MOE-Fellowship

Christopher Zurek

LeitfÀhigkeitssimulationen von Lithiumionen-Polymer-Akkumulatoren mithilfe effizienter Konformationsanalyse-Methoden

ElektromobilitĂ€t ist einer der Grundpfeiler der Energiewende und entscheidend von der Effizienz der hierfĂŒr verwendeten Energiespeichermedien abhĂ€ngig. Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben sich hierfĂŒr in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer hohen Ladungsdichte durchgesetzt. Die darin vorwiegend verwendeten Elektrolytlösungen auf Basis organischer Lösemittel bieten zwar eine hohe elektrische LeitfĂ€higkeit, sind allerdings anfĂ€llig gegenĂŒber Alterungsprozessen, die deren Lebensdauer einschrĂ€nken. Zudem bergen sie aufgrund ihrer Brennbarkeit und ToxizitĂ€t erhebliche Sicherheitsrisiken. Anstelle flĂŒssiger Elektrolyte bieten feste Elektrolyte auf Basis von Polymeren eine sichere Alternative, die aktuell aufgrund ihrer deutlich geringeren LeitfĂ€higkeit noch keine Anwendung finden.

FĂŒr eine systematische Weiterentwicklung dieser Materialien ist ein besseres VerstĂ€ndnis der IonenleitfĂ€higkeitsvorgĂ€nge innerhalb der Polymere auf Grundlage computerchemischer Studien notwendig. Da die enorme GrĂ¶ĂŸe der Polymerketten aktuelle Rechenmethoden an ihre Grenzen bringt, ist hierfĂŒr die Entwicklung neuer effizienterer Methoden entscheidend. Dabei stellt insbesondere die Bestimmung der stabilsten und damit bevorzugten dreidimensionalen Struktur des Polymers eine große Herausforderung dar. Diese Aufgabe lĂ€sst sich rein mathematisch als globales Optimierungsproblem formulieren, wofĂŒr bereits etablierte Algorithmen verfĂŒgbar sind, die lediglich auf die chemische Fragestellung ĂŒbertragen werden mĂŒssen. Im Anschluss soll der Ionentransport durch diskrete SprĂŒnge der Lithiumionen zwischen möglichen Bindungssstellen innerhalb des Polymers simuliert werden, wodurch sich der Rechenaufwand gegenĂŒber ĂŒblichen Molekulardynamik-Simulationen enorm reduzieren lĂ€sst und somit eine schnelle Analyse verschiedenster Polymere ermöglicht wird.


Übersicht

Förderzeitraum

01.07.2024 - 31.12.2026

Institut

Rheinisch-WestfĂ€lische Technische Hochschule (RWTH) Aachen Institut fĂŒr Physikalische Chemie

Betreuer

Prof. Dr. Christoph Bannwarth

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