzeugt werden konnte. Hierfür wurde jedoch durch die Neukonstruktion eines Laborzellenformats eine mögliche Grundlage geschaffen, um dies künftig weiter erforschen zu können. Abschließend wurde unter Einsatz einer Nutzwertanalyse ein Vergleich angestellt und gezeigt, dass eine weitere Optimierung des betreffenden Zellaufbaus sinnvoll ist.



Najafi, Mohammadshahabaldin;
Charakterisierung des Einflusses organischer Verbindungen beim Anodisieren der Aluminiumlegierung EN AW 7075. - Ilmenau. - 139 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

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.



Schmidt, Alexander;
Steuerung von technischen Parametern eines kombinierten Oberflächensystems durch Messung und Anpassung von elektrochemischen und tribologischen Eigenschaften seiner individuellen Schichten. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der Automobilindustrie wird vor allem in mechanisch und thermisch hochbeanspruchten Systemen nach wie vor auf metallische Bauteile zurückgegriffen. Besonders wichtig sind in diesem Kontext sicherheitsrelevante Verbindungselemente. Um diese Sicherheit zu gewährleisten, ist es zwingend erforderlich, Verbindungselemente vor äußeren Einflüssen zu schützen, sodass ihre Funktion auch über lange Zeiträume gewährleistet bleibt. Hierzu hat es sich bewährt, Schrauben in verschiedenen Verfahren zu beschichten, sodass ein ausreichender Korrosionsschutz vorliegt. Neben dem Korrosionsschutz sollen durch die Beschichtungen die Einhaltung weiterer geforderter Normen und Parameter wie tribologische Anforderungen gewährleistet werden. Um die Anforderungen zu erfüllen, kann keine allgemeingültige Beschichtungslösung beschrieben werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Bestandteile eines zinkbasierten Oberflächensystems in Verbindung mit geeigneten Nachbehandlungen auf das tribologische und Korrosionsschützende Verhalten untersucht, um Entwicklungen neuer Schichtsysteme zielführender und quantifizierbarer zu gestalten. Über Verschraubungsversuche wird der Einfluss der verschiedenen Schichtbestandteile auf das tribologische Verhalten charakterisiert. Hierbei zeigt sich, dass die Reibung und der adhäsive Verschleiß, überwiegend bei Verschraubung gegen Aluminium, mit der Schichthärte zusammenhängen und ein Aluminiumübertrag stattfindet. Maßgeblich für Reibung und Verschleiß ist dabei die äußerste Schicht des Oberflächensystems, welche im direkten Kontakt zum Reibpartner steht. Insbesondere durch das Aufbringen geeigneter Versiegelungen wird die Reibung unabhängig vom restlichen Schichtsystem und der Gegenlage gesteuert. Diesbezüglich konnten für organisch aufgebaute Versiegelungen besonders gute Schmierleistungen beschrieben werden. Die Rauigkeit der Oberfläche zeigt keinen signifikanten Einfluss auf das Reibungsverhalten. Die Korrosionsuntersuchungen (Ruhepotentialmessung, Tafel-Auswertung, neutraler Salzsprühnebeltest) zeigen, dass Zink-basierte galvanische Schichten einen geeigneten Korrosionsschutz liefern. Es wird nachgewiesen, dass der Korrosionsschutz durch Aufbringen von Konversions- und Versiegelungsschichten deutlich gesteigert wird. Im Gegensatz zur Tribologie ist dabei nicht nur die Grenzschicht, sondern die Kombination der Schichten bestimmend.