Energy Materials - Lab - Cheatsheet

Photovoltaik und Solarzellen

Definition:

Photovoltaik: Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Solarzellen: Bauelemente, die Photovoltaik-Effekt nutzen.

Details:

• Solarzelle: p-n-Übergang (meist Silizium)
• Photovoltaik-Effekt: Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch Photonen
• Wirkungsgrad \( \text{efficiency} = \frac{P_{out}}{P_{in}} \)
• Wichtig: Bandabstandsenergie, Rekombination, Lichtabsorption
• Typen: Monokristallin, Polykristallin, Dünnschicht
• Leerlaufspannung \( V_{\text{oc}} \)
• Kurzschlussstrom \( I_{\text{sc}} \)
• Füllfaktor \( FF = \frac{V_{\text{mp}} I_{\text{mp}}}{V_{\text{oc}} I_{\text{sc}}} \)

Thermische Energiespeicherung

Definition:

Speicherung thermischer Energie für spätere Nutzung, basierend auf Temperaturunterschieden und Wärmekapazität von Stoffen.

Details:

• Latentwärmespeicherung: Nutzung von Phasenwechselmaterialien (PCM), um Wärme während des Phasenwechsels zu speichern und freizusetzen.
• Sensibler Wärmespeicher: Speicherung durch Erwärmung oder Abkühlung eines Mediums ohne Phasenwechsel.
• Thermochemische Speicherung: Nutzung reversibler chemischer Reaktionen zur Speicherung und Freisetzung von Wärme.
• Formel für gespeicherte Wärme: \[ Q = m \times C_p \times \triangle T \]
• Wichtige Materialien: Wasser, Salz-Hydrate, organische PCMs.
• Anwendungen: Wohngebäude, industrielle Prozesse, Kraftwerke.

Lithium-Ionen-Batterien

Definition:

Lithium-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, die in vielen tragbaren Geräten und Elektrofahrzeugen verwendet werden. Sie basieren auf der Bewegung von Lithium-Ionen zwischen der Anode und der Kathode während des Lade- und Entladevorgangs.

Details:

• Bestehen aus Anode (Graphit), Kathode (meistens Lithium-Metalloxide) und Elektrolyt
• Beim Laden: Lithium-Ionen von Kathode zu Anode
• Beim Entladen: Lithium-Ionen von Anode zur Kathode
• Reaktionsgleichung an der Anode: \[ \text{LiC}_6 \rightarrow 6\text{C} + \text{Li}^+ + e^- \] an der Kathode: \[ \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^+ + e^- \rightarrow \text{Li}_2\text{CoO}_2 \]
• Hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung, kein Memory-Effekt
• Probleme: Alterung, begrenzte Lebensdauer, Sicherheitsrisiken wie Überhitzung

Protonenaustausch-Membranen

Definition:

Protonenleitende Membran, zentrale Komponente in PEM-Brennstoffzellen, trennt Brennstoff- und Oxidationsseite, leitet Protonen, blockiert Elektronen.

Details:

• Material: häufig Perfluorsulfonsäure (z.B. Nafion)
• Elektrische Leitfähigkeit: blockiert Elektronenfluss
• Chemische Stabilität: widerstandsfähig gegen saure/basische Umgebungen
• Betriebstemperatur: typischerweise 60-80 °C
• Feuchte Management: Membranleistung stark abhängig von Wassermanagement
• Protonenleitfähigkeit: basiert auf der Grotthuss-Mechanismus
• Anwendungen: Brennstoffzellen, Elektrolyseure

Röntgendiffraktometrie (XRD)

Definition:

Verfahren zur Bestimmung der Kristallstruktur von Materialien mittels Beugung von Röntgenstrahlen.

Details:

• Bragg’sches Gesetz: \( n\lambda = 2d\sin\theta \)
• Ermöglicht Bestimmung von Gitterabständen \( d \)
• \( n \): Beugungsordnung
• \( \lambda \): Wellenlänge der Röntgenstrahlung
• \( \theta \): Beugungswinkel
• Analyse: Erstellung von Beugungsmustern
• Identifikation der Phasen durch Vergleich mit Datenbanken

Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)

Definition:

Analyseverfahren zur Charakterisierung elektrochemischer Systeme und Materialien durch Messung des Wechselstromwiderstands über einen Frequenzbereich.

Details:

• Messgröße: Impedanz \( Z \)
• Darstellung: Nyquist- oder Bode-Diagramm
• Nyquist-Diagramm: \( -Z'' \) vs. \( Z' \)
• Bode-Diagramm: \( |Z| \) und Phasenwinkel \( \varphi \) gegen Frequenz \( \omega \)
• Komplexe Impedanz: \( Z = Z' + jZ'' \)
• Analyse von Prozessen: Ladungstransfer, Diffusion, Doppelschichtkapazität
• Differenzierung zwischen ohmschen, kapazitiven und induktiven Beiträgen
• Modellierung mittels Ersatzschaltbilder

Nanostrukturierte Materialien für Energiesysteme

Definition:

Nanostrukturierte Materialien verbessern die Effizienz und Leistung von Energiesystemen durch ihre einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Details:

• Eigenschaften: Hohe Oberflächenenergie, verbesserte Katalyse, bessere elektronische und thermische Leitfähigkeit
• Anwendungen: Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Solarzellen, Superkondensatoren
• Herstellung: Sol-Gel-Prozesse, elektrochemische Abscheidung, chemische Dampfabscheidung (CVD), Nanolithographie

Katalysatoren für Brennstoffzellen

Definition:

Katalysatoren reduzieren die Aktivierungsenergie in Brennstoffzellen und erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit.

Details:

• Meist Edelmetalle wie Pt oder Pd
• Erhöhen die Effizienz der elektrochemischen Reaktionen
• Reduzieren Überspannungen und Energieverluste
• Voraussetzung für niedrigere Betriebstemperaturen
• Verwendungskosten durch Seltenheit und Preis der Metalle begrenzt
• Aktive Forschungsfelder: Reduktion der Edelmetallbeladung, Ersatzmaterialien, Erhöhung der Lebensdauer