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Unsere Batteriegruppe konzentriert sich auf das grundlegende Verständnis und die rationale Entwicklung von Elektrolyten und Grenzflächen für wiederaufladbare Batterien der nächsten Generation, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf Post-Lithium-Ionen-Systemen wie Magnesium- und Natrium-Ionen-Batterien liegt.

Das wissenschaftliche Kerninteresse der Gruppe liegt in der Entwicklung von Elektrolyten für Batterien der nächsten Generation sowie in der Erforschung und Steuerung des Ionentransports, der Grenzflächenstabilität und der elektrochemischen Reversibilität in fortschrittlichen Elektrolytsystemen. Wir untersuchen, wie Ionenkoordination, Elektrolytmikrostruktur, Gitterdynamik und Elektroden-Elektrolyt-Wechselwirkungen gemeinsam die Batterieleistung, Sicherheit und Lebensdauer bestimmen.

Anstatt uns auf inkrementelle Optimierung zu konzentrieren, zielt unsere Arbeit darauf ab, grundlegende Struktur-Eigenschafts-Leistungs-Beziehungen zu ermitteln, die als Leitfaden für die Entwicklung zukünftiger Batteriematerialien dienen können.

Neben festen und quasi-festen Elektrolyten entwickeln wir auch neuartige Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten (IL) und „tief-eutektischer Lösungsmittel“ (DES). Zusätzlich zur thermischen Charakterisierung mittels Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) kombinieren wir diese mit geeigneten Polymeren, um ihre elektrochemische Leistung oder ihre Anwendungsmöglichkeiten in biokompatiblen, vollständig organischen Batterien zu bewerten.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte

Unsere aktuellen Forschungsaktivitäten umfassen:

1.   Feste, halb-feste und hybride Elektrolyte für Mg- und Na-Ionen 
      Batterien, darunter:
-    Elektrolyte auf Basis metallorganischer Gerüste (MOF)
-    Hybridsysteme aus Polymeren und ionischen Flüssigkeiten
-    Antiperowskit- und anorganische Festelektrolyte 

2.   Transportmechanismen mehrwertiger Ionen, mit Schwerpunkt 
       auf:
-    Ionenkoordination und Solvatisierungseffekten
-    Gitterweichheit und Ionen-Matrix-Kopplung
-    Einflüssen von Anionen und Additiven auf die elektrochemische 
      Stabilität

3.   Biokompatible vollorganische Batterie, mit Schwerpunkt auf:
-    Entwicklung neuartiger Elektrolyte auf Basis ionischer 
     Flüssigkeiten (IL) und „tief eutektischer Lösungsmittel“ (DES). 
-    Entwicklung einer biokompatiblen, vollständig organischen 
     Batterie mit hoher Energiedichte.

4.  Operando- und fortgeschrittene Charakterisierung, wie z. B.:
-   Operando-Elektrochemische Impedanzspektroskopie
-   In-situ- und Operando-Charakterisierung der optischen und 
     strukturellen Eigenschaften
-   Synchrotronbasierte Techniken zur Grenzflächen- und 
     Volumenanalyse

5.  Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen und Dendritenbildung, 
     einschließlich:
-   Selbstheilungs- und Dendritenunterdrückungsmechanismen
-   Bildungs- und Abbauprozesse der Grenzschicht

The macroscopic behavior of batteries and energy storage devices is often tightly correlated to the structure and fundamental processes occurring on the atomistic scale. Thus, with the ambition to finally improve and support the development of new battery-materials our strategy is to unravel and resolve the significant phenomena at an atomistic level and to transfer obtained insights to higher time and length scales using our multi-scale approach.

Starting from the investigation of the most basic bulk and surface properties by means of quantum mechanical methods, we then develop reactive forcefields (in particular the ReaxFF framework) that are capable to describe atomistic processes in Li-ion and also post-Li based battery systems. With ReaxFF as centerpiece we then use Monte-Carlo or even continuum methods for the simulation of battery materials on extended time and length scales.

By applying this combined multi-scale approach of ab-initio, reactive forcefield, (kinetic) Monte-Carlo and continuum methods to state-of-the-art battery-systems but also future technologies, we thus integrate the basic understanding of mechanisms with the urgency to drastically boost the performance of rechargeable energy storage systems. 

Current areas of interest are:
  - Plating and dendrite growth of Li, Na and multivalent materials,
  - Water induced degradation mechanisms in all-solid-state batteries,
  - Simulation on the coarse-grained interfaces of NMC-cathodes,
  - Electrochemical interfaces between ionic liquids and electrodes.