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Elektrischer Speicher
BMBF
Lithium-Batterien 16.1.2017

Die Nachwuchsgruppe will ein verbessertes Verständnis von Struktur und Stabilität von Materialien und Prozessen für Li-Ion, Festkörper und Li-S-Batterien erreichen. Der Gruppenleiter Payam Kaghazchi (Bild) arbeitet an einer Simulation.
© Yanxin Chen

Quantenmechanik ersetzt Laborexperiment

Nachwuchsforscher wollen Li-Ionen Batterien besser verstehen und benutzen dazu quantenmechanische Methoden. Die auf quantenmechanischen Prinzipien  beruhende Multiskalen-Modellierung von Batterien ist eine Möglichkeit, mit rechnergestützten Simulationen Elektroden und Elektrolyte zu entwickeln. Diese virtuelle Batterieentwicklung ist nicht nur genau und schnell, sondern bringt weitere Vorteile, da sie günstiger ist, als die Kosten für Experimente im Labor. Auf diese Art und Weise kann ein einziges Experiment ausreichend sein, um die rechnergestützten Ergebnisse zu bestätigen.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Projektlaufzeit Januar 2012 bis Juli 2017

Die neuesten Trends in Miniaturisierung und Mobilität benötigen Energiespeicher mit einer hohen Energiedichte, insbesondere bei der Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Lithium-Batterien sind vielversprechend, da sie eine hohe Speicherkapazität, lange Lebensdauer und ein flexibles Design ermöglichen. Durch die Kombination von verschiedenen theoretischen Methoden und der Entwicklung neuer Methoden beabsichtigt die Nachwuchsgruppe, ein vertieftes Verständnis von Struktur, Materialeigenschaften und Prozessen zu erhalten, die für Feststoffbatterien und Lithium-Schwefel-Batterien relevant sind.

  • Ein wissenschaftlicher Mitarbeiter arbeitet an einer Simulation © Payam Kaghazchi
  • Energieprofile für die Einbindung von Li-Atomen in reines Si- und Li-bedecktes Si(100) und (111): Die Abbildung zeigt die bevorzugten Strukturen.
Reprinted with permission from “P. Kaghazchi, Appl. Phys. Lett. 102, 093901 (2013): Mechanism of Li intercalation into Si. American Institute of Physics”. © 2013, AIP Publishing LLC
  • Die Abbildung zeigt das Schema von Si-Nanoteilchen und Li-Interkalation.
Reprinted with permission from “P. Kaghazchi, Appl. Phys. Lett. 102, 093901 (2013): Mechanism of Li intercalation into Si. American Institute of Physics”. © 2013, AIP Publishing LLC
  • Die Grafik zeigt Energieprofile und Strukturen für die Lithium-Einbindung in die Oberfläche und tiefere Lagen der Oberfläche und Diffusion von Li entlang des Weges I und II sowie Diffusion im Festkörper.
Reprinted with permission from “P. Kaghazchi, J. Chem. Phys. 138, 054706 (2013): Theoretical studies of lithium incorporation into α-Sn(100). American Institute of Physics“. © 2013, AIP Publishing LLC
  • Die Nachwuchsgruppe will ein verbessertes Verständnis von Struktur und Stabilität von Materialien und Prozessen für Li-Ion, Festkörper und Li-S-Batterien erreichen. Der Gruppenleiter Payam Kaghazchi (Bild) arbeitet an einer Simulation. © Yanxin Chen

Das realistische Modellieren von Batterien ist sehr komplex und bedarf verschiedener theoretischer und numerischer Techniken, da die Prozesse über lange zeitliche und räumliche Skalen ablaufen. Dafür entwickelt die Nachwuchsgruppe im Projekt „Multiskalen-Modellierung von Li-Batterien“ ein Multiskalen-Modell, das den Raum zwischen verschiedenen Zeit- und Längenskalen überbrücken kann, um sie zur Untersuchung der Struktur und Stabilität in verschiedenen Batteriematerialien einzusetzen (d. h. Elektroden, feste oder flüssige Elektrolyte, und die Grenzschichten) sowie für deren Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften.

Methode liefert Daten für Batteriesystem

Viele grundlegende Arbeiten und Methodenentwicklung wurden bereits durchgeführt, um die entscheidenden Prozesse der Energiespeicherung auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen zu untersuchen. Es gibt immer noch Bedarf nach sorgfältigen Ab-Initio Rechnungen und der Entwicklung von Multiskalen-Methoden, um die nächste Generation von Feststoff- und Li-S-Batterien zu simulieren. Ziel der Nachwuchsgruppe ist, solche Methoden zur Verfügung zu stellen.

In diesem Projekt beabsichtigt die junge Forschergruppe ein verbessertes Verständnis von Struktur und Stabilität von Materialien und Prozessen, die für Li-Ion-, alle Festkörper- und Li-S-Batterien wichtig sind. Die Bottom-Up-Beschreibung reicht dafür von der First-Principles-Beschreibung bis zu Kontinuumsmodellen. Mit dieser Methode erhalten die Forscher alle notwendigen Daten und Parameter liefern für die vollständige Ab-Initio-Beschreibung von Batteriesystemen, die die verschiedenen Zeit- und Längenskalen abdeckt.

Die Multiskalen-Modellierung von Batterien kann als eine Möglichkeit angesehen werden, basierend auf quantenmechanischen Prinzipien, virtuell Elektroden und Elektrolyte zu entwickeln. Diese virtuelle Batterieentwicklung ist nicht nur genau und schnell, sondern bringt weitere Vorteile, da sie günstiger ist als Experimente im Labor. Auf diese Weise kann ein einziges Experiment ausreichend sein, um die rechnergestützten Ergebnisse zu bestätigen.

Teilvorhaben

  1.  Mikroskopisches Modellieren, basierend auf Dichtefunktionaltheorie (DFT):
    a) Interkalation von Li+: mit DFT-Rechnungen werden die Details der Li+ Interkalation in Kathoden- und Anodenmaterialien untersucht. Hier beabsichtigen wir, elektronische und strukturelle Eigenschaften sowie Diffusionsmechanismen und Barrieren zu berechnen, die mit dem Interkalationsprozess verbunden sind.
    b) Ionen-Diffusion im Elektrolyten: mit DFT-Rechnungen studieren wir die Diffusion von Li+ Ionen in Feststoff-Elektrolyten. Dies wird den Li+ Transport in Feststoff-Elektrolyten besser beschreiben. Durch die Berechnung der Energien für die verschiedenen Pfade kann die Aktivierungsenergie erhalten werden. Das Ziel ist die Beschreibung des Transports und ein verbessertes Verständnis dieses Prozesses, und die Faktoren zu beschreiben, die die Transportrate beeinflussen.
  2. QM/MM Simulationen:
    Das Ziel ist die Entwicklung eines QM/MM-Verfahrens, welches wichtige Phänomene an Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektroden beschreiben kann, wie etwa (De-)Interkalationsprozesse. Dadurch wird vermieden, eine sehr große Zahl von Atomen durch quantenmechanische Methoden zu beschreiben, und daher extrem große Systeme zu behandeln, was gegenwärtig mit rein quantenmechanischen Rechnungen unmöglich ist.
  3. Molekulardynamik-Simulationen:
    Molekulardynamik-Simulationen liefern eine verlässliche Genauigkeit für ausgedehnte Zeit- und Längenskalen. Molekulardynamik wird benutzt werden, um Li+ Transport in Elektrode und Elektrolyt zu simulieren.
  4. Kontinuumsmodell und Vergleich mit dem Experiment:
    Die Nachwuchsgruppe beabsichtigt, die oben beschriebenen Ab-Initio Rechnungen in ein Kontinuumsmodell einzubinden, um die Li+ Diffusion zwischen den Elektroden und im Elektrolyten zu beschreiben, sowie das elektrochemische Interkalieren von Li+ in die Elektroden. Die Forscher sind der Überzeugung, dass diese auf Ab-Initio-Rechnungen basierende Kontinuumsbeschreibung eine vielversprechende Technik sein kann, um das Verständnis von den entscheidenden Prozessen in Energiespeichern zu vertiefen. Die Richtigkeit der Methoden wird durch einen Vergleich der Rechnungen mit experimentell bestimmten Daten überprüft. Der nächste Schritt wird sein, dies auf andere Systeme zu übertragen, und deren Eigenschaften vorherzusagen.

Arbeitspakete

WP1:

  • 1.1) 03.2012
    Durchführen von Konvergenztests, um die optimalen Parameter für die mikroskopischen Simulationen (quantenmechanisch) zu finden
  • 1.2) 03.2013
    Bestimmung von Mechanismus und Energiebarriere von Li+ Interkalation in Li-Ion- und alle-Festkörper-Batterie-Elektroden.
  • 1.3) 04.2014
    Bestimmung der bevorzugten Struktur und Stabilität von Li-S/C Elektroden in Li-S Batterien
  • 1.4) 12.2014
    Suche nach Mechanismus und Energiebarriere für Li+ Diffusion in Festkörperelektrolyt

WP2:

  • 2.1) 06.2012
    Mathematische Ausarbeitung und Formulierung der QM/MM Methode
  • 2.2) 12.2013
    Implementierung der QM/MM Methode in einem Computerprogramm
  • 2.3) 06.2014
    Prüfung der Gültigkeit der QM/MM Methode, indem die berechneten mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden
  • 2.4) 12.2015
    Anwendung der QM/MM Methode, um die Grenzfläche zwischen den in WP1 aufgeführten Elektroden und Elektrolyten zu erforschen

WP3:

  • 3.1) 12.2014
    Simulation des Li+ Ionen-Transports in der Elektrode sowie in Elektrolyt (Feststoffmaterialien) auf der atomaren Skala, unter Benutzung von Ab-Initio Molekulardynamik (MD)
  • 3.2) 08.2015
    Generieren von reaktiven Kraftfeldern, die Elektrode und Elektrolyt aus 3.1 beschreiben
  • 3.3) 12.2015
    Simulation von strukturellen, dynamischen, und mechanischen Eigenschaften der Elektrode/Elektrolyt Grenzschichten über längere Zeit- und Raumskalen mit Hilfe des reaktiven Kraftfelds aus 3.2

WP4:

  • 4.1) 12.2015
    Inkorporieren der Ab-Initio Ergebnisse (QM und MD) in ein auf first-principles beruhendes Kontinuumsmodell einer Li-Ionen-Batterie
  • 4.2) 06.2016
    Ermittlung der Gültigkeit der Methoden durch Vergleich der Rechnungen mit experimentellen Messungen
  • 4.3) 12.2016
    Entwickeln eines Programmpakets zur Kombination von atomistischen und Kontinuums-Methoden in Rahmen der Multiskalen-Simulation
Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

25. September 2017
EU PVSEC 2017

26. September 2017
Batterien für Bordnetze, Hybrid- und Elektrofahrzeuge

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Dr. Payam Kaghazchi
    Freie Universität Berlin - Institut für Chemie und Biochemie - Physikalische und Theoretische Chemie
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.