Bestimmung der ionischen Leitfähigkeit von kationenleitenden Elektrolyten mittels Kinetik Monte Carlo Simulationen
Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Batterien und Brennstoffzellen ermöglichen die effiziente Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie und sind somit ein zentraler Baustein einer erfolgreichen Energiewende. Für Festoxidbrennstoffzellen und Festkörperbatterien spielen die eingesetzten keramischen Elektrolyte dabei eine entscheidende Rolle. Die Einführung neuer elektrochemischer Zellen mit erhöhter Performance und verringerten Kosten ist daher ohne den Einsatz optimierter Ionenleiter nicht denkbar. In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl von Materialien hinsichtlich ihrer Eignung als Festkörperelektrolyte untersucht. Eine umfassende experimentelle Charakterisierung der Materialien wird dabei allerdings durch den zeitlichen Aufwand und die Kosten auf der einen Seite sowie die Vielzahl möglicher Strukturen und Zusammensetzungen auf der anderen Seite eingeschränkt. Auf atomarer Ebene lassen sich die Eigenschaften von Festkörpern mithilfe der Dichtefunktionaltheorie beschreiben. Die Zahl entsprechender Rechnungen hat in den vergangenen Jahren – aufgrund steigender Rechenkapazitäten – stark zugenommen. Die so erhaltenen Parameter können in Kinetic-Monte-Carlo-Simulationen verwendet werden, um die Leitfähigkeit zu bestimmen. Dadurch lassen sich Energien und Prozesse auf mikroskopischer Ebene mit dem makroskopischen Ionentransport verknüpfen. Ziel dieses Projekts war die Simulation der kationischen Leitfähigkeit ausgewählter Festkörperelektrolyte mittels Dichtefunktionaltheorie und Kinetic Monte Carlo. Ausgehend von Strukturen und Energieparametern aus der Literatur wurden Simulationen durchgeführt, um die Leitfähigkeit zu bestimmen. Zu Beginn wurden vielversprechende Kationenleiter (für H⁺, Li⁺ und Na⁺) identifiziert und Energieparameter gesammelt. Aus der Literaturübersicht wurden zwei Strukturtypen für die weitere Untersuchung ausgewählt: Perovskite für die H⁺-Leitung und NASICON-Materialien für die Li⁺- und Na⁺-Leitung. Basierend auf extrahierten Energiemodellen wurden Kinetic-Monte-Carlo- Simulationen in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Temperatur durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit experimentellen Befunden und Moleküldynamik-Simulationen verglichen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Monte-Carlo-Simulationen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Werten in Bezug auf die ermittelten Trends zeigen. Andererseits ist festzuhalten, dass veröffentlichte Energieparameter für ein Material je nach Quelle starke Abweichungen aufweisen und auch experimentelle Leitfähigkeitsdaten eine breite Streuung zeigen. Dies erschwert sowohl die konsistente Auswahl von Energieparametern aus der Literatur als auch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A review of proton migration and interaction energies in doped barium zirconate. Solid State Ionics, 397, 116231.
Winterhoff, Giulia & Neitzel-Grieshammer, Steffen
