11.12.2020 Einblick in die Energielandschaft von Festkörpermaterialien

Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert neue Forschungsgruppe an der Philipps-Universität Marburg

Die Potential-Energielandschaft mobiler Ionen bestimmt im Zusammenspiel mit der Struktur auf atomarer Ebene die Funktion vieler Materialien, z.B. im Bereich der Energiespeicherung und -konversion.

Die Verknüpfung zwischen der Energielandschaft von Festkörpermaterialien, deren Struktur auf atomarer Skala sowie der Dynamik des Ionentransports, sind in der Chemie und Physik von großer Bedeutung. Diesem Thema widmet sich die neue Forschungsgruppe „Energielandschaften und Struktur in ionenleitenden Feststoffen“ (ELSICS), deren Sprecherschaft bei Prof. Dr. Karl-Michael Weitzel von der Philipps-Universität Marburg liegt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ELSICS zunächst für vier Jahre von 2021 bis 2024 mit insgesamt 2.3 Millionen Euro.

Ziel der Forschungsgruppe ist es, die Energieverteilungen von Ionenplätzen in Festkörpern im Hinblick auf die Transporteigenschaften aufzuklären. Der Verbund richtet den Fokus seiner Arbeit auf zwei Materialklassen: alkaliionen-basierte Materialien, die beispielsweise für die Energiespeicherung wichtig sind, sowie perowskitische Materialien, die unter anderem für Brennstoffzellen verwendet werden.

Die Potentialenergie-Landschaft mobiler Ionen in Festkörper-Materialien ist eng verknüpft mit der Struktur auf der atomaren Skala. Diese Wechselbeziehung und die sich daraus ergebenden Eigenschaften, zum Beispiel die Ionenmobilität, haben höchst aktuelle Bedeutung und sind relevant bei der Energiespeicherung und -konversion. Das Verständnis von Struktur, Energielandschaft und Ionentransport ist wesentlich, um verbesserte und neue Funktionalitäten mit wissensbasierter Methodik zu entwickeln.

„In der Forschungsgruppe wollen experimentelle und theoretische Arbeitsgruppen mit einer konzertierten Aktion die Energieverteilungen von Ionenplätzen in Festkörpern auf Grundlage atomar aufgelöster Strukturen und in Verbindung mit Transporteigenschaften quantifizieren“, erklärt Prof. Dr. Karl-Michael Weitzel, Sprecher der Forschungsgruppe. Die Quantifizierung soll für amorphe Festkörper und Kristalle mit definierten Defekten sowie polykristalline Festkörper bzw. Bi-Kristallen mit Grenzflächen-dominiertem Ladungstransport durchgeführt werden.

Die Forschungsgruppe enthält hochkarätige Expertise experimenteller Arbeitsgruppen und theoretischer Arbeitsgruppen für die Modellierung kristalliner und amorpher Systeme. „Wir erwarten von den Studien die Entwicklung eines vereinheitlichten Bildes der Wechselbeziehung zwischen Energielandschaft, Struktur und Ionentransport in Festkörpermaterialien mit Vorhersagekraft“, sagt Prof. Weitzel.

„Ich freue mich über den Erfolg unseres Chemikers und wünsche der Forschungsgruppe erfolgreiche Arbeit auf diesem zukunftsträchtigen Forschungsfeld“, sagt die Präsidentin der Philipps-Universität, Prof. Dr. Katharina Krause.