Molekulare Einblicke in redoxverstärkte kapazitive Energiespeicherung

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Holm
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576543047

Der weltweit steigende Energiebedarf und der dringende Ruf nach nachhaltigen Lösungen treiben die Entwicklung innovativer Energiespeichertechnologien voran. Elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs), auch bekannt als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren, sind nachhaltige Energiespeichergeräte mit vielfältigen Anwendungen, darunter die Nutzung intermittierender erneuerbarer Energiequellen wie Windkraft sowie die Rückgewinnung von Energie aus regenerativen Bremssystemen. Sie zeichnen sich durch hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer aus, bieten jedoch eine geringere Energiedichte als Batterien. Um diese Schwäche auszugleichen, wird intensiv an einer Erhöhung der Speicherkapazität gearbeitet. Eine vielversprechende Strategie ist die Kombination von kapazitiver Ladungsspeicherung mit schnellen Redoxprozessen wie Pseudokapazität oder redoxaktiven Elektrolyten, die deutliche Leistungssteigerungen ermöglichen könnten. Allerdings fehlt es an einem grundlegenden Verständnis der Kopplung von Redox- und kapazitiven Prozessen – vor allem, da geeignete Simulationswerkzeuge zur Modellierung solcher nichtgleichgewichtigen Redoxphänomene auf molekularer Ebene fehlen. Dieses Projekt adressiert diese Lücke durch die Entwicklung eines multiskalen-kompatiblen, grobkörnigen Simulationsframeworks zur Beschreibung von Redoxprozessen. Zwei methodische Ansätze kommen dabei zum Einsatz: (i) ein potentialbasiertes Verfahren mit Aktivierungsbarrieren und Bindungsenergien und (ii) eine stochastische Methode, bei der Reaktionen über definierte Wahrscheinlichkeiten zwischen Redoxspezies oder zwischen diesen und der Elektrode erfolgen. Diese Modelle werden auf zwei Typen von Systemen angewendet: (1) Redoxreaktionen von Elektrolyt-Ionen an funktionalisierten Elektrodenoberflächen, etwa Protonen-Redox an Sauerstoffstellen, und (2) redoxaktive Elektrolyte, die zusätzlich zu klassischen Ionen frei diffundierende Redoxspezies enthalten. Ziel ist es, das Zusammenspiel von Redoxaktivität und kapazitiver Speicherung – insbesondere Pseudokapazität – besser zu verstehen und Strategien zur Steigerung der Energiedichte zu identifizieren. Ein Schwerpunkt liegt auf der Reduktion der Selbstentladung, einer zentralen Herausforderung redoxaktiver Systeme. Die Simulationen erfolgen sowohl für flache als auch für schlitzförmige mikroporöse Elektroden, um den Einfluss der Mikroporosität auf die physikochemischen Eigenschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Grundlagen redoxunterstützter Energiespeicherung und unterstützen die Entwicklung leistungsfähigerer Superkondensatoren. Darüber hinaus sind die entwickelten Methoden auf andere Systeme mit chemischen Reaktionen übertragbar – etwa in biologisch relevanten Umgebungen. Damit leistet das Projekt nicht nur einen Beitrag zur Energietechnologie, sondern schafft auch methodische Grundlagen für zahlreiche interdisziplinäre Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Dr. Svyatoslav Kondrat