Forschung

Gruppenfoto von Polis

Der Exzellenzcluster POLiS erforscht neue Batteriematerialien und Technologiekonzepte für eine leistungsfähige und nachhaltige Speicherung elektrischer Energie. 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 und damit die Legitimation für unsere Forschung sind:

  • Niedrige Mobilität von Ionen in Festkörpern und Flüssigkeiten
  • Fehlen maßgeschneiderter Materialgrenzflächen mit geeigneten Ladungstransfer-Eigenschaften
  • Schnelle Alterung von Aktivmaterialien und Elektrolyt
  • Unzureichende Reversibilität bei Be- und Entladeprozessen
Forscherin Laila Tkotz

Die großen Herausforderungen unseres Forschungsvorhabens werden in vier Forschungsbereichen behandelt, die sich den vier Schwerpunktthemen Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Grenzflächen und Integration & Nachhaltige Zelltechnik widmen. Die Forschergruppen sind in 14 Arbeitspaketen organisiert, die interdisziplinäre Projekte umfassen. 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. Es gibt eine rasch steigende Nachfrage für zukünftige Batterien, die Folgendes umfassen und unsere Forschung definieren:

  • Nachhaltige Materialien und Herstellungsverfahren
  • Erhöhte volumetrische/gravimetrische Energiedichte
  • Eigensichere Konstruktion
  • Lange Betriebs- und Haltbarkeitsdauer
  • Niedriger Preis pro kWh

 

Forschungsbereiche

Forschungsbereich A - Elektroden Materialien

Research Unit A - Electrode Materials

Elektrodenmaterialien definieren und begrenzen die Energiemenge, die pro Gewicht und Volumen einer Batterie gespeichert werden kann. Unser Ziel ist es, neue Post-Lithium-Speichermaterialien mit hohen Kapazitäten zu identifizieren, zu synthetisieren und zu testen und dabei ein noch tieferes Verständnis für ihre Funktionsweise zu erlangen.

Forschungsbereich B - Elektrolyten

Electrolytes

Elektrolyte ermöglichen den Transport von elektrisch geladenen Teilchen (Ionen) zwischen den beiden Elektroden einer Batterie. Hauptziel ist die Identifizierung, Synthese und Prüfung neuer, stabiler und hocheffizienter flüssiger oder fester Transfersysteme für Post-Lithium-Ionen.

Forschungsbereich C - Grenzflächen

Interfaces

Wir wollen die Entstehung und die Art von Grenzflächen besser verstehen, die sich innerhalb einer Post-Li Batterie – z.B. am Kontakt zwischen Elektrode und Flüssig- oder Festelektrolyt – bilden. Ihre Mikrostruktur und chemische Zusammensetzung beeinflussen entscheidend die Grenzflächenprozesse innerhalb der Batterie und bestimmen damit unter anderem ihr Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit.

Forschungsbereich D - Integration und nachhaltiges Zell-Engineering

Interfaces

Das Hochskalieren von Materialsynthese und Zellenbau, Studien zur Produktionsfähigkeit neuer technischer Ansätze, Bewertung der Zellsicherheit und Durchführung von Lebenszyklusanalysen der neuen Technologien werden den Weg für den Technologietransfer ebnen. Ein zentrales Forschungsdatenmanagement und die Entwicklung automatisierter Datenanalyse-Tools flankieren alle Arbeiten im Cluster, setzen Standards für den Umgang mit Forschungsdaten und ermöglichen eine integrative, forschungsbereichsübergreifende Datenanalyse, von der wir uns neuartige Erkenntnisse in der Batterieforschung erhoffen.

Forschungsdatenmanagement

Forschungsdatenmanagement Markus Breig

Der verantwortungsbewusste und weitsichtige Umgang mit digitalen Forschungsdaten wird immer wichtiger. Die Verwaltung, Speicherung, der Austausch und die Zugänglichmachung großer Datenmengen, einschließlich der entsprechenden 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 - Computational Materials Science (IAM-CMS) 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.

 

Technologietransfer

Tech Transfer ZSW

Der Exzellenzcluster bietet durch die engen Kontakte seiner Forschenden in die Industrie 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. Mit folgenden Maßnahmen wird der Technologietransfer gefördert.

  • Ausbau und Pflege eines Netzwerks von Industriepartnern als Feedbackgeber für Entwicklungen im Exzellenzcluster 
  • Organisation und Durchführung von Trainingsprogrammen für Mitarbeiter von Industriepartnern vor Ort in Zusammenarbeit mit externen Partnern
  • Initiierung gemeinsamer Industrie/POLiS Doktorandenforschungsprojekte
  • Teilnahme und Präsentation auf Fachmessen
  • Angebot von Schulungen für Nachwuchsforschende, die erfolgreiche Branchenkarrieren ermöglichen
  • Unterstützung bei Ausgründungen

 

 

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