Aufgrund von signifikanten Volumenänderungen der Elektrodenmaterialien von Lithiumionen Batterien im Betrieb nimmt auch das Verständnis des mechanischen Verhaltens eine essentielle Rolle ein. Zum einen gibt es noch immer offene Fragen zum mechanischen Verhalten von kommerziell bereits genutzten Materialien. Zum anderen wurde für potentielle neue Materialien, welche sonst exzellente Kennwerte für den Einsatz als Elektrodenmaterialien aufweisen, gezeigt, dass die mechanische Degradation bei der Zyklisierung den Flaschenhals für eine erfolgreiche Einführung darstellt. In dieser Arbeit wurde die Veränderung der mechanischen Eigenschaften von geordnetem (HOPG/Graphit) und ungeordnetem (Glassy Carbon) Kohlenstoff, Silizium und Aluminium gemessen. Hierfür wurde eigens ein neuer experimenteller in-situ Aufbau entwickelt. Er erlaubt die elektrochemische Manipulation der Probe in einer elektrochemischen Zelle und kombiniert erstmals die quantitative Messung der mechanischen Eigenschaften µm-skaliger Einkristalle durch einen MTS G200 XP Nanoindenter bei zeitlicher Synchronisation. Per Nanoindentierung und Mikrodruckversuchen konnten elastischer Modul, Härte und Fließ- bzw. Bruchspannung der Elektrodenmaterialien bei verschiedenen Beladungszuständen gemessen werden. Zusätzlich erlaubt der Aufbau eine neuartige experimentelle Untersuchung der Kopplung zwischen elektrochemischem Potential des Lithiums und dem mechanischen Spannungszustand in einer Elektrode. Silizium zeigte eine klare Absenkung von elastischen Modul und Härte bei der Bildung von amorphem LixSi. Es wurden belastbare Werte für den elastischen Modul und die Härte von LixSi gemessen, welche eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Literaturwerten zeigen. Zusätzlich wurden mehrere Aspekte zur elektrochemischen Lithiierung enthüllt. In frühem Stadium der Lithiierung wurden auf (111)-Oberflächen vereinzelt amorphe Inseln gefunden und diesbezüglich ein Modell für heterogene Keimbildung vorgeschlagen. Zusätzlich konnte ein, der Amorphisierung vorgelagerter, Zwischenschritt der Lithiierungsreaktion identifiziert werden. Gleichzeitig verhinderte dieser Zwischenschritt aber eine quantitative Analyse des Kopplungseffekts zwischen mechanischer Spannung und elektrochemischem Potential des Lithiums. Für Graphit (HOPG) wurde unter anwendungsnahen Bedingungen bei vergleichsweise schneller Interkalation mit Lithium erstmals eine bisher nicht bekannte signifikante Reduzierung der Festigkeit festgestellt. Auch ungeordneter Kohlenstoff (Glassy Carbon) zeigte nach der Interkalation mit Lithium eine Festigkeits- und Modulabsenkung. Bezüglich der Anwendung dieser Materialien ist von einer hohen Relevanz dieser Ergebnisse auszugehen. Auch Aluminium zeigte bei der elektrochemischen Legierung mit Lithium eine Reduzierung von elastischem Modul und Härte. Vergleichbare Messungen aus der Literatur sind nicht bekannt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse bedeuten einen wichtigen Erkenntnisgewinn im Hinblick auf eine Verbesserung bekannter und eine erfolgreiche Einführung neuer Elektrodenmaterialien für Lithiumionen Batterien. Somit unterstützt diese Arbeit bei der Umsetzung einer signifikanten Erhöhung der Energie- und Leistungsdichten dieses Energiespeichers.

The ocean has tremendous potential in terms of energy generation, and wave energy is especially promising. However, wave energy technology is still non-commercial. Along with ambitious renewable energy targets and investments, much is happening within the field and the wave energy converter developers CorPower Ocean intend to have their technology proven in the upcoming years. This study aims at investigating the value of commercial wave energy in an energy system. This is fulfilled by the possibilities of achieving 24/7 Carbon-free Energy with the wave energy technology from CorPower Ocean at the stage of commercialization. An energy system is modeled with wave energy, floating offshore wind energy, lithium-ion battery storage and the Portuguese national grid, supplying Northvolt’s and Galp’s future lithium conversion facility in Portugal. Different system configurations are compared based on three Key Performance Indicators: 24/7 Carbon-free Energy performance, system emission, and cost for the electricity consumer. In addition, a review of available financial support mechanisms for renewable energy technologies and especially wave energy is done to understand how such mechanisms can affect the economic feasibility of the energy system modeled. The wave energy technology from CorPower Ocean shows to have a high power output and 24/7 carbon-free Energy performance in this study. Although a combination of wave and floating offshore wind energy better ensure energy security with generation profiles that peak at different times, the modeling shows that a system with wave energy alone is preferred for supplying the facility with electricity both from an environmental and economic perspective. The economic feasibility of Lithium-ion battery storage in the system is uncertain and to achieve 24/7 Carbon-free Energy supply of the facility a longer duration storage solution is needed. The price for wave energy in this study is higher than for other commercial renewable energy technologies such as solar PV. However, based on the available financial support structures from governments and other stakeholders, wave energy technology has the potential to be competitive as soon as the technology is proven. / Energigenerering från våra hav har stor potential, inte minst från vågkraft. Trots att vågkraftstekniken ännu inte har nått ett kommersiellt stadie händer det mycket inom området i takt med fler ambitiösa miljökrav och investeringar. CorPower Ocean utvecklar vågkraftsteknik och planerar att ha sin teknik bevisad inom några år. Den här studien syftar till att undersöka värdet av kommersiell vågkraft, vilket uppfylls genom möjligheterna till förnybar el 24 timmar om dygnet med CorPower Ocean’s vågenergiomvandlare. Ett energisystem modelleras med vågkraft, flytande vindkraft, litium-jon batterier och det portugisiska elnätet för att försörja Northvolts och Galps planerade anläggning för litiumkonvertering i Portugal. Olika systemkonfigurationer är jämförda utifrån tre parametrar: 24/7 förnybar el prestation, systemutsläpp och elkostnad för konsumenten. I tillägg utförs en studie om vilka finansiella supportmekanismer som finns för hållbar energiteknik och speciellt för utvecklingen av vågkraft. Detta för att få insikt i om vågkraft kan få finansiellt stöd och konkurrera med andra förnybara energitekniker. Studien visar att vågkraftstekniken presenterar bra utifrån de tre parametrarna. Trots att en kombination av våg och flytande vindkraft ger bättre elsäkerhet med alternerande produktionskurvor visar modelleringen att ett system med endast vågkraft är att föredra både från ett ekonomiskt och ett miljöperspektiv. En investering av litium-jon batterier i energisystemet är tveksam och för att uppnå förnybar elförsörjning av anläggningen 24 timmar om dygnet krävs en energilagringsteknik som möjliggör lagring över längre perioder. Priset för vågkraft i studien är högre än för andra kommersiella förnybara energitekniker så som solpaneler. Baserat på det finansiella stöd som finns från myndigheter och andra intressenter så är det möjligt för vågkraften att bli konkurrenskraftig så fort tekniken är bevisad.