Neue Energiespeichermaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien

Angesichts schwindender Mengen sowie hoher Preise fossiler Energieträger und der damit einhergehenden Umweltbelastung erscheint ein Umstieg auf regenerative Energiequellen unausweichlich. Die stark schwankenden Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie generieren dabei einen starken Bedarf im Bereich der elektrochemischen Energiespeicher. Die Lithium-Schwefel Technologie repräsentiert in diesem Zusammenhang einen vielversprechenden Kandidaten einer neuen Generation leistungsfähiger, sicherer, aber vor allem kosteneffizienter Batterien. Den Idealfall stellt ein zyklenstabiles Energiespeichermaterial mit hoher Kapazität und Energiedichte sowie guter mechanischer Stabilität dar. Vor allem Poly(acrylnitril) (PAN), welches durch eine thermische Umsetzung mit elementarem Schwefel elektrisch leitfähige Schwefel/Polyacrylnitril (SPAN)-Komposite ausbildet, erscheint hier besonders attraktiv.[1] Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden basierend auf Vorarbeiten von Fanous et al.[2],[3],[4] zwei neuartige Energiespeichermaterialien auf Basis von Poly(acrylnitril) sowie ein neuartiger Elektrolyt für Lithium-Schwefel Batterien entwickelt. Durch eine gezielt eingeleitete Phasenseparation während einer kontrolliert radikalischen Copolymerisation von Acrylnitril und einem geeigneten Quervernetzer, konnte in nur einem Syntheseschritt eine Binder freie, hochporöse sowie mechanisch stabile monolithische Trägermatrix auf PAN-Basis dargestellt werden. Die anschließende thermische Umsetzung mit elementarem Schwefel führte zu SPAN-Monolithen. Die final erhaltenen SPAN-Monolithe zeigten einen kovalent gebundenen Schwefelgehalt > 51 Gew.-% bei einer spezifischen Oberfläche > 450 m²/g. Die elektrochemische Charakterisierung zeigte ein analoges elektrochemisches Verhalten, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen.[3] Ebenfalls konnte eine analoge Bindungsnatur des Schwefels innerhalb der SPAN-Monolithe, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen, nachgewiesen werden. Um die elektrochemische Effizienz der SPAN-Monolithe zu optimieren wurden ebenfalls Kohlenstoff-additivierte SPAN-Monolithe hergestellt. Dies gelang durch eine in situ Ausbildung der monolithischen PAN-Trägermatrix in Gegenwart von Graphenoxidpartikeln. Des Weiteren gelang die Darstellung von Metall/PAN-Kompositen durch die in situ Ausbildung der monolithischen PAN-Trägermatrix in einem Nickel-Metallschaum. Durch das breite Anwendungsspektrum von Poly(acrylnitril) wurde ebenfalls die Eignung kommerzieller PAN-Fasern als Energiespeichermaterial untersucht. Hierbei wurden PAN-basierte Fasern in Gegenwart von Schwefel umgesetzt. Dadurch konnten SPAN-Fasern mit einem Schwefelgehalt > 57 Gew.-% sowie einer spezifischen Oberfläche > 30 m2/g erhalten werden. Es konnte ebenfalls eine analoge Bindungsnatur des Schwefels innerhalb der PAN-Faser, verglichen mit bereits bekannten SPAN-Kompositen, nachgewiesen werden. Das erhaltene faserbasierte SPAN-Energiespeichermaterial wurde zu kommerziellen Batterieelektroden verarbeitet. Die erste elektrochemische Charakterisierung zeigte vielversprechende elektrochemische Eigenschaften. Basierend auf den ersten elektrochemischen Befunden, wurde ein Fluor-basierter Elektrolyt für das faserbasierte Energiespeichermaterial entwickelt. Die Kombination aus neuen Elektrolyten und faserbasierten SPAN-Elektroden, zeigte überragende elektrochemische Eigenschaften. Diese sind durch eine hohe Stromratenfähigkeit (0.5C - 8C) sowie hohen spezifischen Entladekapazitäten (> 1200 Ah/kg) und hoher Zyklenfestigkeit (>> 1000 Zyklen), gekennzeichnet. Als Ursache für dieses Verhalten konnte die stäbchenförmige Geometrie der SPAN-Faserfilamente sowie die Porenstruktur identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch den neu entwickelten Elektrolyten gezielt eine stabile und permeable Schutzschicht (SEI) auf der Kathodenoberfläche ausgebildet werden kann, welche als Barriere für mobile Polysulfide fungiert. [1] J. Wang, J. Yang, J. Xie, N. Xu, Advanced Materials 2002, 14, 963-965. [2] J. Fanous, M. Wegner, J. Grimminger, A. Andresen, M. R. Buchmeiser, Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028. [3] J. Fanous, M. Wegner, J. Grimminger, M. Rolff, M. B. M. Spera, M. Tenzer, M. R. Buchmeiser, Journal of Materials Chemistry 2012, 22, 23240-23245. [4] J. Fanous, M. Wegner, M. B. M. Spera, M. R. Buchmeiser, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A1169-A1170

Co-Konfiguration von Hardware- und Systemsoftware-Produktlinien

Hardwarearchitekturen im Kontext von Eingebetteten Systemen werden immer komplexer und bewegen sich zukünftig immer häufiger in Richtung von Multi- oder Manycore-Systemen. Damit diese Systeme ihre optimale Leistungsfähigkeit – für die oftmals speziellen Aufgaben im Kontext von Eingebetteten Systemen – ausspielen können, beschäftigen sich ganze Forschungszweige mit der anwendungsspezifischen Maßschneiderung dieser Systeme. Insbesondere die Popularität von Hardwarebeschreibungssprachen trägt dazu ihren Teil bei. Jedoch ist die Entwicklung von solchen Systemen, selbst bei der Verwendung von Hardwarebeschreibungssprachen und der damit verbundenen höheren Abstraktionsebene, aufwendig und fehleranfällig. Die Verwendung von Hardwarebeschreibungssprachen lässt allerdings die Grenze zwischen Hard- und Software verschwimmen, denn Hardware kann nun – ähnlich wie auch Software – in textueller Form beschrieben werden. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Übertragung von Konzepten aus der Software- auf die Hardwareentwicklung. Ein Konzept um der wachsenden Komplexität im Bereich der Softwareentwicklung zu begegnen, ist die organisierte Wiederverwendung von Komponenten, wie sie in der Produktlinienentwicklung zum Einsatz kommt. Inwieweit sich Produktlinienkonzepte auf Hardwarearchitekturen übertragen lassen und wie Hardware-Produktlinien entworfen werden können, soll in dieser Arbeit detailliert untersucht werden. Die Vorteile der Produktlinientechniken, wie die Möglichkeit zur Wiederverwendung von erprobten und zuverlässigen Komponenten, könnten so auch für Hardwarearchitekturen genutzt werden, um die Entwicklungskomplexität zu reduzieren und so mit erheblich geringerem Aufwand spezifische Hardwarearchitekturen entwickeln zu können. Zudem kann durch die gemeinsame Codebasis einer Produktlinie eine schnellere Markteinführungszeit unter geringeren Entwicklungskosten realisiert werden. Auf Basis dieser neuen Konzepte beschäftigt sich diese Arbeit zudem mit der Fragestellung, wie zukünftig solche parallelen Systeme programmiert und automatisiert optimiert werden können, um den Entwickler von der Anwendung über die Systemsoftware bis hin zur Hardware mit einer automatisierten Werkzeugkette bei der Umsetzung zu unterstützen. Im Fokus stehen dabei die in dieser Arbeit entworfenen Techniken zur durchgängigen Konfigurierung von Hardware und Systemsoftware. Diese Techniken beruhen im Wesentlichen auf den Programmierschnittstellen zwischen den Schichten, deren Zugriffsmuster sich statisch analysieren lassen. Die so gewonnenen Konfigurationsinformationen lassen sich dann zur automatisierten Maßschneiderung der Systemsoftware- und Hardware-Produktlinie für ein spezifisches Anwendungsszenario nutzen. Die anwendungsspezifische Optimierung der Systeme wird in dieser Arbeit mittels einer Entwurfsraumexploration durchgeführt. Der Fokus der Entwurfsraumexploration liegt allerdings nicht allein auf der Hardwarearchitektur, sondern umfasst ebenso die Softwareebene. Denn neben der Maßschneiderung der Systemsoftware, wird auch die auf einer parallelen Programmierschnittstelle aufsetzende Anwendung innerhalb der Entwurfsraumexploration automatisch skaliert, um die Leistungsfähigkeit von Manycore-Systemen ausschöpfen zu können

Glykosylphosphatidylinositole bei Trichophyton rubrum: Identifizierung und Charakterisierung

Trichophyton rubrum gehört zu den Dermatophyten. Sie sind einer der häufigsten Erreger der Tinea pedis. Im zellfreien System konnten Glykolipide metabolisch markiert werden und als GPIs identifiziert werden

Mesostrukturierung und chemische Modifikation von Kathodenmaterialien zur Anwendung in Lithium-Schwefel Batterien

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Strukturierung und Charakterisierung von Kohlenstoffmaterialien, ihrer chemischen Modifikation, sowie deren Einsatz als Kathodenmaterialien in Lithium-Schwefel Batterien

Volkswirtschaftlicher Nutzen der Bio-Landwirtschaft für Österreich

Das vorliegende Papier hat zum Ziel, den aktuellen Stand der wissenschaftlichen Literatur zum volkswirtschaftlichen Nutzen der Bio-Landwirtschaft durch gesellschaftliche Leistungen in Österreich zusammenzustellen. Dabei wurde versucht, soweit wie möglich auf österreichische Studien zurückzugreifen. Falls keine österreichischen Studien vorlagen, wurden internationale Studien herangezogen. Aufgrund dieser Fakten wurden sieben Schlussfolgerungen gezogen, die die derzeitige gesellschaftliche Diskussion um die Reform der österreichischen Agrarumweltpolitik versachlichen und ihr neue Impulse geben sollen. Die Kernthese des vorliegenden Papiers ist, dass die biologische Landwirtschaft mit vergleichsweise geringen gesellschaftlichen Kosten einen höheren gesellschaftlichen Nutzen erzielt als die konventionelle Wirtschaftsweise. Die Studie gibt Anregungen zu einer volkswirtschaftlich sinnvollen Förderung der im Hinblick auf die österreichischen Agrarumweltziele multifunktionellen biologischen Landwirtschaft. Wir kommen in unserer Analyse zu dem Schluss, dass gesellschaftlichen Leistungen und Kosten der Landwirtschaft nur unzureichend in der volkswirtschaftlichen Gesamtrechnung wiedergegeben sind. Selbst bei einer konservativen Schätzung und unter Nichtberücksichtigung vieler Arten von externen Kosten der österreichischen Landwirtschaft belaufen sich diese auf 1,3 Milliarden Euro pro Jahr. Gemäß der wissenschaftlichen Literatur kann eindeutig von geringeren negativen Umweltwirkungen der biologischen Landwirtschaft ausgegangen werden. Wir schätzen die potentielle Reduktion auf mindestens ein Drittel der Gesamtkosten. Aufgrund der Wirkungen der biologischen Landwirtschaft auf verschiedene österreichische Agrarumweltziele ist davon auszugehen, dass die derzeitige Förderung der biologischen Landwirtschaft im Agrar-Umweltprogramm ÖPUL zu Kostensenkungen führt – dies im Vergleich zu einem Maßnahmenmix ohne Förderung der biologischen Landwirtschaft. Um zukünftig die Internalisierung von externen Effekten weiter voranzutreiben und das aufgezeigte Potential der biologischen Landwirtschaft zur volkswirtschaftlichen Kosteneinsparung voll nutzen zu können, schlagen wir insgesamt sechs Maßnahmen, innerhalb und außerhalb des ÖPUL-Programmes vor: i) Vollständige Abgeltung von Kosten und eine Entkoppelung der Marktkomponente und Agrarumweltkomponente der biologischen Landwirtschaft, ii) Sicherstellen, dass die betriebswirtschaftlichen Anreize von Kombinationen von Einzelmaßnahmen, die in der Bio-Landwirtschaft bereits enthalten sind, die Förderung der Bio-Landwirtschaft nicht übersteigen, iii) Einführung von weiteren bzw. Weiterführung von existierenden mit der biologischen Landwirtschaft kombinierbaren ÖPUL-Maßnahmen, iv) Implementierung projektbezogener Instrumente zur Förderung der ländlichen Entwicklung durch die landwirtschaftliche Produktion, v) Einführung einer Stickstoff-, Energie- und Pestizidsteuer und vi) Langfristiges politisches Bekenntnis zur Unterstützung der biologischen Landwirtschaft. Wir sehen Potential zur Weiterentwicklung der biologischen Landwirtschaft zu einem nachhaltigen, auf Kreislaufwirtschaft basierenden landwirtschaftlichen Produktionssystem für Österreich. Um dieses Potential auszuschöpfen, sollten vom Staat Rahmenbedingungen ge-schaffen werden, um ein transdisziplinäres Wissenssystem zu etablieren, welches die Innovationskraft sowohl aus der Bauernschaft, der Beratung und der Forschung anerkennt