Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAFDie Entwicklung zuverlässiger, sicherer und langlebiger Energiespeichersysteme erfordert das Verständnis elektronischer Eigenschaften und elektrochemischer Prozesse in den Materialien, sowohl auf atomarer als auch auf makroskopischer Ebene. Fortschritte in der Simulation solcher Prozesse ermöglichen es, Materialien gezielt zu gestalten und ihre Leistungsfähigkeit präzise vorherzusagen. Das vorangegangene Projekt QuESt hat gezeigt, dass sich hierfür neue Algorithmen auf Quantencomputern erfolgreich einsetzen lassen, um numerische Simulationen mit prädiktivem Charakter für diese Materialien durchzuführen.
Im Projekt QuESt+ wollen die Forschenden die gewonnenen Erkenntnisse vertiefen und die bisherigen Ergebnisse entscheidend weiterentwickeln. Dabei sollen Quantenalgorithmen untersucht und weiterentwickelt werden, die zur Berechnung der elektrischen Eigenschaften von Elektrodenmaterialien und zur quantenmechanischen Beschreibung ionischer Prozesse innerhalb von Batterien verwendet werden können. Gleichzeitig wird daran gearbeitet, die quantenbasierte Lösung partieller Differentialgleichungen voranzubringen, um dynamische Vorgänge in elektrochemischen Systemen noch besser zu erfassen. Ergänzend dazu werden robuste Fehlermitigationsstrategien entwickelt, damit diese neuartigen quantenalgorithmischen Ansätze zuverlässig eingesetzt werden können
Die so weiterentwickelten quantenbasierten Simulationsmethoden können sowohl die Batterieforschung als auch die Materialentwicklung für Brennstoffzellen und Elektrolyseure entscheidend voranbringen. Hier ist ein tiefes Verständnis der elektronischen Eigenschaften und des Zusammenspiels von Elektronen und Ionen an den relevanten Grenzflächen maßgebend für die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer elektrochemischer Energiespeicher. Ansätze zur systematischen Entwicklung von Materialdesigns für Elektroden- und Batteriematerialien können somit von den hier entwickelten präziseren Methoden zur prädiktiven Simulation stark profitieren.
QuESt+ wurde im Rahmen des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg durchgeführt.
