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