Academic literature on the topic 'Elektrochemische Impedanzspektroskopie'

ZusammenfassungDie Impedanzspektroskopie für elektrochemische Systeme ist eine etablierte Methode zur Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen. Anhand der frequenzabhängigen Zellimpedanz ist eine simultane Analyse unterschiedlicher elektrochemischer Prozesse im Zellinneren möglich. Lithium-Ionen-Zellen für Kfz-Anwendungen weisen typischerweise einen geringen Innenwiderstand im mΩ-Bereich auf. Die Impedanzspektroskopie an derartigen Messobjekten erfordert daher ein angepasstes Verfahren, bei dem die Anregungssignalform und deren technische Realisierung optimal gewählt sind. In diesem Beitrag wird ein Synthesekonzept für breitbandige Anregungssignale vorgestellt. Der Ansatz basiert auf der inversen Fourier-Transformation und dient zur Erzeugung von Signalen mit geringer Auslenkung im Zeitbereich bei gleichzeitig hoher spektraler Anregungsleistung im betrachteten Frequenzbereich. Verfahren der Strom- und Spannungsanregung werden gegenübergestellt, deren jeweilige Vorteile sich in der Quasi-Spannungsanregung kombinieren lassen. Zur Realisierung der Quasi-Spannungsanregung mit beliebigen Spannungszeitverläufen wird eine geregelte Stromanregung eingesetzt. Mit Hilfe einer modellbasierten Simulation wird der Regler für eine Vielzahl unterschiedlicher Messobjekte mit signifikant abweichenden Impedanzeigenschaften dimensioniert und eine allgemeingültige Vorschrift für die Reglerdimensionierung für beliebige Zellen aufgestellt. Die Eigenschaften des neuen Verfahrens werden durch Messungen an Lithium-Ionen-Zellen belegt. So ermittelte Impedanzspektren zeigen gute Übereinstimmung mit etablierten Messverfahren und erreichen hohe Frequenzauflösung und Ergebnisgüte bei deutlich verkürzter Messdauer und geringerem Ladungsdurchsatz.

ZusammenfassungFür den Test und die Entwicklung von „Proton-Exchange-Membrane“-(PEM-)Brennstoffzellen sind die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und „Total-Harmonic-Distortion“-Analyse (THDA) essentielle Messmethoden. Diese Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung dieser Methoden. Durch eine Mehrkanalmessung wird die Impedanz örtlich aufgelöst bestimmt. Das neue Messsystem ist in der Lage, den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung mit einer hohen Abtastrate gleichzeitig an bis zu 100 Kanälen zu erfassen. Mit zusätzlicher digitaler Signalverarbeitung ist es ein vielseitiges Messinstrument für EIS, THDA und die Stromverteilung im Querschnitt der Brennstoffzelle.

La0.6Ca0.4Mn0.8Ni0.2O3-, La0.6Ca0.4Mn0.8Fe0.2O3- und La0.75Ca0.25Mn0.5Fe0.5O3-Volumenmaterialien wurden im potentiometrischen Messaufbau bereits erfolgreich auf ihre NO-Sensitivität getestet. Keramischen Nanomaterialien werden generell eine Reihe neuer oder verbesserter Eigenschaften (verbessertes Sinterverhalten, erhöhte NOx-Sensitivität, höhere Leitfähigkeit) zugesprochen. La0.6Ca0.4Mn0.8Ni0.2O3, La0.6Ca0.4Mn0.8Fe0.2O3 und La0.75Ca0.25Mn0.5Fe0.5O3 wurden mittels PVA/Sucrose-Methode, Aktivkohlemethode und Fällungssynthese als Nanomaterialien sowie mit Festkörperreaktion als Volumenmaterialien dargestellt und mit typischen Charakterisierungsmethoden untersucht. Die Materialien wurden in verschiedenen Schichtdicken auf YSZ-Substrate aufgetragen und potentiometrisch sowie impedanzspektroskopisch auf ihre NO-Sensitivität und die Querempfindlichkeit gegenüber NO2 und Propylen geprüft. Potentiometrische Messungen im NO-Gasstrom ergeben eine Abhängigkeit der NO-Sensitivität von der Partikelgröße, der Schichtdicke und der Beschichtungsmethode. Impedanzspektroskopische Messungen an beidseitig beschichteten YSZ-Substraten zeigen ebenfalls eine Abhängigkeit des Zellwiderstands von der NO-Konzentration und der Partikelgröße. Die Nanomaterialien zeigen bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken im untersuchten Temperaturbereich (300°C bis 850°C) höhere Leitfähigkeiten als die Volumenmaterialien gleicher Zusammensetzung. Dieses Verhalten wird mit dem höheren Sauerstoffaustausch der Nanomaterialien in Verbindung gebracht, der zur Erzeugung zusätzlicher Defekte in der Kristallstruktur führt. Die Nanostruktur und somit eine entsprechend hohe Leitfähigkeit bleiben bei hohen Sintertemperaturen (T > 1000°C), die der Herstellung gasdichter Presslinge dienen, erhalten. XANES- und Photoelektronenspektroskopie wurden verwendet, um die Punktdefekte zu definieren.

Durch elektrochemische Impedanzspektroskopie während der anodischen Oxidation von Aluminium werden in der vorliegenden Arbeit die elektrochemischen Vorgänge während der Oxidbildung quantitativ und zeitabhängig untersucht. Es wird ein Modell vorgeschlagen und diskutiert, welches das Impedanzverhalten während der anodischen Oxidation in Schwefel-, Oxal- und Phosphorsäure über einen großen Bereich von Konzentrationen und Stromdichten abbilden kann. Aus den gewonnenen Ergebnissen werden die kapazitive Wirkung der Sperrschicht am Porengrund, der Eintritt von Ladungsträgern in die Sperrschicht, der Ionentransport durch die Sperrschicht sowie die Oxidbildungsreaktion selbst als wesentlich für das Impedanzverhalten identifiziert. Die ermittelten Zusammenhänge und Konstanten können als Grundlage für Modellvorstellungen dienen, welche das Verhalten elektrischer Prozessgrößen und die Ausbildung der charakteristischen Oxidstruktur bei der anodischen Oxidation von Aluminium verknüpfen
In the present work, the electrochemical subprocesses of the oxide formation on aluminium by anodic oxidation are investigated using electrochemical impedance spectroscopy. The time dependence of the impedance behaviour and the quantitative relations between the process parameters and the impedance behaviour are considered. A model for the representation of the electrochemical behaviour during the anodic oxidation in sulphuric, oxalic and phosphoric acid is proposed and discussed for a wide range of anion concentrations and current densities. On the basis of the obtained results, the capacitive effect of the barrier layer, the charge transfer resistance of the barrier layer, the ion transport within the barrier layer and the oxide formation are identified as the dominating effects for the impedance behaviour. The established relations can serve as a basis for models, which interrelate both the electrochemical behaviour and the geometrical formation of the characteristic pore structure

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

In recent developments of mixed potential gas sensors based on Yttrium Stabilized Zirconia (YSZ), the combination of Au/AuPt-admixtures and oxides was found to be promising electrode materials. With this material combination, satisfactory sensing characteristics were achieved, but the role of Au addition, especially its effect on the processes contributing to the mixed potential formation, has not yet been well understood. Deeper insights of the influence of Au on the electrochemical behaviors of this kind of electrodes are necessary for better understanding of the sensing behaviors and for achieving further technological improvements, as for instance, enhancement of the long-term stability. This situation motivated studies of a layered Au,Pt-YSZ mixed potential gas sensing electrode and its dependence on the thickness of the Au-layer and the sintering conditions. In this work, for the first time three variations of this kind of electrode, which generally comprises a thick-film Pt-YSZ electrode and a thin-film Au layer deposited on top, were studied by different kinds of material analytical approaches and electrochemical methods. These studies elucidated the correlation among the electrochemical behaviors of the electrodes, the amount of gold deposition and its non-uniform distribution over the electrode. Based on these structural and electrochemical data, a qualitative model for the first time is proposed to interpret the sensing mechanism of the layered Au,Pt-YSZ electrodes. In the past such a theory was only available for the electrodes at which the Au was homogeneously admixed with the Pt-YSZ composite. From the structural studies including the ESEM, the XRD and the Glow Discharge-Optical Emission Spectroscopy analysis (GD-OES), it was shown that the thin film Au layer at the layered Au,Pt-YSZ electrodes is not uniformly admixed with the Pt-YSZ bulk after firing, but results in a non-uniform lateral distribution on the electrode surface and a concentration gradient of Au from top over the thickness of the electrode. This Au distribution is strongly affected by the sintering temperature. The higher sintering temperature (1050 °C) results in not only a more uniform morphology of the electrode surface without a separate crystalline phase of gold , but also a better alloying of Au and Pt in the inner parts of the electrode during the sintering process, compared to the electrodes sintered at a lower temperature (850 °C). These clear structural differences of the electrodes fired at different temperatures are related to different catalytic activities over the electrode layer, and accordingly affect their open circuit potential (OCP) sensing behaviors and other electrochemical properties. With respect to selectivity and stability of the sensors, the highest sensing response was observed in the H2 containing gases compared to the other gas species like CO, CH4, and C3H6 for both the type II (low temperature sintered) and the type III (high temperature sintered) sensors. However, clear response and potential stability losses were observed at exposure to C3H6. Formation of coking layers on the electrode seems to be correlated with this response decrease. Surprisingly, the response degradation was even observed by aging the sensors at 600 °C in ambient air. Combined OCP, CV and EIS studies revealed that, the aging process results in some minor irreversible but mainly reversible changes at the electrode/electrolyte interface. Both induce the response degradation which is well correlated with an impedance increase and a CV current decrease. The reversible changes are assumed to be attributed to the formation of an oxidation phase of the metallic parts at the TPB, which is well described in literature. Now, for the first time in this work it could be demonstrated that this reversible response degradation can be nearly fully recovered by the application of cathodic polarization sequences. Consequently, due to the strong correlation between the OCP response to CO and the dynamic electrochemical behaviors ((EIS and CV)) at ambient air, both the EIS and the CV method can be used as efficient tools to check the sensitivity of the sensor at ambient air conditions. In case of OCP response degradation, the sensitivity can be almost fully regenerated by application of cathodic polarization at enhanced temperatures (T700°C). This combination of OCP measurements with dynamic electrochemical methods and the application of cathodic polarization procedures is of enormous practical relevance and was filed for a patent. It excited high interest of the sensor chip producer (Lamtec Meß- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH, Walldorf) because it allows sensitivity estimation and regeneration of layered Au,Pt-YSZ gas sensing electrodes whenever ambient air conditions are given. For instance, in case of long-term CO/HC-monitoring for improvement of automated combustion process control of firing appliances, this procedure could be carried out in breaks between firing batches without the need of de-installation of the sensor and, indeed, without any exposure to model gases.