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How reference electrodes improve our understanding of degradation processes in half and full cell potassium-ion battery setups
Get PDFElectrochemical testing of electrodes for K-ion batteries (KIBs) can be strongly affected by interferences from electrolyte degradation reactions and associated crosstalk. This affects half cell measurements in particular. To address this issue, inert and stable reference electrodes are required for reliable 3-electrode measurements that allow to distinguish reversible electrochemical electrode processes more clearly from irreversible parasitic reactions. Therefore, this study evaluated K-metal and a partly charged positive electrode (KFe[Fe(CN)], KFF), as two established solutions from the Li-ion battery field. Their electrochemical stability and suitability in various 3-electrode cell setups are evaluated in half and full cell, as well as symmetric cell configurations. Our experiments revealed that the high reactivity of the K-metal as reference or counter electrode interferes considerably with the electrode processes, leading to additional features in the voltage profile of KFF. Furthermore, any amount of K-metal led to a crosstalk-induced self-discharge of KFF. This places considerable limitations on the materials that can be used as a reference electrode. Therefore, we introduced an alternative reference electrode based on Ag/AgCl in a separate cell compartment, with high flexibility in the choice of the electrolyte formulation. To demonstrate the efficacy of this approach, we examine the impact of the electrolyte additive 1,3,2-dioxathiolane 2,2-dioxide (DTD) in 3-electrode setups, with the aim to illustrate the influence of DTD on the electrochemical processes of K-metal, KFF, and graphite electrodes in different cell configurations
OCM 2025 - 7th International Conference on Optical Characterization of Materials, March 26th – 27th, 2025, Karlsruhe, Germany : Conference Proceedings
No full textThe state of the art in the optical characterization of materials is advancing rapidly. New insights have been gained into the theoretical foundations of this research and exciting developments have been made in practice, driven by new applications and innovative sensor technologies that are constantly evolving. The great success of past conferences proves the necessity of a platform for presentation, discussion and evaluation of the latest research results in this interdisciplinary field
Simulating radio emission from particle cascades with CORSIKA 8
Get PDFCORSIKA 8 is a new framework for simulations of particle cascades in air and dense media implemented in modern C++17, based on past experience with existing codes, in particular CORSIKA 7. The flexible and modular structure of the project allows the development of independent modules that can produce a fully customizable particle shower simulation. The radio module in particular is designed to treat the electric field calculation and its propagation through complex media to each observer location in an autonomous and flexible way. It already allows for the simultaneous simulation of the radio emission calculated with two independent time-domain formalisms, the “Endpoint formalism” as previously implemented in CoREAS and the “ZHS” algorithm as ported from ZHAireS. The design acts as the baseline interface for current and future development for the simulation of radio emission from particle showers in standard and complex scenarios, such as cross-media showers penetrating from air into ice. In this work, we present the design and implementation of the radio module in CORSIKA 8, along with validation studies and a direct comparison of the radio emission from air showers simulated with CORSIKA 8, CORSIKA 7, and ZHAireS. We also present the impact of simulation details such as the step size of simulated particle tracks on radio-emission simulations and perform a direct comparison of the “Endpoints” and “ZHS” formalisms for the same underlying air showers. Finally, we present an in-depth comparison of CORSIKA 8 and CORSIKA 7 for optimum simulation settings and discuss the relevance of observed differences in light of reconstruction efforts for the energy and mass of cosmic rays
Enhancing power skiving tool longevity: the synergy of AI and robotics in manufacturing automation
Get PDFIn gear manufacturing, the longevity and cost-effectiveness of power
skiving tools are essential. This study presents an innovative approach that
combines artificial intelligence and robotics in manufacturing automation to
prevent tool breakage to improve the remaining useful life (RUL). Using a
robotic cell, the system captures six images per tooth from different angles. An
unsupervised generative deep learning model approach is used because it is
more suitable for industrial application as it can be trained with a small number
of defect-free images. It is used in a first step as a classifier and, in a second
step, to segment tool wear. This approach promises economic benefits by
reducing manual inspection and, through automated tool inspection, detecting wear earlier to prevent tool breakage
Computer Simulations and Explanations in the Nanosciences : A Philosophical Study
Get PDFDie Nanowissenschaften sind ein multi- und interdisziplinäres Forschungsfeld, das sich in den vergangenen Jahrzehnten stark entwickelt hat und erheblich durch den Einsatz von Computersimulationen geprägt ist. Die Welt der Nanowissenschaften wirft einige Herausforderungen auf und hält zahlreiche Überraschungen bereit. So zeigt Materie auf der Nanoskala oft ungewöhnliche und interessante Eigenschaften -- und in der Regel lassen sich Ansätze zur Beschreibung von Systemen auf Skalen der Alltagswelt nicht so einfach auf den nanoskaligen Bereich übertragen.
Sowohl in Anbetracht ihrer Phänomene als auch in Bezug auf die zu ihrer Untersuchung verwendeten Werkzeuge geben die Nanowissenschaften daher zu Fragen Anlass, die nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von philosophischem Interesse sind. Insbesondere stellt sich die Frage, was und auf welche Art und Weise eigentlich in den Nanowissenschaften erklärt wird -- und welche Rolle Computersimulationen dabei spielen.
Die vorliegende Arbeit nähert sich der Praxis der Nanowissenschaften aus wissenschaftsphilosophischer Perspektive und verfolgt dabei zwei übergeordnete Anliegen. Das primäre Ziel der Arbeit ist es, am Beispiel der Nanowissenschaften zu einer philosophischen Klärung der Rolle von Computersimulationen in Erklärungszusammenhängen beizutragen und dabei auch auf mögliche Vorbehalte hinsichtlich ihrer Eignung für das Ziel wissenschaftlicher Erklärungen zu reagieren. Neben einer Diskussion der Frage, ob und inwiefern die vielfach attestierte epistemische Opazität von Computersimulationen ihrem Einsatz zu Erklärungszwecken entgegensteht, widmet sich die Arbeit den konkreten Beiträgen, die Simulationen zu Erklärungen leisten können.
Das sekundäre Anliegen der Arbeit ist es, eine philosophische Perspektive auf Computersimulationen in den Nanowissenschaften vorzustellen, die ihren Ausgangspunkt in einer nahen Beschäftigung mit tatsächlicher Simulations- und Erklärpraxis findet. Auf diese Weise soll zu einem nuancierten Verständnis der Rolle von Computersimulationen und den in ihnen zum Einsatz kommenden Modellen beigetragen werden und Anknüpfungsmöglichkeiten für aktuelle Diskussionen gegeben werden, welche etwa Herausforderungen beim Erklären komplexer Phänomene oder das Verhältnis zwischen verschiedenen Beschreibungsebenen in Multiskalenkontexten betreffen.
Die philosophischen Studien dieser Arbeit sind dabei in großen Teilen an zwei Fallstudien orientiert, die jeweils unterschiedlichen für nanowissenschaftliche Forschung relevanten Wissenschaftszweigen entstammen; der Molekularbiologie einerseits und der physikalischen Chemie andererseits.
Auch wenn sich in der gegenwärtigen Wissenschaftsphilosophie ein Trend abzeichnet, philosophische Studien nah an tatsächlicher Wissenschaftspraxis zu orientieren, so wirft der philosophische Rekurs auf Fallstudien doch einige Herausforderungen auf, die etwa das Risiko von Übergeneralisierungen und Verzerrungen betreffen. Nach einer Einleitung wird daher im zweiten Kapitel der Arbeit erörtert, auf welche Art und Weise Fallstudien eine berechtigte Rolle in philosophischen Untersuchungen spielen können. Es wird vorgeschlagen, Fallstudien weniger als partikulare Ressourcen für induktive Verallgemeinerungen zu betrachten, sondern sie vielmehr als mögliche Ausgangspunkte zur Abstraktion zu verstehen. Mit diesem Alternativvorschlag verschieben sich allerdings auch die Fragen, zu deren Beantwortung der Rekurs auf Fallstudien dienlich erscheint. Statt der Suche nach einer übergeordneten Theorie wissenschaftlicher Erklärungen rückt etwa die Frage nach den Charakteristiken und Mustern unterschiedlicher Erklärungspraktiken in den Fokus.
Anschließend setzt sich das dritte Kapitel der Arbeit mit der vielfach attestierten Opazität von Computersimulationen auseinander. In philosophischen Diskussionen wurden Bedenken dahingehend geäußert, ob und wie Computersimulationen angesichts ihrer Opazität dazu geeignet sind, wissenschaftliche Erklärungen zu ermöglichen oder Verstehen zu befördern. Anhand eines Fallbeispiels, welches die biologische Funktion bestimmter Kanalproteine an den Membranen biologischer Zellen betrifft, diskutiert das Kapitel, ob die attestierte Opazität von Computersimulationen ihrem Einsatz zu Erklärungszwecken entgegensteht. Es wird aufgezeigt, dass Computersimulationen eine Schlüsselrolle für Erklärungen spielen können; und am Beispiel der Kanalproteine an Zellmembranen wird illustriert, wie sie ein effektives Instrument darstellen können, um mit der Komplexität molekularer Systeme umzugehen.
Im vierten Kapitel der Arbeit werden die verschiedenen Hinsichten, in denen Computersimulationen zu Erklärungen beitragen können, genauer in den Blick genommen. Ausgangspunkt bietet eine Fallstudie aus der physikalischen Chemie, welche das überraschende Vorkommen bestimmter Ionen an der Oberfläche von Wassertropfen in atmosphärischen Aerosolen betrifft. Es werden drei zentrale Hinsichten herausgestellt, in denen Computersimulationen zu wissenschaftlichen Erklärungen beitragen können. Erstens können Computersimulationen dazu dienen, kontrollierte und anderenfalls oft nicht durchführbare Manipulationen an komplexen Systemen vorzunehmen. Dies erlaubt es, gezielt zu überprüfen, welche Faktoren in Bezug auf das jeweils zu erklärende Phänomen einen Unterschied machen. Zweitens können Computersimulationen dabei helfen, systematisch von (atomistischen) Details zu abstrahieren und epistemischen Zugriff auf diejenigen Variablen zu erlangen, welche für Erklärungen besonders relevant sein können, da sie der Stabilität von Strukturen oder der Erwartbarkeit bestimmter molekularer Prozesse Rechnung tragen. Drittens können Computersimulationen eine Rolle für Erklärungen spielen, indem sie dabei helfen, für das Verhalten komplexer Systeme potentiell relevante Faktoren quantitativ besser zu beschreiben und damit ein detaillierteres Bild von der Gewichtung verschiedener Einflussfaktoren zu erhalten.
Zum Abschluss richtet das fünfte Kapitel der Arbeit ausblickend den Fokus auf gegenwärtige Diskussionen zu Multiskalensimulationen. Vielfach werden in den Nanowissenschaften Simulationen eingesetzt, bei denen Beschreibungen auf verschiedenen Zeit- oder Längenskalen miteinander verbunden werden. In der jüngeren Vergangenheit wurde die Entwicklung und der erfolgreiche Einsatz von Multiskalensimulationen in den Wissenschaften -- besonders in den Nanowissenschaften -- zum Anlass in der Wissenschaftsphilosophie genommen, um Zweifel an der Angemessenheit traditioneller Ansätze zur Charakterisierung des Verhältnisses verschiedener Beschreibungsebenen zueinander anzumelden. Diese Diskussionen aufgreifend untersucht das Kapitel die Zusammenarbeit verschiedener Theorien und Modelle in Multiskalensimulationen. Auf einen vieldiskutierten Vorschlag bezugnehmend, demzufolge Modelle als teilweise autonome Vermittlungsinstanzen zwischen Theorien und der Welt zu verstehen sind, unterstreicht das Kapitel, inwiefern die Verbindung verschiedener Teilmodelle in Multiskalensimulationen das Ergebnis einer Reihe von Modellierungsschritte und -entscheidungen ist, die mehr als nur Theoriewissen erfordern
Properties and Processing of Aviation Exhaust Aerosol at Cruise Altitude Observed from the IAGOS-CARIBIC Flying Laboratory
Get PDFThe characteristics of aviation-induced aerosol, its processing, and effects on cirrus clouds and climate are still associated with large uncertainties. Properties of aviation-induced aerosol, however, are crucially needed for the assessment of aviation’s climate impacts today and in the future. We identified more than 1100 aircraft plume encounters during passenger aircraft flights of the IAGOS-CARIBIC Flying Laboratory from July 2018 to March 2020. The aerosol properties inside aircraft plumes were similar, independent of the altitude (i.e., upper troposphere, tropopause region, and lowermost stratosphere). The exhaust aerosol was found to be mostly externally mixed compared to the internally mixed background aerosol, even at a plume age of 1 to 3 h. No enhancement of accumulation mode particles (diameter >250 nm) could be detected inside the aircraft plumes. Particle number emission indices (EIs) deduced from the observations in aged plumes are in the same range as values reported from engine certifications. This finding, together with the observed external mixing state inside the plumes, indicates that the aviation exhaust aerosol almost remains in its emission state during plume expansion. It also reveals that the particle number EIs used in global models are within the range of the EIs measured in aged plumes
Sunflower oil-based thermosets via the Passerini three-component reaction
Get PDFTricarboxylic acids are molecules of interest for the synthesis of cross-linked polymers. Herein, a recently established route to a tricarboxylic acid from high oleic sunflower oil was utilized to synthesize renewable cross-linked polymers via the Passerini three-component reaction. Ten different polymers were synthesized by varying the diisocyanide and monoaldehyde components and subsequently characterized via infrared spectroscopy, swelling tests, thermogravimetric analysis, differential scanning calorimetry, and tensile tests. The characterization of the insoluble polymeric networks was complemented by the synthesis of model compounds to enable analysis in solution via nuclear magnetic resonance spectroscopy. Due to the fast curing of all polymers at room temperature, adhesive tests were performed to demonstrate their potential application as glues. Finally, one Passerini polymer was chemically reused by transesterification with methanol and catalytic amounts of sulfuric acid to establish a proof-of-concept of the circularity of these materials. Azelaic acid dimethyl ester, an industrially relevant compound used for the synthesis of polyamides, and a difunctional α-hydroxyamide were recovered in a yield of 75%. Repolymerization of the α-hydroxyamide to a polyurethane was performed to demonstrate a potential second life cycle of these compounds
Additive kinematic formulas for convex functions
Get PDFWe prove a functional version of the additive kinematic formula as an application of the Hadwiger theorem on convex functions together with a Kubota-type formula for mixed Monge–Ampère measures. As an application, we give a new explanation for the equivalence of the representations of functional intrinsic volumes as singular Hessian valuations and as integrals with respect to mixed Monge–Ampère measures. In addition, we obtain a new integral geometric formula for mixed area measures of convex bodies, where integration on SO(n−1)×O(1) is considered
