Electrochemical double layer capacitors (EDLC), most commonly referred to as “supercapacitors”, have gained increasing scientific and commercial interest in recent years. Purely electrostatic charge storage processes allow charge- and discharge cycles in the second-time scale, exhibiting a theoretical capacitance in the order of 100 F per gram of electrode material, thereby providing efficient recuperation devices for electromechanical processes, for example. Introducing electrochemically active materials such as manganese oxides into the supercapacitor electrode, allows to combine the double-layer storage with a battery-like storage process, leading to capacitance that can be up to two orders of magnitude larger than those in EDLC. In the present work, an electroless deposition approach of manganese oxide on a carbon scaffold is adapted and further investigated. The carbon material is derived from an organic xerogel, which in turn is prepared via a sol-gel process, allowing tailoring of the structural properties of the carbon, making it an ideal model system to study the relation between morphology and electrochemical performance in the carbon-manganese oxide hybrid electrode. In the first part of this thesis, a variation of manganese oxide deposition time at a low concentration of precursor solution is analyzed. Mass uptakes reach up to 58 wt.%, leading to an increase of volumetric capacitance by a factor 5, however reducing the dynamic performance of the electrode. The structural characterization gives hints on the deposition location of the active material either in the intra-particular pores of the carbon backbone or on the enveloping surface area of the particles forming the backbone. In order to comprehensively answer the question of the location of the active material within the hybrid electrode, the particle size of the carbon backbone and therefore the enveloping surface area of the carbon particles was varied. For samples with high mass uptakes, scanning electron microscopy (SEM) images show a layer thickness of 27 nm of active material around the carbon particles. In order to quantitatively investigate this layer morphology, even for low mass uptakes where no layer is visible in SEM images, a model interpreting data from anomalous small angle X-ray scattering (ASAXS) measurements was developed. The results confirm the presence of a layer around the carbon particles, exhibiting a layer thickness ranging from 3 to 26 nm. From an electrochemical point of view, carbon backbones with a large enveloping surface area will lead to high mass uptakes in the electroless deposition process and therefore lead to high capacitance of the electrode. However, for future application, electrodeposition approaches should be investigated in detail, since no deposits will form on the interface between carbon backbone and current collector, leading to a better dynamic performance of the hybrid electrode. Furthermore, the ASAXS-method should be promoted and applied on other material systems, since this technique allows to draw important conclusions and allows to deduce integral and quantitative information towards a rational design of high performance electrodes. / In den letzten Jahren haben elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, meist als “Supercaps” bezeichnet, wachsendes wissenschaftliches und kommerzielles Interesse erfahren. Rein elektrostatische Ladungsspeicherungsprozesse erlauben Lade- und Entladezyklen im Sekundenregime, bei einer theoretischen Kapazität in der Größenordnung von 100 Farad pro Gramm Elektrodenmaterial. Damit steht beispielsweise ein ideales Bauteil zur Energierekuperation in elektromechanischen Prozessen zur Verfügung. Die Verbindung der Doppelschichtelektrode mit elektrochemisch aktiven Materialien, wie zum Beispiel Manganoxiden, erlaubt eine Kombination der elektrostatischen Ladungsspeicherung mit batterieähnlichen Ladungsspeicherungsprozessen. Dies führt zu Kapazitätswerten, die bis zu zwei Größenordnungen über den Kapazitätswerten im Doppelschichtkondensator liegen können. In der vorliegenden Arbeit wurde ein nasschemischer Abscheidungsprozess für die Deposition von Manganoxid auf einem Kohlenstoffgerüst angewendet und weitergehend untersucht. Das Kohlenstoffmaterial wurde aus einem organischem Xerogel hergestellt, welches wiederum durch einen Sol-Gel Prozess dargestellt wurde. Diese Vorgehensweise erlaubt eine gezielte Beeinflussung der strukturellen Eigenschaften des Kohlenstoffes. Dadurch wird das Material zum idealen Modellsystem, um den Einfluss der Morphologie auf die elektrochemischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Manganoxid Hybridelektrode zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abscheidungsdauer des Manganoxids bei einer niedrigen Ausgangskonzentration in der Vorstufe systematisch variiert und die resultierenden Elektroden analysiert. Die MnO2 Massenaufnahme erreichte bis zu 58 wt.%, was zu einer Steigerung der volumetrischen Kapazität um einen Faktor 5 führte. Der Preis für diese Steigerung liegt jedoch in einer Reduktion der Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit. Die strukturelle Charakterisierung der Hybridelektroden deutet auf eine Abscheidung des MnO2 in den intrapartikulären Poren der Kohlenstoffpartikel oder auf deren einhüllenden Oberfläche hin. Um den Abscheidungsort des aktiven Materials innerhalb der Hybridelektrode eindeutig zu bestimmen, wurde die Größe der Kohlenstoffpartikel und damit die externe Oberfläche des Kohlenstoffgerüstes systematisch variiert. Aufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigen eine Schicht von MnO2 um die Kohlenstoffpartikel mit einer Dicke von bis zu 27 nm für Proben mit Massenzuwächsen von bis zu 130 %. Um die Schichtdicke auch für geringe Massenaufnahmen, bei denen im REM keine Schicht erkennbar ist, quantitativ untersuchen zu können, wurde ein Modell zur Analyse von anomaler Röntgenkleinwinkelstreuung (ASAXS) entwickelt. Die Ergebnisse bestätigen die Existenz einer Schicht um die Kohlenstoffpartikel, deren Dicke zwischen 3 und 26 nm liegt. Aus elektrochemischer Sicht wird ein Kohlenstoffgerüst mit großer einhüllender Oberfläche zu einer großen Massenaufnahme im nasschemischen Abscheidungsprozess und damit zu hohen Kapazitätswerten führen. Für eine zukünftige Anwendung sollten jedoch auch elektrochemische Abscheidungsprozesse genau untersucht werden, da bei dieser Methode kein Material auf der Kontaktfläche zwischen Stromabnehmer und Elektrode abgeschieden wird. Dadurch ist eine Verbesserung der elektrochemischen Performance der Hybridelektrode zu erwarten. Weiterhin sollte die ASAXS-Methode weiterentwickelt und auf andere Materialsysteme angewendet werden, da diese Technik wichtige Schlüsse erlaubt, sowie die Bestimmung integraler und quantitativer Information, die zu gezieltem Design von hocheffizienten Elektroden führen wird.

In this thesis, the usage of onion-like carbon (OLC) for energy storage applications was researched regarding sustainability, performance and processability. This work targets to increase the scientific understanding regarding the role of OLC in electrodes and to facilitate a large-scale production, which is the foundation for commercial application. Research was devoted to increase the knowledge in the particular field, to yield synergistic approaches and a shared value regarding sustainability and performance. / Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Verwendung von Onion-like Carbon (OLC) als Aktivmaterial zur Energiespeicherung untersucht. Die Arbeit zielte darauf ab, das wissenschaftliche Verständnis der Rolle von OLC im Kontext der elektrochemischen Energiespeicherung zu verbessern. Hierfür wurde an den Prozessschritten und Verfahren gearbeitet, um OLC-basierte Elektroden erfolgreich in Superkondensatoren und Pseudokondensatoren zu verwenden. Auch der Einsatz von OLC als Aktivmaterial für Natriumionenbatterien wurde erforscht, wobei sich das Material in dieser Anwendung als Aktivmaterial ungeeignet erwies. Die Bearbeitungen dieser Fragestellungen war darauf ausgerichtet, das Wissen in diesem Bereich zu erweitern, synergetische Ansätze für Problemlösungen zu finden und einen Mehrwert in Bezug auf Nachhaltigkeit, Performance und Prozessierbarkeit zu schaffen.

Das moderne digitale Leben bringt eine steigende Nachfrage an immer kleineren kompakten Geräten mit höheren Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Multifunktionalität mit sich. Der in diesem Zusammenhang fortschreitende Prozess der Miniaturisierung findet damit in immer mehr Bereichen Anwendung. Der aktuelle Trend geht hierbei zu immer kleineren autonomen Systemen, welche vor allem einen wartungsfreien Betrieb mit guter Langlebigkeit garantieren sollen. Hierbei kommt die Integration von zusätzlichen Energiespeichereinheiten wie Mikro-Superkondensatoren (MSC) zum Einsatz. Die so genannten elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren können durch ihren rein elektrostatischen Energiespeichermechanismus innerhalb weniger Sekunden vollständig geladen und entladen werden und ermöglichen somit hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig hohen Lebensdauern. Strukturierungen im Mikrometerbereich können vor allem durch additive Druckmethoden (3D-Druck, Inkjet-Druck) realisiert werden, welche zudem eine sehr hohe Variabilität in der Zielgeometrie bieten. Ein weiteres vielversprechendes Verfahren hinsichtlich hoher Produktionsdurchsätze und einem geringen Preisaufwand stellt die weiche Lithographie dar. Sie ermöglicht Drucke mit hoher Auflösung bis in den Nanometerbereich. Aus diesem Grund soll im ersten Teil dieser Arbeit die Nanoprägelithographie (NIL) als softlithographische Technik für die Herstellung strukturierter Kohlenstoffelektroden genutzt werden. Die gewählten Elektrodenstrukturen zeichnen sich vor allem durch ihre hohe Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich aus und stellen damit die derzeit kleinsten literaturbekannten interdigitalen Kohlenstoffelektroden dar. Zielstellung dieser Arbeit war zunächst die Entwicklung verschiedener flüssiger, druckbarer Kohlenstoffpräkursoren. Die erhaltenen Mikrostrukturen wurden anschließend für die Anwendung in MSCs optimiert. Im ersten Teil der Arbeit konnten in diesem Sinne drei verschiedene Präkursorsysteme entwickelt werden. Das erste, Saccharose-basierte System setzte sich aus einer wässrigen Saccharoselösung zusammen, welche schwefelsäurekatalysiert zu Kohlenstoff umgesetzt wurde. Die zusätzliche Einbringung von Stickstoffgruppen in den Kohlenstoff erfolgte durch die Zugabe von Harnstoff. Das zweite Präkursorsystem basierte auf einem umweltfreundlichen Resol aus Phloroglucinol und Glyoxylsäure. Durch Weichtemplatverfahren unter Nutzung von Pluronic F127 gelang zudem eine Einbringung geordneter Porosität in die Kohlenstoffmatrix. Eine schnelle Assemblierung und Polymerisation der Edukte konnten durch den EISA-Prozess ermöglicht werden, sodass der Präkursor auch für die NIL genutzt werden konnte. Bei dem dritten System handelte es sich um einen Polymerpräkursor, welcher durch Auflösung von Polyacrylnitril in DMF hergestellt wurde. Dieses Polymersystem eignete sich zudem auch sehr gut als Matrixmaterial für die Einbettung von Nanopartikeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das System genutzt, um Polymerhohlkugeln einzubetten und diese in situ unter vollständiger Strukturerhaltung zu Kohlenstoff umzusetzen. Alle drei Präkursorsysteme konnten im nächsten Schritt erfolgreich in der Nanoprägelithographie angewendet werden. Die entsprechenden Strukturen besaßen Liniengrößen von 250 bis 500 nm mit Abständen zwischen 1 und 10 μm. Für alle Geometrien wurden hierbei vollständige und stabile Strukturen erhalten. Nach der Umsetzung der Präkursoren zu Kohlenstoff blieben die Strukturen weiterhin erhalten. Das Saccharose-basierte System wurde im Anschluss genutzt, um einen Hydrogel-Elektrolyten auf Basis von PVA und Schwefelsäure zu optimieren. Im Vergleich zu einem herkömmlichen wässrigen Elektrolyten konnten deutlich höhere Kapazitäten erreicht werden. Für die wässrige Li2SO4-Lösung wurde so eine Device-Kapazität von 0,02 mF cm-2 ermittelt, welche durch die Verwendung eines PVA/H2SO4-Gelelektrolyten auf 0,3 mF cm-2 gesteigert werden konnte. Zudem zeigte der Gel-Elektrolyt deutliche Vorteile bei der Langzeitstabilität und Auslaufsicherheit. Weiterhin wurden auch die Leitadditive und Konzentrationen variiert und getestet. Hierbei stellten sich Schwefelsäure als am besten geeignetes Additiv und ein Massenverhältnis von m(PVA): m(H2SO4) von 1:1 als optimale Konzentration heraus. Mit diesem Elektrolyten wurden im Anschluss die Einflüsse verschiedener Liniengrößen und Fingerabstände untersucht. Aufgrund des insgesamt besten Druckergebnisses zeigte die IDE500/10 auch die größten Kapazitäten. Weiterhin bewirkte eine N-Dotierung des Kohlenstoffes eine Verbesserung in der Benetzbarkeit und Leitfähigkeit der Elektroden, wodurch für alle Strukturen die Kapazität weiter gesteigert werden konnte. Auch der Resol-basierte Präkursor konnte genutzt werden, um Superkondensatoren herzustellen. Für beide Präkursorvarianten mit und ohne Templat wurden auch funktionsfähige Mikro-Superkondensatoren hergestellt. Hierbei konnte ebenfalls eine deutliche Kapazitätserhöhung durch die Einbringung des Templats beobachtet werden. Damit wurde gezeigt, dass auch in den Mikrostrukturen Porosität oder Oberflächenrauigkeit durch das Tensid erzeugt wird. Hierbei erhöhte sich die Flächenkapazität sogar um das Fünffache von 0,4 auf 2,0 mF cm-2. Mit dem dritten Präkursorsystem basierend auf PAN, konnte für IDE500/10 eine Flächenkapazität von 0,4 mF cm-2 erreicht werden. Auch die Integration der Hohlkugeln ermöglichte die Herstellung leitfähiger Elektroden. Für dieses System wurde eine Flächenkapazität von 0,2 mF cm-2 erreicht. Im Hinblick auf die Miniaturisierung ist oft die Größenbeschränkung des gesamten Bauteils limitierend für die erreichbare Leistung. Aus diesem Grund liegt der Fokus aktuell auch auf der Entwicklung multifunktionaler Bauteile. Weiterhin geht der Trend in Richtung intelligenter Systeme, welche beispielsweise biologische Prozesse nachahmen können. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte auf Basis dieser Entwicklungen ein schaltbarer Mikro-Superkondensator mit typischen Charakteristiken eines Feldeffekttranistors entwickelt werden. In diesem Sinn wurden die Einflüsse verschiedener Kenngrößen untersucht und ein Zusammenhang von Schaltverhalten und Architektur soll gefunden werden. Auf Basis des Saccharose-abgeleiteten Kohlenstoffes wurden mit Hilfe des piezoelektrischen Inkjet-Drucks Interdigitalelektroden angefertigt. Als dritte Gate-Elektrode wurde ein Kohlenstofffilm des gleichen Materials genutzt und im Schichtaufbau mit der Interdigitalelektrode und dem Hydrogel-Elektrolyten assembliert. Mit diesem Gate-Cap konnte der W-Cap mit sehr hohen Schaltraten an- und ausgeschaltet werden. Wird eine Bias-Spannung von -0,5 V genutzt, so kann die Kapazität auf 1,8 % der Ausgangskapazität verringert werden. Weiterhin wurde der Einfluss verschiedener Vorschubgeschwindigkeiten und Bias-Potentialen untersucht. Grundsätzlich eignen sich kleine Vorschubgeschwindigkeiten sehr gut, um effektivere Schaltraten zu generieren. Für unterschiedliche Gate-Spannungen konnten so unterschiedliche Schaltraten erhalten werden, sodass sich ein vergleichbares Verhalten mit einem FET ergab. Hierbei konnte zudem gezeigt werden, dass bereits für eine Spannung von -0,2 V eine Verringerung auf unter 3 % der Ausgangskapazität erhalten wurde. Dies ist vor allem für potenzielle Anwendungen in implantierbaren Mikrosystemen vorteilhaft, welche mit sehr kleinen Betriebsspannungen arbeiten. Die Langzeitstabilität des Gate-Caps wurde zum einen durch sehr schnelles wiederholtes Schalten als auch über einen Langzeitbetrieb im Aus-Zustand gezeigt. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Reproduzierbarkeit über mehrere Sequenzen. Über die verschiedenen Schaltversuche und die zusätzliche Variation des Elektrolyten unter Nutzung verdünnter Schwefelsäure konnte der Ablauf des vor allem protonengesteuerten Schaltprozesses näher betrachtet werden. Hierbei zeigte sich, dass vor allem ein unidirektionales Schaltverhalten vorliegt und der Gate-Cap nur durch das Anlegen negativer Potentiale effektiv geschalten werden kann.

Superkondensatorer är energilagringsenheter som har uppmärksammats mer under det senaste decenniet. Några av de fördelar som dessa enheter har varit är lagring av hög effekttäthet, förlängda livscykler och snabba laddnings- och urladdningstider. Dock är superkondensatorer fortfarande begränsade i energitäthet i jämförelse med batterier. För att få högre effekt och energitäthet är en asymmetrisk hybrid superkondensator ett bra alternativ. Denna enhet består av en kolbaserad elektrod för icke-faradaiska reaktioner och en kolelektrod kombinerad med metalloxider för redoxreaktioner. Materialvalet spelar en avgörande roll för förmågan en hybrid asymmetrisk superkondensator ska ha. I denna studie undersöks fyra olika kommersiella kol. Den specifika ytan, porstorlekarna och morfologin jämförs. Dessutom syntetiseras metalloxidernanopartiklar MnO2 och kristallstrukturen undersöks. Därtill beläggs MnO2-partiklarna på de fyra kolen och tillväxten av dessa undersöks. Slutligen analyseras interaktionen mellan jonvätskan 1-butyl-3-metylimidazoliumtetrafluorborat (BMIM[BF4]) som en elektrolyt och de olika kolen. / Supercapacitors are energy storage devices that have drawn attention for the past decade. Some of the advantages of these devices are higher power density storage, extended life cycles, and fast charge and discharge times. However, supercapacitors are still limited in energy density compared to batteries. To obtain higher power and energy densities, a hybrid asymmetric supercapacitor is a good alternative. This device consists of one carbon-based electrode for non-faradaic reactions, and one carbon electrode combined with metal oxides for redox reactions. The material choice is important for the capability of a hybrid asymmetric supercapacitor. In this study, four different commercial carbons are investigated. The specific surface area, pore sizes, and morphology are compared. In addition, metal oxide nanoparticles MnO2 are synthesised, and crystal structure is investigated. Furthermore, the MnO2 particles are deposited on the four carbons and the growth of those is studied. Finally, the interaction between ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIM[BF4]) as an electrolyte and the different carbons is studied.

Dagens stora miljöutmaningar i form av förbränning av fossila bränslen och medföljande koldioxidutsläpp har också gjort att många individer blivit allt mer miljömedvetna. Avancerade sensor för att mäta koldioxid finns numera på marknaden i form av lågenergiförbrukande alternativ som Senseairs LP8. Att utveckla firmware och att bedriva utveckling med sådana avancerade sensorer är något som inte är speciellt enkelt för vanliga användare. I detta projekt har en plattform byggd på bluetooth och enkla gratis utvecklingsverktyg tagits fram. Denna prototyp ugör en grund för utvecklingen av ett klimatsmycke där CO2 skall rapporteras till en molntjänst via mobiltelefon. Med prototypen har det utförts mätningar av strömförbrukningen genom att mäta urladdningstid av superkondensatorer, spänningsfallmätningar av cr2032 batterier samt kompletterande kapacitansmätningar av superkondensatorerna. Dessa mätningar visar att strömförbrukningen för prototypen ligger i intervallet 1-2 mA, beroende av vilka inställningar som önskas. Metoderna är väldigt enkla men ger en relativt god uppskattning av den totala strömförbrukningen.

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Owing to the advantages of high power density, fast charge/discharge rates as well as long lifetime, micro-supercapacitor (MSC) has drawn much attention for its potential application in miniaturized electronics. Many efforts have been devoted to the design and fabrication of high-performance MSCs. On the other hand, the integration of MSCs with multiple functional materials and devices has emerged with the development of portable and wearable microelectronics. To date, the biggest challenge in research is to develop a reliable and smart fabrication technology/strategy, which can integrate diverse objective materials into compact devices. Rolled-up nanotechnology is a unique approach to self-assemble 2D nanomembranes into 3D structures by using strain engineering. This self-assembly process smartly combines top-down and bottom-up methods to pattern functional nanomaterials into ordered 3D micro- and nanostructure arrays. One promising advantage of this approach is that such a self-assembled structure can endow micro-devices with functionality and high performance under a limited footprint area. The first part of this thesis focuses on the fabrication of planar interdigital MSCs with thermo-responsive function. Based on this work, the second part involves the research on novel tubular MSC which was fabricated by employing shapeable materials and strain engineering. A polymeric framework consisting of swelling hydrogel and polyimide layers ensures excellent ion transport between electrodes and provides efficient self-protection of the tubular MSC against external compression. Such tubular device also exhibits excellent areal capacitance, and an improved cycling stability compared to that of planar MSCs. The third part introduces the step-by-step experiments towards the fabrication and optimization of inorganic strained layer-based tubular MSC. Al2O3/Ni/Cr/Al2O3 strained nanomembrane is designed and can successfully drive the rolling up of MnO2 electrodes with a high yield under magnetic fields.:Chapter 1. Introduction 1 1.1. General background 1 1.2. Motivation of this work 2 1.2.1. Integration of micro-supercapacitors 2 1.2.2. Thermo-responsible micro-supercapacitors 2 1.2.3. 3D tubular functional micro-supercapacitors 2 1.3. Dissertation structure 3 Chapter 2. Overview of micro-supercapacitors 5 2.1. Introduction to MSCs 5 2.1.1. Capacitor 5 2.1.2. Electric double-layer capacitor 5 2.1.3. Pseudocapacitor 7 2.2. MSC configuration 8 2.3. Fabrication strategies of interdigital MSCs 9 2.4. Fabrication methods of active materials 12 2.5. Functionalization of supercapacitors 15 2.5.1. Tribo/piezoelectric driven self-charging function 15 2.5.2. Solar cell driven self-charging function 16 2.5.3. Electrochromic function 18 2.5.4. Self-healing function 19 2.5.5. Sensing function 20 2.5.6. Stretchable function 21 2.5.7. Thermo-responsive function 22 2.5.8. Photo-switchable function 23 2.6. Conclusion and outlook 23 Chapter 3. Overview of rolled-up technology 27 3.1. 3D self-assembly of the inorganic nanomembrane 27 3.1.1. Introduction 27 3.1.2. Rolled-up nanomembranes for capacitors 28 3.1.2. Rolled-up nanomembranes for Li-ion batteries 30 3.2. 3D self-assembly of the polymeric layers 32 3.2.1. Introduction 32 3.2.2. Self-assembled polymeric layers for microelectronics 35 Chapter 4. Experimental methods 39 4.1. Deposition methods 39 4.1.1. Photolithography 39 4.1.2. Electron beam evaporation 39 4.1.3. Atomic layer deposition 40 4.1.4. Electrochemical deposition 41 4.2. Characterization methods 43 4.2.1. Scanning electron microscopy and focused ion beam milling 43 4.2.2. Electrochemical characterization 43 Chapter 5. An integrated MSC with thermo-responsible function 47 5.1. Introduction 47 5.2. Fabrication and characterization of thermo-responsible MSCs 47 5.2.1. Single thermo-responsible MSCs 47 5.2.2. The array of thermo-responsible MSC 51 5.3. Conclusion 53 Chapter 6. Self-assembly of 3D tubular MSCs 55 6.1. Introduction 55 6.2. Fabrication of tubular MSCs 57 6.2.1. Diagram of processing flow 57 6.2.2. Polymeric layer stack 58 6.2.3. Microelectrodes, self-assembly and capsulation 59 6.3. Results and discussion 60 6.3.1. On-chip and free-standing sample morphology 60 6.3.2. Electrochemical characterization of tubular MSCs 64 6.3.3. Self-protection function of tubular structures 72 6.3.4. Assembly of tubular structures in series/parallel 76 6.4. Conclusion 80 Chapter 7. Tubular nanomembranes for MSCs 81 7.1. Introduction 81 7.2. Self-assembly of Al2O3/Ti/Cr/Al2O3 strained nanomembranes 82 7.2.1. Fabrication method 82 7.2.2. Results and discussion 83 7.3. Self-assembly of Al2O3/Ni/Cr/Al2O3 strained nanomembranes 87 7.3.1. Fabrication method 87 7.3.2. Results and discussion 88 7.4. Conclusion 92 Chapter 8. Summary and outlook 93 8.1. Summary 93 8.2. Outlook 94 Bibliography 95 List of Figures 109 List of Tables 117 Theses 119 Acknowledgment 121 Publications and presentations 123 Curriculum Vita 125

Denna rapport undersöker om superkondensatorer kan ersätta en energireserv bestående av batterier i en befintlig produkt. Bakomliggande teori av superkondensatorn redovisas samt dess användning som energireserv i lågvoltssystem. En krets konstrueras och testas för att verifiera funktionen. Simuleringar utförs för att verifiera valen till kretsen. Matlab och LTSpice används för simuleringarna. Kretsen skapas i OrCad och Altium Designer. Teorin, simuleringarna och testerna pekar på att superkondensatorer kan ersätta batterierna samt att de ställda kraven går att uppfylla. Alla tester gav dock inte resultat och därför kunde inte alla krav verifieras. Framtida tester behövs för att kunna garantera att lösningen kan uppfylla livslängds- och temperaturkraven eller om det behövs bytas till superkondensatorer med större kapacitet. / This report examines if supercapacitors could replace the existing batteries used in a product as a power source. The theory of supercapacitors and the use of these as a power source in low volt systems is presented. A circuit was created and tested to verify the function. Simulations were performed to verify the choices for the circuit. Matlab and LTSpice was used for the simulations. The circuit was created using OrCad and Altium Designer. The theory, simulations and tests all pointed towards that indeed supercapacitors can replace the existing batteries and the requirements can be met. Although not all tests resulted in results, therefore not all of the requirements could be verified. Future tests are needed to be able to guarantee that the solution can meet the lifetime and temperature requirements or if it will be necessary to replace the supercapacitors with ones that have higher capacity.

Ett hybridelektriskt drivlinekoncept till BAE Systems bandvagn BvS10 har tagits fram. Konceptet ärbaserat på tidigare studier utförda kring samma hybridelektriska konceptplattform. Det framtagna drivlinekonceptet modellerades i Simulink/Simscape. Detta utifrån en tidigare konstruerad och validerad simuleringsmodell av den befintliga drivlinan till BvS10. Denna drivlina är, till skillnad från den i detta projekt modellerade drivlinan, av traditionellt mekaniskt slag. Den befintliga drivlinan har låtits simulerats och jämföras med den framtagna hybridelektriska drivlinesimuleringen, vilket har gjorts i tre olika testfall. Testfallen rubriceras enligt följande, acceleration och topphastighet, dragkraft, och körning i brant uppförsbacke. Syftet med studien är att presentera den initiala prestandaskillnaden som en hybridelektrifiering av drivlinan skulle innebära. Det framtagna hybridkonceptet består av en generator kopplad direkt på förbränningsmotorns axel. Generator är sedan kopplad till två elmotorer placerad i vardera av bandvagnens fram- och bakvagn. Elmotorerna är, via en fyrväxlad växellåda, placerad ovanpå differential. Mellan generator och elmotorerna kopplas en superkondensator in via en spänningsomvandlare. Superkondensatorn förväntas kunna leverera en effektboost vid körning med högt motstånd för att öka mobilitet i krävande terräng samt fordonets acceleration. Resultatet visar att superkondensatorn har möjlighet att öka fordonets acceleration i cirka sju sekunder innan den laddats ur. Superkondensatorns bidrag till prestandaökning av drivlinan är även tydlig vid körning i brant uppförsbacke, där den hjälper fordonet accelerera samt nå en högre topphastighet. Även utan superkondensatorn presterar den hybridelektriska drivlinan bättre i uppförsbacken på grund av elmotorernas, relativt befintliga drivlinans förbränningsmotors, höga vridmoment. Dragkraften ökar betydligt med den modellerade fyrväxlade växellådans lågväxel, men är även högre än befintliga drivlinans dragkraft utan lågväxel kopplad. Studiens framtagna hybridkoncept utnyttjar inte något batteri. Detta tillsammans med att den hybridelektriska drivlinan visar sig ha högre förluster än den befintliga drivlinan, resulterar i en lägre tillgänglig effekt att använda till fordonets framdrivning. I resultaten från studien syns detta tydligast då topphastigheten är lägre för den hybridelektriska drivlinan. Föreslagen elmotor har möjlighet att producera hög effekt men begränsas på grund av de ökade förlusterna. Även växellådans lågväxel kan ej utnyttjas till full potential på grund av denna brist på energitillgång. För att motverka denna energibegränsning som elmotorn står inför krävs ett batteri som levererar effekten motsvarande de förluster som tillkommer med en hybridelektrifiering. Den högsta växel nås vid en låg hastighet, för växellådan rekommenderas därmed en justering av utväxlingsförhållanden och en vidareundersökning av möjligheten att reducera antal växlar. / A hybrid electric driveline concept for the BAE Systems BvS10 tracked vehicle has been developed. The concept is based on previous studies conducted on the same hybrid electric platform. The resulting powertrain concept was modeled in Simulink/Simscape, using a previously constructed and validated simulation model of the existing powertrain for the BvS10. This existing powertrain, unlike the one modeled in this project, is of a traditional mechanical nature. The existing drivetrain has been simulated and compared to the developed hybrid electric drivetrain simulation in three different test cases. These test cases are categorized as follows, acceleration and top speed, pulling force, and steep uphill driving. The purpose of the study is to present an initial performance difference that hybrid electrification of the powertrain would entail. The developed hybrid concept consists of a generator directly placed in connection to the combustion engine’s shaft. The generator then forwards the power to two electric motors, each positioned in the front and rear body of the tracked vehicle. The electric motors are placed on top of the differential with a four speed gearbox inbetween. As a secoundary energy source, a supercapacitor is connected to the DC bus through a voltage converter. The supercapacitor is introduced to provide a power boost during high resistance driving, enhancing mobility in demanding terrain aswell as the vehicle’s acceleration. The results indicate that the supercapacitor has the capability to enhance the vehicle’s acceleration for approximately seven seconds before it discharges. The supercapacitor’s contribution to powertrains performance is also evident during uphill driving, where it assists the vehicle in accelerating and reaching a higher top speed. Even without the supercapacitor, the hybrid electric powertrain performs better uphill due to the high torque of the electric motors compared to the combustion engine in the existing powertrain. The pulling force significantly increases with the modeled four speed gearbox’s low gear, but it is also higher than the existing powertrain ́s pulling force without engaging low gear. The study’s proposed hybrid concept does not utilize a battery. This together with the fact that the hybrid electric powertrain exhibits higher losses than the existing powertrain, results in a reduced power available for vehicle propulsion. In the study results, this is most evident in the reduced top speed of the hybrid electric powertrain. The suggested electric motor has the potential to produce high power but is limited due to the increased losses. Additionally, the low gear of the transmission cannot be fully utilized due to the same energy constraint. To mitigate this limitation faced by the electric motor, a battery is required that delivers power equivalent to the losses incurred by the hybridization. The highest gear is reached at a low speed, which provides very little range for each gear to operate. For this reason, an adjustment of the proposed gear ratios is recommended, along with further investigation into the possibility of reducing the number of gears.

The present thesis is to be brought into line with the current need for alternative and sustainable approaches toward energy management and materials design. In this context, carbon in particular has become the material of choice in many fields such as energy conversion and storage. Herein, three main topics are covered: 1)An alternative synthesis strategy toward highly porous functional carbons with tunable porosity using ordinary salts as porogen (denoted as “salt templating”) 2)The one-pot synthesis of porous metal nitride containing functional carbon composites 3)The combination of both approaches, enabling the generation of highly porous composites with finely tunable properties All approaches have in common that they are based on the utilization of ionic liquids, salts which are liquid below 100 °C, as precursors. Just recently, ionic liquids were shown to be versatile precursors for the generation of heteroatom-doped carbons since the liquid state and a negligible vapor pressure are highly advantageous properties. However, in most cases the products do not possess any porosity which is essential for many applications. In the first part, “salt templating”, the utilization of salts as diverse and sustainable porogens, is introduced. Exemplarily shown for ionic liquid derived nitrogen- and nitrogen-boron-co-doped carbons, the control of the porosity and morphology on the nanometer scale by salt templating is presented. The studies within this thesis were conducted with the ionic liquids 1-Butyl-3-methyl-pyridinium dicyanamide (Bmp-dca), 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium dicyanamide (Emim-dca) and 1 Ethyl 3-methyl-imidazolium tetracyanoborate (Emim-tcb). The materials are generated through thermal treatment of precursor mixtures containing one of the ionic liquids and a porogen salt. By simple removal of the non-carbonizable template salt with water, functional graphitic carbons with pore sizes ranging from micro- to mesoporous and surface areas up to 2000 m2g-1 are obtained. The carbon morphologies, which presumably originate from different onsets of demixing, mainly depend on the nature of the porogen salt whereas the nature of the ionic liquid plays a minor role. Thus, a structural effect of the porogen salt rather than activation can be assumed. This offers an alternative to conventional activation and templating methods, enabling to avoid multiple-step and energy-consuming synthesis pathways as well as employment of hazardous chemicals for the template removal. The composition of the carbons can be altered via the heat-treatment procedure, thus at lower synthesis temperatures rather polymeric carbonaceous materials with a high degree of functional groups and high surface areas are accessible. First results suggest the suitability of the materials for CO2 utilization. In order to further illustrate the potential of ionic liquids as carbon precursors and to expand the class of carbons which can be obtained, the ionic liquid 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium thiocyanate (Emim-scn) is introduced for the generation of nitrogen-sulfur-co-doped carbons in combination with the already studied ionic liquids Bmp-dca and Emim-dca. Here, the salt templating approach should also be applicable eventually further illustrating the potential of salt templating, too. In the second part, a one-pot and template-free synthesis approach toward inherently porous metal nitride nanoparticle containing nitrogen-doped carbon composites is presented. Since ionic liquids also offer outstanding solubility properties, the materials can be generated through the carbonization of homogeneous solutions of an ionic liquid acting as nitrogen as well as carbon source and the respective metal precursor. The metal content and surface area are easily tunable via the initial metal precursor amount. Furthermore, it is also possible to synthesize composites with ternary nitride nanoparticles whose composition is adjustable by the metal ratio in the precursor solution. Finally, both approaches are combined into salt templating of the one-pot composites. This opens the way to the one-step synthesis of composites with tunable composition, particle size as well as precisely controllable porosity and morphology. Thereby, common synthesis strategies where the product composition is often negatively affected by the template removal procedure can be avoided. The composites are further shown to be suitable as electrodes for supercapacitors. Here, different properties such as porosity, metal content and particle size are investigated and discussed with respect to their influence on the energy storage performance. Because a variety of ionic liquids, metal precursors and salts can be combined and a simple closed-loop process including salt recycling is imaginable, the approaches present a promising platform toward sustainable materials design. / Die vorliegende Arbeit basiert auf der Notwendigkeit für eine alternative und nachhaltige Energiewirtschaft sowie alternativer Herstellungsmethoden der damit verbundenen Materialien. Hierbei kommt besonders Kohlenstoffen und kohlenstoffbasierten Systemen eine hohe Bedeutung zu. Im Rahmen der Dissertation wurden drei Ansätze verfolgt, die zu der Entwicklung alternativer Strategien zur Herstellung poröser Heteroatom-enthaltender Kohlenstoffe und deren Komposite beitragen. Die Materialien wurden des Weiteren für die CO2 Nutzung sowie Energiespeicherung in Form von Superkondensatoren getestet. Allen Materialien ist gemeinsam, dass sie ausgehend von ionischen Flüssigkeiten, Salze mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C, als Kohlenstoffvorstufe durch Hochtemperaturverfahren hergestellt wurden. Im ersten Teil wird ein alternatives und nachhaltiges Verfahren zur Herstellung hochporöser Stickstoff und Stickstoff-Bor-haltiger Kohlenstoffe vorgestellt. Bei dieser als „Salztemplatierung“ bezeichneten Methode werden herkömmliche Salze als Porogen verwendet. Damit sind sehr hohe Oberflächen erreichbar, die neben der Porengröße und dem Porenvolumen durch die Variation der Salzspezies und Salzmenge einstellbar sind. Dies bietet gegenüber herkömmlichen Templatierungsverfahren den Vorteil, dass das Salz nach erfolgter Karbonisierung der ionischen Flüssigkeit in Anwesenheit der nicht karbonisierbaren Salzspezies einfach mit Wasser auswaschbar ist. Hierbei ist ein Recyclingprozess denkbar. Bei hohen Synthesetemperaturen werden graphitische, bei niedrigen hochfunktionalisierte, polymerartige Produkte erhalten. Letztere erwiesen sich als vielversprechende Materialien für die CO2 Nutzung. Unter Verwendung einer bisher nicht eingesetzten ionische Flüssigkeit konnte weiterhin die Einführung von Schwefel als Heteroatom ermöglicht werden. Im zweiten Teil wird eine Templat-freie Einschrittsynthese von porösen Kompositen aus Metallnitrid Nanopartikeln und Stickstoff-dotiertem Kohlenstoff vorgestellt. Die Materialien werden ausgehend von einer Lösung aus einer ionischen Flüssigkeit und einem Metallvorläufer hergestellt, wobei die ionische Flüssigkeit sowohl als Kohlenstoffvorläufer als auch als Stickstoffquelle für die Metallnitride dient. Der Metallgehalt, das Metallverhältnis in ternären Nitriden und die Oberfläche sind über den Anteil des Metallvorläufers einstellbar. Schließlich werden beide Ansätze zur Salztemplatierung von den Kompositen kombiniert. Dadurch wird die Einschrittsynthese von Kompositen mit einstellbarer Oberfläche, Zusammensetzung, Partikelgröße und Morphologie ermöglicht. Diese Materialien wurden schließlich als Elektroden für Superkondensatoren getestet und der Einfluss verschiedener Parameter auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Aufgrund verschiedener Kombinationsmöglichkeiten von ionischen Flüssigkeiten, Metallvorläufern und Salzen, stellen die hier präsentierten Ansätze eine vielversprechende Plattform für die nachhaltige Materialsynthese dar.