Erforschung der Strukturbildung und Abschirmung in ionischen Lösungen und elektrischen Doppelschichten mittels Dichtefunktionaltheorie für zukunftsfähige kapazitive Technologien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das geförderte Projekt capDFT konzentrierte sich auf die theoretische Beschreibung von Elektrolyten, insbesondere im Kontakt mit geladenen Oberflächen wie Elektroden. An solchen Grenzflächen bilden sich sogenannte elektrische Doppelschichten (EDLs), deren Eigenschaften in Superkondensatoren verwendet werden um elektrische Energie zu speichern oder aber um Wärme in elektrische Energie umzuwandeln oder Energie aus Mischprozessen zu gewinnen. Im Projekt haben wir einen neuen theoretischen Ansatz zur effizienten Beschreibung der Ionenverteilung in EDLs im Rahmen klassischer Dichtefunktionaltheorie (DFT) entwickelt. Der Ansatz ist in der Lage, die wichtigen Korrelationen zwischen räumlichen und elektrostatischen Teilchenwechselwirkungen in Elektrolytsystemen zu berücksichtigen. Mit diesem Ansatz haben wir Effekte wie strukturelles Underscreening beschrieben und die innere Struktur von EDLs parallel zur Oberfläche studiert. Weiter haben wir Modelle für die Elektrode-Elektrolyt-Wechselwirkung entwickelt, die vorhandene Lösungsmittelteilchen berücksichtigen. Es ist hauptsächlich diese Wechselwirkung, die die Kapazität der EDLs und ihre Wärmeerzeugung bei (Ent-)Ladenvorgängen bestimmt. Zur Bestätigung unserer Ergebnisse und zum Zweck weiterer Studien haben wir zusätzlich Molekulardynamiksimulationen durchgeführt. Auf diese Weise haben wir zum ersten Mal langreichweitiges Underscreening in theoretischen Berechnungen beobachtet und konnten dieses durch die Bildung neutraler Cluster in Elektrolyten erklären. Die entwickelten Codes aus unserem Projekt sind in der öffentlichen Software-Bibliothek capDFT auf Github verfügbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Bayesian unsupervised learning reveals hidden structure in concentrated electrolytes. The Journal of Chemical Physics, 154(13).
Jones, Penelope; Coupette, Fabian; Härtel, Andreas & Lee, Alpha A.
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Capdft, a c++ library to perform calculations in the framework of classical density functional theory, 2021
A. Härtel & M. Bültmann
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Primitive model electrolytes in the near and far field: Decay lengths from DFT and simulations. The Journal of Chemical Physics, 154(12).
Cats, P.; Evans, R.; Härtel, A. & van, Roij R.
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Reversible heat production during electric double layer buildup depends sensitively on the electrolyte and its reservoir. The Journal of Chemical Physics, 154(6).
Glatzel, Fabian; Janssen, Mathijs & Härtel, Andreas
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Extension of the primitive model by hydration shells and its impact on the reversible heat production during the buildup of the electric double layer. The Journal of Chemical Physics, 156(3).
Pelagejcev, Philipp; Glatzel, Fabian & Härtel, Andreas
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The primitive model in classical density functional theory: beyond the standard mean-field approximation. Journal of Physics: Condensed Matter, 34(23), 235101.
Bültmann, Moritz & Härtel, Andreas
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„A density-functional-theory study on the structure of electrolytes“, PhD thesis (University of Freiburg, 2022)
M. Bültmann
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Anomalous Underscreening in the Restricted Primitive Model. Physical Review Letters, 130(10).
Härtel, Andreas; Bültmann, Moritz & Coupette, Fabian
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In-plane structure of the electric double layer in the primitive model using classical density functional theory. The Journal of Chemical Physics, 159(18).
Cats, Peter & Härtel, Andreas
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„Electrostatic screening in electric double layers“, Habilitation treatise (University of Freiburg, 2023).
A. Härtel
