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. Durch Entwicklung und Anwendung mathematischer Modelle in Kombination mit dynamischen Messmethoden können Phänomene und fundamentale Ursachen verknüpft und somit Batterien wissensbasiert weiterentwickelt werden. 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 dynamische Messmethoden für die Anwendung an Batterien. Zu diesen Methoden zählen Cyclovoltammetrie, eletrochemische Impedanzspektroskopie und nichtlineare Frequenzganganalyse. Die Anwendung dieser Methoden erlaubt es uns, Prozesse, wie z.B. Feststoffdiffusion, Ionentransport oder elektrochemische Reaktionen, bezüglich ihrer Zeitkonstanten und Nichtlinearität aufzuschlüsseln und somit getrennt voneinander zu analysieren. Dies wird genutzt um Änderung der Elektrodenstruktur oder Zellchemie durch die Produktion oder Alterung einzelnen Prozessen zuzuordnen. Durch diese nicht destruktiven Methoden ist eine schnelle, kostengünstige und präzise insitu Charakterisierung und Zustandsbestimmung von Batteriezellen möglich.
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 destruktiven insitu Experimenten entscheidend um Batterien zu analysieren und zu optimieren. Mit dieser Vorgehensweise identifizieren wir Reaktionskinetiken, Alterungsursachen sowie Produktionseinflüsse und quantifizieren deren dynamisches Verhalten. So ist es möglich, Ursache für Fehlfunktionen zu identifizieren oder das Zelldesign mathematisch zu optimieren.