@phdthesis{Bittner2017,
  author    = {Bittner, Andreas},
  title     = {Innovative Materialkonzepte f{\"u}r elektrochemische Energiespeicher},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-152300},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Beschichtungstyp f{\"u}r die Elektrodenmaterialien von Lithium-Ionen-Akkumulatoren entwickelt und charakterisiert. Dieser besteht aus einem speziellen anorganisch-organischen Hybridpolymer, das sich bez{\"u}glich seiner Zusammensetzung und Funktion gegen{\"u}ber bestehenden Beschichtungsmaterialien abhebt. Das anorganisch-organische Netzwerk des Hybridpolymers konnte mittels Feststoff-NMR-Messungen vollst{\"a}ndig aufgekl{\"a}rt werden. Dabei zeigte sich ein stabiles anorganisches Ger{\"u}st aus hoch vernetzten Polysiloxan-Einheiten. Zus{\"a}tzliche organische Modifizierungen liegen als lange bewegliche Ketten mit funktionellen Polyethylenoxid-Einheiten vor oder sind in Form von Polyethern und Diolen vernetzt. Mit dieser speziellen Netzwerkstruktur ist es m{\"o}glich, Materialeigenschaften zu erzeugen, die {\"u}ber solche von rein anorganischen und rein organischen Beschichtungen hinausgehen. Zu den mit verschiedenen Methoden nachgewiesenen Eigenschaften z{\"a}hlen eine hohe ionische Leitf{\"a}higkeit von 10\(^{-4}\) S/cm, eine hohe Elastizit{\"a}t mit E = 63 kPa, eine hohe elektrochemische Stabilit{\"a}t bis 5,0 V vs. Li/Li\(^+\) und eine hohe thermische Stabilit{\"a}t. Eine weitere Besonderheit des neuen Beschichtungsmaterials ist die mehrstufige Vernetzung der anf{\"a}nglichen Prekursoren zu einem Hybridpolymer-Sol und dem abschließenden Hybridpolymer-Gel. Die im Beschichtungssol vorliegende Teilvernetzung der Vorstufen konnte detailliert mittels Fl{\"u}ssig-NMR-Messungen untersucht und beschrieben werden. Aus den Messungen ließ sich folgern, dass die organisch und anorganisch vernetzbaren Gruppen im Sol teilweise vernetzt vorliegen. Die sterisch erreichbaren Si-OR-Gruppen der so entstandenen Oligomere sind vorwiegend nicht hydrolysiert, wodurch deren anorganische Anbindung an die OH-Gruppen der Partikeloberfl{\"a}chen kinetisch bevorzugt ist. Damit lassen sich besonders homogene und vollst{\"a}ndig bedeckende Beschichtungen der Elektrodenmaterialien erzeugen. Dies konnte mit verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden nachgewiesen werden: simulationsgest{\"u}tzte R{\"u}ckstreuanalysen mittels REM, hochaufgel{\"o}ste TEM-Aufnahmen sowie Elementanalysen durch EDX und XPS. Nach der Optimierung des nasschemischen Beschichtungsprozesses {\"u}ber Rotationsverdampfen ergaben sich f{\"u}r die verschiedenen Elektrodenmaterialien Li\(_4\)Ti\(_5\)O\(_{12}\), Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) und Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) jeweils etwa 20 nm dicke Beschichtungen mit Hybridpolymer. Die Frage nach deren L{\"o}sungsmittelbest{\"a}ndigkeit konnte durch die Analyse von behandelten Proben mit TG, REM, XPS und ICP-OES aufgekl{\"a}rt werden. Dabei zeigte sich sowohl f{\"u}r die Behandlung mit NMP, dem klassischen L{\"o}sungsmittel bei der Elektrodenfertigung mit PVDF-Binder, als auch f{\"u}r die Behandlung mit dessen umweltschonenderem Ersatzstoff Aceton eine gute Best{\"a}ndigkeit der Beschichtung. Die Beschichtung l{\"o}ste sich in den L{\"o}sungsmitteln an, blieb allerdings als geschlossene nanoskalige Beschichtung erhalten. Lediglich gegen{\"u}ber dem L{\"o}sungsmittel H\(_2\)O, das in Kombination mit dem neuen Binder CMC eingesetzt wird, wurde eine mangelnde Schichtstabilit{\"a}t deutlich. Das daf{\"u}r verantwortliche Quellverhalten der Beschichtung konnte mittels D{\"u}nnschicht-Modellsystem und daran durchgef{\"u}hrten REM-, IR- und EPA-Untersuchungen aufgekl{\"a}rt werden. Die Optimierung des Hybridpolymer-Materials bez{\"u}glich einer besseren H\(_2\)O-Best{\"a}ndigkeit {\"u}bersteigt den Rahmen dieser Arbeit und liefert die Grundlage f{\"u}r weitere k{\"u}nftige Forschungsarbeiten. Aufgrund der vollst{\"a}ndigen Bedeckung der neuen Beschichtung, ihrer besonderen Eigenschaften und ihrer Best{\"a}ndigkeit bei der klassischen Elektrodenfertigung ist es m{\"o}glich, die Elektrodenmaterialien grundlegend hinsichtlich ihrer wichtigsten Eigenschaften zu verbessern. Hierf{\"u}r wurden sowohl {\"u}ber die NMP- als auch {\"u}ber die Aceton-Route Elektroden gefertigt und zu Halbzellen und Vollzellen verarbeitet. Die REM-Analyse der Elektroden zeigte, dass die Partikelbeschichtungen keinen negativen Einfluss auf die Homogenit{\"a}t und Morphologie der Elektroden aus{\"u}ben. Damit war es m{\"o}glich, jeweils einen direkten Vergleich von beschichteten und unbeschichteten Materialien hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performance anzustellen. F{\"u}r die Kathodenmaterialien Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) und Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) ergaben die Zyklenfestigkeits- und Impedanzmessungen klare Verbesserungen durch die Beschichtung. Verbunden mit einer Verbesserung der Energiedichte erh{\"o}hte sich bei beiden Materialien die Zyklenfestigkeit um mehr als 60 \%. Bei Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) zeigt sich die Verbesserung in einer erh{\"o}hten Zellspannung durch das vergleichsweise hohe Redoxpotential des Materials von etwa 4,7 V vs. Li/Li\(^+\), w{\"a}hrend sich bei Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) die Hochvoltf{\"a}higkeit des Materials verbessert, was mit einer vergr{\"o}ßerten Speicherkapazit{\"a}t verbunden ist. Dabei ist herauszustellen, dass f{\"u}r keines der Materialien ein negativer Einfluss der d{\"u}nnen Beschichtung auf die Leistungsdichte festgestellt werden konnte. Der erwartete Mechanismus f{\"u}r die verbesserte Elektrodenfunktion durch das Hybridpolymer ist die Bildung einer physikalischen Schutzschicht in Form einer Li\(^+\)-leitf{\"a}higen Membran. Diese umgibt das Elektrodenmaterial vollst{\"a}ndig, erm{\"o}glicht die Ladungstr{\"a}gerinterkalation und sch{\"u}tzt die Elektrode gleichzeitig vor irreversiblen Reaktionen mit dem Elektrolyten. Damit verbunden ist eine verminderte Mn-Ausl{\"o}sung und eine verminderte Entwicklung von isolierenden Deckschichten aus Reaktionsprodukten wie LiF, Li\(_2\)O, Li\(_2\)CO\(_3\), was sich positiv auf die Alterung der Batteriezellen auswirkt. Die Funktion der Beschichtung wurde prim{\"a}r auf den Kathodenmaterialien demonstriert. Doch auch auf der Anodenseite wurde ihre Anwendungstauglichkeit aufgezeigt, was das große Potential der Beschichtung f{\"u}r eine breite Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien verdeutlicht.},
  subject      = {Lithium-Ionen-Akkumulator},
  language  = {de}
}
@article{EhlingGoebBittneretal.2013,
  author    = {Ehling, Petra and G{\"o}b, Eva and Bittner, Stefan and Budde, Thomas and Ludwig, Andreas and Kleinschnitz, Christoph and Meuth, Sven G.},
  title     = {Ischemia-induced cell depolarization: does the hyperpolarization-activated cation channel HCN2 affect the outcome after stroke in mice?},
  series = {Experimental \& Translational Stroke Medicine},
  volume    = {5},
  journal   = {Experimental \& Translational Stroke Medicine},
  number    = {16},
  doi       = {10.1186/2040-7378-5-16},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-131887},
  year      = {2013},
  abstract  = {Background Brain ischemia is known to include neuronal cell death and persisting neurological deficits. A lack of oxygen and glucose are considered to be key mediators of ischemic neurodegeneration while the exact mechanisms are yet unclear. In former studies the expression of two different two-pore domain potassium \((K_{2P})\) channels (TASK1, TREK1) were shown to ameliorate neuronal damage due to cerebral ischemia. In neurons, TASK channels carrying hyperpolarizing \(K^+\) leak currents, and the pacemaker channel HCN2, carrying depolarizing \(I_h\), stabilize the membrane potential by a mutual functional interaction. It is assumed that this ionic interplay between TASK and HCN2 channels enhances the resistance of neurons to insults accompanied by extracellular pH shifts. Methods In C57Bl/6 (wildtype, WT), \(hcn2^{+/+}\) and \(hcn2^{-/-}\) mice we used an in vivo model of cerebral ischemia (transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO)) to depict a functional impact of HCN2 in stroke formation. Subsequent analyses comprise behavioural tests and hcn2 gene expression assays. Results After 60 min of tMCAO induction in WT mice, we collected tissue samples at 6, 12, and 24 h after reperfusion. In the infarcted neocortex, hcn2 expression analyses revealed a nominal peak of hcn2 expression 6 h after reperfusion with a tendency towards lower expression levels with longer reperfusion times. Hcn2 gene expression levels in infarcted basal ganglia did not change after 6 h and 12 h. Only at 24 h after reperfusion, hcn2 expression significantly decreases by ~55\%. However, 30 min of tMCAO in hcn2-/- as well as hcn2+/+ littermates induced similar infarct volumes. Behavioural tests for global neurological function (Bederson score) and motor function/coordination (grip test) were performed at day 1 after surgery. Again, we found no differences between the groups. Conclusions Here, we hypothesized that the absence of HCN2, an important functional counter player of TASK channels, affects neuronal survival during stroke-induced tissue damage. However, together with a former study on TASK3 these results implicate that both TASK3 and HCN2 which were supposed to be neuroprotective due to their pH-dependency, do not influence ischemic neurodegeneration during stroke in the tMCAO model.},
  language  = {en}
}
@article{EhlingGoebBittneretal.2013,
  author    = {Ehling, Petra and G{\"o}b, Eva and Bittner, Stefan and Budde, Thomas and Ludwig, Andreas and Kleinschnitz, Christoph and Meuth, Sven G.},
  title     = {Ischemia-induced cell depolarization: does the hyperpolarization-activated cation channel HCN2 affect the outcome after stroke in mice?},
  series = {Experimental \& Translational Stroke Medicine},
  volume    = {5},
  journal   = {Experimental \& Translational Stroke Medicine},
  number    = {16},
  doi       = {10.1186/2040-7378-5-16},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-129240},
  year      = {2013},
  abstract  = {Background Brain ischemia is known to include neuronal cell death and persisting neurological deficits. A lack of oxygen and glucose are considered to be key mediators of ischemic neurodegeneration while the exact mechanisms are yet unclear. In former studies the expression of two different two-pore domain potassium \((K_{2P})\) channels (TASK1, TREK1) were shown to ameliorate neuronal damage due to cerebral ischemia. In neurons, TASK channels carrying hyperpolarizing \(K^+\) leak currents, and the pacemaker channel HCN2, carrying depolarizing Ih, stabilize the membrane potential by a mutual functional interaction. It is assumed that this ionic interplay between TASK and HCN2 channels enhances the resistance of neurons to insults accompanied by extracellular pH shifts. Methods In C57Bl/6 (wildtype, WT), \(hcn2^{+/+}\) and \(hcn2^{-/-}\) mice we used an in vivo model of cerebral ischemia (transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO)) to depict a functional impact of HCN2 in stroke formation. Subsequent analyses comprise behavioural tests and hcn2 gene expression assays. Results After 60 min of tMCAO induction in WT mice, we collected tissue samples at 6, 12, and 24 h after reperfusion. In the infarcted neocortex, hcn2 expression analyses revealed a nominal peak of hcn2 expression 6 h after reperfusion with a tendency towards lower expression levels with longer reperfusion times. Hcn2 gene expression levels in infarcted basal ganglia did not change after 6 h and 12 h. Only at 24 h after reperfusion, hcn2 expression significantly decreases by ~55\%. However, 30 min of tMCAO in hcn2-/- as well as hcn2+/+ littermates induced similar infarct volumes. Behavioural tests for global neurological function (Bederson score) and motor function/coordination (grip test) were performed at day 1 after surgery. Again, we found no differences between the groups. Conclusions Here, we hypothesized that the absence of HCN2, an important functional counter player of TASK channels, affects neuronal survival during stroke-induced tissue damage. However, together with a former study on TASK3 these results implicate that both TASK3 and HCN2 which were supposed to be neuroprotective due to their pH-dependency, do not influence ischemic neurodegeneration during stroke in the tMCAO model.},
  language  = {en}
}