Studienarbeiten

Die meist genutzten Kontaktwerkstoffe für Hochleistungsschalter sind derzeit Silber/Zinn-Oxid. Silber ist teuer und die Nutzung von Zinnoxid, die notwendig ist um die mechanische Stabilität der Schicht zu gewährleisten, senkt die elektrische Leitfähigkeit des Komposit. MAX-Phasen sind potentielle Verstärkungsmaterialien für Kontaktschichten, da sie eine hohe Härte und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Das System Kupfer-MAX als Kompositschicht würde einen geeigneten Kandidaten für Kontaktwerkstoffe darstellen. Die elektrochemische Kompositabscheidung zur Herstellung von Verbundschichten ist ein einfaches Verfahren, um Partikel in ein Matrixmaterial einzubringen. Für die Abscheidung von Verbundwerkstoffen müssen die Partikel in den Elektrolytmedien durch verschiedene Stabilisierungsmöglichkeiten dispergiert werden. Dabei ist es grundlegend zu wissen, ob MAX Partikel im Elektrolyten chemisch stabil sind. Daher wurde in dieser Arbeit die chemische Stabilität von zwei kommerziellen MAX Phasen Partikeln (Ti3SiC2 und Ti2AlC) in 0,5 M Schwefelsäure, 0,8 M Kupfersulfat- und 0,01 M Natriumhydroxid-Lösung durch elektrochemische und nicht-elektrochemische Methoden (Immersionstest) untersucht. Die elektrochemischen Untersuchungen beinhalteten anodische Polarisationskurven und Tafel-Plots. Unter Verwendung von optischer Emissionsspektroskopie wurde die Partikelauflösung analysiert und zusätzlich eine Partikelcharakterisierung vor und nach dem Immersionstest mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Röntgendiffraktometrie und Zeta-Potential-Messungen durchgeführt. Beim Vergleich der Partikelsorten entsprechend der Ergebnisse aus optischer Emissions-spektroskopie weisen die MAX 312 Pulver eine gute chemische Stabilität im Sauren und Alkalischen auf, wohingegen die MAX 211 Pulver sich signifikant bis zu 36,1 Gew.-% im Kupferelektrolyt auflösen. Im Hinblick auf den Auflösungsmechanismus kann gemäß der M/A Verhältnisse eine verstärkte Auflösung der A Elemente festgehalten werden, wobei die Geschwindigkeit der Auflösung anfangs höher ist. Anhand der elektrochemischen Polarisationsversuche wurden für beide Pulver in 0,01 M Natriumhydroxid-Lösung Korrosionsstromdichten im [my]A/cm^2 Bereich festgestellt, wohingegen sie in 0,5 M Schwefelsäure für MAX 312 Pulver mit 10-5 A/cm^2 und MAX 211 mit 10-4 A/cm^2 höher sind. Die Korrosionspotentiale von MAX 312 sind im Vergleich zu MAX 211 um etwa 0,4 V positiver, weshalb von größerer elektrochemischer Stabilität auszugehen ist. Daher ist schlussfolgern, dass die Ti3SiC2 Partikel eine bessere chemische Stabilität im sauren Medium zeigen, aber beide Partikel am stabilsten in alkalischer Lösung sind.

Die Masterarbeit beschäftigt sich mit dem Vergleich verschiedener Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich ihrer Modifizierung mit Additiven und den daraus resultierenden Verbesserungen der elektrochemischen Eigenschaften. Im Fokus steht dabei der Vergleich der beiden Elektrolytadditive Vinylencarbonat (VC) und Diphenyloctylphosphat (DPOF). Während VC als konventionell eingesetztes Additiv für Li-Ion-Batterien gilt, wird DPOF nur in einigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen genannt. Dort werden ihm SEI-Schicht (solid electrolyte interface) verbessernde Eigenschaften und ein positiver Effekt auf die Zyklenrate zugeschrieben. Die verbesserten SEI-Schichteigenschaften hängen dabei mit der Bildung von Li3PO4 zusammen, was die Li-Ionen-Beweglichkeit in der SEI-Schicht verbessert. Weiterhin hat der Elektrolyt mit DPOF eine bessere thermische und elektrochemische Beständigkeit als additivfreier Elektrolyt. Die Untersuchungsverfahren die in dieser Masterarbeit zum Einsatz kommen sind Zyklovoltammetrie (ZV), galvanostatische Zyklierung, Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Es wurden die Potentialgrenzen der Elektrolyte mit verschiedenen Arbeitselektroden untersucht und dabei festgestellt, dass die Potentialgrenzen mit DPOF erweitert werden. Weiterhin wurden die Zyklierbarkeit, die Zyklenstabilität und die Ladung mit verschiedenen C-Raten verglichen. Hier konnte man auch eine positive Wirkung von DPOF feststellen. Durch REM-Aufnahmen von Graphitelektroden vor und nach dem Zyklieren konnten auch morphologische Unterschiede festgemacht werden. XPS-Messungen zeigten ebenfalls Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenschicht (SEI-Schicht) der Graphitelektrode nach dem Zyklieren mit verschiedenen Elektrolyten.

Diese Arbeit ist eine Machbarkeitsstudie einer wiederaufladbaren PEDOT-Aluminium-Batterie in ionischen Flüssigkeiten. Das Grundprinzip basiert auf der Ein-und Auslagerung von Chloridionen im Polymer sowie der Abscheidung und Auflösung von Aluminium in einer Chloraluminat-Schmelze. Beide Halbzellen zeichnen sich durch ein geringes Gewicht und kostengünstige sowie verfügbare Materialien aus. Die Charakterisierung des Redoxverhaltens und der Reversibilität der Halbzellen und des Batteriesystems erfolgte durch zyklische Voltammetrie sowie galvanostatische Lade- und Entlade-Experimente. Darüber hinaus wurden repräsentative PEDOT und Aluminiumelektroden vor und nach galvanostatischen Laden und Entladen mit einem Rasterelektronenmikroskop betrachtet. In Lewis-saurem Elektrolyt ist die reversible Abscheidung und Auflösung von Aluminium möglich. Das Cyclovoltammogramm zeigt die Abscheidung bei -0.2 V und die Auflösung bei 0,2 V gegen Al|Al(III). Darüber hinaus zeigt die PEDOT Halbzelle die schrittweise Einlagerung von Chloridionen bei 1,4 V, 1,9 V und 2,3 V und Auslagerung bei 0,7 V, 1,5 V und 1,8 V gegen Al|Al(III). Die Zellspannung des Systems in der Lewis-sauren Schmelze zeigt ein abnehmendes Entladungsplateau bei einer mittleren Zellspannung von 1 V. Die Energiedichte, bezogen auf die Aktivmasse von PEDOT, berechnet sich auf 228 Wh/kg, welche in der Größenordnung von Lithium-basierten Batteriesystemem eingeordnet werden kann. Die SEM-Untersuchungen zeigen, dass PEDOT eine poröse und granulare Struktur mit einer mittleren Korngröße von 2 um bis 20 [my]m aufweist. Die Dichte der Körner steigt mit der Menge an eingelagerten Chloridionen. Die oberflächliche Struktur von PEDOT nach galvanostatischen Laden und Entladen zeigt keine wesentlichen Veränderungen. Im Gegensatz dazu lagert sich auf der Aluminiumelektrode ein organischer poröser (0,4-1,4 [my]m) Film ab. Hinzukommend konnten kugelförmige Abscheidungen von Aluminium (˜28 [my]m) nachgewiesen werden. Ein Dendritenwachstum wurde nicht beobachtet. Im Allgemeinen, zeigt diese Arbeit erste Ergebnisse für ein alternatives Batterie-System mit hohen Energiedichten der PEDOT-Halbzelle. Die potentiostatische Abscheidung von PEDOT und das reversible Laden und Entladen einer PEDOT-Aluminium-Batterie in Lewis-sauren Chloraluminat-Schmelze ist machbar.

C-Si-Elektroden stellen aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazität eine zukunftsweisende Technologie zur Energiespeicherung in Lithium-Ionen-Batterien dar. Diese Bachelorarbeit befasst sich mit den Eigenschaften siliziumbasierter Elektrodenfilme und deren Zusammenhang mit der elektrochemischen Leistungsfähigkeit. Im Zuge dessen werden die Einflüsse von Bindemittel, Wassergehalt, Filmdicke und Substratbeschaffenheit auf die Elektrodenbeschichtung untersucht. Die Schichten werden hinsichtlich ihrer Homogenität und Flächenbeladung verglichen. Zur Charakterisierung werden außerdem rheologische Untersuchungen, Haftungstests und elektrochemische Messungen an Halbzellen durchgeführt. Die Elektrodenfilme werden weiterhin unter Einbeziehung des Herstellungsverfahrens betrachtet. Es werden unterschiedliche Misch- und Beschichtungstechniken angewendet, um die Übertragbarkeit der erhaltenen Ergebnisse zu prüfen.

In der Arbeit wurden die Beiden Phosphonsäuren ATMP und HEDP als Komplexbildner für Kupfer und seine Elektrolyte bzw. sein Abscheidungsverhalten untersucht. Dadurch ist es möglich mit alkalischen Lösungen zu arbeiten, auf Cyanid zu verzichten und trotzdem keine Zementation des Kupfers auf Eisen auszulösen. ür die Experimente werden die technischen Produkte verwendet: AP1 für ATMP und K60 für HEDP. Der Einsatz von ATMP führte zu Kupferabscheidung, die nur bei niedrigen Stromdichten zu relativ glatten, mattglänzenden Schichten führten. Erst mit dem Zusatz von HEDP zu diesen ATMP-Elektrolyten konnte die Arbeitsstromdichte gesteigert werden, obwohl wie die Spektroskopischen Untersuchungen bei kleinen Konzentrationen zeigt, keine Verdrängung das ATMP durch HEDP aus dem Kupfer-Komplex erfolgt. Schließlich führte der Einsatz von HEDP zu ATMP-freien Elektrolyten, die ein ähnliches Abscheidungsbild wie die Mischelektrolyte vorwiesen. Die HEDP Elektrolyte gaben aber Schwierigkeiten vom Ansatz her. Bei der Neutralisation der Säure mit NaOH traten zwischenzeitlich Ausfällungen der Natriumsalze auf, die zu nicht mehr ruhrbaren Schlämmen führten. In diesem Fall kommt möglicherweise die Neutralisierung mit KOH in Frage. Neben dem kathodischen Teil muss auch die anodische Auflösung von Kupfer berücksichtiget werden. Die hier anwendbaren Stromdichten sind gering, so dass auf große Anodenflächen geachtet werden muss. Weiterhin ist die anodischer Stromausbeute von der Komplexbildner Konzentration abhängig, wobei dies zur Anwendung von HEDP führt, verbunden auch mit beträchtlichen Verbesserung auf das Kathodenseite. Sowol das Kathodische als auch anodische Verhalten ist in Zusammenhang mit der Komplexbildung zu sehen, wobei die Thermodynamische Stabilitskonstanten der ATMP-Cu-Komplexe größer als die der HEDP-Cu-Komplexe ist. Unbekannt sind aber die kinetischen Größen von der Ligandenaustauschgeschwindigkeiten. Das gilt für die kathodische Seite hinsichtlich der Abspaltung des Chelatkomplexes und der sukzessiven Bindungsspaltung zwischen Kupfer und dem Ligandenionen. Auch auf der anodischen kann man wahrscheinlich davon ausgehen, dass der Cu HEDP-Komplex schneller gebildet wird. Zusätzliche Untersuchungen, die noch gemacht werden könnten, sind der Wechsel auf Kaliumhaltige Systemen, beim HEDP, die Untersuchung auch des niedrigen Stromdichtenbereiches, der Einsatz strukturell zu HEDP ähnlicher Komplexbildner, und die Ermittlung des optimalen pH-Werts für HEDP-Elektrolyt ausgehend von dem hier untersuchten pH-Wert von 9.