In dieser Gruppe werden Lithium-Ionen Batterien sowie Batterien der nächsten Generation auf Zellebene erforscht. Das Ziel ist durch ein detailliertes Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse zukünftige Batterien hinsichtlich ihrer Kapazität, Performance, Lebensdauer und Sicherheit zu optimieren. Ein Fokus liegt dabei auf der möglichst Realitätsnahen Charakterisierung von Systemen durch den Einsatz von nicht-invasiven Methoden. Auch die Untersuchung und Entwicklung von nachhaltigen Materialalternativen steht in dieser Gruppe im Vordergrund. Maßgeschneiderte mathematische Modelle basierend auf unterschiedlichsten Plattformen kommen unterstützend zum Einsatz. Als Mitglied in der Battery LabFactory Braunschweig (BLB), wird ein aktiver Beitrag bei der Weiterentwicklung von Batterien und deren Produktion und Diagnose geleistet.
Wir erforschen und entwickeln nachhaltige Batteriematerialien und nicht-invasive Messmethoden für die Anwendung an Batterien. Zu diesen Methoden zählen Cyclovoltammetrie, elektrochemische Impedanzspektroskopie, Gasanalyse (DEMS, GC/MS), Röntgentomographie, akustische Emissionen und Ultraschalluntersuchung. Die Anwendung dieser Methoden erlaubt es uns, Prozesse innerhalb der Batteriezelle unter realistischen Bedingungen zu beobachten und voneinander zu unterscheiden. Dies wird genutzt um Änderung der Elektrodenstruktur oder Zellchemie durch die Produktion oder Alterung einzelnen Prozessen zuzuordnen. Auf Grundlage dieser zeitaufgelösten und oft bildgebenden Methoden lassen sich sowohl Produktion und Zellbau optimieren als auch Betriebsbedingungen auf die jeweilige Zellchemie und Anwendung anpassen.
Mathematische Modelle verknüpfen Phänomene mit physikalischen und chemischen Ursachen. In unseren Modellen werden Transportprozesse sowie chemische und elektrochemische Reaktionskinetiken mathematisch abgebildet um die Simulation von Batterieperformance und Degradationsprozessen zu ermöglichen. Darüber hinaus erlaubt die Entwicklung innovativer Kopplungsalgorithmen, multiphysikalische (thermisch, elektrisch und chemisch) und multiskalige (atomistisch und makroskopisch) Simulationen durchzuführen. Auf Basis dieser neuen Modelle bilden wir physikalische Prozesse und deren komplexe Interaktion in Batterien mathematisch ab.
Während rein experimentelle Methoden oftmals keine eindeutige physikalische Erklärung erlauben, liefern rein theoretische Modelle oftmals keine quantitativen Aussagen für reale Systeme. Aus diesem Grund ist die Kombination von mathematischen Modellen und nicht-invasiven in operando Experimenten entscheidend um Batterien zu analysieren und zu optimieren.