Die Entwicklung innovativer Brennstoffzellen und Batterien erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der chemischen und physikalischen Prozesse, die in ihnen stattfinden. Bei uns steht dieses Verständnis und die Umsetzung unserer Erkenntnisse in einen digitalisierten Designprozess von elektrochemischen und thermochemischen Speichern und Wandlern im Mittelpunkt unserer Forschung. Durch Entwicklung präziser Simulationsinstrumente können wir nicht nur Zeit und Kosten sparen, sondern auch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer dieser Energiespeicher und -wandler optimieren.
Unsere Schwerpunkte
In der Abteilung für Computergestützte Elektrochemie verfolgen wir das Ziel, Material-, Elektroden- und Zelldesigns in einen innovativen digitalisierten Workflow zu transformieren. Die Voraussetzung dafür sind physikalisch und elektrochemisch fundierte Modelle, Kopplung mit modernsten datengetriebenen Modellierungstechniken sowie die Entwicklung der Grundlagen für den Einsatz von Quantencomputern zur Entwicklung von Materialien für die Energiespeicherung.
Durch die Anwendung thermodynamischer Prinzipien leiten wir mathematische Gleichungen ab, die uns ermöglichen, gekoppelt elektrochemische und Transportprozesse in Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und thermochemischen Speichern zu simulieren. Dabei werden von Grenzflächenprozessen über 3D aufgelöste Elektrodenprozesse von der Nanometer bis zur Mikrometerskala bis zu Zellverhalten alle relevanten zeitliche und räumliche Skalen erfasst, um Leistung und Lebensdauer der Energiespeicher zu optimieren.
Am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) werden in den Gruppen "Theorie elektrochemischer Systeme" und "Mikrostruktursimulation und Anwendungen" folgende Batterietypen untersucht:
Li-Ionen-Batterien,
neuartige Batterien (Natriumbatterien, Metallschwefel, und Kalziumbatterien)
Feststoffbatterien.
Am Standort Stuttgart beschäftigen wir uns mit der physikalischen Modellierung und Simulation von Hoch- und Niedertemperaturtechnologien. Es werden folgende Zelltypen untersucht:
Polymerelektrolytbrennstoffzellen und -elektrolyseure
Festoxidbrennstoffzellen und -elektrolyseure sowie thermochemische Speicher
Dabei werden Multiskalenmodelle sowie mikrostrukturaufgelöste Modelle verwendet. Die Themenschwerpunkte liegen dabei auf dem Verständnis von Alterungsprozessen und Leistungslimitierungen sowie der simulationsbasierten Optimierung.
Rechenzentrum Ulm
Die Simulationen und Modellierungen erfolgen auf Großrechnern und Quantencomputer an unserem Standort in Ulm
Veranschaulichung der Bildung von Feststoff-Elektrolyt-Interphasen auf einer Graphitanode in Lithium-Ionen-Batterien und deren Übergang von kompaktem zu porösem Wachstum.
Die Abteilung Computergestützte Elektrochemie legt die Grundlagen für die digitalisierte Entwicklung und Optimierung von Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und thermochemischen Speichern und hilft dadurch den Transformationsprozess zu einer elekrifizierten Energiewirtschaft zu beschleunigen. Die Grundlagen für den Einsatz neuer Schlüsseltechnologien wie Quantencomputer und Methoden der Künstlichen Intelligenz werden geschaffen und auf ihr Potential für die industrielle Anwendung erforscht.
Schlüsselkompetenzen:
Modellierung und Simulation von Batterien
Modellierung und Simulation von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren
Modellierung und Simulation von thermochemischen Speichern
Nutzung von Quantencomputern in der Energieforschung
Aktuelle Projekte der Abteilung
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Kontakt
Prof. Dr. Arnulf Latz
Abteilungsleiter Computergestützte Elektrochemie
Helmholtz Institut Ulm (HIU) - Institut für Technische Thermodynamik
