This paper reports a novel and remarkably facile approach towards vertically aligned nanosheets on three-dimensional (3D) Ni foams. Conducting polypyrrole (PPy) sheets were grown on Ni foam through the volatilization of the environmentally friendly solvent from an ethanol–water solution of pyrrole (Py), followed by the polymerization of the coated Py in ammonium persulfate (APS) solution. The PPy-decorated Ni foams and commercial activated carbon (AC) modified Ni foams were employed as the two electrodes for the assembly of flexible all-solid-state asymmetric supercapacitors. The sheet-like structure of PPy and the macroporous feature of the Ni foam, which render large electrode–electrolyte interfaces, resulted in good capacitive performance of the supercapacitors. Moreover, a high energy density of ca. 14 Wh kg−1 and a high power density of 6.2 kW kg−1 were achieved for the all-solid-state asymmetric supercapacitors due to the wide cell voltage window.

This master‘s thesis concerns gel polymer electrolytes formed on a methyl methacrylate base with selected types of nanoparticles. In the thesis are also analyzed the methods for measuring electrochemical properties. The practical portion deals with sample preparations of gel polymer electrolytes with different contents of alkaline salt in a solvent, creating gels with different nanoparticle content and comparing gel polymer electrolytes polymerized with heat and UV radiation. The thesis deals with the evaluation of these samples from the viewpoint of electrical conductivity and potential windows as well as thermal analysis of selected samples.

The diploma thesis is focused on the theoretical knowledge of lithium accumulators. More attention is given to electrolytes and especially to flame retardants, where the types and individual examples of flame retardants are described more detailed. The practical part is focused on the individual laboratory measurement of selected samples of electrolytes with different flame retardants. The measurement results are analyzed in other parts.

This work focuses on sodium-ion batteries. It describes the basic principles of accumulators, focusing more on secondary cells, their electrodes, especially negative electrodes. The work is lightly based on the basics of lithium-ion batteries. The practical part of the work is the production of negative electrodes Na2Ti3O7, which are further measured at three different temperatures. These measurements are then evaluated.

This master´s thesis deals different types of the aprotic electrolytes for supercapacitors and investigates by impedance spectroscopy to conductivity and method cyclic voltametry to measure dimension potential windows. Used aprotic solvents: propylencarbonate, dimethylsulfoxide, N, N dimethylformamide, ethylencarbonate, dimethylcarbonate, diethylcarbonate and acetonitrile. In the aprotic solvents were appended salts: LiClO4, NaClO4, KClO4, LiBF4, LiPF6, TEABF4 and TMABF4. From these compounds were prepared solutions with the different molar concentrations.

This doctoral thesis deals with synthesis and characterisation of electroactive electrode materials for li-ion batteries and accumulators. The work is divided into two main parts. One deals with LiFePO4 based cathode composite electroactive material and in the second is described the synthesis and utilization of monoclinic TiO2(B) as an anode for li-ion cell. The main aim of the work is to relate the synthesis procedure and structural properties of both materials to its electrochemical preformance.

Lithium–sulfur batteries are highly attractive energy storage systems, but suffer from structural anode and cathode degradation, capacity fade and fast cell failure (dry out). To address these issues, a carbide-derived carbon (DUT-107) featuring a high surface area (2088 m² g⁻¹), high total pore volume (3.17 cm³ g⁻¹) and hierarchical micro-, meso- and macropore structure is applied as a rigid scaffold for sulfur infiltration. The DUT-107/S cathodes combine excellent mechanical stability and high initial capacities (1098–1208 mA h gs ⁻¹) with high sulfur content (69.7 wt% per total electrode) and loading (2.3–2.9 mgs cm⁻²). Derived from the effect of the electrolyte-to-sulfur ratio on capacity retention and cyclability, conducting salt is substituted by polysulfide additive for reduced polysulfide leakage and capacity stabilization. Moreover, in a full cell model system using a prelithiated hard carbon anode, the performance of DUT-107/S cathodes is demonstrated over 4100 cycles (final capacity of 422 mA h gs ⁻¹), with a very low capacity decay of 0.0118% per cycle. Application of PS additive further boosts the performance (final capacity of 554 mA h gs ⁻¹), although a slightly higher decay of 0.0125% per cycle is observed.

Ausgangspunkt der Untersuchungen ist eine signifikante Veränderung des elektrochemischen Abscheidungsverhaltens von Silber bei Wechsel des Elektrolytsystems vom technisch eingesetzten salpetersauren System zu einem methansulfonsauren System. Im letztgenannten wird eine für Silber unübliche Kompaktabscheidung an einer Kathode möglich. Die Grundlagenuntersuchungen konnten zeigen, dass eine Erhöhung der Abscheidungspolarisation die Veränderung hervorruft. Ursächlich für diese erhöhte Abscheidungspolarisation ist nach Auswertung der vorhandenen Messdaten eine Veränderung der Struktur der elektrochemischen Doppelschicht. Die Veränderung der Abscheidungsform des Silbers ließ sich erfolgreich zur Durchführung von Laborelektrolysen nutzen. Dabei konnten bei Stromdichten bis zu 900 A/m^2 kompakte Silberniederschläge erhalten werden. Die Gehalte kritischer Verunreinigungen der Silberraffinationselektrolyse, Blei, Kupfer und Palladium, konnten in den meisten Fällen unterhalb der geltenden technischen Spezifikationen gehalten werden. Eine technische Umsetzung ist demnach ausgehend von den Untersuchungen möglich.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen zur elektrolytischen Metallabscheidung 2.1 Elektrochemische Kinetik 2.2 Phasengrenze Kathode-Elektrolyt 2.3 Polarisation 2.3.1 Durchtrittspolarisation 2.3.2 Diffusionspolarisation 2.3.3 Reaktionspolarisation 2.3.4 Kristallisationspolarisation 2.4 Stofftransport 2.4.1 Diffusion 2.4.2 Migration 2.4.3 Konvektion 2.5 Durchtritt an der Phasengrenze 2.6 Metallkristallisation 2.6.1 Keimbildung 2.6.2 Keimwachstum 2.6.3 Inhibition 2.6.4 Elektrokristallisation bei gleichzeitiger Inhibition 3 Elektrolytische Raffination von Silber 3.1 Grundlagen zur Silberraffination 3.2 Verunreinigungen von Feinsilber durch Kupfer, Palladium und Blei 3.3 Technische Umsetzung durch die Möbius-Elektrolyse 3.4 Einsatz von Additiven zur Verbesserung der Kathodenqualität 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 33 5 Experimentelle Charakterisierung des Systems 5.1 Beschreibung der Silberabscheidung aus Silbermethansulfonat 5.1.1 Angewandte Messmethoden 5.1.2 Experimentelle Vorgehensweise 5.1.3 Charakterisierung der Abscheidungskinetik 5.1.4 Messung des Diffusionskoeffizienten für Ag+ 5.1.5 Charakterisierung der Kristallisation 5.1.6 Ableitung der 5.2 Applikationsbeispiel 5.2.1 Versuchsdurchführung 5.2.2 Optimierung der kathodischen Abscheidungsqualität durch Veränderung der Elektrolytzusammensetzung5.2.3 Verbesserung der Qualität des kathodischen Niederschlags durch Variation der Elektrolysebedingungen 5.2.4 Charakterisierung des Verhaltens typischer Verunreinigungen während der Silberraffination 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang / The investigations started observing a significant change in the electrochemical deposition behaviour of silver when the electrolyte system is changed from the technically used nitric acid system to a methanesulfonic acid system. In the latter system a compact deposition on a cathode, unusual for silver, becomes possible. The basic investigations could show that an increase in deposition polarization causes the change. The reason for this increased deposition polarization is, according to evaluation of the existing measurement data, a change in the structure of the electrochemical double layer. The change in the deposition form of the silver could be successfully used for laboratory electrolysis. Thereby, compact silver deposits could be obtained at current densities up to 900 A/m^2. The contents of critical impurities of the silver refining electrolysis, lead, copper and palladium, could in most cases be kept below the applicable technical specifications. A technical implementation is therefore possible based on the investigations. Translated with www.DeepL.com/Translator (free version):1 Einleitung 1 2 Grundlagen zur elektrolytischen Metallabscheidung 2.1 Elektrochemische Kinetik 2.2 Phasengrenze Kathode-Elektrolyt 2.3 Polarisation 2.3.1 Durchtrittspolarisation 2.3.2 Diffusionspolarisation 2.3.3 Reaktionspolarisation 2.3.4 Kristallisationspolarisation 2.4 Stofftransport 2.4.1 Diffusion 2.4.2 Migration 2.4.3 Konvektion 2.5 Durchtritt an der Phasengrenze 2.6 Metallkristallisation 2.6.1 Keimbildung 2.6.2 Keimwachstum 2.6.3 Inhibition 2.6.4 Elektrokristallisation bei gleichzeitiger Inhibition 3 Elektrolytische Raffination von Silber 3.1 Grundlagen zur Silberraffination 3.2 Verunreinigungen von Feinsilber durch Kupfer, Palladium und Blei 3.3 Technische Umsetzung durch die Möbius-Elektrolyse 3.4 Einsatz von Additiven zur Verbesserung der Kathodenqualität 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 33 5 Experimentelle Charakterisierung des Systems 5.1 Beschreibung der Silberabscheidung aus Silbermethansulfonat 5.1.1 Angewandte Messmethoden 5.1.2 Experimentelle Vorgehensweise 5.1.3 Charakterisierung der Abscheidungskinetik 5.1.4 Messung des Diffusionskoeffizienten für Ag+ 5.1.5 Charakterisierung der Kristallisation 5.1.6 Ableitung der 5.2 Applikationsbeispiel 5.2.1 Versuchsdurchführung 5.2.2 Optimierung der kathodischen Abscheidungsqualität durch Veränderung der Elektrolytzusammensetzung5.2.3 Verbesserung der Qualität des kathodischen Niederschlags durch Variation der Elektrolysebedingungen 5.2.4 Charakterisierung des Verhaltens typischer Verunreinigungen während der Silberraffination 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

This master's thesis covers an investigation of the reduction behavior of different iron oxides when electrolytically reduced with molten salt electrolysis (MSE). The tested iron oxides were wüstite (FeO), hematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4) and magnetite ore concentrate from the Tapuli deposit in Pajala, Norrbotten, Sweden. The properties of the Tapuli magnetite ore and magnetite ore concentrate were analysed from a mineralogical perspective to evaluate how the raw ore material influences the concentrate and its reduction by the MSE technology. The electrolytic experiments were performed in an Inconel 625 cell body within a pit-furnace. The different iron oxides were tested separately. The reduction samples were constructed of one or three iron oxide briquettes of 20 g each within a molybdenum mesh attached on a molybdenum tray with molybdenum wires. The molten electrolyte was kept at 500°C with an applied voltage of 1.7 or 2.1 V. The used electrolyte was sodium hydroxide (NaOH). The mineralogical examination shows that the Tapuli ore varies in composition between different locations of the deposit with respect to magnetite grain size and skarn composition and grain size. Point analyses with Laser Ablation Single Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-SC-ICP-MS) on magnetite grains in thin sections from five drill cores fromdifferent parts of the deposit show that the element composition in the magnetite grains vary between the samples. Core-to-rim analyses for Fe, Mg, Mn and Al reveal relatively homogenous grades throughout the grains, with a few exceptions. Phase analysis with XRD shows that reduction has occurred in all tested iron oxides. Without prevention, the reduction products from trials on Fe2O3, Fe3O4 and magnetite ore concentrate show distinct XRD peaks of the by-product NaFeO2. According to XRD, the addition of Na2O seems to have reduced the NaFeO2 formation. Interestingly, no NaFeO2 was formed in the FeO trials. This might be explained by the absence of Fe3+ in FeO. The variation of the current-time curves of the trials is interpreted to depend on the voltage applied, the number of briquettes, briquette decomposition and Na2O addition. Electrolysis in molten NaOH can be used to reduce iron oxides. Despite this, NaOH might not be a suitable electrolyte for this process due to its interaction with Fe2O3 and Fe3O4 resulting information of NaFeO2. Na2O can be used as an additive to prevent formation of NaFeO2 but sharply decreases the current response, thus having an apparent negative effect on the process efficiency. Another preventive measure that can be tested is to calibrate the process voltage to decompose the NaFeO2 but not NaOH. Due to the shown interaction tendency of NaOH, other electrolytes should however be considered for this process. Regarding the Tapuli ore concentrate, more tests are needed to draw conclusions about how the trace elements effects its electrolytic behavior. / Denna masteruppsats avhandlar en undersökning av reduktionsbeteendet hos olika järnoxider vid elektrolytisk reduktion i saltsmälta (molten salt electrolysis (MSE)). Järnoxiderna som har testats är wüstit (FeO), hematit (Fe2O3), magnetit (Fe3O4) och magnetitmalmkoncentrat från malmfyndigheten Tapuli i Pajala, Norrbotten, Sverige. Malmkoncentratets egenskaper har analyserats ur mineralogisk synvinkel för att utvärdera hur den råa malmens mineralogi påverkar koncentratet och dess reduktionsbeteende vid elektrolys i saltsmälta. Elektrolysexperimenten utfördes i cellkropp av Inconel 625 placerad i en gropugn. De olika järnoxiderna testades separat. Reduktionsproverna utgjordes av en eller tre järnoxidbriketter på 20 g inuti ett molybdennät, fastvirade på en molybdenbricka med molybdentråd. Den smälta elektrolyten hölls vid en temperatur av 500°C med en applicerad spänning av 1.7 eller 2.1 V. Elektrolyten som användes var natriumhydroxid (NaOH). Den mineralogiska undersökningen visar att tapulimalmens sammansättning varierar mellan olika delar av fyndigheten med avseende på magnetitens kornstorlek och skarnets sammansättning och kornstorlek. Punktanalyser med Laser Ablation Single Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-SC-ICP-MS) på magnetitkorn i tunnslip från fem olika borrkärnor visar att elementkoncentrationerna i magnetitkornen varierar mellan proverna. Core-to-rim-analyser på magnetitkornen visar att halterna av Fe, Mg, Mn och Al är tämligen homogena genom hela magnetitkornet med undantag av några få avvikande punkter. Fasanalys med XRD indikerar att reduktion har skett i alla försök. Utan prevention visar reduktionsprodukterna från försöken på Fe2O3, Fe3O4 och magnetitmalmkoncentrat klara indikationer av biprodukten NaFeO2. Enligt XRD verkar tillsats av Na2O ha minskat bildningen av Na2O för Fe2O3, Fe3O4 och Tapuli magnetitmalmkoncentrat. Intressant är att ingen NaFeO2 bildades i försöken med FeO. Förklaringen till detta skulle kunna vara avsaknaden av Fe3+ i FeO. De varierande ström-tidkurvorna från försöken tolkas bero på den applicerade spänningen, antalet briketter, brikettsönderdelning och tillsats av Na2O. Elektrolys i smält NaOH kan användas för att reducera järnoxider. Trots detta kanske NaOH inte är lämplig som elektrolyt i denna process, detta på grund av dess påvisade interaktion med Fe2O3 och Fe3O4 som resulterar i bildning av NaFeO2. Na2O kan tillsättas för att förhindra bildning av NaFeO2 men har en kraftigt negativ effekt på strömstyrkan i processen vilket minskar processens effektivitet. En annan preventiv åtgärd som kan testas är att kalibrera processens spänning så att NaFeO2 sönderdelas men inte NaOH. På grund av den konstaterade interaktionstendensen hos NaOH bör andra elektrolyter tas i beaktande för denna process. Angående magnetitmalmskoncentratet från Tapuli behövs fler tester för att dra slutsatser kring hur spårelementen påverkar dess uppförande vid smältelektrolys.