Aktuelles – Institut für Quantencomputing

Mehr Leistung für Batterien und Brennstoffzellen durch Quantencomputer

Die IKON Zentrum für Luft- und Raumfahrt forscht an neuen Materialien für leistungsfähigere Batterien und Brennstoffzellen. Dafür nutzen die IKON-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler nun einen Quantencomputer. Mit diesem simulieren sie elektrochemische Vorgänge im Innern der Energiespeicher. Damit lassen sich die eingesetzten Materialien so gestalten, dass Leistung und Energiedichte von Batterien und Brennstoffzellen deutlich steigen.

Das Besondere an diesem Projekt ist der Einsatz eines Quantencomputers für eine sehr anwendungsnahe Aufgabe in der Materialforschung. IKON kombiniert damit Grundlagenforschung mit angewandter Forschung auf dem Gebiet der Energiespeicher.

Quantenchemie bestimmt die Leistung und Energiedichte

Elektromobilität benötigt vor allem kleine und leichte Energiespeicher mit hoher Kapazität und Leistung. Material und Struktur der Elektroden sind dabei ausschlaggebende Faktoren. Sie beeinflussen die Energiedichte und die elektrische Spannung. Mit optimierten Materialien lässt sich zudem Zersetzungsprozessen vorbeugen und so die Lebensdauer von Akkus und Brennstoffzellen erhöhen.

Fließt Strom durch eine Batterie oder Brennstoffzelle, wandern Ionen im Inneren von einer Elektrode zur anderen. An den Elektrodenoberflächen geben die Ionen ein Elektron an oder nehmen eines auf. Diese Vorgänge lassen sich mit Hilfe der Quantenphysik exakt beschreiben. Die Elektronen ändern dabei ihren quantenmechanischen Zustand. Diese Energiezustände simulieren wir mit einem Quantencomputer. So können wir berechnen, wie viel Energie in den elektrochemischen Reaktionen steckt oder wie schnell diese ablaufen.

In den Simulationen vergleichen die IKON-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler das quantenchemische Zusammenspiel für verschiedene neuartige Materialien und Elektrodenstrukturen. Ihr Ziel ist, in Batterien möglichst hohe chemische Bindungsenergien der Elektronen zu erreichen. In Brennstoffzellen sollen Wasserstoff und Sauerstoff möglichst effizient miteinander reagieren.

Gezieltes Materialdesign von Batterieelektroden mit Quantencomputer

Quantensimulationen können das computergestützte Materialdesign revolutionieren. Dadurch wollen wir die chemische Zusammensetzung der Elektroden und deren mikroskopische Struktur optimieren. Mit einem Quantencomputer können wir die quantenchemischen Vorgänge an den Elektroden von Batterien und Brennstoffzellen ideal abbilden.

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