Zielstellung
Gesamtziel der Promotionsarbeit “Neuartige Nanokompositmaterialien für zukünftige elekt-rochemische Energiespeicher” war die Entwicklung und Erprobung innovativer, nanostruktu-rierter Festelektrolytmaterialien für die elektrochemische Energieumwandlung und -speicherung. Die zu entwickelnden Materialsysteme sollten bereits bei Temperaturen unter 700 °C eine höhere Ionenleitfähigkeit als der reinphasige Festelektrolyt aufweisen und damit eine effektivere, umweltfreundlichere Nutzung von Elektroenergie ermöglichen.
Experimentelles
Gemäß der höheren Leitfähigkeit der Korngrenzen zwischen Elektrolyt und Isolator, ein 3D-Modell eines idealisierten zweiphasigen Kompositmaterials wurde designt. Dafür wurde Ga-dolinium-dotiertem Ceroxid (GDC) wegen seiner hohen ionischen Leitfähigkeit und niedrigen elektrischen Leitfähigkeit als Elektrolyt und Magnesiumoxid- (MgO) als Ioslator ausgewählt.
Zunächst wurden sowohl GDC- als auch MgO-Nanopartikel mit unterschiedlichen Synthese-methoden hergestellt.
Dazu wurden in dieser Arbeit drei Synthesemethoden untersucht:
Methode 1: “Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO” für die Synthese der MgO-Nanopartikel,
Methode 2: “Carbonat-Copräzipitationsverfahren” für die Synthese der GDC-Nanopartikel und
Methode 3: “Self-propagating high-temperature synthesis” (SHS) für die Synthese der MgO-Nanopartikel, der GDC-Nanopartikel und der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln.
Nach der Synthese wurden die Proben gesintert. In dieser Arbeit wurde zunächst die klassi-sche Sintermethode angewendet. Die Proben wurden in einem Kammerofen bei verschiede-nen Temperaturen gesintert. Dann wurde die neue Sintermethode Field Assisted Sintering Technology (FAST) / Spark Plasma Sintering (SPS) erprobt.
Realisierte Ergebnisse
Keramische Kompositmaterialien auf der Basis von Sauerstoffionen-leitendem Gadolinium-dotiertem Ceroxid- (GDC) und Magnesiumoxid- (MgO) Nanopartikeln wurden mit verschie-denen Präparationsmethoden synthetisiert. Deren Struktur und Eigenschaften wurden mit-tels Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie sowie elektrochemischen Messme-thoden umfassend aufgeklärt und charakterisiert. Wichtigstes Teilergebnis der Arbeit ist die erfolgreiche Entwicklung geeigneter Verfahren zur Synthese und Sinterung der Nanopartikel. Mittels der Synthesemethode SHS ist es erstmals gelungen, Mischungen von GDC- und MgO-Nanopartikeln herzustellen, die folgende erfolgversprechende Eigenschaften haben: passen-de Partikelgrößen (10 bis 20 nm) für beide Materialien, eine enge Partikelgrößenverteilung, geringe Aggregation und gute Homogenität der beiden Komponenten. Mit einem optimier-ten FAST / SPS-Verfahren konnten die auf diese Weise gemischten Pulver ohne wesentliche Partikelvergrößerung mit der gewünschten Größe und hohen Anzahl an Korngrenzen der Nanopartikel gesintert werden. Derart hergestellte Materialproben wiesen im Vergleich zu dem herkömmlich präparierten Festelektrolyt mit größeren Körnern eine ca. 10-fach höhere Leitfähigkeit auf.:Abkürzungsverzeichnis
Vorwort
Erklärung
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Festelektrolyt
2.1.1 Bekannte Festelektrolytmaterialien
2.1.2 Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC)
2.1.2.1 Cerdioxid
2.1.2.2 Dotiertes Cerdioxid
2.1.3 Kompositmaterial
2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC)
2.2.1 Brennstoffzelle
2.2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle
3 Zielstellung und Lösungsweg
4 Experimentelles
4.1 Synthesemethoden
4.2 Sintermethoden
4.3 Analysemethoden
4.3.1 Thermogravimetrische Analyse
4.3.2 Röntgen-Diffraktometrie
4.3.3 Rasterelektronenmikroskopie
4.3.4 Transmissionselektronenmikroskopie
4.3.5 Impedanzspektroskopie
5 Ergebnisse und Diskussion
5.1 Ergebnisse und Diskussion der Synthesen
5.1.1 Synthese der MgO-Nanopartikel
5.1.1.1 Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO
5.1.1.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von MgO
5.1.2 Synthese der GDC-Nanopartikel
5.1.2.1 Carbonat-Copräzipitationsverfahren
5.1.2.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von GDC
5.1.3 Synthese der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln
5.1.3.1 Mischen der beiden Sole
5.1.3.2 Mischen der beiden Nassgele mit Labormixer
5.1.3.3 Mischen der beiden Nassgele mit Ultraschallfinger
5.1.3.4 Mischen von GDC-Nassgel und Ausgangssubstanzen des MgO
5.1.3.5 Mischen von MgO-Nassgel und den Ausgangssubstanzen des GDC
5.1.4 Zusammenfassung der Synthesen
5.2 Ergebnisse und Diskussion des Sinterns
5.2.1 Klassische Sintermethode
5.2.2 Field Assisted Sintering Technology (FAST)
5.2.2.1 Sintern der GDC-Proben mittels der FAST-Methode
5.2.2.2 Sintern der Komposit-Proben mittels der FAST-Methode
5.2.3 Zusammenfassung der Sinterergebnisse
5.3 Strukturelle Untersuchungen
5.3.1 Thermogravimetrische Analyse
5.3.2 Röntgen-Diffraktometrie
5.3.3 Elektronenmikroskopische Untersuchungen
5.3.3.1 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von MgO-Nanopartikeln
5.3.3.2 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von GDC-Nanopartikeln
5.3.3.3 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von gemischten GDC-MgO-Nanopartikeln
5.3.3.4 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an klassisch gesinterten Proben
5.3.3.5 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von mittels FAST gesinterten GDC-Proben
5.3.3.6 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an mittels FAST gesinterten Komposit-Proben
5.4 Elektrochemische Untersuchungen
5.4.1 Aufbau des Messgerätes
5.4.2 Impedanzmessungen
5.4.2.1 Vorbereitung der Proben
5.4.2.2 Auswertung der Impedanzspekten
5.4.2.3 Vergleich von FAST- und klassisch gesinterten Proben
5.4.2.4 Untersuchung der Abhängigkeit vom Gasfluss
5.4.2.5 Bestimmung der Korngrenzen-Leitfähigkeiten der mittels FAST gesinterten Proben
5.4.2.6 Vergleich der eigenen Messungen mit Literaturangaben
5.4.2.7 Schlussfolgerung aus den Impedanzmessungen
5.5 Alterungsuntersuchungen
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ausblick
Literaturverzeichnis
Publikationen
Poster
Danksagung
Anhang
Chemikalienliste
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72955 |
| Date | 01 December 2020 |
| Creators | Yao, Jingying |
| Contributors | Mertig, Michael, Gerlach, Gerald, Technische Universität Dresden, Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1002/pssa.201600957 |
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