Elektrochemie von Lithium-Ionen-Batterien

Der Quantengrößeneffekt beschreibt das Phänomen, dass sich die elektronischen und optischen Eigenschaften eines Materials ändern, wenn sich seine Größe der Nanoskala nähert. Wenn die Abmessungen eines Materials mit der de-Broglie-Wellenlänge des Elektrons vergleichbar werden, tritt Quanteneinschluss auf. Dadurch werden die Energieniveaus der Elektronen quantisiert, was zu einer größenabhängigen Bandlücke führt, [latex]E_g(R) \approx E_{g,\b\u\lk} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2R^2}(\frac{1}{m_e^*} + \frac{1}{m_h^*})[/latex].

Der Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser über einer Flüssigkeitsoberfläche in feuchter Luft ([latex]p^*_{H_2O,a}[/latex]) ist etwas größer als der Gleichgewichtsdampfdruck über einer reinen Wasseroberfläche ([latex]p^*_{H_2O}[/latex]). Dieser Unterschied wird durch den Wasserdampfverstärkungsfaktor [latex]f_w[/latex] quantifiziert, der von der Temperatur und dem Druck der feuchten Luft abhängt. Die Beziehung lautet [latex]p^*_{H_2O,a} = f_w(T, p_{ms}) \cdot p^*_{H_2O}[/latex].

Seltenerdmagnete sind starke Permanentmagnete aus Legierungen seltener Erden. Sie wurden in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt; die gängigsten Typen sind Neodym-Magnete (NdFeB) und Samarium-Kobalt-Magnete (SmCo). Sie sind die stärksten Permanentmagnete überhaupt und erzeugen deutlich stärkere Magnetfelder als Ferrit- oder Alnico-Magnete. Dadurch ermöglichen sie Miniaturisierung und Leistungssteigerung in vielen Technologien. Hinweis: Der Begriff „Seltenerdelement“ ist historisch irreführend. Diese Elemente kommen in der Erdkruste nicht außergewöhnlich selten vor. Cer, das am häufigsten vorkommende Element, ist ähnlich wie Kupfer das 25.-häufigste Element. Selbst das am wenigsten vorkommende stabile Seltene Erdelement, Lutetium, kommt fast 200-mal häufiger vor als Gold. Die Bezeichnung „selten“ entstand, weil die Elemente schwer zu trennen waren.

Der CIE-Weißheitsindex ist eine standardisierte Formel der Internationalen Beleuchtungskommission zur Quantifizierung der Wahrnehmung von Weißheit. Er wird aus den CIE-Dreistimuluswerten (X, Y, Z) und den Farbwertkoordinaten (x, y) der Probe und einer Referenzlichtquelle berechnet. Die Primärformel lautet [latex]W_{CIE} = Y + 800(x_n - x) + 1700(y_n - y)[/latex].

Molecular self-assembly is a 'bottom-up' process where molecules spontaneously organize into ordered structures without external guidance. This phenomenon, driven by non-covalent interactions like hydrogen bonds, hydrophobic effects, and van der Waals forces, is fundamental in biology (e.g., protein folding, lipid bilayer formation). In biomaterials, it is harnessed to create complex, nanostructured materials like hydrogels and nanofibers for biomedical applications.

Die ISO-Norm 5725 definiert Genauigkeit als die Kombination von Richtigkeit und Präzision. Richtigkeit ist die Übereinstimmung des Mittelwerts einer großen Messreihe mit dem akzeptierten Referenzwert und quantifiziert den systematischen Fehler oder die Verzerrung. Präzision ist der Grad der Übereinstimmung zwischen einer Reihe von Ergebnissen, der den Zufallsfehler quantifiziert. Genauigkeit erfordert also sowohl eine hohe Richtigkeit als auch eine hohe Präzision.

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren über einen Interkalationsmechanismus, eine reversible Einlagerung von Ionen in ein geschichtetes Wirtsmaterial. Während der Entladung de-interkalieren Lithium-Ionen ([latex]Li^+[/latex]) von einer negativen Elektrode (Anode), in der Regel Graphit, und wandern durch einen nicht-wässrigen Elektrolyten, um sich in eine positive Elektrode (Kathode), in der Regel ein Metalloxid, einzulagern. Die Elektronen wandern durch den externen Stromkreis und erzeugen Strom.

Die Entladetiefe (DoD) gibt an, wie viel Prozent der Kapazität einer Batterie entladen wurden. Sie ist der Kehrwert des Ladezustands (SoC), wobei 100 % DoD bedeuten, dass die Batterie leer ist. Die Zyklenlebensdauer einer Batterie hängt stark von ihrer durchschnittlichen DoD ab; niedrigere DoD-Zyklen (z. B. Entladung auf nur 80 % der Kapazität) erhöhen die Anzahl der Zyklen, die eine Batterie aushalten kann, deutlich.

Die Skalierungsgesetze für MEMS beschreiben, wie sich die physikalischen Kräfte und Eigenschaften ändern, wenn die Abmessungen der Geräte auf die Mikroskala schrumpfen. Im Gegensatz zur makroskopischen Welt, die von Schwerkraft und Trägheit beherrscht wird, werden Mikrodomänen von Oberflächenkräften wie Oberflächenspannung, Viskosität und elektrostatischen Kräften bestimmt. Zum Beispiel skaliert die Schwerkraft mit dem Volumen ([latex]L^3[/latex]), während die elektrostatische Kraft mit der Fläche ([latex]L^2[/latex]) skaliert und bei kleineren Abmessungen relativ stärker wird.

Neodym-Magnete sind die stärksten kommerziell erhältlichen Permanentmagnete. Sie bestehen aus einer ternären Legierung aus Neodym, Eisen und Bor mit der stöchiometrischen Formel Nd2Fe14B. Ihre enorme magnetische Stärke resultiert aus der hohen magnetischen Anisotropie und Sättigungsmagnetisierung des Materials, die sich aus seiner tetragonalen Kristallstruktur ergibt. Sie sind jedoch spröde, korrosionsanfällig und haben eine niedrige Curie-Temperatur.

Ein Einzelelektronentransistor (SET) ist ein Schaltgerät, das kontrolliertes Elektronentunneln nutzt, um den Fluss einzelner Elektronen zu manipulieren. Er besteht aus einem Quantenpunkt (der „Insel“), der über Tunnelverbindungen mit Source- und Drain-Anschlüssen und kapazitiv mit einer Gate-Elektrode verbunden ist. Seine Funktionsweise basiert auf dem Coulomb-Blockade-Effekt, der extreme Empfindlichkeit und geringen Stromverbrauch ermöglicht.

Im Jahr 1986 entdeckten Georg Bednorz und K. Alex Müller die Supraleitung in einem keramischen Material, einem auf Lanthan basierenden Cuprat-Perowskit, bei einer kritischen Temperatur von etwa 35 K. Dies war deutlich höher als der damalige Rekord von etwa 23 K für konventionelle Supraleiter und widerlegte die Annahme, dass Supraleitung auf viel niedrigere Temperaturen beschränkt sei. Damit eröffnete sich das Feld der Hochtemperatur-Supraleitung.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind zylindrische Moleküle aus aufgerollten Schichten einschichtiger Kohlenstoffatome (Graphen). Sie können einwandig (SWCNTs) oder mehrwandig (MWCNTs) sein. Ihre Eigenschaften sind außergewöhnlich, darunter eine außergewöhnliche Zugfestigkeit (~100 GPa), hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Ihr elektronisches Verhalten (metallisch oder halbleitend) hängt von ihrer Chiralität ab, d. h. vom Winkel, in dem sich das Graphengitter aufrollt.

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind kristalline, poröse Materialien, die aus metallhaltigen Knoten (sekundären Baueinheiten, SBUs) und organischen Liganden, sogenannten Linkern, aufgebaut sind. Diese Komponenten ordnen sich selbst zu ausgedehnten ein-, zwei- oder dreidimensionalen Koordinationspolymeren an. Die Wahl des Metalls und des Linkers bestimmt die Topologie, Porengröße und chemische Funktionalität des resultierenden Gerüsts und ermöglicht so ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit für spezifische Anwendungen.