Bestimmung der ionischen Leitfähigkeit von kationenleitenden Elektrolyten mittels Kinetik Monte Carlo Simulationen

• Antragsteller: Professor Dr. Steffen Neitzel-Grieshammer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452855747

Batterien und Brennstoffzellen ermöglichen die effiziente Speicherung elektrischer Energie und sind unabdingbar für den Erfolg der Energiewende und den Ausbau der Elektromobilität. Für Festoxidbrennstoffzellen und Festkörperbatterien spielen dabei die eingesetzten keramischen Elektrolyte eine entscheidende Rolle. Die Entwicklung und Verbesserung von Ionenleitern ist daher notwendig, um die Lebensdauer und Effizienz der Zellen zu maximieren und die Kosten zu minimieren.In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl von Materialien bezüglich ihrer Eignung als Festkörperelektrolyte untersucht. Eine umfassende experimentelle Charakterisierung der Materialien wird dabei allerdings durch die Vielzahl möglicher Strukturen und Zusammensetzungen eingeschränkt.Auf atomarer Ebene lassen sich die Eigenschaften von Festkörpern mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie beschreiben. Die Zahl entsprechender Rechnungen hat in den vergangenen Jahren, auf Grund steigender Rechenkapazitäten, stark zugenommen. Die so erhaltenen Parameter können in Kinetik Monte Carlo Simulationen verwendet werden um die Leitfähigkeit zu bestimmen. Dadurch können die Energien und Prozesse auf mikroskopischer Ebene mit dem makroskopischen Ionentransport verknüpft werden.In diesem Projekt soll die ionische Leitfähigkeit ausgewählter Kationenleiter für Li+, Na+ und H+ Ionen durch eine Kombination aus Dichtefunktionaltheorie und Kinetik Monte Carlo Simulationen untersucht werden. Grundlage dafür bilden der Literatur entnommene Energieparameter, welche durch eigene Rechnungen ergänzt und in Monte Carlo Simulationen eingespeist werden. Der Ablauf des Projektes setzt sich aus vier Teilschritten zusammen. Im ersten Schritt werden vielversprechende Kationenleiter identifiziert und Energieparameter aus der Literatur extrahiert, welche im zweiten Schritt durch eigene Rechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie ergänzt werden. Im dritten Schritt werden Energiemodelle für die Monte Carlo Simulationen erstellt, auf deren Grundlage im vierten Schritt die Leitfähigkeiten abhängig von Temperatur und Zusammensetzung bestimmt werden. Ziel des Projektes ist es auf der einen Seite ein vertieftes Verständnis der Ionenleiter, der Leitungsmechanismen und des Zusammenhangs zwischen Zusammensetzung, Struktur und Leitfähigkeit zu ermöglichen. Auf der anderen Seite sollen bislang unbekannte Ionenleiter identifiziert und ihre Zusammensetzung bezüglich der Leitfähigkeit optimiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen