Thermodynamische Untersuchungen in den Systemen Lithium-Silicium und Lithium-Zinn

Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein ausgezeichnetes Potential für die Energiespeicherung. Das derzeit dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 339 mAh/g ist Graphit. Als Alternative hierfür bieten sich Lithiumsilicide und Lithiumstannide an. Diese Materialien zeichnen sich durch eine viel größere Speicherkapazität und geringere Selbstentladungspotentiale aus. Für die kommerzielle Anwendung dieser beiden Systeme in Lithium-Ionen-Batterien werden grundlegende und verlässliche thermodynamische Daten benötigt. Derzeit ist die Existenz von sieben Lithiumsiliciden sicher nachgewiesen. Dazu zählen die sechs stabilen Phasen Li17Si4, Li16.42Si4, Li13Si4, Li7Si3, Li12Si7, die Hochdruckphase LiSi und die metastabile Phase Li15Si4. Für die ersten fünf genannten Phasen wurden in der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1473 Wärmekapazitäten und Standardentropien bestimmt. Bei den Lithiumstanniden sind derzeit sieben Phasen gesichert belegt. Allerdings existiert für keine Phase der Lithiumstannide ein verlässlicher thermodynamischer Basisdatensatz. Aus diesem Grund wurden für die beiden zuletzt genannten Lithiumsilicide (Li15Si4 und LiSi), sowie für die Lithiumstannide Li17Sn4, Li7Sn2, Li13Sn5 und Li7Sn3 die fehlenden thermodynamischen Daten experimentell bestimmt. Die hergestellten Phasen wurden zunächst mittels Röntgenbeugung, thermischer und chemischer Analyse charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der experimentellen Bestimmung der Wärmekapazitäten in einem Temperaturbereich von 2 K bis zur jeweiligen Zersetzungstemperatur der untersuchten Verbindungen. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Kalorimeter verwendet: ein Physical Property Measurement System (Quantum Design) von 2 K bis 300 K und eine DSC 111 (Setaram), beginnend ab 300 K. Die experimentellen Daten konnten mit Messunsicherheiten von 1 % bis 2 % über 20 K und bis zu 20 % unterhalb von 20 K angegeben werden. Die Messungen bei niedrigen Temperaturen erlauben zudem die Berechnung der Standardentropien, sowie die Bestimmung von elektronischen Beiträgen und Gitterschwingungsbeiträgen zur Wärmekapazität. Weiterhin ist Fokus dieser Arbeit die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der Lithiumsilicide und Lithiumstannide auf Basis von Wasserstoffsorptionsmessungen mittels einer Sieverts-Apparatur. Hierfür wurden erstmals Messungen an den Lithiumsiliciden ausgehend von Li17Si4, LiH:Si (Li:Si = 17:4), Li16.42Si4 und LiSi durchgeführt. Für die Lithiumstannide dienten als Ausgangsmaterial Li17Sn4, LiH:Sn (Li:Sn =17:4), sowie Li7Sn2 und LiH:Sn (Li:Sn = 7:2). Die Anwendung des van´t-Hoff-Plots resultierte in Messunsicherheiten von mindestens 10 %. Aus diesem Grund wurde eine alternative Auswertemethode gewählt, bei der die ermittelten Wärmekapazitäten und Standardentropien mit den Gleichgewichtsdrücken aus den Wasserstoffsorptionsmessungen miteinander verknüpft werden. Auf diese Weise konnten Standardbildungsenthalpien für die untersuchten Phasen mit Fehlern kleiner 1 % ermittelt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit resultierte ein vollständiger, gesicherter thermodynamischer Datensatz für das System Li-Si. Das berechnete Li-Si-Phasendiagramm ist im sehr guten Einklang mit experimentellen literaturbekannten Daten. Für die Lithiumstannide erfolgte eine Validierung der ermittelten thermodynamischen Werte. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Datenbasis für thermodynamische Berechnungen und für das Verständnis von Phasensequenzen und Gleichgewichten beim Einsatz von Lithiumsiliciden bzw. Lithiumstanniden als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien

The importance of forest structure for carbon fluxes of the Amazon rainforest

Precise descriptions of forest productivity, biomass, and structure are essential for understanding ecosystem responses to climatic and anthropogenic changes. However, relations between these components are complex, in particular for tropical forests. We developed an approach to simulate carbon dynamics in the Amazon rainforest including around 410 billion individual trees within 7.8 million km2. We integrated canopy height observations from space-borne LIDAR in order to quantify spatial variations in forest state and structure reflecting small-scale to large-scale natural and anthropogenic disturbances. Under current conditions, we identified the Amazon rainforest as a carbon sink, gaining 0.56 GtC per year. This carbon sink is driven by an estimated mean gross primary productivity (GPP) of 25.1 tC ha−1 a−1, and a mean woody aboveground net primary productivity (wANPP) of 4.2 tC ha−1 a−1. We found that successional states play an important role for the relations between productivity and biomass. Forests in early to intermediate successional states are the most productive, and woody above-ground carbon use efficiencies are non-linear. Simulated values can be compared to observed carbon fluxes at various spatial resolutions (>40 m). Notably, we found that our GPP corresponds to the values derived from MODIS. For NPP, spatial differences can be observed due to the consideration of forest successional states in our approach. We conclude that forest structure has a substantial impact on productivity and biomass. It is an essential factor that should be taken into account when estimating current carbon budgets or analyzing climate change scenarios for the Amazon rainforest

Lianas in silico, ecological insights from a model of structural parasitism

Tropical forests are a critical component of the Earth system, storing half of the global forest carbon stocks and accounting for a third of terrestrial photosynthesis. Lianas are structural parasites that can substantially reduce the carbon sequestration capacity of these forests. Simulations of this peculiar growth form have only recently started and a single vegetation model included lianas so far. In this work we present a new liana implementation within the individual based model Formind. Initial tests indicate high structural realism both horizontal and vertical. In particular, we benchmarked the model against empirical observations of size distribution, mean liana cluster size and vertical leaf distribution for the Paracou site in French Guiana. Our model predicted a reduction of above-ground biomass between 10% for mature stands to 45% for secondary plots upon inclusion of lianas in the simulations. The reduced biomass was the result of a lower productivity due to a combination of lower tree photosynthesis and high liana respiration. We evaluated structural metrics (LAI, basal area, mean tree-height) and carbon fluxes (GPP, respiration) by comparing simulations with and without lianas. At the equilibrium, liana productivity was 1.9tC ha y or 23% of the total GPP and the forest carbon stocks were between 5% and 11% lower in simulations with lianas. We also highlight the main strengths and limitations of this new approach and propose new field measurements to further the understanding of liana ecology in a modelling framework

General statistical scaling laws for stability in ecological systems

Ecological stability refers to a family of concepts used to describe how systems of interacting species vary through time and respond to disturbances. Because observed ecological stability depends on sampling scales and environmental context, it is notoriously difficult to compare measurements across sites and systems. Here, we apply stochastic dynamical systems theory to derive general statistical scaling relationships across time, space, and ecological level of organisation for three fundamental stability aspects: resilience, resistance, and invariance. These relationships can be calibrated using random or representative samples measured at individual scales, and projected to predict average stability at other scales across a wide range of contexts. Moreover deviations between observed vs. extrapolated scaling relationships can reveal information about unobserved heterogeneity across time, space, or species. We anticipate that these methods will be useful for cross-study synthesis of stability data, extrapolating measurements to unobserved scales, and identifying underlying causes and consequences of heterogeneity

Ergebnisbericht der „GeMSe“-Studie: Gesundheitskompetenz und Barrieren in der Gesundheitsversorgung von Mitgliedern der Selbsthilfe

Hintergrund Die gegenwärtige Corona-Pandemie stellt Mitglieder von Selbsthilfegruppen vor Herausforderungen und zeigt, dass die Gesundheitskompetenz immer wichtiger wird, denn die Gesundheitskompetenz bezieht sich auf das Finden, Verstehen, Beurteilen und Anwenden von Gesundheitsinformationen. Menschen mit Behinderungen gehören einer Bevölke-rungsgruppe an, die oftmals benachteiligt wird, auch hinsichtlich ihrer Gesundheit. Damit eine gleichberechtigte Gesundheitsversorgung gewährleistet werden kann, sollte ein Zugang zum Gesundheitswesen ohne Barrieren ermöglicht werden. Ziel der Studie „Gesund-heitskompetenz von Mitgliedern der Selbsthilfe (GeMSe)“ ist es, die individuelle Gesundheitskompetenz, das Suchverhalten nach Gesundheitsinformationen und wahrgenommene Barrieren im Gesundheitssystem abzubilden. Methode Die Datenbasis bildet eine Online-Befragung von 778 Mitgliedern von Selbsthilfegruppen, welche von Oktober 2019 bis Januar 2020 von der Technischen Universität Dortmund in Zusammenarbeit mit der Hochschule Fulda durchgeführt wurde. Die statistische Auswertung erfolgte mittels deskriptiver, uni- sowie bivariater Analysen durchgeführt mit SPSS Statistics (Version 25). Ergebnisse Ein Großteil der Befragten hat nach eigener Einschätzung Schwierigkeiten beim Finden, Verstehen, Beurteilen und Anwenden von gesundheitsspezifischen Informationen. Mitglieder der Selbsthilfe verwenden am häufigsten internetbasierten Quellen wie „Google“, um nach gesundheitsrelevanten Informationen zu recherchieren. Mehr als die Hälfte der Be-fragten gaben an, vor und/oder nach dem Besuch des/der Arztes/ Ärztin nach zusätzlichen Gesundheitsinformationen zu suchen. Bezüglich der Erfahrungen und Zufriedenheit mit der medizinischen Versorgung zeigen die Ergebnisse, dass mehr als die Hälfte der Befragten positive Erfahrungen im Gesundheitssystem, insbesondere mit der Zeitdauer im Arzt-Patienten-Gespräch gemacht haben. In Bezug auf die künftigen Entwicklungen im Gesundheitswesen gab über die Hälfte der Befragten an, Befürchtungen zur zukünftigen Entwicklung im Gesundheitswesen zu haben. Schlussfolgerung Der Zugang zur Gesundheitsversorgung und die angemessene Nutzung gesundheitsbezogener Informationen sind für Menschen mit einer chronischen Erkrankung oder Behinderung, die täglich gesundheitliche Entscheidungen treffen müssen, von großer Bedeutung. Daher ist es für die Selbsthilfe erforderlich, die Gesundheitskompetenz ihrer Mitglieder zu stärken und sie bei der Suche nach Gesundheitsinformationen zu unterstützen. Die Selbsthilfe sollte auf die Befürchtungen ihrer Mitglieder eingehen und reagieren. Auf dieser Grundlage ist es empfehlenswert, weitere Forschungen hinsichtlich der Gesundheitskompetenz bei Mitgliedern von Selbsthilfegruppen, dem Informationssuchverhalten und den Barrieren in der Gesundheitsversorgung durchzuführen

Deriving Tree Size Distributions of Tropical Forests from Lidar

Remote sensing is an important tool to monitor forests to rapidly detect changes due to global change and other threats. Here, we present a novel methodology to infer the tree size distribution from light detection and ranging (lidar) measurements. Our approach is based on a theoretical leaf–tree matrix derived from allometric relations of trees. Using the leaf–tree matrix, we compute the tree size distribution that fit to the observed leaf area density profile via lidar. To validate our approach, we analyzed the stem diameter distribution of a tropical forest in Panama and compared lidar-derived data with data from forest inventories at different spatial scales (0.04 ha to 50 ha). Our estimates had a high accuracy at scales above 1 ha (1 ha: root mean square error (RMSE) 67.6 trees ha−1/normalized RMSE 18.8%/R² 0.76; 50 ha: 22.8 trees ha−1/6.2%/0.89). Estimates for smaller scales (1-ha to 0.04-ha) were reliably for forests with low height, dense canopy or low tree height heterogeneity. Estimates for the basal area were accurate at the 1-ha scale (RMSE 4.7 tree ha−1, bias 0.8 m² ha−1) but less accurate at smaller scales. Our methodology, further tested at additional sites, provides a useful approach to determine the tree size distribution of forests by integrating information on tree allometries

Thermodynamische Untersuchungen in den Systemen Lithium-Silicium und Lithium-Zinn

Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein ausgezeichnetes Potential für die Energiespeicherung. Das derzeit dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 339 mAh/g ist Graphit. Als Alternative hierfür bieten sich Lithiumsilicide und Lithiumstannide an. Diese Materialien zeichnen sich durch eine viel größere Speicherkapazität und geringere Selbstentladungspotentiale aus. Für die kommerzielle Anwendung dieser beiden Systeme in Lithium-Ionen-Batterien werden grundlegende und verlässliche thermodynamische Daten benötigt. Derzeit ist die Existenz von sieben Lithiumsiliciden sicher nachgewiesen. Dazu zählen die sechs stabilen Phasen Li17Si4, Li16.42Si4, Li13Si4, Li7Si3, Li12Si7, die Hochdruckphase LiSi und die metastabile Phase Li15Si4. Für die ersten fünf genannten Phasen wurden in der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1473 Wärmekapazitäten und Standardentropien bestimmt. Bei den Lithiumstanniden sind derzeit sieben Phasen gesichert belegt. Allerdings existiert für keine Phase der Lithiumstannide ein verlässlicher thermodynamischer Basisdatensatz. Aus diesem Grund wurden für die beiden zuletzt genannten Lithiumsilicide (Li15Si4 und LiSi), sowie für die Lithiumstannide Li17Sn4, Li7Sn2, Li13Sn5 und Li7Sn3 die fehlenden thermodynamischen Daten experimentell bestimmt. Die hergestellten Phasen wurden zunächst mittels Röntgenbeugung, thermischer und chemischer Analyse charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der experimentellen Bestimmung der Wärmekapazitäten in einem Temperaturbereich von 2 K bis zur jeweiligen Zersetzungstemperatur der untersuchten Verbindungen. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Kalorimeter verwendet: ein Physical Property Measurement System (Quantum Design) von 2 K bis 300 K und eine DSC 111 (Setaram), beginnend ab 300 K. Die experimentellen Daten konnten mit Messunsicherheiten von 1 % bis 2 % über 20 K und bis zu 20 % unterhalb von 20 K angegeben werden. Die Messungen bei niedrigen Temperaturen erlauben zudem die Berechnung der Standardentropien, sowie die Bestimmung von elektronischen Beiträgen und Gitterschwingungsbeiträgen zur Wärmekapazität. Weiterhin ist Fokus dieser Arbeit die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der Lithiumsilicide und Lithiumstannide auf Basis von Wasserstoffsorptionsmessungen mittels einer Sieverts-Apparatur. Hierfür wurden erstmals Messungen an den Lithiumsiliciden ausgehend von Li17Si4, LiH:Si (Li:Si = 17:4), Li16.42Si4 und LiSi durchgeführt. Für die Lithiumstannide dienten als Ausgangsmaterial Li17Sn4, LiH:Sn (Li:Sn =17:4), sowie Li7Sn2 und LiH:Sn (Li:Sn = 7:2). Die Anwendung des van´t-Hoff-Plots resultierte in Messunsicherheiten von mindestens 10 %. Aus diesem Grund wurde eine alternative Auswertemethode gewählt, bei der die ermittelten Wärmekapazitäten und Standardentropien mit den Gleichgewichtsdrücken aus den Wasserstoffsorptionsmessungen miteinander verknüpft werden. Auf diese Weise konnten Standardbildungsenthalpien für die untersuchten Phasen mit Fehlern kleiner 1 % ermittelt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit resultierte ein vollständiger, gesicherter thermodynamischer Datensatz für das System Li-Si. Das berechnete Li-Si-Phasendiagramm ist im sehr guten Einklang mit experimentellen literaturbekannten Daten. Für die Lithiumstannide erfolgte eine Validierung der ermittelten thermodynamischen Werte. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Datenbasis für thermodynamische Berechnungen und für das Verständnis von Phasensequenzen und Gleichgewichten beim Einsatz von Lithiumsiliciden bzw. Lithiumstanniden als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien

Modelling and Analysing the Structure and Dynamics of Species-rich Grasslands and Forests

Ecosystems provide important functioning and services, like biomass for bioenergy production or storage of atmospheric carbon. Two examples of such ecosystems are temperate grasslands and tropical forests. Both vegetation are rich of various species, whereby each of the respective ecosystem benefits from its species-richness concerning their functioning, i.e. productivity. In this thesis both vegetation are in the focus of the investigations. In the first chapter, a review of existing grassland and vegetation models provides an overview of important aspects, which have to be considered for modelling temperate grasslands in the context of biomass production. Based on the review, new conceptual modelling approaches for temperate grasslands are proposed. In the third chapter, derived from the suggested concept, the process-oriented and individual-based grassland model Grassmind is presented. In the fourth chapter, the model Grassmind is used in order to parameterize and simulate the annual dynamics of a typical Central European grass species. Grassmind is able to reproduce the structure and dynamics of a temperate grass species. With reference to the parameterized grass species, a simulation study using defined species groups is performed in order to investigate on the effect of the richness of species groups on aboveground productivity. We do not observe a significant positive effect of species group richness on productivity, which is explained by limitations of using the parameterized grass species as a reference. In the fifth chapter, comprehensive investigations are carried out on the example of stem size distributions in forests concerning their statistical analyses, i.e. by using maximum likelihood estimation. The effects of uncertainties, i.e. binning of measured stem sizes or random measurement errors, are examined in detail. Uncertainties bias the analyses of maximum likelihood estimations. It is shown, that the use of modified likelihood functions, which include either binning or measurement errors, reduce these biases to a large extent. For both studies, i.e. modelling of temperate grasslands and analysing stem size distributions of forests, the presented investigations are discussed and possible examinations are suggested for future research in the last chapter

Thermodynamische Untersuchungen in den Systemen Lithium-Silicium und Lithium-Zinn

Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein ausgezeichnetes Potential für die Energiespeicherung. Das derzeit dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 339 mAh/g ist Graphit. Als Alternative hierfür bieten sich Lithiumsilicide und Lithiumstannide an. Diese Materialien zeichnen sich durch eine viel größere Speicherkapazität und geringere Selbstentladungspotentiale aus. Für die kommerzielle Anwendung dieser beiden Systeme in Lithium-Ionen-Batterien werden grundlegende und verlässliche thermodynamische Daten benötigt. Derzeit ist die Existenz von sieben Lithiumsiliciden sicher nachgewiesen. Dazu zählen die sechs stabilen Phasen Li17Si4, Li16.42Si4, Li13Si4, Li7Si3, Li12Si7, die Hochdruckphase LiSi und die metastabile Phase Li15Si4. Für die ersten fünf genannten Phasen wurden in der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1473 Wärmekapazitäten und Standardentropien bestimmt. Bei den Lithiumstanniden sind derzeit sieben Phasen gesichert belegt. Allerdings existiert für keine Phase der Lithiumstannide ein verlässlicher thermodynamischer Basisdatensatz. Aus diesem Grund wurden für die beiden zuletzt genannten Lithiumsilicide (Li15Si4 und LiSi), sowie für die Lithiumstannide Li17Sn4, Li7Sn2, Li13Sn5 und Li7Sn3 die fehlenden thermodynamischen Daten experimentell bestimmt. Die hergestellten Phasen wurden zunächst mittels Röntgenbeugung, thermischer und chemischer Analyse charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der experimentellen Bestimmung der Wärmekapazitäten in einem Temperaturbereich von 2 K bis zur jeweiligen Zersetzungstemperatur der untersuchten Verbindungen. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Kalorimeter verwendet: ein Physical Property Measurement System (Quantum Design) von 2 K bis 300 K und eine DSC 111 (Setaram), beginnend ab 300 K. Die experimentellen Daten konnten mit Messunsicherheiten von 1 % bis 2 % über 20 K und bis zu 20 % unterhalb von 20 K angegeben werden. Die Messungen bei niedrigen Temperaturen erlauben zudem die Berechnung der Standardentropien, sowie die Bestimmung von elektronischen Beiträgen und Gitterschwingungsbeiträgen zur Wärmekapazität. Weiterhin ist Fokus dieser Arbeit die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der Lithiumsilicide und Lithiumstannide auf Basis von Wasserstoffsorptionsmessungen mittels einer Sieverts-Apparatur. Hierfür wurden erstmals Messungen an den Lithiumsiliciden ausgehend von Li17Si4, LiH:Si (Li:Si = 17:4), Li16.42Si4 und LiSi durchgeführt. Für die Lithiumstannide dienten als Ausgangsmaterial Li17Sn4, LiH:Sn (Li:Sn =17:4), sowie Li7Sn2 und LiH:Sn (Li:Sn = 7:2). Die Anwendung des van´t-Hoff-Plots resultierte in Messunsicherheiten von mindestens 10 %. Aus diesem Grund wurde eine alternative Auswertemethode gewählt, bei der die ermittelten Wärmekapazitäten und Standardentropien mit den Gleichgewichtsdrücken aus den Wasserstoffsorptionsmessungen miteinander verknüpft werden. Auf diese Weise konnten Standardbildungsenthalpien für die untersuchten Phasen mit Fehlern kleiner 1 % ermittelt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit resultierte ein vollständiger, gesicherter thermodynamischer Datensatz für das System Li-Si. Das berechnete Li-Si-Phasendiagramm ist im sehr guten Einklang mit experimentellen literaturbekannten Daten. Für die Lithiumstannide erfolgte eine Validierung der ermittelten thermodynamischen Werte. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Datenbasis für thermodynamische Berechnungen und für das Verständnis von Phasensequenzen und Gleichgewichten beim Einsatz von Lithiumsiliciden bzw. Lithiumstanniden als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien