335598 research outputs found
Sort by
Understanding Electrolyte Degradation at Alkali Metal Interfaces – Enabled by X-Ray Photoelectron Spectroscopy
No full textLithium-Ionen-Batterien, dominieren seit Jahrzehnten den Bereich der Energiespeicherung aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Effizienz. Da ihre Leistungsfähigkeit jedoch zunehmend an theoretische Grenzen stößt, rückt die Entwicklung alternativer Systeme mit Alkalimetallen wie Lithium, Natrium und Kalium als Anodenmaterialien immer stärker in den Fokus der Forschung. Der Einsatz von metallischen Anoden gilt dabei als „Heiliger Gral“ der Batterieforschung, da er eine signifikante Steigerung der Energiedichte im Vergleich zu klassischen Interkalationsanoden versprechen würde. Der Fortschritt insbesondere im Bereich von Natrium- und Kalium-Metallanoden wird jedoch durch mehrere grundlegende Herausforderungen erschwert, die hauptsächlich auf die zunehmende Reaktivität dieser Metalle zurückzuführen sind. Während Lithium-Metallanoden bereits intensiv untersucht wurden, stellen die ausgeprägte Reaktivität von Natrium und Kalium neue Anforderungen an die Stabilität der Grenzfläche, die Kompatibilität mit Elektrolyten und die Bildung der Festelektrolyt-Grenzfläche.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der Oberflächen von Alkalimetallen in Kontakt mit verschiedenen Elektrolytsystemen durchgeführt. Ziel war es, ein detailliertes Verständnis dafür zu gewinnen, wie die zunehmende Reaktivität von Li über Na bis K die Oberflächenchemie, SEI-Bildung, Zersetzungsmechanismen und letztlich die elektrochemische Eigenschaften in Halbzellen und symmetrischen Zellen beeinflusst. Zur Untersuchung der festen sowie flüchtigen Zersetzungsprodukte kamen zwei sich ergänzende Methoden zum Einsatz: Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Gaschromatographie-Massenspektrometrie. Durch den Vergleich der Metallwechselwirkungen mit reinen Lösungsmitteln und mit Elektrolyten, die XPF₆-Salze (X : Li, Na, K) enthalten, konnte zwischen lösungsmittel- und salzbedingten Oberflächen unterschieden werden. Beide Ansätze zeigten, dass die Zugabe von XPF₆ (X: Li, Na, K) die Bildung von gemischte phosphat-/fluorid-Metallspezies (MxPOyFz/MxPFy, M: Li, Na, K) fördert, während FEC bevorzugt die Bildung von Metallfluoriden (MF) begünstigt. Gaschromatographie-Messungen bestätigten diese Trends: In Li- und K-Systemen wurden bei Zusatz von FEC keine Zersetzungsprodukte detektiert. In Na-Systemen ohne FEC traten hingegen Nebenprodukte wie DEDD, DECE und DECC nach 48 Stunden auf, während in K-Systemen die Lösungsmittelzersetzung bereits nach wenigen Minuten einsetzte. Diese Arbeit liefert damit wertvolle Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen Alkalimetallen und Elektrolytkomponenten und trägt zu einem tieferen Verständnis der Prozesse an Grenzflächen bei, die die Leistungsfähigkeit von Batterien bestimmen. Die Ergebnisse unterstreichen die besonderen Herausforderungen bei der Verwendung von Natrium- und Kalium-Metallanoden, liefern aber zugleich wichtige Hinweise zur gezielten Weiterentwicklung von Elektrolyten und schützenden Oberflächenbeschichtungen. Insbesondere die differenzierte Betrachtung von Lösungsmittel- und Salzeinflüssen auf die SEI-Bildung eröffnet neue Ansätze zur gezielten Optimierung der Elektrolytzusammensetzung für Alkalimetall-Batterien. Durch die systematische Auseinandersetzung mit Reaktivitäts- und Stabilitätsaspekten legt diese Arbeit einen wichtigen Grundstein für die Entwicklung zuverlässiger und leistungsfähiger metallbasierter Batterien der nächsten Generation
The infrared imaging video bolometer at Wendelstein 7-X
No full textThe radiated power distribution is a crucial aspect of heat transport, heat load mitigation, and plasma exhaust performance. An imaging video bolometer camera has been installed to measure the plasma radiated power in the divertor region of the Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator. This diagnostic offers a wide-angle (40° × 68°) sampling of the plasma volume in both the poloidal and toroidal directions. The field-of-view is covered with a large number (>500) of bolometer channels, providing imaging capability. The diagnostic design is introduced here together with its data analysis procedure. A set of laboratory experiments is performed to assess the thermal properties of the gold absorber foil and their spatial uniformity. Following installation, a heat source originating from the inertially cooled front of the diagnostic is identified and filtered out. The discharge data indicate a satisfactory signal-to-noise ratio as well as spatiotemporal resolution. These represent the first toroidally resolved images of the line-integrated radiated power in the W7-X island divertor. The diagnostic was then upgraded with a thinner platinum absorber and adjusted mirrors. Early data from the most recent experimental campaign employing the upgraded design show a considerable improvement in the diagnostic performance with more bolometer channels (>1400) , extended coverage, and increased spatial resolution
Versatile Molecular Engineering of In Situ Cross-Linked Multifunctional Electrolytes for Long-Lifetime and Safe Semisolid Lithium Metal Batteries
No full textAdaptive Experimentation Ecosystems: Leveraging Emerging Technologies, Field Research, and Citizen Engagement
No full textNMR-basierte Metabolomstudien an Medaka sowie humanen Immunzellen
No full textIn dieser Arbeit werden NMR-spektroskopische Untersuchungen des Metaboloms zweier biologischer Systeme vorgestellt. Hierbei handelt es sich um den japanischen Reisfisch Medaka sowie humane Immunzellen.
Der erste Teil umfasst die Analyse des Stoffwechselprofils unterschiedlicher Inzucht-Stämme des Modellorganismus Medaka. Diese bieten ideale Voraussetzungen, um zu erforschen, wie das Genom sowie äußere Faktoren den Phänotyp beeinflussen und welche Rolle der Stoffwechsel in diesem Zusammenhang spielt. Während die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf den Stoffwechsel und damit das Metabolom von Medaka bereits in zahlreichen Forschungsarbeiten betrachtet wurden, ist der Einfluss des Genoms noch weitgehend unbekannt.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde zunächst evaluiert, inwieweit sich der genetische Hintergrund verschiedener Medaka Inzucht-Stämme im Leber-Metabolom widerspiegelt. Hierzu wurden 1H-NMR-Spektren von Leberextrakten männlicher und weiblicher Fische der beiden Stämme HO5 und iCab aufgenommen und mittels uni- sowie multivariater statistischer Methoden verglichen. Dabei konnten zahlreiche Metaboliten identifiziert werden, deren relative Konzentration sich zwischen den Inzucht-Stämmen unterscheidet. Diese weisen auf eine unterschiedliche Aktivität diverser Stoffwechselwege hin, wie etwa den Harnstoffzyklus, das Malat-Aspartat-Shuttle, den Cori-Zyklus sowie die Melanin- und Taurinsynthese. Auch zwischen männlichen und weiblichen Fischen waren Unterschiede im Metabolom erkennbar, die zwar geringer ausgeprägt, aber dennoch signifikant waren. Die vorliegenden Ergebnisse belegen zum einen, dass das Leber-Metabolom von Medaka abhängig vom genetischen Hintergrund variiert. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass die hier verwendete NMR basierte Methode geeignet ist, um diese subtilen Abweichungen zu erfassen. Folglich könnten NMR-basierte metabolische Untersuchungen zukünftig genomweite Assoziationsstudien an Medaka ergänzen.
Anschließend wurde das Metabolom von Medaka-Embryonen untersucht. Aus embryonalen Stammzellen der beiden Inzucht-Stämme iCab und QuiH werden, statt wie bisher üblich aus Säugetierzellen, in der Arbeitsgruppe von Prof. Joachim Wittbrodt an der Universität Heidelberg Netzhaut-Organoide entwickelt. Dies gelang allerdings bisher nur mit Stammzellen des iCab-Stammes. Somit stellt sich die Frage welchen Einfluss der genetische Hintergrund auf das Differenzierungspotenzial hat. Da im Rahmen dieser Arbeit zuvor bereits Unterschiede im Leber-Metabolom zweier Inzucht-Stämme identifiziert wurden, kann die Untersuchung des Metaboloms einen Ansatzpunkt bieten, um das unterschiedliche Differenzierungspotenzial der Zellen besser zu verstehen. Analog zu den Leberproben wurden 1H-NMR-Spektren von Embryonen des iCab- und QuiH-Stammes aufgenommen und das metabolische Profil mittels uni- und multivariater statistischer Methoden verglichen. Hierdurch konnten diverse Metaboliten identifiziert werden, deren Konzentration sich zwischen den Inzucht-Stämmen unterscheidet und die mit der Differenzierung der Zellen in Richtung retinalen Gewebes in Verbindung stehen könnten. Besonders interessant ist die Beobachtung einer höheren Konzentration von Taurin, Betain und Methionin bei iCab-Embryonen. Taurin wird nachweislich in hohen Mengen in der Netzhaut produziert und ist für die Entwicklung und den Erhalt der selbigen notwendig. Betain und Methionin sind entscheidend für epigenetische Veränderungen, welche wiederum die Zelldifferenzierung beeinflussen können. Der tatsächliche Effekt dieser Substanzen auf die Entwicklung von Netzhaut-Organoiden aus embryonalen Stammzellen von Medaka wird zum aktuellen Zeitpunkt in der Arbeitsgruppe von Prof. Wittbrodt untersucht.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde anhand einer Analyse des Zellkulturmediums der Einfluss unterschiedlicher Konzentrationen des bakteriellen Endotoxins Lipopolysaccharid (LPS) auf die Entzündungsreaktion sowie den Metabolismus kultivierter humaner peripherer mononuklearer Blutzellen (PBMCs) ermittelt. LPS ist nicht nur ein bedeutender Auslöser akuter Entzündungsreaktionen nach einer bakteriellen Infektion, sondern auch niederschwelliger, nicht-infektiöser Entzündungen, deren Untersuchung Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist.
Als Erstes wurde analysiert, wie genau die Bedingungen in vitro die physiologische Umgebung der Zellen im Blut abbilden. Obwohl unphysiologische Bedingungen den zellulären Metabolismus maßgeblich beeinflussen können, wird dieser Aspekt in vielen Untersuchungen vernachlässigt. Mittels NMR-Spektroskopie wurde die Zusammensetzung des Zellkulturmediums sowie die Konzentration der einzelnen Komponenten bestimmt und mit der Menge im Blut verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass die Bestandteile des Zellkulturmediums zwar im Wesentlichen denen von Blutserum entsprechen, die Konzentration einiger Substanzen jedoch deutlich abweicht. Diese Beobachtungen können zukünftig genutzt werden, um ein zellspezifisches Kulturmedium zu entwickeln.
Um zu evaluieren, ab welcher LPS-Konzentration ein inflammatorischer Zustand der Zellen induziert wird, wurden PBMCs durch die Arbeitsgruppe von Dr. Manuel Rodriguez Gomez am Max Rubner-Institut in Karlsruhe durch LPS in einem Konzentrationsbereich zwischen 0.001 und 0.1 ng/ml stimuliert und über mehrere Tage kultiviert. Dieser LPS-Spiegel, der weit geringer ist als bisher in einschlägigen Studien üblich, soll die Bedingungen eines niederschwelligen Entzündungszustandes möglichst realitätsgetreu abbilden. Um das Vorliegen eines pro-inflammatorischen zellulären Phänotyps beurteilen zu können, wurde die extrazelluläre Konzentration der Zytokine Interleukin-6 (IL-6) und IL-8 bestimmt. Zugleich wurde im Rahmen dieser Dissertation der Verlauf verbrauchter und neu gebildeter Substanzen im Zellkulturmedium mittels 1H-NMR-Spektroskopie und anschließender statistischer Datenauswertung analysiert. Dadurch sollte ermittelt werden, ob diese Methode ebenso wie die gängigere aber deutlich aufwendigere Untersuchung intrazellulärer Metaboliten geeignet ist, um metabolische Veränderungen nach Stimulation mit LPS zu erfassen. Bereits bei Stimulation mit der zweitniedrigsten LPS-Konzentration von 0.005 ng/ml wies die Zunahme der Konzentration an IL 6 und IL 8 auf einen pro-inflammatorischen Zustand der Zellen hin. Gleichermaßen konnte ab dieser LPS-Konzentration eine Veränderung in der extrazellulären Konzentration diverser Substanzen beobachtet werden. Besonders auffällig war die hohe Umsetzungsrate von Glucose zu Lactat. Verantwortlich hierfür dürfte die Verschiebung des Stoffwechsels vom Citratzyklus zur sogenannten aeroben Glykolyse sein, ein charakteristisches Merkmal pro-inflammatorischer Immunzellen. Eine weitere Auffälligkeit war die Sekretion von Glutamat, welches eine wichtige Rolle als Immunmodulator spielt.
Diese Beobachtungen zeigen, dass bereits extrem niedrige LPS-Konzentrationen im Bereich von Pikogramm pro Milliliter zu einer Entzündungsreaktion in humanen Immunzellen führen können. Die NMR-spektroskopische Analyse des Zellkulturmediums bietet hierbei eine einfache und schnelle Möglichkeit, die damit einhergehende Umstellung des Stoffwechsels anhand einer Vielzahl von Metaboliten zu verfolgen. Basierend auf diesen Ergebnissen kann nun begonnen werden, den Einfluss verschiedener weiterer Faktoren auf die Entstehung niederschwelliger, chronischer Entzündungen in vitro zu untersuchen
Approach of a digital twin for the high-frequency dynamics (FMR) of arbitarily shaped, symmetric ferromagnetic polycrystalline samples
No full textThe reFuels approach: from research to industrial practice
No full text1. reFuels as an academic-industrial cooperation project
2. reFuels on the way to a demonstration plant
3. reFuels in implementatio
