Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien (IAM-ET)

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. DEMS, ermöglichen durch die Bestimmung von Reaktionsprodukten tiefere Einblicke in ablaufende Reaktionen. Das elektrochemische Verhalten kann darüber hinaus mittels Strombelastbarkeitsmessungen, elektrochemischer Impedanzspektroskopie 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.

Ansprechpartner: Florian Baakes M.Sc. (Gruppenleiter)

From reaction networks to 3D resolution and Heats of reaction
Von Reaktionsnetzwerken zu 3D-Auflösung und Reaktionswärmen
From mathematical optimization to suitable electrode structures
Von der mathematischen Optimierung zur Auswahl geeigneter Elektrodenstrukturen

Aktuelle Forschungsthemen

Thema Kontakt
Simulationsbasierte Strukturoptimierung hierarchisch strukturierter hochkapazitiver Elektroden (HiStructures) Dion Wilde M.Sc
Experimentelle Untersuchungen der Gasentwickung und Modellierung der Reaktionskinetik während des Thermal Runaways von Lithium-Ionen Zellen (BaSiS) Lars Bläubaum M.Sc., Florian Baakes M.Sc.
Multiskalenanalyse der SEI-Formierung auf Lithium-Metall Elektroden (Lillint) Janika Wagner M.Sc.
Mathematische Optimierung der Elektrodenstrukturen von Festkörperbatterien (IMOTHEP) Dr. Somayeh Toghyani
Untersuchungen der SEI von Lithium-Ionen Zellen bei erhöhter Temperatur (SiMET) Michail Gerasimov M.Sc.
Modellbasierte Zelldiagnose und Optimierung mit Fokus auf der Zellformierung bei Lithium-Ionen Zellen (DaLion 4.0)

Daniel Witt M.Sc. (KIT Partner)