Dissertations

Transition metal dichalcogenide (TMD) nanoparticles have attracted much attention recently for lithium and sodium ion batteries (LIBs and SIBs) due to their layered structures, which act as host lattices when reacting with ions to yield intercalation compounds. In the present article, WS2 nanoparticles are modified through hydrogen plasma treatment, and the hydrogenated WS2 (H-WS2) nanoparticles demonstrate clearly enhanced electrochemical performance as an anode material for LIBs and SIBs. H-WS2 nanoparticles are fabricated via hydrogen plasma treatment at 300 ˚C for 2 hours. A transmission electron microscopy (TEM) investigation shows that the nanoparticles have a disordered surface layer with a thickness of around 2.5 nm after the treatment, and this is confirmed by the results of Raman spectroscopy. A shift in the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) peaks indicates that the structural surface disorders are incorporated in the crystalline structure. The H-WS2 based LIBs and SIBs possess significantly higher specific capacities at different current densities. In addition, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) reveals a drastic decrease in the charge-transfer resistance for both the LIBs and SIBs, which implies that the plasma hydrogenated electrode is more favorable for electron transportation during the electrochemical process. The improved rate performance of H-WS2 when applied to both LIBs and SIBs can be attributed to the reduced charge-transfer resistivity at the disordered surface layer and the improved electronic conductivity due to the disordered surface in the crystalline structure.

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Eigenschaftsspektrum der Al-Recyclinglegierung 226D (AlSi9Cu3Fe) unter Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung erweitert. Neben thermodynamischen Simulationen mit JMatPro® und der Vorgehensweise nach DfSS Design-for-Six-Sigma werden Legierungsversuche im Labor- und Industriemaßstab, Makrohärte- und Dichtemessungen, Kerbschlagbiege- und Zugversuche, Bestimmung der Dauerschwellfestigkeit, DSC- und Dilatometermessungen sowie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit EDX und zudem Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Die Kombination aus DfSS und JMatPro® liefert im ersten Schritt eine Einschränkung der Legierung 226D hinsichtlich intermetallischer Phasen und Dehngrenze. Laborversuche zeigen durch 0,1 wt% Mo die Unterdrückung von nadeligen ß-Al5FeSi Phasen und stattdessen die Bildung verrundeter neuartiger AlFeMoMnSi-Phasen. Dies führt zu einer um bis zu 35 % gesteigerten Bruchdehnung. Der Übertrag auf ein Druckguss-Kurbelgehäuse zeigt ebenso eine Kennwertsteigerung. Dabei können Gefügebestandteile sicher mit JMatPro® vorhergesagt werden. Dies wird durch REM und XRD bestätigt. Die reduzierte Auslagerung T5mod 200 zeigt im Vergleich zur Referenz bereits eine signifikant höhere Dehngrenze und teils erhöhte Dauerschwellfestigkeit bis Pü50 = 57 MPa. Diese Steigerungen sind auf veränderte Ausscheidungsspezies und -dichte zurückzuführen. Optimiertes Lösungsglühen findet bei 738 K (465 ˚C) mit 3 h Haltezeit statt und liefert in Kombination mit reduzierter Auslagerung bei 473 K (200 ˚C) die höchste Dehngrenze bis 300 MPa. Dies führt auch bei der Kurzzeitwarmfestigkeit zu deutlicher Kennwertsteigerung. Bei 500 h Temperaturbelastung ist allerdings nur bis 453 K (180 ˚C) ein Vorteil zu erzielen, wohingegen nach 473 K (200 ˚C) / 500 h alle Varianten auf Rp0,2 [rund] 150 MPa abfallen. Der Spagat zwischen hoher Dehngrenze und geringem irreversiblem thermischem Wachstum zeigt sich insbesondere zwischen Auslagerungstemperaturen sowie ein- bzw. zweistufiger Wärmebehandlung. Durch Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung wird eine deutliche Steigerung der korrelierenden Werte Quality-Index QIDJR und Sicherheitsprodukt Rp0,2 x A erreicht. Außerdem besteht ein tendenzieller Zusammenhang zwischen Sicherheitsprodukt und Kerbschlagarbeit.