Redox Flow Batteries are chemical based energy storage systems that accumulate energy in liquid electrolytes. Dissolved redox active substances undergo redox reactions in an electrochemical cell and so charge and discharge a battery. Recently, the introduction of organic materials as electrolytes raised research interest. Electrolytes that operate with the bromine/bromide redox couple are interesting due to their high energy density and fast reversible kinetics. They are used in combination with several anodic chemistries (e.g. Zinc, Hydrogen, Quinone), including organic materials.Due to the corrosive and volatile nature of bromine, practical electrolytes use Bromine Complexing Agents (BCAs) in order to bind bromine in a less volatile form and deal with safety issues. These additives have a strong influence on the battery’s operation by influencing the concentration of redox active species, the cell voltage and the electrolyte conductivity. Nevertheless, very little is known about the real properties of aqueous acidic bromine electrolytes, both in pure dilution and in presence of BCAs, which influence on the electrolyte is not predictable so far. The aim of this PhD project is to provide a comprehensive understanding of the behavior of an electrolyte based on bromine and bromide, with particular reference to the one used in semi-organic flow batteries. Along this work an analysis on the performance of a AQDS-Bromine flow battery cell was executed and an extensive study on the physico-chemical behavior of the positive electrolyte was developed. A review of the flow battery technology and of the metrics and methods available for diagnostics was firstly performed as a basis to define macro characteristics,such as State of Charge (SoC) and State of Health (SoH). The cycling behavior of an AQDS-Bromine flow battery was investigated by cell tests and possible degradation mechanisms have been highlighted and explained by interpretation of electrochemical measurements. Following, a broad characterization of the bromine-based electrolyte was performed, producing extended experimental data on physico-chemical properties and a modeling framework for the prediction of the electrolyte behavior.

<p>Co and Ni are two major elements in high temperature structural alloys that include superalloys for turbine engines and hard metals for cutting tools. The recent development of complex concentrated alloys (CCAs), loosely defined as alloys without a single principal element (e.g. CoNiFeMn), offers additional opportunities in designing new alloys through extensive composition and structure modifications. Within CCAs and Co- and Ni-based superalloys, solid-solution strengthening and stacking fault energy engineering are two of the most important strengthening mechanisms. While studied for decades, the potency and quantitative materials properties of these mechanisms remain elusive. </p> <p><br></p> <p>Solid-solution strengthening originates from stress field interactions between dislocations and solute of various species in the alloy. These stress fields can be engineered by composition modification in CCAs, and therefore a wide range of alloys with promising mechanical strength may be designed. This thesis initially reports on experimental and computational validation of newly developed theories for solid-solution strengthening in 3d transition metal (MnFeCoNi) alloys. The strengthening effects of Al, Ti, V, Cr, Cu and Mo as alloying elements are quantified by coupling the Labusch-type strengthening model and experimental measurements. With large atomic misfits with the base alloy, Al, Ti, Mo, and Cr present strong strengthening effects comparable to other Cantor alloys. </p> <p> </p> <p>Stacking fault energy engineering can enable novel deformation mechanisms and exceptional strength in face-centered cubic (FCC) materials such as austenitic TRIP/TWIP steels and CoNi-based superalloys exhibiting local phase transformation strengthening via Suzuki segregation. We employed first-principles calculations to investigate the Suzuki segregation and stacking fault energy of the FCC Co-Ni binary alloys at finite temperatures and concentrations. We quantitatively predicted the Co segregation in the innermost plane of the intrinsic stacking fault (ISF). We further quantified the decrease of stacking fault energy due to segregation.  </p> <p><br></p> <p>We further investigated the driving force of segregation and the origin of the segregation behaviors of 3d, 4d and 5d elements in the Co- and Ni-alloys. Using first-principles calculations, we calculated the ground-state solute-ISF interaction energies and revealed the trends across the periodic table. We discussed the relationships between the interaction energies and the local lattice distortions, charge density redistribution, density of states and local magnetization of the solutes. </p> <p><br></p> <p>Finally, this thesis reports on new methodologies to accelerate first-principles calculations utilizing active learning techniques, such as Bayesian optimization, to efficiently search for the ground-state energy line of the system with limited computational resources. Based on the expected improvement method, new acquisition strategies were developed and will be compared and presented. </p>

In der vorliegenden Arbeit wird erstmals das QQDS-Magnetspektrometer für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf umfassend vorgestellt. Zusätzlich werden sowohl alle auf die Analytik Einfluss nehmenden Parameter untersucht als auch Methoden und Modelle vorgestellt, wie deren Einfluss vermieden oder rechnerisch kompensiert werden kann. Die Schwerpunkte dieser Arbeit gliedern sich in fünf Bereiche. Der Erste ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des QQDS-Magnetspektrometers, der zugehörige Streukammer mit allen Peripheriegeräten und des eigens für die höchstauflösende elastische Rückstoßanalyse entwickelten Detektors. Sowohl das umgebaute Spektrometer als auch der im Rahmen dieser Arbeit gebaute Detektor wurden speziell an experimentelle Bedingungen für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente angepasst und erstmalig auf einen routinemäßigen Einsatz hin getestet. Der Detektor besteht aus zwei Komponenten. Zum einen befindet sich am hinteren Ende des Detektors eine Bragg-Ionisationskammer, die zur Teilchenidentifikation genutzt wird. Zum anderen dient ein Proportionalzähler, der eine Hochwiderstandsanode besitzt und direkt hinter dem Eintrittsfenster montiert ist, zur Teilchenpositionsbestimmung im Detektor. Die folgenden zwei Schwerpunkte beinhalten grundlegende Untersuchungen zur Ionen-Festkörper-Wechselwirkung. Durch die Verwendung eines Magnetspektrometers ist die Messung der Ladungszustandsverteilung der herausgestreuten Teilchen direkt nach einem binären Stoß sowohl möglich als auch für die Analyse notwendig. Aus diesem Grund werden zum einen die Ladungszustände gemessen und zum anderen mit existierenden Modellen verglichen. Außerdem wird ein eigens entwickeltes Modell vorgestellt und erstmals im Rahmen dieser Arbeit angewendet, welches den ladungszustandsabhängigen Energieverlust bei der Tiefenprofilierung berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass ohne die Anwendung dieses Modells die Tiefenprofile nicht mit den quantitativen Messungen mittels konventioneller Ionenstrahlanalytikmethoden und mit der Dickenmessung mittels Transmissionselektronenmikroskopie übereinstimmen, und damit falsche Werte liefern würden. Der zweite für die Thematik wesentliche Aspekt der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung, sind die Probenschäden und -modifikationen, die während einer Schwerionen-bestrahlung auftreten. Dabei wird gezeigt, dass bei den hier verwendeten Energien sowohl elektronisches Sputtern als auch elektronisch verursachtes Grenzflächendurchmischen eintreten. Das elektronische Sputtern kann durch geeignete Strahlparameter für die meisten Proben ausreichend minimiert werden. Dagegen ist der Einfluss der Grenzflächendurchmischung meist signifikant, so dass dieser analysiert und in der Auswertung berücksichtigt werden muss. Schlussfolgernd aus diesen Untersuchungen ergibt sich für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Rossendorfer 5-MV Tandembeschleuniger, dass die geeignetsten Primärionen Chlor mit einer Energie von 20 MeV sind. In Einzelfällen, wie zum Beispiel der Analyse von Bor, muss die Energie jedoch auf 6,5 MeV reduziert werden, um das elektronische Sputtern bei der notwendigen Fluenz unterhalb der Nachweisgrenze zu halten. Der vierte Schwerpunkt ist die Untersuchung von sowohl qualitativen als auch quantitativen Einflüssen bestimmter Probeneigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenrauheit, auf die Form des gemessenen Energiespektrums beziehungsweise auf das analysierte Tiefenprofil. Die Kenntnis der Rauheit einer Probe an der Oberfläche und an den Grenzflächen ist für die Analytik unabdingbar. Als Resultat der genannten Betrachtungen werden die Einflüsse von Probeneigenschaften und Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen auf die Energie- beziehungsweise Tiefenauflösung des Gesamtsystems beschrieben, berechnet und mit der konventionellen Ionenstrahlanalytik verglichen. Die Möglichkeiten der höchstauflösenden Ionenstrahlanalytik werden zudem mit den von anderen Gruppen veröffentlichten Komplementärmethoden gegenübergestellt. Der fünfte und letzte Schwerpunkt ist die Analytik leichter Elemente in ultradünnen Schichten unter Berücksichtigung aller in dieser Arbeit vorgestellten Modelle, wie die Reduzierung des Einflusses von Strahlschäden oder die Quantifizierung der Elemente im dynamischen Ladungszustandsnichtgleichgewicht. Es wird die Tiefenprofilierung von Mehrschichtsystemen, bestehend aus SiO2-Si3N4Ox-SiO2 auf Silizium, von Ultra-Shallow-Junction Bor-Implantationsprofilen und von ultradünnen Oxidschichten, wie zum Beispiel High-k-Materialien, demonstriert. / In this thesis the QQDS magnetic spectrometer that is used for high resolution ion beam analysis (IBA) of light elements at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf is presented for the first time. In addition all parameters are investigated that influence the analysis. Methods and models are presented with which the effects can be minimised or calculated. There are five focal points of this thesis. The first point is the construction and commissioning of the QQDS magnetic spectrometer, the corresponding scattering chamber with all the peripherals and the detector, which is specially developed for high resolution elastic recoil detection. Both the reconstructed spectrometer and the detector were adapted to the specific experimental conditions needed for high-resolution Ion beam analysis of light elements and tested for routine practice. The detector consists of two compo-nents. At the back end of the detector a Bragg ionization chamber is mounted, which is used for the particle identification. At the front end, directly behind the entrance window a proportional counter is mounted. This proportional counter includes a high-resistance anode. Thus, the position of the particles is determined in the detector. The following two points concern fundamental studies of ion-solid interaction. By using a magnetic spectrometer the charge state distribution of the particles scattered from the sample after a binary collision is both possible and necessary for the analysis. For this reason the charge states are measured and compared with existing models. In addition, a model is developed that takes into account the charge state dependent energy loss. It is shown that without the application of this model the depth profiles do not correspond with the quantitative measurements by conventional IBA methods and with the thickness obtained by transmission electron microscopy. The second fundamental ion-solid interaction is the damage and the modification of the sample that occurs during heavy ion irradiation. It is shown that the used energies occur both electronic sputtering and electronically induced interface mixing. Electronic sputtering is minimised by using optimised beam parameters. For most samples the effect is below the detection limit for a fluence sufficient for the analysis. However, the influence of interface mixing is so strong that it has to be included in the analysis of the layers of the depth profiles. It is concluded from these studies that at the Rossendorf 5 MV tandem accelerator chlorine ions with an energy of 20 MeV deliver the best results. In some cases, such as the analysis of boron, the energy must be reduced to 6.5 MeV in order to retain the electronic sputtering below the detection limit. The fourth focus is the study of the influence of specific sample properties, such as surface roughness, on the shape of a measured energy spectra and respectively on the analysed depth profile. It is shown that knowledge of the roughness of a sample at the surface and at the interfaces for the analysis is needed. In addition, the contribution parameters limiting the depth resolution are calculated and compared with the conventional ion beam analysis. Finally, a comparison is made between the high-resolution ion beam analysis and complementary methods published by other research groups. The fifth and last focus is the analysis of light elements in ultra thin layers. All models presented in this thesis to reduce the influence of beam damage are taken into account. The dynamic non-equilibrium charge state is also included for the quantification of elements. Depth profiling of multilayer systems is demonstrated for systems consisting of SiO2-Si3N4Ox-SiO2 on silicon, boron implantation profiles for ultra shallow junctions and ultra thin oxide layers, such as used as high-k materials.