Elektrische Energiespeicher (SP1)

Dieser Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich mit elektrochemischen und elektro-physikalischen Speichern. Elektrochemische Zellen können als die zentrale Schlüsseltechnologie für die Elektrifizierung mobiler Antriebe bezeichnet werden.

Ziel der Forschung

Entscheidend für die Durchsetzungsfähigkeit elektrischer Energiespeicher ist das Erreichen hoher Leistungs- und Energiedichten (>> 300 Wh/kg) bei adäquater Funktionssicherheit und Lebensdauer sowie gleichzeitig verringerten Kosten (<300€/kWh).

Dieses Ziel kann mit Li/Luft- und Zink/Luft-Zellen erreicht werden. Diese neue Generation von Batterien ermöglicht deutlich höhere Energiedichten und kombiniert geringere spezifische Kosten mit einer höheren Verfügbarkeit der notwendigen Materialien.

Dissertationsthemen im Graduiertenkolleg

Im Graduiertenkolleg sollen Dissertationsthemen zu beiden, elektrochemisch deutlich unterschiedlichen, Konzepten vergeben werden.

In Li/Luft-Batterien werden Li-Ionen an der Anode produziert, die in einem sauren Elektrolyt zur Kathode transportiert werden und dort an der Sauerstoffreduktion teilnehmen.

Im Gegensatz hierzu werden in Zink/Luft-Batterien Hydroxylionen an der Kathode produziert, die dann durch ein alkalisches Elektrolyt zur Anode transportiert werden.

In beiden Fällen wird die erzeugte Spannung im Wesentlichen durch die langsamen elektrochemischen Reaktionen der Sauerstoffreduktion an der Kathode limitiert. Hierfür müssen neue Katalysatoren erforscht werden, die eine hohe Aktivität mit guten Stabilitätseigenschaften verbinden. Der Katalysator, seine Struktur, das Trägermaterial und die Geometrie haben entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Zelle. Das Elektrodenmaterial kann beispielsweise in Form von Nanopartikeln, Nanostäben oder sogar Quantum Dots vorliegen, die sowohl in den Oberflächeneigenschaften, als auch in der elektronischen Struktur wesentliche Unterschiede aufweisen. Bei wiederaufladbaren Batterien muss die Kathode aus einem bifunktionalen Material bestehen, welches sowohl für die Ent- als auch für die Aufladung geeignet ist.

Das Verfahren

Mit einem konsistenten, rechnerunterstützten Verfahren sollen Effizienz und Leistung der elektrochemischen Zellen, insbesondere die Aktivität der Katalysatoren abhängig von Material und Geometrie, vorhergesagt werden. Das Verfahren basiert auf dem von Pitsch entwickelten ASIMOV Ansatz („Ab-initio Simulations for Identifying Materials with Optimal catalytic actiVity“). ASIMOV besteht aus einer Kombination von quantenmechanischen und Monte-Carlo Simulationen, die speziell für die rechnerunterstützte Überprüfung von katalytischen Elektrodenmaterialien entwickelt und für die Sauerstoffreduktion an verschiedenen platin- und palladium-basierten Legierungen validiert wurden. Dabei werden reaktionskinetische Parameter mittels quantenchemischer Simulationen und Cluster Expansions-Methoden unter Berücksichtigung sowohl der Elektroden- als auch der Elektrolytstruktur generiert. Diese Daten werden in kombinierten Metropolis- bzw. thermodynamischen Monte-Carlo-Simulationen zur Berechnung der Stromdichte verwendet. In Zusammenarbeit mit den anderen Projekten in SP1 können dann Elektrodenmaterialien und Katalysatorgeometrien experimentell und theoretisch untersucht werden.
Die hohe Energiedichte der Metall-Luft Zellen (1000 Wh/kg) kombiniert mit einem vereinfachten Abscheideprozess macht zunächst den Einsatz von reaktivierbaren Primärzellen in dem integrierten Energieversorgungsmodul möglich. Die Forschungsaktivitäten sollen sich hier auf den Aufbau der Zellen konzentrieren, um große Mengen aktiven Materials effektiv zu nutzen und zu entladen. Dieser Forschungsschwerpunkt wird von den Professoren Pitsch, Simon und Sauer  betreut.