Electrochemistry of Materials and Interfaces

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Die Forschungsgruppe „Elektrochemie von Materialien und Grenzflächen“ untersucht neuartige Elektroden- und Elektrolytmaterialien für eine Vielzahl von Energiespeichertechnologien, die von Li-basierten Systemen bis hin zu Batterien mit alternativen Ladungsträgern (z. B. Na+, Zn2+, NH4+) sowie elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren reichen. Ziel ist insbesondere ein umfassendes Verständnis der physikalisch-chemischen Phänomene an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt.

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien haben den Markt für Unterhaltungselektronik revolutioniert und treiben derzeit den Übergang zur Elektromobilität voran. Die durch die aktuellen Materialien auferlegten Einschränkungen – in Bezug auf Leistung, Sicherheit und Nachhaltigkeit – treiben jedoch den Bedarf an neuen Elektroden und Elektrolyten voran. Die Schnittstelle zwischen diesen beiden grundlegenden Batteriekomponenten wird ebenfalls entscheidend, um vom großen Potenzial neuartiger Batteriechemien zu profitieren, die nicht nur für den Elektrotransport, sondern auch für die stationäre Energiespeicherung immer relevanter werden. Die Gruppe ist umfassend an der Entwicklung von Strategien beteiligt, um die Eigenschaften von Batteriegrenzflächen (und Grenzflächen) maßzuschneidern, von der Synthese künstlicher Elektrodenbeschichtungen bis hin zur Implementierung von festen und hochkonzentrierten Elektrolyten. Ziel ist es zu verstehen, wie das Zusammenspiel zwischen chemischen/elektrochemischen Reaktionen, Struktur-/Zusammensetzungseigenschaften und Leitungs-/Alterungsmechanismen die elektrochemische Leistung der Batterie beeinflusst.



Dr. Tugce AtesPost-DocTel: +49 (0731) 50 34104Mail: tugce.ates(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Graziano Di DonatoVisiting PhD StudentTel: Mail:
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Luigi FaggianoPhD StudentTel: Mail: luigi.faggiano(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Huifang FeiPhD StudentTel: Mail: huifang.fei(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Dr. Jin HanPost-docTel: +49 (0731) 50 34109Mail: jin.han(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Dr. Huihua Li Post-docTel: Mail: huihua.li(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Mervyn SoansPhD StudentTel: +49 (0731) 50 34216Mail:
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Dr. Alberto VarziPrincipal Investigator (PI)Tel: +49 (0731) 50 34107Mail: alberto.varzi(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces

Festkörper-Batterien

Da das Interesse an Elektrofahrzeugen schnell zunimmt, müssen neue Batteriezellendesigns und -chemien eingeführt werden, um den Anforderungen unserer Gesellschaft gerecht zu werden. Höchste Anforderungen an Elektrofahrzeuge und damit Batterien sind hohe Reichweiten, schnelles Laden und Sicherheit. Festkörperbatterien mit anorganischen Festelektrolyten (SEs) versprechen eine Erhöhung der Energiedichte, indem sie positive Hochspannungselektroden (Kathoden) und die negative Elektrode aus Lithiummetall (Anode) ermöglichen. Zudem können SE gegenüber der etablierten Lithium-Ionen-Technologie, die auf leicht entzündliche organische Flüssigelektrolyte zurückgreift, eine höhere Sicherheit gewährleisten. Unsere Bemühungen in diesem Bereich konzentrieren sich auf die folgenden Themen (aber nicht beschränkt auf):

  • Lithiumthiophosphate (glasig und kristallin) und Oxide vom Granattyp
  • Pufferschichten aus Kathodenmaterial
  • Ionische Flüssigkeiten und polymere Zwischenschichten für reversible Li-Metallanoden und anodenfreie Designs
  • Elektrodenherstellungsverfahren durch Nassgießen
  • Bipolare Zellen
  • Referenzelektroden für Festkörperzellen


Wässrige Batterien

Wiederaufladbare wässrige Batterien haben in letzter Zeit beträchtliches Interesse als potenzielle Alternativen zur Energiespeicherung im großen Maßstab geweckt, hauptsächlich aus Gründen der erhöhten Sicherheit, der geringeren Kosten und der geringen Umweltbelastung. Leider hat sich das schmale elektrochemische Stabilitätsfenster von Wasser (1,23 V) als Engpass erwiesen, um eine hohe Energiedichte zu ermöglichen. Es wurden mehrere Strategien entwickelt, um die Betriebsspannung von wässrigen Batterien zu erhöhen, wie z. B. die Einführung von korrosionsbeständigen Stromkollektoren und aktiven Materialien sowie die Implementierung von hochkonzentrierten Wasser-in-Salz-Elektrolyten (WiSE). Unsere Bemühungen auf dem Gebiet der wässrigen Batterien umfassen derzeit:

  • Wasser-in-Salz-Elektrolyte mit mehreren Ladungsträgern (Li+, Na+, K+, Zn2+ und NH4+)
  • F-freie Salze auf Basis von Carboxylatanionen
  • Künstliche SEI und Oberflächenschutzschichten
  • Alterungs- und Korrosionsmechanismen

 

Elektrochemische Kondensatoren

Elektrostatische Ladungsspeicherung bietet hohe Leistung und lange Lebensdauer. Tatsächlich können elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) und Alkali-Ionen-Kondensatoren in sehr kurzer Zeit einen großen Strom liefern und mehrere tausend Zyklen lang arbeiten. Diese Geräte werden derzeit in einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen eingesetzt, und es wird erwartet, dass ihre Verbreitung in den kommenden Jahren exponentiell zunehmen wird. Mit der weit verbreiteten Verwendung solcher Technologien sind einige Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen der verwendeten Materialien sowie des Produktionsprozesses und der Entsorgung am Ende der Lebensdauer unvermeidlich gestiegen. Unsere Bemühungen in diesem Bereich konzentrieren sich auf folgende Themen:

  • Aktivkohle aus Bioabfällen
  • Hochspannungs-Ionen-Flüssigkeitselektrolyte
  • Fluorfreie natürliche Bindemittel
  • Wässrige Elektrodenbearbeitung

Die Forschungsgruppe „Elektrochemie der Materialien und Grenzflächen“ hat neben der eigenen Ausstattung auch Zugriff auf ein breites Spektrum unterschiedlicher analytischer Messmethoden und -techniken des KIT und der Universität Ulm.

Geräte

  • Dry Room (25 sq.m.)
  • Glove boxes
  • Battery Cycler
  • Impedance Analyzer and Potentiostats
  • Electrochemical Dilatometer
  • Electrochemical Press (CompreDrive)
  • Multichannel Conductivity meter
  • BET and Pycnometer
  • Density Meter
  • TGA/MS
  • DSC
  • FTIR/Raman (also in-operando)
  • XRD (also in-situ)
  • Karl Fischer Titrator
  • Confocal Optical Microscope (also in-operando)
  • Climatic Chambers
  • Hot Press
  • Microwave Reactor
  • Muffle furnaces
  • Planetary Ball Mill
  • Supercritical fluids extractor
  • Tube furnaces
  • Ultrasonic Processor
  • UV Chamber

ELIC – Entwicklung von Li-Festkörper Coin-Zellen hoher Energie und Lebensdauer

Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erhöhen Festelektrolytbatterien (SSB) sowohl die Energieparameter als auch die Sicherheit. Das technische Haupthindernis für die Marktreife von SSB ist die Phasengrenze fest (Elektroden)/fest (Elektrolyt). Um dies zu verbessern, d. h. den Widerstand zu homogenisieren und zu reduzieren, wird ein Hybridelektrolytsystem für Anode und Kathode auf Basis von Festelektrolyten (SE) und Ionischen Flüssigkeiten (IL) entwickelt. Der IL-Teil übernimmt aufgrund seines flüssigen gelartigen Aggregatzustandes die vollständige Anbindung der FE an die Elektroden.
Das größte wirtschaftliche Hindernis sind die Kosten des Li-Films. In diesem Projekt wird die extrem teure metallische Li-Anodenfolie nicht verwendet und die Li-Anode wird in-situ während des Bildungsprozesses gebildet. Ein zu entwickelndes bipolares Batteriedesign mit einer dünnen Bipolarfolie in der Kombination +Al/Cu(Ni)- erhöht die Energieparameter weiter. Die vorgeschlagenen Lösungen eignen sich aufgrund der hohen Energie und Sicherheit der Batterie besonders für Traktionsbatterien.

REFA – Referenz-Elektroden für Festkörper-Akkumulatoren

Festkörperbatterien („all-solid-state batteries“) sind vielversprechende Kandidaten als Energiespeicher für viele verschiedene Anwendungen, insbesondere wenn es auf Sicherheit und Robustheit ankommt. Allerdings befindet sich die Entwicklung von ASSBs noch in einem frühen Stadium. Ein Haupthindernis ist das schlechte Verständnis der Prozesse, die an den Grenzflächen Elektrode/Elektrolyt ablaufen, was größtenteils auf das Fehlen geeigneter Zellaufbauten für ihre Untersuchung zurückzuführen ist. Zu diesem Zweck ist die Verwendung einer geeigneten Referenzelektrode (RE) entscheidend, d. h. einer RE, die durch ein wohldefiniertes Potential gekennzeichnet ist, das sich nicht mit der Zeit ändert. Kommerziell erhältliche Labortestzellen bieten jedoch nicht die Möglichkeit, ein solches RE einzubetten. Weiterhin fehlt es an Wissen über die optimale RE-Chemie für die verschiedenen Festelektrolyte. Dieser nicht idealen Situation begegnen die Projektpartner mit folgenden Zielen: (i) Entwicklung eines platzsparenden Versuchsaufbaus zur Kontaktierung der Testzelle und Einstellung der Probentemperatur und des Stackdrucks; (ii) die Entwicklung luftdichter Testzellen, die die Verwendung eines RE auf reproduzierbare, benutzerfreundliche Weise ermöglichen und auch für Messungen ohne RE verwendet werden können; (iii) die Optimierung der SE-Chemie und -Geometrie sowie der relativen Elektrodenkonfiguration innerhalb der Testzelle für die wichtigsten Festelektrolytklassen (z. B. Thiophosphate und Polymere); und (iv) die Ausarbeitung von Testverfahren zur Erzielung artefaktfreier Messergebnisse. Das Erreichen der Ziele (iii) und (iv) ermöglicht es dem Benutzer, mit einem nicht wandernden, stabilen RE der zweiten Art mit einem wohldefinierten, reproduzierbaren Elektrodenpotential zu arbeiten, anstatt gezwungen zu sein, ein sogenanntes Pseudo- Re. Der Fokus dieses Projekts liegt auf Lithium-basierten ASSBs. Dennoch wird die Möglichkeit, die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse auf andere Batterietechnologien zu übertragen, als zusätzliche Richtlinie für das Design solcher Zellen dienen.

SUPREME – Superkondensatorentwicklung in Richtung effektiver Materialien mit erhöhter Energiedichte

Ziel des Projekts ist die Entwicklung innovativer Superkondensatoren bzw. Ultrakondensatoren (EDLCs), die hohe Betriebsspannungen von bis zu 3,4 V bei gleichzeitig hohen Temperaturen (>60 °C) ermöglichen. Im Fokus steht dabei das tatsächliche Verhalten neuartiger Materialien in industriellen Zellformaten. Von besonderem Interesse ist die Gasentwicklung bei Temperaturen über 50 °C und Spannungen über 3 V, da diese bei Laborzellen bisher kaum vorhergesagt werden konnte, bei industriellen Zellformaten jedoch eine große Rolle spielt.
Das Projekt zielt somit darauf ab, die Leistungs- und Energiedichte von Ultrakondensatoren um bis zu 42 % zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten in der Anwendung (durch reduzierte Anforderungen an das Kühlsystem) zu senken.
Um dieses Ziel zu erreichen, sollten die im ULTIMATE-Projekt (Fördernummer 03ET6131) identifizierten vielversprechenden Materialien (einschließlich gebogenem Graphen mit 60 % erhöhter Energiedichte) mit fortschrittlichen Methoden digital simuliert und elektrochemisch und physikalisch analysiert werden, um die Mechanismen der Gasentwicklung zwischen ihnen zu identifizieren Elektrode und Elektrolyt. Anschließend sollen basierend auf den Ergebnissen neue Materialkombinationen – insbesondere im Bereich Binder und Elektrolyt – im Labormaßstab getestet und in industriellen Zellformaten demonstriert werden.
Als Teilprojekt soll das HIU neuartige Bindemittelkombinationen auf Basis natürlicher Polymere und geeigneter Vernetzer entwickeln, um die flächige Elektrodenbelastung zu erhöhen und gleichzeitig die mechanische und chemische Stabilität bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen zu gewährleisten.

Industrie-Kooperationen

Die Gruppe verfügt über ein etabliertes Kooperationsnetzwerk mit deutschen und internationalen Unternehmen, insbesondere mit der Automobilindustrie. In den vergangenen Jahren wurden mehrere Kooperationsprojekte in Zusammenarbeit mit Samsung, Hyundai, BMW und Daimler durchgeführt.

Zeitschriftenaufsatz
Li H., Zhang H., Zarrabeitia M., Liang H.-P., Geiger D., Kaiser U., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Ates Tugce, Neumann Anton, Danner Timo, Latz Arnulf, Zarrabeitia Maider, Stepien Dominik, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Kim Yongil, Varzi Alberto, Mariani Alessandro, Kim Guk-Tae, Kim Y., Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ma Yuan, Ma Yanjiao, Diemant Thomas, Cao Kecheng, Liu Xu, Kaiser Ute, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Han Jin, Euchner Holger, Kuenzel Matthias, Hosseini Seyed Milad, Groß Axel, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ma Yuan, Ma Yanjiao, Diemant Thomas, Cao Kecheng, Kaiser Ute, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Han Jin, Mariani Alessandro, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Scalia A., Zaccagnini P., Armandi M., Latini G., Versaci D., Lanzio V., Varzi Alberto, Passerini Stefano, Lamberti A.
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Zeitschriftenaufsatz
Hosseini Seyed Milad, Varzi Alberto, Tsujimura Tomoyuki, Aihara Yuichi, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Mariani Alessandro, Innocenti Alessandro, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Han J., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Asenbauer Jakob, Varzi Alberto, Passerini Stefano, Bresser Dominic
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Zeitschriftenaufsatz
Zaccagnini Pietro, Giovanni Daniele di, Gomez Manuel Gomez, Passerini Stefano, Varzi Alberto, Lamberti Andrea
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Zeitschriftenaufsatz
Han J., Mariani A., Zhang H., Zarrabeitia M., Gao X., Carvalho D. V., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Ruschhaupt Peter, Pohlmann Sebastian, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Thanner Katharina, Varzi Alberto, Buchholz Daniel, Sedlmaier Stefan J., Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Hosseini Seyed Milad, Varzi Alberto, Ito Seitaro, Aihara Yuichi, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ruschhaupt Peter, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Han J., Zarrabeitia M., Mariani A., Jusys Z., Hekmatfar M., Zhang H., Geiger D., Kaiser U., Behm R. J., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Lodovico L., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Schütter C., Varzi A., Lodovico L., Ruschhaupt P., Balducci A.
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Zeitschriftenaufsatz
Li Huihua, Ma Yuan, Zhang Huang, Diemant Thomas, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi Alberto, Thanner Katharina, Scipioni R., Di Lecce D., Hassoun J., Dörfler S., Altheus H., Kaskel S., Prehal C., Freunberger S. A.
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Zeitschriftenaufsatz
Qin B., Diemant T., Zhang H., Hoefling A., Behm R. J., Tübke J., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Karimi Niyousha, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Li Cuicui, Qin Bingsheng, Zhang Yunfeng, Varzi Alberto, Passerini Stefano, Wang Jiaying, Dong Jiaming, Zeng Danli, Liu Zhihong, Cheng Hansong
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Zeitschriftenaufsatz
Sotomayor M. E., Torre-Gamarra C. D. L., Levenfeld B., Sanchez J.-Y., Varez A., Kim Guk-Tae, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ji Yuanchun, Ma Yuan, Liu Rongji, Ma Yanjiao, Cao Kecheng, Kaiser Ute, Varzi Alberto, Song Yu-Fei, Passerini Stefano, Streb Carsten
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Zeitschriftenaufsatz
Lodovico Lucas, Milad Hosseini Seyed, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Scalia Alberto, Varzi Alberto, Moretti Arianna, Ruschhaupt Peter, Lamberti Andrea, Tresso Elena, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Liu Xu, Zhang Huang, Geiger Dorin, Han Jin, Varzi Alberto, Kaiser Ute, Moretti Arianna, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Qin B., Zhang H., Diemant T., Dou X., Geiger D., Behm R. J., Kaiser U., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Qin Bingsheng, Jeong Sangsik, Zhang Huang, Ulissi Ulderico, Vieira Carvalho Diogo, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Liu X., Elia G. A., Qin B., Zhang H., Ruschhaupt P., Fang S., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Ma Yuan, Ma Yanjiao, Kim Guk-Tae, Diemant Thomas, Behm Rolf Jürgen, Geiger Dorin, Kaiser Ute, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Han Jin, Zhang Huang, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ulissi Ulderico, Ito Seitaro, Hosseini Seyed Milad, Varzi Alberto, Aihara Yuichi, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ma Yuan, Ma Yanjiao, Bresser Dominic, Ji Yuanchun, Geiger Dorin, Kaiser Ute, Streb Carsten, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Keller Marlou, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Torre-Gamarra Carmen de la, Appetecchi Giovanni Battista, Ulissi Ulderico, Varzi Alberto, Varez Alejandro, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Sharova Varvara, Moretti Arianna, Diemant Thomas, Varzi Alberto, Behm R. Jürgen, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi Alberto, Mattarozzi Luca, Cattarin Sandro, Guerriero Paolo, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Bresser D., Buchholz D., Moretti A., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Scalia Alberto, Varzi Alberto, Lamberti Andrea, Tresso Elena, Jeong Sangsik, Jacob Timo, Passerini Stefano
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Poster
Diemant Thomas, Sharova Varvara, Moretti Arianna, Varzi Alberto, Behm R. Jürgen, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ma Yuan, Ma Yanjiao, Geiger Dorin, Kaiser Ute, Zhang Huang, Kim Guk-Tae, Diemant Thomas, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Stamm Johannes, Varzi Alberto, Latz Arnulf, Horstmann Birger
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini Rinaldo, Varzi Alberto, Wei Di, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Sun H., Varzi A., Pellegrini V., Dinh D. A., Raccichini R., Del Rio-Castillo A. E., Prato M., Colombo M., Cingolani R., Scrosati B., Passerini S., Bonaccorso F.
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Zeitschriftenaufsatz
Lodovico Lucas, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Qin Bingsheng, Zhang Huang, Diemant Thomas, Geiger Dorin, Raccichini Rinaldo, Behm R. Jürgen, Kaiser Ute, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Raccichini R., Passerini S., Scrosati B.
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Zeitschriftenaufsatz
Ganesan Aswathi, Varzi Alberto, Passerini Stefano, Shaijumon Manikoth M.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Schütter C., Krummacher J., Raccichini R., Wolff C., Kim G.-T., Rösler S., Blumenröder B., Schubert T., Passerini S., Balducci A.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Raccichini R., Marinaro M., Wohlfahrt-Mehrens M., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini Rinaldo, Varzi Alberto, Chakravadhanula Venkata Sai Kiran, Kübel Christian, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini R., Varzi A., Passerini S., Scrosati B.
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini R., Varzi A., Chakravadhanula V. S. K., Kübel C., Balducci A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Ramirez-Castro C., Balducci A., Passerini S.
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Poster
Varzi A., Bresser D., Zamory J. von, Mueller F., Passerini S.
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Poster
Kübel C., Kobler A., Balducci A., Fawey M. H., Scherer T., Rogat C., Munnangi A. R., Raccichini R., Varzi A., Chakravadhanula V. S. K., Passerini S., Fichtner M., Hahn H.
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Poster
Varzi A., Balducci A., Passerini S.
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Poster
Raccichini R., Varzi A., Chakravadhanula V. S. K., Kübel C., Balducci A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Bresser D., Zamory J. von, Müller F., Passerini S.
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Mitglieder
Dr. Tugce AtesPost-DocTel: +49 (0731) 50 34104Mail: tugce.ates(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Graziano Di DonatoVisiting PhD StudentTel: Mail:
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Luigi FaggianoPhD StudentTel: Mail: luigi.faggiano(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Huifang FeiPhD StudentTel: Mail: huifang.fei(at)kit.edu
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Dr. Jin HanPost-docTel: +49 (0731) 50 34109Mail: jin.han(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Dr. Huihua Li Post-docTel: Mail: huihua.li(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Mervyn SoansPhD StudentTel: +49 (0731) 50 34216Mail:
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Dr. Alberto VarziPrincipal Investigator (PI)Tel: +49 (0731) 50 34107Mail: alberto.varzi(at)kit.edu
ForschungsgruppeElectrochemistry of Materials and Interfaces
Forschung

Festkörper-Batterien

Da das Interesse an Elektrofahrzeugen schnell zunimmt, müssen neue Batteriezellendesigns und -chemien eingeführt werden, um den Anforderungen unserer Gesellschaft gerecht zu werden. Höchste Anforderungen an Elektrofahrzeuge und damit Batterien sind hohe Reichweiten, schnelles Laden und Sicherheit. Festkörperbatterien mit anorganischen Festelektrolyten (SEs) versprechen eine Erhöhung der Energiedichte, indem sie positive Hochspannungselektroden (Kathoden) und die negative Elektrode aus Lithiummetall (Anode) ermöglichen. Zudem können SE gegenüber der etablierten Lithium-Ionen-Technologie, die auf leicht entzündliche organische Flüssigelektrolyte zurückgreift, eine höhere Sicherheit gewährleisten. Unsere Bemühungen in diesem Bereich konzentrieren sich auf die folgenden Themen (aber nicht beschränkt auf):

  • Lithiumthiophosphate (glasig und kristallin) und Oxide vom Granattyp
  • Pufferschichten aus Kathodenmaterial
  • Ionische Flüssigkeiten und polymere Zwischenschichten für reversible Li-Metallanoden und anodenfreie Designs
  • Elektrodenherstellungsverfahren durch Nassgießen
  • Bipolare Zellen
  • Referenzelektroden für Festkörperzellen


Wässrige Batterien

Wiederaufladbare wässrige Batterien haben in letzter Zeit beträchtliches Interesse als potenzielle Alternativen zur Energiespeicherung im großen Maßstab geweckt, hauptsächlich aus Gründen der erhöhten Sicherheit, der geringeren Kosten und der geringen Umweltbelastung. Leider hat sich das schmale elektrochemische Stabilitätsfenster von Wasser (1,23 V) als Engpass erwiesen, um eine hohe Energiedichte zu ermöglichen. Es wurden mehrere Strategien entwickelt, um die Betriebsspannung von wässrigen Batterien zu erhöhen, wie z. B. die Einführung von korrosionsbeständigen Stromkollektoren und aktiven Materialien sowie die Implementierung von hochkonzentrierten Wasser-in-Salz-Elektrolyten (WiSE). Unsere Bemühungen auf dem Gebiet der wässrigen Batterien umfassen derzeit:

  • Wasser-in-Salz-Elektrolyte mit mehreren Ladungsträgern (Li+, Na+, K+, Zn2+ und NH4+)
  • F-freie Salze auf Basis von Carboxylatanionen
  • Künstliche SEI und Oberflächenschutzschichten
  • Alterungs- und Korrosionsmechanismen

 

Elektrochemische Kondensatoren

Elektrostatische Ladungsspeicherung bietet hohe Leistung und lange Lebensdauer. Tatsächlich können elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) und Alkali-Ionen-Kondensatoren in sehr kurzer Zeit einen großen Strom liefern und mehrere tausend Zyklen lang arbeiten. Diese Geräte werden derzeit in einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen eingesetzt, und es wird erwartet, dass ihre Verbreitung in den kommenden Jahren exponentiell zunehmen wird. Mit der weit verbreiteten Verwendung solcher Technologien sind einige Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen der verwendeten Materialien sowie des Produktionsprozesses und der Entsorgung am Ende der Lebensdauer unvermeidlich gestiegen. Unsere Bemühungen in diesem Bereich konzentrieren sich auf folgende Themen:

  • Aktivkohle aus Bioabfällen
  • Hochspannungs-Ionen-Flüssigkeitselektrolyte
  • Fluorfreie natürliche Bindemittel
  • Wässrige Elektrodenbearbeitung

Equipment

Die Forschungsgruppe „Elektrochemie der Materialien und Grenzflächen“ hat neben der eigenen Ausstattung auch Zugriff auf ein breites Spektrum unterschiedlicher analytischer Messmethoden und -techniken des KIT und der Universität Ulm.

Geräte

  • Dry Room (25 sq.m.)
  • Glove boxes
  • Battery Cycler
  • Impedance Analyzer and Potentiostats
  • Electrochemical Dilatometer
  • Electrochemical Press (CompreDrive)
  • Multichannel Conductivity meter
  • BET and Pycnometer
  • Density Meter
  • TGA/MS
  • DSC
  • FTIR/Raman (also in-operando)
  • XRD (also in-situ)
  • Karl Fischer Titrator
  • Confocal Optical Microscope (also in-operando)
  • Climatic Chambers
  • Hot Press
  • Microwave Reactor
  • Muffle furnaces
  • Planetary Ball Mill
  • Supercritical fluids extractor
  • Tube furnaces
  • Ultrasonic Processor
  • UV Chamber
Zusammenarbeit

ELIC – Entwicklung von Li-Festkörper Coin-Zellen hoher Energie und Lebensdauer

Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erhöhen Festelektrolytbatterien (SSB) sowohl die Energieparameter als auch die Sicherheit. Das technische Haupthindernis für die Marktreife von SSB ist die Phasengrenze fest (Elektroden)/fest (Elektrolyt). Um dies zu verbessern, d. h. den Widerstand zu homogenisieren und zu reduzieren, wird ein Hybridelektrolytsystem für Anode und Kathode auf Basis von Festelektrolyten (SE) und Ionischen Flüssigkeiten (IL) entwickelt. Der IL-Teil übernimmt aufgrund seines flüssigen gelartigen Aggregatzustandes die vollständige Anbindung der FE an die Elektroden.
Das größte wirtschaftliche Hindernis sind die Kosten des Li-Films. In diesem Projekt wird die extrem teure metallische Li-Anodenfolie nicht verwendet und die Li-Anode wird in-situ während des Bildungsprozesses gebildet. Ein zu entwickelndes bipolares Batteriedesign mit einer dünnen Bipolarfolie in der Kombination +Al/Cu(Ni)- erhöht die Energieparameter weiter. Die vorgeschlagenen Lösungen eignen sich aufgrund der hohen Energie und Sicherheit der Batterie besonders für Traktionsbatterien.

REFA – Referenz-Elektroden für Festkörper-Akkumulatoren

Festkörperbatterien („all-solid-state batteries“) sind vielversprechende Kandidaten als Energiespeicher für viele verschiedene Anwendungen, insbesondere wenn es auf Sicherheit und Robustheit ankommt. Allerdings befindet sich die Entwicklung von ASSBs noch in einem frühen Stadium. Ein Haupthindernis ist das schlechte Verständnis der Prozesse, die an den Grenzflächen Elektrode/Elektrolyt ablaufen, was größtenteils auf das Fehlen geeigneter Zellaufbauten für ihre Untersuchung zurückzuführen ist. Zu diesem Zweck ist die Verwendung einer geeigneten Referenzelektrode (RE) entscheidend, d. h. einer RE, die durch ein wohldefiniertes Potential gekennzeichnet ist, das sich nicht mit der Zeit ändert. Kommerziell erhältliche Labortestzellen bieten jedoch nicht die Möglichkeit, ein solches RE einzubetten. Weiterhin fehlt es an Wissen über die optimale RE-Chemie für die verschiedenen Festelektrolyte. Dieser nicht idealen Situation begegnen die Projektpartner mit folgenden Zielen: (i) Entwicklung eines platzsparenden Versuchsaufbaus zur Kontaktierung der Testzelle und Einstellung der Probentemperatur und des Stackdrucks; (ii) die Entwicklung luftdichter Testzellen, die die Verwendung eines RE auf reproduzierbare, benutzerfreundliche Weise ermöglichen und auch für Messungen ohne RE verwendet werden können; (iii) die Optimierung der SE-Chemie und -Geometrie sowie der relativen Elektrodenkonfiguration innerhalb der Testzelle für die wichtigsten Festelektrolytklassen (z. B. Thiophosphate und Polymere); und (iv) die Ausarbeitung von Testverfahren zur Erzielung artefaktfreier Messergebnisse. Das Erreichen der Ziele (iii) und (iv) ermöglicht es dem Benutzer, mit einem nicht wandernden, stabilen RE der zweiten Art mit einem wohldefinierten, reproduzierbaren Elektrodenpotential zu arbeiten, anstatt gezwungen zu sein, ein sogenanntes Pseudo- Re. Der Fokus dieses Projekts liegt auf Lithium-basierten ASSBs. Dennoch wird die Möglichkeit, die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse auf andere Batterietechnologien zu übertragen, als zusätzliche Richtlinie für das Design solcher Zellen dienen.

SUPREME – Superkondensatorentwicklung in Richtung effektiver Materialien mit erhöhter Energiedichte

Ziel des Projekts ist die Entwicklung innovativer Superkondensatoren bzw. Ultrakondensatoren (EDLCs), die hohe Betriebsspannungen von bis zu 3,4 V bei gleichzeitig hohen Temperaturen (>60 °C) ermöglichen. Im Fokus steht dabei das tatsächliche Verhalten neuartiger Materialien in industriellen Zellformaten. Von besonderem Interesse ist die Gasentwicklung bei Temperaturen über 50 °C und Spannungen über 3 V, da diese bei Laborzellen bisher kaum vorhergesagt werden konnte, bei industriellen Zellformaten jedoch eine große Rolle spielt.
Das Projekt zielt somit darauf ab, die Leistungs- und Energiedichte von Ultrakondensatoren um bis zu 42 % zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten in der Anwendung (durch reduzierte Anforderungen an das Kühlsystem) zu senken.
Um dieses Ziel zu erreichen, sollten die im ULTIMATE-Projekt (Fördernummer 03ET6131) identifizierten vielversprechenden Materialien (einschließlich gebogenem Graphen mit 60 % erhöhter Energiedichte) mit fortschrittlichen Methoden digital simuliert und elektrochemisch und physikalisch analysiert werden, um die Mechanismen der Gasentwicklung zwischen ihnen zu identifizieren Elektrode und Elektrolyt. Anschließend sollen basierend auf den Ergebnissen neue Materialkombinationen – insbesondere im Bereich Binder und Elektrolyt – im Labormaßstab getestet und in industriellen Zellformaten demonstriert werden.
Als Teilprojekt soll das HIU neuartige Bindemittelkombinationen auf Basis natürlicher Polymere und geeigneter Vernetzer entwickeln, um die flächige Elektrodenbelastung zu erhöhen und gleichzeitig die mechanische und chemische Stabilität bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen zu gewährleisten.

Industrie-Kooperationen

Die Gruppe verfügt über ein etabliertes Kooperationsnetzwerk mit deutschen und internationalen Unternehmen, insbesondere mit der Automobilindustrie. In den vergangenen Jahren wurden mehrere Kooperationsprojekte in Zusammenarbeit mit Samsung, Hyundai, BMW und Daimler durchgeführt.

Publikationen
Zeitschriftenaufsatz
Li H., Zhang H., Zarrabeitia M., Liang H.-P., Geiger D., Kaiser U., Varzi A., Passerini S.
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Ates Tugce, Neumann Anton, Danner Timo, Latz Arnulf, Zarrabeitia Maider, Stepien Dominik, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Kim Yongil, Varzi Alberto, Mariani Alessandro, Kim Guk-Tae, Kim Y., Passerini Stefano
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Ma Yuan, Ma Yanjiao, Diemant Thomas, Cao Kecheng, Liu Xu, Kaiser Ute, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Han Jin, Euchner Holger, Kuenzel Matthias, Hosseini Seyed Milad, Groß Axel, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Ma Yuan, Ma Yanjiao, Diemant Thomas, Cao Kecheng, Kaiser Ute, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Han Jin, Mariani Alessandro, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Scalia A., Zaccagnini P., Armandi M., Latini G., Versaci D., Lanzio V., Varzi Alberto, Passerini Stefano, Lamberti A.
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Hosseini Seyed Milad, Varzi Alberto, Tsujimura Tomoyuki, Aihara Yuichi, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Mariani Alessandro, Innocenti Alessandro, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Han J., Varzi A., Passerini S.
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Asenbauer Jakob, Varzi Alberto, Passerini Stefano, Bresser Dominic
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Zaccagnini Pietro, Giovanni Daniele di, Gomez Manuel Gomez, Passerini Stefano, Varzi Alberto, Lamberti Andrea
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Han J., Mariani A., Zhang H., Zarrabeitia M., Gao X., Carvalho D. V., Varzi A., Passerini S.
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Ruschhaupt Peter, Pohlmann Sebastian, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Thanner Katharina, Varzi Alberto, Buchholz Daniel, Sedlmaier Stefan J., Passerini Stefano
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Hosseini Seyed Milad, Varzi Alberto, Ito Seitaro, Aihara Yuichi, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ruschhaupt Peter, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Han J., Zarrabeitia M., Mariani A., Jusys Z., Hekmatfar M., Zhang H., Geiger D., Kaiser U., Behm R. J., Varzi A., Passerini S.
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Lodovico L., Varzi A., Passerini S.
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Schütter C., Varzi A., Lodovico L., Ruschhaupt P., Balducci A.
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Li Huihua, Ma Yuan, Zhang Huang, Diemant Thomas, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Varzi Alberto, Thanner Katharina, Scipioni R., Di Lecce D., Hassoun J., Dörfler S., Altheus H., Kaskel S., Prehal C., Freunberger S. A.
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Qin B., Diemant T., Zhang H., Hoefling A., Behm R. J., Tübke J., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Karimi Niyousha, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Li Cuicui, Qin Bingsheng, Zhang Yunfeng, Varzi Alberto, Passerini Stefano, Wang Jiaying, Dong Jiaming, Zeng Danli, Liu Zhihong, Cheng Hansong
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Sotomayor M. E., Torre-Gamarra C. D. L., Levenfeld B., Sanchez J.-Y., Varez A., Kim Guk-Tae, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Ji Yuanchun, Ma Yuan, Liu Rongji, Ma Yanjiao, Cao Kecheng, Kaiser Ute, Varzi Alberto, Song Yu-Fei, Passerini Stefano, Streb Carsten
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Zeitschriftenaufsatz
Lodovico Lucas, Milad Hosseini Seyed, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Scalia Alberto, Varzi Alberto, Moretti Arianna, Ruschhaupt Peter, Lamberti Andrea, Tresso Elena, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Liu Xu, Zhang Huang, Geiger Dorin, Han Jin, Varzi Alberto, Kaiser Ute, Moretti Arianna, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Qin B., Zhang H., Diemant T., Dou X., Geiger D., Behm R. J., Kaiser U., Varzi A., Passerini S.
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Qin Bingsheng, Jeong Sangsik, Zhang Huang, Ulissi Ulderico, Vieira Carvalho Diogo, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Liu X., Elia G. A., Qin B., Zhang H., Ruschhaupt P., Fang S., Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Ma Yuan, Ma Yanjiao, Kim Guk-Tae, Diemant Thomas, Behm Rolf Jürgen, Geiger Dorin, Kaiser Ute, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Han Jin, Zhang Huang, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ulissi Ulderico, Ito Seitaro, Hosseini Seyed Milad, Varzi Alberto, Aihara Yuichi, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Ma Yuan, Ma Yanjiao, Bresser Dominic, Ji Yuanchun, Geiger Dorin, Kaiser Ute, Streb Carsten, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Keller Marlou, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Torre-Gamarra Carmen de la, Appetecchi Giovanni Battista, Ulissi Ulderico, Varzi Alberto, Varez Alejandro, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Sharova Varvara, Moretti Arianna, Diemant Thomas, Varzi Alberto, Behm R. Jürgen, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi Alberto, Mattarozzi Luca, Cattarin Sandro, Guerriero Paolo, Passerini Stefano
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Bresser D., Buchholz D., Moretti A., Varzi A., Passerini S.
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Scalia Alberto, Varzi Alberto, Lamberti Andrea, Tresso Elena, Jeong Sangsik, Jacob Timo, Passerini Stefano
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Poster
Diemant Thomas, Sharova Varvara, Moretti Arianna, Varzi Alberto, Behm R. Jürgen, Passerini Stefano
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Ma Yuan, Ma Yanjiao, Geiger Dorin, Kaiser Ute, Zhang Huang, Kim Guk-Tae, Diemant Thomas, Behm R. Jürgen, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Stamm Johannes, Varzi Alberto, Latz Arnulf, Horstmann Birger
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini Rinaldo, Varzi Alberto, Wei Di, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Sun H., Varzi A., Pellegrini V., Dinh D. A., Raccichini R., Del Rio-Castillo A. E., Prato M., Colombo M., Cingolani R., Scrosati B., Passerini S., Bonaccorso F.
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Zeitschriftenaufsatz
Lodovico Lucas, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Qin Bingsheng, Zhang Huang, Diemant Thomas, Geiger Dorin, Raccichini Rinaldo, Behm R. Jürgen, Kaiser Ute, Varzi Alberto, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Raccichini R., Passerini S., Scrosati B.
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Zeitschriftenaufsatz
Ganesan Aswathi, Varzi Alberto, Passerini Stefano, Shaijumon Manikoth M.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Schütter C., Krummacher J., Raccichini R., Wolff C., Kim G.-T., Rösler S., Blumenröder B., Schubert T., Passerini S., Balducci A.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Raccichini R., Marinaro M., Wohlfahrt-Mehrens M., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini Rinaldo, Varzi Alberto, Chakravadhanula Venkata Sai Kiran, Kübel Christian, Passerini Stefano
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini R., Varzi A., Passerini S., Scrosati B.
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Zeitschriftenaufsatz
Raccichini R., Varzi A., Chakravadhanula V. S. K., Kübel C., Balducci A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Ramirez-Castro C., Balducci A., Passerini S.
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Poster
Varzi A., Bresser D., Zamory J. von, Mueller F., Passerini S.
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Poster
Kübel C., Kobler A., Balducci A., Fawey M. H., Scherer T., Rogat C., Munnangi A. R., Raccichini R., Varzi A., Chakravadhanula V. S. K., Passerini S., Fichtner M., Hahn H.
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Poster
Varzi A., Balducci A., Passerini S.
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Poster
Raccichini R., Varzi A., Chakravadhanula V. S. K., Kübel C., Balducci A., Passerini S.
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Zeitschriftenaufsatz
Varzi A., Bresser D., Zamory J. von, Müller F., Passerini S.
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