Bisher wird die Sicherheit von Batteriegehäusesystemen gegenüber thermischem Durchgehen und Propagation im Wesentlichen durch zeit- und kostenintensive, iterative Experimente während der Produktentwicklungsphase überprüft. Nach aktuellem Stand der Technik werden überwiegend metallische Werkstoffe für Batteriegehäuse verwendet. Konzepte für leichtere und nachhaltigere Batteriegehäuse aus Kunststoffen stehen zwar zur Verfügung, der Nachweis der Sicherheit ist allerdings sehr aufwendig und teuer. Von einer stärkeren Integration von Simulationsmethoden wird eine deutliche Verbesserung des Entwicklungsprozesses erwartet. Ziel ist zukünftig die Sicherheit von kunststoffbasierten Batteriegehäusen bei geringeren Kosten und Entwicklungszeiten zu gewährleisten. Es käme dabei sowohl bei der Herstellung der Gehäuse als auch im Betrieb von Elektrofahrzeugen zu einer CO2-Einsparung. Das Projekt SiKuBa setzt bei der Entwicklung und Validierung von Simulationsmodellen zur Auslegung sicherer Kunststoff-Batteriegehäuse unter thermischem Durchgehen an. Die Entstehung und Ausbreitung der gefährlichen Gas- und Partikelströme sowie deren Interaktion mit Strukturelementen wird experimentell analysiert und in strömungs- und strukturmechanische Simulationsmodelle überführt. Die Modelle eröffnen eine effiziente Möglichkeit neuartige Konzepte zur Verlangsamung und Unterdrückung der Propagation virtuell zu untersuchen. Der somit mögliche Einsatz sicherer und nachhaltiger kunststoffbasierter Gehäuselösungen kann dabei einen wesentlichen Beitrag zur Akzeptanz der Elektromobilität leisten. Kautex fokussiert sich hauptsächlich auf die Entwicklung von Schutzkonzepten für den Lastfall des thermischen Durchgehens. Neben der Weiterentwicklung lokaler Schutzmaßnahmen werden neuartige Konzepte zur schnellen Abführung heißer Gase erarbeitet. Darüber hinaus ist Kautex für die Auslegung und Fertigung von Demonstratoren verantwortlich und wird die Simulationsarbeiten im Projekt unterstützen.
Im Rahmen des Projekts Chemie Interaktiv wurden bisher mehr als 100 verschieden umfangreiche Flash-Animationen zu etablierten (galvanische Zellen, NaCl-Synthese) und innovativen Fachinhalten (z.B. photogalvanischen Zellen, organischen Leuchtdioden, Photostationarität) konzipiert, programmiert, getestet und optimiert. Die Animationen erstrecken sich über kurze Flash-Folien, größere lineare und verzweigte Lernnetze bis hin zu sehr umfangreichen Hypermedia-Bausteinen mit integrierten Videos und interaktiven Aufgabenstellungen. Sie sind überwiegend auf Deutsch, zum Teil aber auch deutsch und englisch formuliert und so international einsetzbar. Die Flash-Animationen werden über den Server der Wuppertaler Chemiedidaktik und das dafür eingerichtete Internet Portal www.chemie-interaktiv.net veröffentlicht. Allein auf letzterem wurden pro Monat Daten von durchschnittlich 21 GB Transfervolumen aufgerufen, was einer Zahl von durchschnittlich 500 Dateien pro Tag entspricht (Erhebungszeitraum: Januar - Juni 2009) wobei es sich zu 80% um deutsche, zu 15% um österreichische und schweizerische Nutzer und zu 5% um Nutzer aus dem englischsprachigen Ausland handelt. Bildungsportale wie 'Lehrer-Online', der 'Hamburger Bildungsserver', der 'Landesbildungsserver Baden-Württemberg', der 'Hessische Bildungsserver', der 'deutsche Bildungsserver' u.a. haben inzwischen dazu Kurzkommentare, Beschreibungen und z.T. auch didaktische Erläuterungen auf ihren Internetseiten verfasst und die Elemente von Chemie Interaktiv durch entsprechende Hyperlinks mit ihren Homepages verknüpft. Ferner wurde im Rahmen des BMBF geförderten Projekts 'Naturwissenschaften entdecken' anlässlich des Wissenschaftsjahres 2009 - Expedition Deutschland ein Materialordner mit Handreichungen für Lehrkräfte zu Themen des Wissenschaftsjahres erstellt, in dem Medien aus dem Projekt Chemie Interaktiv veröffentlicht sind.
In diesem Projekt wird eine elektrochemisch hergestellte Polymerkathode aus poly(4-(thiophen-3-yl) benzenethiol (PTBT) mit operando Methoden und theoretischen Modellierungen untersucht. Diese Kathode ist frei-stehend, elektrisch leitfähig, mechanisch flexibel und dient als Schwefelreservoir für Lithium/Schwefel Batterien. Im Besonderen, wird PTBT mittels Elektropolymerisation auf einen Nickelschaum aufgetragen. Dies ermöglicht eine Anwendung als hochporöse und binderfreie Kathode in Li-S Batterien. Schwefel kann mit dem Polymer PTBT durch inverse Vulkanisierung ein hochvernetztes Copolymer bilden P(S-PTBT), wobei der Schwefel chemisch an die Thiolgruppen von PTBT gebunden wird. Durch die Anwendung eines neuartigen, eigenentwickelten operando Setups, das mehr als drei verschiedene Messungen gleichzeitig erlaubt, während die Zelle geladen bzw. entladen wird, werden mechanistische Einsichten von wichtigen Reaktionsschritten ermöglicht z.B. der Prozess, der den Schwefel während der elektrochemischen Oxidation chemisch an die Polymerkette bindet. Für diese Untersuchungen werden UV/vis-, Raman- und Impedanzspektroskopie in Kombination mit entweder Röntgenbildgebung oder Kleinwinkelstreuung genutzt. Die Experimente werden in enger Zusammenarbeit mit intensiven Modellierungs- und Simulationsstudien auf elektronischer und molekularer Skala ausgewertet. Es werden sowohl die Stabilität als auch die elektronische/molekulare Struktur des an die Thiolgruppen des neutral und geladenen Polymers kovalent-gebundenen Schwefels untersucht. Hierzu werden moderne Austauschkorellationsfunktionale aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) benutzt. Um die Struktur-Performanz Beziehung der in diesem Projekt vorgeschlagenen Kathoden darzulegen, werden die Ergebnisse der operando Analyse herangezogen. Hierbei werden Resultate der UV/vis Spektroskopie direkt mit DFT-Berechnungen und DFT-optimierten, klassischen molekulardynamischen (MD) Simulationen verglichen. Kurzum, durch die Kombination von Synthese, operando Analyse und Simulation wird ein besseres mechanistisches Verständnis der Energiespeicherprozesse und Struktur-Eigenschafts-Beziehung in diesem System erwartet. Diese so gewonnenen Kenntnisse werden für eine kontinuierliche Verbesserung der Materialparameter verwendet. Somit wird eine Erhöhung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Li-S Batterien der nächsten Generation erreicht.
Organische Radikalbatterien sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte besonders vielversprechend. Aus grundlegende Sicht müssen eine günstige Ladungstransferkinetik und ein schneller Ladungstransport gleichzeitig ermöglicht werden. Darüber hinaus erfordert die Ladungsspeicherung eine aliovalente Dotierung, um die Ladungsneutralität zu gewährleisten. Die zugrunde liegenden Mechanismen auf atomarer Ebene sind jedoch nicht gut verstanden. Dies gilt insbesondere für die 'trockenen' Gel- oder 'festen' Polymer-MehrschichtElektrolyte, die aufgrund ihrer hohen elektrochemischen Stabilität derzeit die bevorzugten Materialien sind. In einem systematischen Ansatz wird eine Familie von Mehrschichtpolymersystemen vorbereitet und in Bezug auf PolyTEMPO, ein etabliertes Redoxpolymersystem für Flüssigelektrolyte, untersucht. Die Modellsysteme bestehen aus einer Lithium-Metall-Anode, einer hochlithiumionenleitenden Polymerelektrolytschicht und gemischt leitenden Polymerverbunden, einschließlich Elektronenleiter, Redox-Polymer und einem hoch anionenleitenden Polymer. Der Syntheseteil umfasst die Herstellung und Verarbeitung der Polymermaterialien zu lamellaren Verbundwerkstoffen sowie eine umfassende elektrochemische Charakterisierung.Details der Radikal-Transfermechanismen und der auftretenden Ionenspezies werden anhand von c.w. und gepulsten EPR-Methoden aufgeklärt, wobei spektrale Merkmale von reinen und zyklischen Materialien (post-mortem) verglichen und bestimmt werden, einschließlich der Anwendung von PELDOR/DEER zur Aufklärung der Abstände und wahrscheinlichen Verteilungen der beim Zellbetrieb gebildeten Radikalspezies, trotz schwieriger hoher lokaler Radikalkonzentrationen. Wenn möglich, soll mittels ENDOR / HYSCORE die radikalen Arten mit den Materialien weiter charakterisiert werden. In-operando EPR wird an ausgewählten Proben durchgeführt, um die Entwicklung der radikalen Spezies anhand ihres Fingerabdrucksignals zu verfolgen und Einblicke in molekulare Details der Ladungsübertragungsprozesse zu geben. Weitere Einblicke in die mechanistischen Details des elektronischen und ionischen Ladungstransports werden durch die rechnerische Modellierung relevanter Prozesse vom elementaren Elektronentransfer bis zum Ionentransport über die Grenzflächen innerhalb des Schichtverbundes ermöglicht. Ab initio-Methoden werden zur Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften der redoxaktiven Polymere eingesetzt, während die weitreichenden Ionentransport- und Dotierungsmechanismen der organischen Kathode auf der Grundlage klassischer molekulardynamischer Simulationen entschlüsselt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass all diese Bemühungen neben einem tieferen grundlegenden Verständnis als Leitfaden für die Identifizierung vielversprechender redoxaktiver Materialien und die Gestaltung von Grenzflächen innerhalb der Mehrschichtstrukturen dienen werden, um so die zukünftige Entwicklung leistungsfähiger fester organischer Elektrolyte zu fördern.