Batterien sind auf das Zusammenspiel von Prozessen auf allen technologisch relevanten Längenskalen angewiesen. Die Quantenphysik regelt die Struktur und das Zusammenspiel einzelner Atome auf der Nanoskala. Hier entwickeln wir Algorithmen zur Materialsimulation auf Quantencomputern. Elektrochemische Grenzflächen sind entscheidend für die Funktion und die Lebensdauer von Batterien. Wir modellieren Strukturen, Transport und Reaktionen an den geladenen Elektroden, z.B. Struktur von Ladungsschichten, Entstehung von Passivierungsschichten und Form der Elektrodenoberflächen. Auf der Basis der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik entwickeln wir Modelle für neuartige Elektrolyte und schlagen so die Brücke zur Elektrodensimulation.
Eine unserer Kernkompetenzen der Abteilung CEC ist die Entwicklung strukturaufgelöster Simulationen von Elektroden und Zellen für elektrochemische Speicher und Wandler. Das übergeordnete Ziel dieser Aktivitäten ist die Anwendung der Modelle auf aktuelle Forschungsfragen, um ein detailliertes Verständnis der Auswirkung der Struktur von Materialien und Elektroden auf die elektrochemischen Eigenschaften zu bekommen. Auf dieser fundierten Basis kann gezielt eine Optimierung von Batterien und Brennstoffzellen bzw. Elektrolyseuren hinsichtlich der typischen Kenngrößen wie Energiedichte, Leistungsdichte oder Lebenszeit durchgeführt werden. Dabei werden von CEC uns verschiedene numerische Methoden angewendet und in Kooperation mit internen und externen Partnern für die Anwendung auf elektrochemische Simulationen weiterentwickelt.
Die Modellierung von Batterien in der chemischen Verfahrenstechnik basiert auf der Modellierung des Elektrolyttransports in porösen Elektroden aus den 1970er Jahren. Anstatt die Mikrostruktur der Elektroden aufzulösen wird dabei über diese Mikrostruktur gemittelt. So entsteht eine sehr schnelle Zellsimulation. Damit untersuchen wir die Mechanismen von Next-Generation Batterien, erforschen neuartige Modellierungsansätze für elektrochemische Grenzflächeneffekte und erproben datengetriebene Alogorithmen.