Master-/Diplomarbeiten

Im Vergleich zu dünneren Elektroden bieten ultradicke Elektroden ein günstiges Verhältnis von aktivem zu passivem Material, was zu günstigeren Preisen und weniger Verarbeitungsaufwand für Hochenergieanwendungen führt. Aufgrund von Beschränkungen des Li+-Massentransports zeigen herkömmliche dicke Elektrodenkonstruktionen bei hohen Entladungsraten jedoch oft eine schlechte Leistung. Eine ausgefeiltere Mikrostruktur der Elektrode kann dazu beitragen, diese Schwierigkeit zu mildern, z. B. durch Strukturgradienten. Dies kann z. B. durch zweischichtiges Gießen erreicht werden. Die Eigenschaften von LIB-Elektroden können einen Zweilagenauftrag verschiedener Suspensionen beeinflusst werden. Verbesserte Eigenschaften sind in der Literatur nachgewiesen worden. Das Auftragen einer zweiten Schicht auf eine bereits getrocknete erste Schicht zeigt jedoch Beeinträchtigungen. Diese können vermieden werden, indem die entsprechenden zwei Suspensionen durch eine zweischichtige Schlitzdüsenbeschichtung gleichzeitig aufgetragen werden, was auf einer Pilotlinie oder mit Produktionsanlagen erfolgen kann. In dieser Arbeit wurde als Konzept zur Nachahmung des großtechnischen Prozesses ein Prozess im Labormaßstab untersucht, bei dem zwei Schichten ohne Zwischentrocknung aufeinander mittels Rakelauftrag für NCM851005 mit unterschiedlichen Partikelgrößen aufgetragen wird. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Zielparameter für die rheologischen Eigenschaften der Suspensionen und für einen zweischichtigen Beschichtungsprozess mittels Rakelapplikation erforscht. Im zweiten Teil wurden geeignete Methoden zur Charakterisierung von Dicke, Massebeladung und Dichte der einzelnen Schichten der hergestellten zweischichtigen Strukturen entwickelt. Zur Berechnung der Flächenbeladung einer Einzelschicht von Zweischicht-Elektroden wurde der Massenanteil eingeführt. Der berechnete Massenanteil der einzelnen Schicht wurde durch elektrochemische Messungen in einer Halbzellenanordnung gegen Li/Li+ in Knopfzellen verifiziert. Schließlich wurde die Porosität der einzelnen Schichten der Zweischicht-Elektrode mit Hilfe der optischen Bildanalyse (ImageJ) gemessen und die Zuverlässigkeit dieser Messung anhand von MIP-Messungen und mit Hilfe der aus dem Gewichtsanteil berechneten Porosität überprüft.

Die Forschung zur Herstellung von grünem Wasserstoff zur Dekarbonisierung des Energiesektors gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ähnlich zur Wasserelektrolyse, bei der Wasser unter Anwendung einer externen Spannungsquelle in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, nutzt die Photolyse direkt das Sonnenlicht als erneuerbare Quelle zur Generierung der notwendigen Spannung. Kupfer(I)-oxid (Cu2O) ist ein attraktives Material für diese Anwendung. Aufgrund der geeigneten Bandlücke von etwa 2eV und passenden Bandpositionen sowie niedriger Herstellungskosten, die mit der Verfügbarkeit von Kupfer (Cu) zusammenhängen, ist Cu2O ein vielversprechender p-Halbleiter, der für die Wasserstoffentwicklung Einsatz findet. Jedoch leidet dieses Material in photoelektrochemischen (PEC) Anwendungen unter Photokorrosion. Diese Arbeit integriert deshalb eine Schicht aus Kupfer(II)-oxid (CuO), welche eine bessere Photostabilität als Cu2O in wässrigen Elektrolyten aufweist. Ein poröses Cu-Gerüst wird durch elektrochemische Abscheidung aus einem Cu-Sulfat-Elektrolyten hergestellt. Die Struktur mit vergrößerter Oberfläche dient als Substrat für die anschließende potentiostatische Abscheidung der photoaktiven Cu2O-Schicht aus alkalischer Cu(II)-Citratlösung (pH 12). Die Proben werden dann in Luft bei unterschiedlichen Temperaturen und Glühzeiten thermisch oxidiert, um verschiedene Cu2O/CuO-Heterostrukturen zu erhalten. Mit Röntgendiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie, sowie Linear-Sweep-Voltammetrie (LSV) und Chronoamperometrie unter gepulster Beleuchtung werden die Materialeigenschaften charakterisiert. Die LSV-Ergebnisse zeigen, dass Proben mit einer dünnen, homogenen Schicht aus Cu2O Photoströme von bis zu −3.4 mA/cm2 bei −0.1 V vs. RHE und −2.2 mA/cm2 bei 0 V vs. RHE in 0.5M Na2SO4 (pH 5.7) ermöglichen. Ein niedriger Dunkelstrom bleibt erhalten (−0.16 mA/cm2 bei 0 V vs. RHE). Die Heterostrukturen senken den Photostrom auf −1.4 mA/cm2 bei 0 V vs. RHE und der Dunkelstrom erhöht sich (−0.35 mA/cm2 bei 0 V vs. RHE). Diese Erkenntnisse entsprechen nicht den Ergebnissen von flachen Cu2O/CuO-Heterostrukturen aus der Literatur und offenbaren einen neuen Aspekt durch die Verwendung poröser Cu-Substrate. Das Substrat ist beim Ausglühen erheblichen Materialspannungen ausgesetzt, welche zu Nanodrahtwachstum und Oberflächenrissen führen können. Dennoch zeigen die porösen Cu2O/CuO-Photokathoden in Abwesenheit von teuren Katalysatoren oder Schutzschichten eine verbesserte Photostabilität. Nach 1h gepulster Beleuchtung bleibt die Photoaktivität bei etwa 20% des ursprünglichen Photostromes. Hingegen sinkt die Photoaktivität von Cu2O-Photokathoden nach 1h auf <5%. Im Allgemeinen bietet diese Arbeit daher einen Ansatz für die Herstellung von kostengünstigen und stabilen Photokathoden aus verfügbaren Materialien für die solare Wasserstoffproduktion.

Im Fokus der Arbeit steht die quantitative Beschreibung der Faserlänge im Recyclingprozess von Organoblechen. Dabei liegt das Augenmerk auf einer Variation der unterschiedlichen Prozessparameter und der daraus resultierenden Faserlänge. In einer umfangreichen Literaturrecherche werden die unterschiedlichen Recyclingprozesse von langfaserverstärkten Thermoplasten betrachtet. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse werden die Vorversuche, die der Definition des Versuchsplans dienen, durchgeführt. Die Durchführung der Hauptuntersuchungen basiert auf den Erkenntnissen der vorangegangenen Vorversuche. Nach einer manuellen Vorzerkleinerung der Organobleche werden diese durch eine Schneidmühle mechanisch zerkleinert. Mit diesem Rezyklat wird an einem Doppelschneckenextruder unter der Hinzugabe von Neugranulat Faser-Kunststoff-Granulat bei einer Variation des Faservolumengehaltes, der Verarbeitungstemperatur und der Schneckendrehzahl hergestellt. Die Auswertung der Faserlänge erfolgt an einem Lichtmikroskop. Die Herstellung von Probekörpern aus dem Faser-Kunststoff-Granulat erfolgt an einer Spritzgussmaschine unter der Variation der Ausgangsfaserlänge in Kombination mit dem Faservolumengehalt, des Staudruckes und der Schneckendrehzahl. Die Auswertung der Faserlänge dieser Probekörper erfolgt ebenfalls an einem Lichtmikroskop. Es wird gezeigt, dass bei dem Extrusionsprozess der Faservolumengehalt, die Verarbeitungstemperatur und die Schneckendrehzahl einen Einfluss auf die resultierende Faserlänge haben. Der Einfluss der Ausgangsfaserlänge, des Staudruckes sowie der Schneckendrehzahl im Spritzgussverfahren erweist sich als signifikant. Auf Basis der Faserlängenverteilungen werden die quantitativen Zusammenhänge dargestellt.

Ziel dieser Masterarbeit ist es, den bestehenden Testeinsatz eines Absolutdrucksensors, der zur Überwachung der Vakuumqualität zwischen zwei miteinander verbundenen Wafern, dem Substrat und dem Membranwafer, eingesetzt wird, zu bewerten und weiterzuentwickeln. Im Rahmen der Untersuchung wurde die Messung des Testfeldes entsprechend dem theoretischen Wheatstone-Brücken-Layout umprogrammiert, und es wurden Offset-Spannungen an verschiedenen Pin-Konfigurationen gemessen, um deren Auswirkungen auf die Ausgangsspannungen zu untersuchen. Anschließend wurden zu Vergleichszwecken verschiedene Vakuumbedingungen auf den Testfeldern ausgewählter Wafer angewandt und die Ausgangsspannungen beobachtet, um eine eindeutige Aussage über den Zustand des Drucksensorelements zu treffen. Darüber hinaus wurden in der Studie auch die Auswirkungen auf die Offset-Spannungen des Sensorelements aufgrund von Prozessvariationen in der XMS30-Technologie untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein verbessertes Drucksensorelement vorgestellt, das mit Hilfe der ANSYS-Simulation Software modelliert wurde, um die mechanischen Auswirkungen auf Sensoren mit unterschiedlichen Membrandicken zu berechnen, einschließlich maximaler Auslenkung, Spannungsverteilung und Dehnungsprofil. Die Auswirkungen des Differenzdrucks wurden ebenfalls simuliert, um festzustellen, wie sie die Auslenkung und damit die Ausgangsspannung beeinflussen. In dieser Studie wurden verschiedene Ausrichtungen, Formen, Größen und Windungen von Piezowiderständen simuliert, um ihren Einfluss auf die Spannungsverteilung zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass die Empfindlichkeit der Drucksensorelemente durch eine Änderung des Designs, der Form und der Platzierung der Piezowiderstände auf einer bestehenden Membran verbessert werden kann. Darüber hinaus wurde vorgeschlagen, die Membran zu vergrößern, um eine bessere Überwachung der Vakuumqualität des Sensors zu erreichen.

Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von nichtlinearen Dehnpfaden auf die Grenzformänderungskurve (FLC) zu betrachten und unterschiedliche Modelle zur Vorhersage der Einschnürung von nichtlinearen Dehnpfaden bei Verpackungsstahl zu erproben. Hierfür wurden im Rahmen dieser Arbeit fünf nichtlineare FLCs aufgenommen und miteinander verglichen. Zusätzlich werden zwei unterschiedliche Modelle hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für beliebig nichtlineare Dehnpfade anhand zwei praktischen Dehnpfaden erprobt. Es zeigte sich, dass nichtlineare Dehnpfade einen starken Einfluss auf das Umformvermögen von Verpackungsstahl haben. Im direkten Vergleich mit einer FLC im ausgangszustand mit linearen Dehnpfaden, weisen nichtlineare Dehnpfade für das untersuchte Material ein geringeres Umformvermögen auf. Dieses Verhalten konnte durch beide Modelle wiedergegeben werden. Weiterhin war es durch einmalige Kalibrierung der Modelle möglich, beliebige nichtlineare FLCs zu modellieren, welches eine erhebliche Zeitersparnis in der Beschreibung neuer Materialien mitberingt. Zudem ist es möglich, diese Modelle in der Simulation als Versagenskriterium einzubinden, und damit die Prognosegenauigkeit zu erhöhen.