Lithium-Ionen Batterien
Lithium-Ionen Batterien kombinieren eine hohe Energiedichte mit einer hohen Leistungsdichte bei immer niedrigeren Kosten. Deshalb sind sie das Maß der Dinge im Bereich elektrochemischer Energiespeicher. Sie gelten als Schlüsseltechnologie in einer Reihe von Anwendungsfeldern, z.B. der Elektromobilität und der Stabilisierung von Stromnetzen. Unsere Forschung richtet sich schwerpunktmäßig an die Entwicklung von elektrischen Autos. Wir modellieren aber auch Batterien für das elektrische Bordnetzes von Satelliten, dabei arbeiten wir mit ausländischen Raumfahrtorganisationen zusammen wie JAXA (Japan) und NASA (USA).
In unserem Forschungsbereich werden Modelle für Lithium-Ionen Batterien über alle technisch relevanten Skalen - vom Molekül bis zum System - entlang des gesamten Lebenszyklus der Batterie - von der Produktion bis hin zum Alterungsverhalten -, entwickelt. Durch die Verknüpfung von theorie-basierter Modellierung, mikrostruktur-aufgelöster Simulation und datengetriebenen Algorithmen können die Prozesse in Lithium-Ionen Batterien sehr detailliert beschrieben und optimiert werden.
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Neuartige Batterien
Lithium-Ionen-Batterien werden zurzeit für die Energiespeichermärkte immer wichtiger . Für viele Anwendungen sind ihre Energiedichte, ihr Ressourcenverbrauch und ihre Kosten aber nicht optimal. Deshalb beteiligen wir uns an der Forschung zu zahlreichen neuartigen Batteriedesigns. Schwefel- und Luft-Elektroden versprechen eine hohe Energiedichte bei geringen Kosten und bieten damit Chancen für zukünftige Elektromobilität. Lithium-Metall-Elektroden könnten die Energiedichte der negativen Elektrode passend dazu deutlich erhöhen. Neuartige stabile Elektrolyte wie Ionische Flüssigkeiten versprechen Hilfe bei der Umsetzung dieser Konzepte.
Ebenso forschen wir an Post-Lithium-Batterien. Einen besonderen Fokus legen wir auf die Entwicklung von Zink-Batterien, die vor allem für stationäre Anwendungen ihre Kostenvorteile ausspielen. In Zink-Batterien werden hochenergetische Zink-Metall-Elektroden mit günstigen wässrigen Elektrolyten kombiniert. Im Exzellenzcluster POLiS untersuchen wir zudem Natrium- und Magnesium-Batterien. Wir betrachten dabei Interkalations-, Schwefel- und Luft-Elektroden.
Festkörperbatterien
Festkörperbatterien gelten als große Hoffnungsträger für die nächste Generation an Hochenergie-Zellen für die Elektromobilität. Ihr Aufbau und ihre Funktionsweise sind ähnlich zu konventionellen Li-Ionen-Batterien oder Lithium-Metall-Batterien. Der wesentliche Unterschied besteht in der Verwendung fester Elektrolyte. Dabei werden vor allem zwei Klassen an Materialien Unterschieden: I) Polymere, wie beispielsweise PEO und II) anorganische Festkörperelektrolyte wie LLZO oder Thiophosphate.
Aus Anwendungssicht ist der wesentliche Vorteil dieser Materialien, dass sie nur schwer oder nicht entflammbar und eher hitzestabil sind. Dies ist insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen von großer sicherheitstechnischer Bedeutung. Außerdem wird erwartet, dass dadurch perspektivisch die Verwendung von Lithium-Metall an der Elektrode ermöglicht wird, wodurch die Energiedichte der Systeme deutlich gesteigert wird.
Für die Modellierung und Simulation beider Systeme legen wir die theoretischen Grundlagen und untersuchen erste Anwendungsfälle. Insbesondere sind wir an dem Kompetenz-Cluster Festbatt und einer deutsch-amerikanischen Initiative zur Erforschung von Festkörperbatterien beteiligt. In diesem Rahmen sollen eine Reihe fundamentaler Fragestellungen bezüglich der eingesetzten Materialien, Methoden, Modelle, Zellarchitektur und Fertigungsprozesse beleuchtet werden, um damit eine Kommerzialisierung dieser Technologie vorzubereiten.