Das Research Center Future Energy Materials and Systems hat das Ziel, neue dringend benötigte Materialien für Energieträgererzeugung, Energiekonversion, -speicherung und -transport zielgerichtet, schnell und nachhaltig zu entwickeln. Es geht darum, grundlegende Eigenschaften und relevante Prozesse der Herstellung und des Einsatzes komplexer Materialien zu verstehen und damit Bausteine für ein nachhaltiges Energiesystem zu entwickeln. Zugleich sollen energieintensive Wege zur Materialerzeugung und -verarbeitung durch regenerative Verfahren ersetzt werden.

Der Einfluss von Zusammensetzung und Prozessierung auf Strukturen und Eigenschaften wird auf allen relevanten Längenskalen vom Atom bis zum Bauteil betrachtet. Dadurch soll die Vision der wissensbasierten Entwicklung neuartiger Materialien und Prozesse für das Energiesystem der Zukunft verwirklicht werden, um eine oft noch empirisch und sequenziell vorgehende Entwicklung durch Material- und Prozessdesign abzulösen.

Konkret geht es zum Beispiel um das grundlegende Design neuer Materialien inklusive Grenz- und Oberflächen ausgehend von der atomaren Skala auf Basis von Materialexploration mit experimentellen und simulativen Hochdurchsatzverfahren. Dazu werden Hypothesen aus physikalischen und chemischen Modellen in Kombination mit maschinellem Lernen abgeleitet und in einem iterativen, experimentell-simulativen Designzyklus optimiert, um Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung, Kristallstruktur und Gefüge von neuen, chemisch komplexen Materialien für Anwendungen in extremen Bedingungen zu erlangen. Weiterhin geht es um die Aufklärung und Kontrolle quantenmechanischer Prozesse an Grenzflächen und in Heterostrukturen für energierelevante Materialien wie Katalysatoren, Batterien, Magnete und Supraleiter in Echtzeit. Eine weitere Rolle spielt die Entwicklung skalierbarer Synthese-, Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren. Sie schließen die Lücke zwischen neu endeckten Materialien und deren Umsetzung in elektrochemischen und elektrifizierten Prozessen und ermöglichen die Evaluierung der innovativen Materialkonzepte im Systemkontext. Aspekte der Nachhaltigkeit, Ressourcenverfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Nutzbarkeit im Energiesystem werden von vornherein mitberücksichtigt und setzen Prioritäten für die Entwicklung von Komponenten und systemfähigen Materialien.

Prof. Christof Schulz, Director:

„Die Dringlichkeit der Energiewende wird von Tag zu Tag deutlicher. Sowohl im Hinblick auf die Reduzierung der CO₂-Emissionen als auch auf die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen ist mittlerweile unbestritten, dass eine dramatische Wende im Energiesystem bevorsteht. Die Elektrifizierung wird der erste Schritt sein, die Umwandlung in chemische Speicher- und Transportmedien der zweite.

Für diese Technologien werden hochleistungsfähige Funktionsmaterialien benötigt. Diese Funktionsmaterialien müssen – weil ihr Einsatz dramatisch zunehmen wird – auf verfügbaren Rohstoffen basieren. Beispiel Wasserstofferzeugung: Die bisher für die Katalyse verwendeten Edelmetalle werden nicht mehr in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, stattdessen werden neue Multielement-Materialien benötigt, deren Auswahl durch Theorie unterstützt wird. Die Funktionswerkstoffe müssen in optimierte Bauteilarchitekturen integriert werden. Die Materialien müssen langlebig und kostengünstig herstellbar sein und Stoff- und Energieumwandlungen mit hohen Wirkungsgraden ermöglichen. Dazu müssen nicht nur die Herstellungs- und Verarbeitungswege im Detail verstanden, sondern auch Strukturen und Alterung mit höchstauflösenden mikroskopischen Methoden aufgeklärt werden.

Im Research Center Future Energy Materials and Systems betrachten wir neue Materialien im Systemkontext und entwickeln sie in einem interdisziplinären Team weiter. Wir spannen den Bogen entlang der gesamten Wissens- und Wertschöpfungskette, um mit beschleunigten und teilautomatisierten Methoden Lösungen für die Zukunft zu entwickeln.“

(Foto: A. Muchnik, CENIDE)