Elektrochemie und Batterieperformance

Elektrochemische Prozesse auf atomarer und mikrostruktureller Skala bestimmen Energiedichte, Ladegeschwindigkeit, Lebensdauer und Sicherheit von Batterien. Mit fundiertem Mechanismenverständnis, Multiskalen-Simulation und atomistischen Berechnungen zielen wir auf die Aufklärung, Modellierung und Steuerung dieser Prozesse. Die werkstofftechnologischen Herausforderungen, die wir dabei im Fokus haben, sind:

Erhöhung der Energiedichte durch verbesserte Kathoden und Anodenmaterialien

• Spannungseinbrüche und instabile Zyklisierung bei hochkapazitive Kathoden wie Li-rich Layered Oxides (z. B. Li₁.₂Ni₀.₁₃Co₀.₁₃Mn₀.₅₄O₂) zeigen oft.
• Mechanische und elektrochemische Instabilität durch Expansion von Silizium-Anoden mit hoher Kapazität (~3500 mAh/g), beim Lithieren um bis zu 300 %.
• Dendritenbildung und Reaktivität von Lithium-Metall-Anoden mit maximaler Energiedichte.
  
  

Beherrschung von Nebenreaktionen und Degradation bei gesteigerter Ladegeschwindigkeit

• Verlust an reversibler Kapazität und Sicherheitsrisiken (Kurzschluss) bei Lithium-Plating an der Anode.
• Limitierte Ladegeschwindigkeit beim Ionen-Transport durch die Elektrolyte und die Grenzflächen (SEI, CEI).
• Zunahme von Polarisationseffekten (Überspannungen) bei schnellem Laden.
  
  

Reduktion von Kapazitätsverlusten und Erhöhung der Lebensdauer (Zyklenstabilität)

• Instabile Grenzflächen durch Wachstum der SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interface) auf der Anode und des Verbrauchs an Lithium und Elektrolyt.
• Bei Hochvoltmaterialien kommt es zu strukturellen Veränderungen und der Freisetzung von Übergangsmetallionen in den Elektrolythen (Kathoden-Degradation)
• Insbesondere bei Hochvolt-Zellen (>4.3 V) zersetzen sich klassische Carbonat-basierte Elektrolyte.
  
  

Erhöhung der Sicherheit

• Instabilität von Elektrolyten bei hohen Temperaturen oder Spannungen kann zur Bildung brennbarer Gase führen.
• Lithium-Dendriten bei Metall-Anoden oder beim Plating steigert die Kurzschlussgefahr.
• Sauerstofffreisetzung aus instabilen Kathodenmaterialien (z. B. NMC mit hohem Nickelanteil) kann exotherme Reaktionen verursachen.

Um diese Herausforderungen mit Ihnen gemeinsam anzugehen, berechnen wir die Eigenschaften Ihrer Materialsysteme und entwickeln die geeigneten Simulationsmethoden dafür. Unser Anspruch ist ein fundiertes Mechanismenverständnis mit vertretbarem Rechenaufwand zu schaffen. Damit eröffnen wir für Sie neue Spielräume für das Materialdesign.

Referenzprojekte

Multiskalenmodellierung für das Batteriedesign der nächsten Generation, DEFACTO

Wie lassen sich Batteriezellen schneller, effizienter und nachhaltiger entwickeln? Das EU-Projekt DEFACTO zeigt, wie innovative multiphysikalische und multiskalige Modellierungs-Tools den gesamten Batterie-Entwicklungsprozess revolutionieren können – von der Materialauswahl bis zur Zellproduktion. Im Ergebnis lassen sich nicht nur Entwicklungszeiten verkürzen, sondern auch Lebensdauer, Effizienz und Nachhaltigkeit neuer Batteriekonzepte gezielt steigern. Damit setzt DEFACTO neue Maßstäbe in der Zellproduktion für Elektrofahrzeuge.

Projektprofil: DEFACTO: Battery DEsign and ManuFACTuring Optimization through multiphysics modeling - Fraunhofer IWM

Mit innovativen Materialien die Energiewende gestalten, P2X

Das Forschungsprojekt P2X liefert zentrale Bausteine für die Energiewende: Es untersuchte, wie mithilfe erneuerbarer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden können. Im Fokus stand unter anderem die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse, bei der aus Wasser und CO₂ hochwertiges Synthesegas erzeugt wird – ein möglicher Gamechanger für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie. Am Fraunhofer IWM wurden dazu Perowskit-Anoden in Festoxid-Elektrolysezellen (SOECs) mittels atomistischer Simulationen gezielt optimiert.

Projektprofil: P2X: Erforschung, Validierung und Implementierung von Power-to-X Konzepten - Fraunhofer IWM

Publikationen

Mutter, D.; Urban, D. F.; Elsässer, C., Determination of formation energies and phase diagrams of transition metal oxides with DFT+U, Materials 13/19 (2020) Art. 4303; 21 Seiten Link

Defects and phase formation in non-stoichiometric LaFeO3: a combined theoretical and experimental study, D. Mutter, D. F. Urban, C. Elsässer, R. Schierholz, S. Heuer, T. Ohlerth, H. Kungl, R. A. Eichel, Chem. Mater. 33, 9473 (2021) Link

Baumann A. F.; Mutter D.; Urban D. F.; Elsässer C., First-principles study of strain behavior in iron-based fluorides of tungsten bronze type as cathode materials for alkali-ion batteries, Physical Review Materials 8/9 (2024) Art. 095401, 9 Seiten Link

Baumann, A. F.; Mutter, D.; Urban, D.; Elsässer, C., First-principles analysis of the interplay between electronic structure and volume change in colquiriite compounds during Li intercalation, Physical Review B, 108/16 (2023) Art. 165140, 13 Seiten Link

High-Throughput Screening Workflow for Predicting Volume Changes in Ion Intercalation Materials, A. F. Baumann, D. Mutter, D. F. Urban, C. Elsässer, ACS Applied Energie Materials (2026) Link

Pfalzgraf, D.; Mutter, D.; Urban, D. F., Atomistic analysis of Li migration in Li_1+xAl_xTi_2–x(PO₄)₃ (LATP) solid electrolytes, Solid State Ionics 359 (2021) 115521, 7 Seiten Link

Mutter, D.; Urban, D. F.; Elsässer C., Computational analysis of composition-structure-property-relationships in NZP-type materials for Li-ion batteries, Journal of Applied Physics 125/21 (2019) 215115 1-10 Link

Mutter, D.; Urban, D.; Elsässer, C., Systematic search for lithium ion conducting compounds by screening of compositions combined with atomistic simulation, MRS Advances 2/9 (2017) 483-489 Link

Lang, B.; Ziebarth, B.; Elsässer,C., Lithium ion conduction in LiTi₂(PO₄)₃ and related compounds based on the NASICON structure: A first-principles study, Chemistry of Materials 27/14 (2015) 5040-5048 Link

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