Batterien – Reaktionskinetik und Optimierung
In unserer Gruppe beschäftigen wir uns mit der Forschung an Lithium-Ionen- sowie Next-Generation-Batterien. Ein wesentlicher Teil unserer Arbeit ist hier das vertiefte Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen und chemischen Prozesse. Um uns einen tieferen Einblick in diese Vorgänge zu ermöglichen, nutzen wir Synergien zwischen mechanistischer Modellierung sowie experimentellen Untersuchungen. So sind wir in der Lage, Batterien in Hinblick auf Leistung, Alterungseigenschaften und Sicherheit zu analysieren und zu optimieren.
Einer unserer Schwerpunkte liegt auf der Untersuchung von Reaktionsmechanismen und – kinetiken, ausgehend vom Aufbau funktioneller Grenzschichten bis hin zu Energieumwandlung und Degradation. Dies umfasst die Beschreibung einer Zelle von ihrer Produktion bis hin zum Zelltod.
Für ein detailliertes Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse ist eine akkurate chemische sowie elektrochemische Zellcharakterisierung notwendig. Massenspektroskopische Messungen, wie z.B. OEMS, ermöglichen durch die Bestimmung von Reaktionsprodukten tiefere Einblicke in ablaufende Reaktionen. Das elektrochemische Verhalten kann darüber hinaus mittels Strombelastbarkeitsmessungen, elektrochemischer Impedanzspektroskopie, nichtlinearer Frequenzganganalyse oder auch Cyclovoltammetrie genauer untersucht werden. Diese Messmethoden erlauben in Kombination mit unseren mechanistischen Modellen ein ganzheitliches Verständnis aktueller sowie zukünftiger Energiespeicherungs- und Energieumwandlungstechnologien. In Abhängigkeit der Fragestellung können wir hierbei Modelle mit unterschiedlichem Detaillevel zum Einsatz bringen, welche atomistische Reaktionen bis hin zu gekoppelten mikroskopisch/makroskopischen Beschreibungen umfassen.
Um mithilfe dieser Modelle erzielte Erkenntnisse in die praktische Anwendung zu bringen, setzen wir darüber hinaus auch rigorose mathematische Optimierungen ein. Im Rahmen von Kooperationen mit Fachleuten aus dem Bereich der Batterieproduktion können Prozessverständnis und modellbasierte Designvorschläge kombiniert werden, um Fortschritte in beiden Bereichen zu beschleunigen.
Unsere Forschung zu Batterien der nächsten Generation konzentriert sich auf die Entwicklung von Natriumionen-basierten Zellchemien als Teil des Post Lithium Storage Cluster of Excellence (POLiS). Unser Schwerpunkt liegt auf der Erforschung der Bildung und Alterung der funktionalen Grenzschichten auf Hard Carbon-Anoden unter Verwendung von Karbonat-basierten Elektrolyten. Für unsere Analysen verwenden wir eine Kombination aus molekularer und Multiskalen-Modellierung, gepaart mit elektrochemischer Charakterisierung und OEMS, um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu bestimmen, die das Zellverhalten steuern. Diese Arbeit wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projekt-ID 390874152 (POLiS Exzellenzcluster) gefördert.
Ansprechpartner: Janika Wagner-Henke, Julian Ulrich
Titel | Typ | Betreuer |
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Thermische Degradationsanalyse von Lithium-Ionen Batterien | Bachelor- / Masterarbeit | |
Model-based Study of Electrolyte Decomposition and Interfacial Layer Growth in Sodium Ion Batteries | Bachelor-/Masterthesis | Dr. Kie Hankins |
Modelling the solid electrolyte interphase in lithium metal batteries using Kinetic Monte Carlo simulations | Masterarbeit/Bachelorarbeit | |
Model-based Validation of Reaction Mechanism in Lithium-Ion Batteries during Thermal Stress | Bachelor-/Masterthesis | |
Degradationsmechanismen von Verunreinigungen in Lithium-Ionen-Batterien beim thermischen Durchgehen | Bachelorarbeit | |
Elektrochemische Charakterisierung an Natrium Ionen Batterien | Bachelor-/Masterthesis |
Titel | Kontaktperson |
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Prüfstandentwicklung für große Lithium-Ionen-Batterien | |
Standardization of simulation models |
Aktuelle Forschungsthemen
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Thema | Kontakt |
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Thermodynamische und kinetische Stabilität der Lithium-Flüssig-Elektrolyt-Grenzfläche - Multiskalenmodellierung (Lillint2) | Janika Wagner-Henke, Aravind Unni |
Untersuchungen der SEI von Lithium-Ionen Zellen bei erhöhter Temperatur (SiMET) | Jorge Valenzuela |
Quantitative Analysis of the Nonlinear Frequency Response (also known as Nonlinear Electrochemical Impedance Spectroscopy) for Lithium-Ion Batteries | Julian Ulrich |
Modellbasierte Untersuchung der chemischen und elektrochemischen Prozesse von Lithium-Schwefel Batterien | Walter Cistjakov (KIT Partner) |
Simulationsbasierte Sicherheitsbewertung eines unkontrollierten, thermischen Durchgehens bei gealterten Batteriezellen (SimDural) | Leon Schmidt, Jorge Valenzuela |
Post Lithium Speicherung Exzellenzcluster (POLiS) |
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Holistische Methode eines kombinierten daten- und modellbasierten Elektrodendesigns unterstützt durch künstliche Intelligenz (HiBRAIN) | Jakub Jambrich |