Steigerung der Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien unter Verwendung von First-Principles-basierten Methoden

• Antragstellerin: Professorin Dr. Irmgard Frank
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535801387

Lithium-Batterien sind weit verbreitet. Sie bestehen typischerweise aus einer Lithium-Graphit-Anode und einer Oxid-Kathode. Lithium-Schwefel-Batterien stellen ein neues Konzept in der Weiterentwicklung von Batterien dar. Vorteil ist die extrem hohe maximal erreichbare Energiedichte. Nachteil ist vor allem die limitierte Zahl von Lade- und Endladezyklen. Im vorliegenden Projekt wollen wir mit Ab-Initio-Moleküldynamik die zugrundeliegenden chemischen Reaktionen untersuchen, die schrittweise zur Bildung von Lithiumsulfid und Nebenprodukten führen. Ab-Initio-Moleküldynamik verwendet eine quantenmechanische Beschreibung der Elektronenwolke und eine klassische Beschreibung der Kerne, was es erlaubt, beliebige chemische Reaktionen auf physikalischer Grundlage zu beschreiben. Limitierend ist dabei die Rechenzeit. Da wir in elektrochemischen Anwendungen die Reaktionen durch Ladungsübertragung gezielt triggern können, ist es möglich, mit moderatem Rechenzeitaufwand chemische Reaktionen zu beobachten. Das Resultat kann in Form von Filmen dargestellt werden, was es erlaubt, sehr viel Information anschaulich zu verarbeiten. Insbesondere können wir mit Filmen demonstrieren, wie jedes einzelne Atom während einer chemischen Reaktion von A nach B kommt und wie sich dabei die Elektronenwolke verändert. Ab-Initio-Moleküldynamik erlaubt also das volle mechanistische Verständnis im Prinzip beliebiger chemischer Reaktionen. Im Rahmen des Projekts wollen wir mit eher einfachen Modellstrukturen beginnen und dann sukzessive zu realistischen Heterostrukturen aus über 1000 Atomen kommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen