Forschung
Dynamische Multifrequenzanalyse
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine gängige Technik, die in der Praxis zur Schätzung der kinetischen Parameter für die Prozesse an einer Grenzfläche eingesetzt wird. Die Impedanz ist für lineare und stationäre Systeme definiert. Wenn die Bedingung der Stationarität in der Praxis nicht erfüllt werden kann oder wenn das System künstlich driftet, kann die momentane Impedanz immer noch unter Berücksichtigung der Linearisierung des dynamischen Systems um verschiedene Betriebspunkte bewertet werden. Für die praktische Umsetzung eines solchen Konzepts hat die Gruppe eine Methode namens Dynamische Mehrfrequenzanalyse entwickelt, die auf der Durchlassbandfilterung von Mehrfrequenz-Spannungs- und Stromdaten basiert.
Elektronen-Ionen Transfer an der Grenzfläche
Das Herzstück aller elektrochemischer Prozesse ist die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, an der sich komplexe physikalische und chemische Phänomene über weite räumliche und zeitliche Skalen entfalten. Der Elektronentransfer von der Elektrode wird in der Regel durch die Butler-Volmer-Gleichung oder die Marcus-Theorie modelliert, die beide von den thermodynamischen Eigenschaften der beteiligten Spezies - wie Konzentration, Redoxpotential und Überspannung - beeinflusst werden. In der Zwischenzeit erfolgt der Ionentransport durch Migration in elektrischen Feldern und Diffusion und kann die Adsorption an Oberflächen oder die Einfügung in feste Gitter beinhalten. Diese Prozesse koppeln sich in der elektrischen Doppelschicht, einem Bereich mit gebrochener elektrischer Neutralität, in dem zusätzliche Effekte - wie die Frumkin-Korrektur - die Dynamik weiter verkomplizieren. In unserer Gruppe werden diese Grenzflächenphänomene mit fortschrittlichen elektrochemischen Techniken wie der dynamischen Multifrequenzanalyse untersucht, die innovativ mit der Quarzkristall-Mikrowaage kombiniert wird.
Modellierung von elektrochemischen Systemen
Im Rahmen dieser Forschung wird die multiphysikalische Modellierung von Energiespeichersystemen untersucht. Zu den Zielen gehören die Entwicklung robuster, originalgetreuer Modelle für Batterien, die unter extremen Bedingungen arbeiten, die Erfassung von Phänomenen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche, die Optimierung von Materialeigenschaften und die Vorhersage von Degradationsmechanismen. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören verschiedene Batterietypen und Superkondensatoren. Darüber hinaus wird die dynamische elektrochemische Impedanzspektroskopie (DEIS) modelliert, um das Verständnis und die Leistung dieser Systeme zu verbessern, und wird zur Charakterisierung spezifischer elektrochemischer Prozesse (z.B.) Redoxreaktionen und Wasserstoffentwicklung) eingesetzt.
Alterung von Lithium Ionen Batterien
Für die Verbreitung von Batterien in verschiedenen technologischen Sektoren ist es von entscheidender Bedeutung, die Mechanismen und Ursachen für die Degradation der Zellen zu verstehen. Physikalisch basierte Modell sind genau, aber rechenaufwändig zu lösen, und ihre Reduktion auf einfachere Symmetrien könnte die Fähigkeit zur Darstellung der Alterung verlieren. Der alternative Ansatz der datengesteuerten Modellierung behandelt die Zelle als eine "Black Box", in der die Input-Output-Beziehung mit statistischen Methoden modelliert wird. Unsere Gruppe konzentriert sich auf die Verwendung von nicht-stationären Breitband-Impedanzdaten (100kHz-10mHz) als Quelle für die Parametrisierung solcher statistischer Modelle sowie von intern entwickelten Mehrskalenmodellen ("Grey-Box"-Modell).
Aufladbare wässrige Metall-Ionen Batterien
Wir treiben die nachhaltige Energiespeicherung durch die Entwicklung wiederaufladbarer wässriger Metall-Ionen-Batterien voran, wobei wir uns auf Zink-Ionen-Systeme konzentrieren. Diese Batterien sind sicher, kostengünstig und umweltfreundlich und eignen sich daher ideal für groß angelegte Anwendungen wie die Netzspeicherung. Unsere Forschung untersucht die Mechanismen der Zink-Ionen-Speicherung und entwickelt neue Elektrodenmaterialien und Elektrolyte, um die Effizienz, Lebensdauer und Energiedichte zu erhöhen. Durch die Kombination von Materialwissenschaft, Elektrochemie und Systemtechnik wollen wir Hochleistungsbatterien für eine widerstandsfähige, kohlenstoffarme Energiezukunft entwickeln.
Lithium Rückgewinnung
Elektrochemisches Ionenpumpen (EIP) ist ein Verfahren zur Gewinnung von Lithiumionen aus natürlichen Solen, wie z.B. geothermischem Wasser. Es könnte die steigende weltweite Nachfrage nach Lithium und die mit der derzeitigen Gewinnungsmethode verbundenen ökologischen Probleme lösen. Bei EIP-Verfahren fließen die hochvolumige Einsatzlösung und eine niedrigvolumige Rückgewinnungslösung abwechselnd durch den Reaktor, während abwechselnd ein negativer und positiver elektrischer Strom angelegt wird. Die lithiumselektive Arbeitselektrode fängt die Li+-Ionen aus der Einsatzlösung auf und gibt sie an die Rückgewinnungslösung ab. Zur Erfüllung des Ladungsausgleichs interkaliert und de-interkaliert eine lithiumexklusive Gegenelektrode Kationen. Die daraus resultierende Erhöhung der Li+ Konzentration ermöglicht die Ausfällung.