Forschung

Forschung im Cluster

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die beste Batterie-Option, da sie hohe Spannungen und damit hohe Energiedichten bieten. Die darin verwendeten Batteriechemikalien sind jedoch mittel- und langfristig nicht nachhaltig. Die Gewinnung der Bestandteile, wie Kobalt, Graphit und Lithium bergen poli­tische, ökologische und wirtschaft­liche Risiken. Die Europäische Kommission befürchtet aufgrund von Ressourcenknappheit und der unsicheren politischen Situation einiger Länder mit großen Vorkommen Versor­gungsengpässe.

Ziel des Clusters ist es, Elektrodenmaterialien und Elektrolyte zu entwickeln, die nachhaltige Systeme auf der Basis von Natrium-, Magnesium-, Aluminium-, Kalzium- und Chlor-Ionen ermöglichen. Größere Hürden für Entwicklung und Einsatz von Post-Lithium-Systemen wie eine niedrige Mobilität von Ionen in Festkörpern und Flüssigkeiten, Fehlen maßgeschneiderter Materialgrenzflächen mit geeigneten Ladungstransfer-Eigenschaften, schnelle Alterung von Aktivmaterialien und Elektrolyt und unzureichende Reversibilität bei Be- und Entladeprozessen, sind dabei zu überwinden.

Die großen Herausforderungen unseres Forschungsvorhabens werden in fünf Forschungsbereichen behandelt, die sich den Schwerpunktthemen Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Grenzflächen, Integration & Nachhaltige Zelltechnik und Querschnittsthemen widmen. Der Cluster verfolgt einen multidisziplinären Ansatz, der Nass- und Festkörperchemie, Elektrochemie, atomistische und Kontinuums-Modellierung mit Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik verbindet. Die erarbeiteten Konzepte werden auf Batterie-Vollzellen übertragen, um sie auf Leistungsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Sicherheit zu überprüfen.

Der verantwortungsbewusste und weitsichtige Umgang mit digitalen Forschungsdaten wird immer wichtiger. Die Verwaltung, Speicherung, der Austausch und die Zugänglichmachung großer Datenmengen, einschließlich entsprechender Metadaten und Ontologien, ist eine große Herausforderung. Das Clusterbüro, insbesondere der Forschungsdatenbeauftragte, unterstützt die Forschenden in allen Fragen des Umgangs mit Forschungsdaten. In Workshops lernen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem, wie Forschungsdaten nach den FAIR-Prinzipien digital zugänglich gemacht werden.

Die Datenaustausch- und Analyseplattform Kadi4Mat (Karlsruhe Data Infrastructure for Materials Science), die im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte am Institut für Angewandte Materialien (IAM-MMS) am KIT entwickelt wird, steht den Forschenden zur Verwaltung ihrer digitalen Forschungsdaten zur Verfügung. Benutzerspezifische Workflows oder elektronische Laborbücher können über eine Plug-in-Infrastruktur einfach integriert werden. Um die Zusammenarbeit der Forschenden zu fördern und eine schnelle Analyse großer Datenmengen zu ermöglichen, wird ein zentrales Speichersystem bereitgestellt. Eine Tutorial-Videoserie zu Kadi4Mat ist hier zu finden.

Der Exzellenzcluster bietet durch die engen Kontakte seiner Forschenden beste Bedingungen für einen erfolgreichen Wissenstransfer seiner Entwicklungen in die Industrie. Gleichzeitig profitiert POLiS von dem Know-How seiner Industriepartner, um so anwendungsnah wie möglich forschen zu können.