Doktorand:in – 3D Ionenstrahltomographie von Batterien der nächst...

# Doktorand:in – 3D Ionenstrahltomographie von Batterien der nächsten Generation (w/m/d)

Am Institute of Energy Materials and Devices - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2) arbeiten wir in einem dynamischen und internationalen Team von über einhundert Materialwissenschaftlern, Chemikern, Physikern, Maschinenbauern und technischen Mitarbeitern an der Entwicklung fortschrittlicher Energiewandler und Hochleistungsspeicher für die Energiewende. Dabei umfassen wir ein breites Technologiefeld, von der oxidkeramische Brennstoffzellen über Festkörper-Batterien, Wärmedämmschichten für Gasturbinen bis hin zu Gastrennmembranen. Den Schwerpunkt bilden in allen diesen Technologien die anorganische Materialien, die als Funktionsschichten aus Pulvern oder über die Gasphase prozessiert werden. Hierfür verwenden wir skalierbare, industrierelevante Verfahren die eine schnelle Übertragung unserer Forschungsergebnisse in die Industrie sicherstellen. Damit trägt unsere Arbeit maßgeblich dazu bei, die Kluft zwischen Grundlagenwissenschaft und Anwendung zu schließen.

Zukünftige Batterietechnologien sind dringend nötig, um Elektromobilität und Heimspeicher noch günstiger, sicherer und leistungsfähiger zu machen.

Si-reiche Anoden kommen schon jetzt in Hochenergiebatterien zum Einsatz und können die Energiedichte signifikant erhöhen. Durch die hohe Volumenausdehnung des Si beim Laden zeigen solche Zellen jedoch ein starke Zyklenalterung. Um die Zyklenstabilität zu erhöhen, wird Möglichkeiten der vor-Lithiierung von Si-reichen Anoden bereits im industriellen Maßstab erforscht. Hierbei sind jedoch noch viele Forschungsfragen offen, besonders bezüglich der Verteilung von Li in der Anode in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Anodendesigns. Jedoch kann Li aufgrund seiner kleinen Ordnungszahl nicht mit herkömmlichen Methoden in Elektroden ortsaufgelöst bestimmt werden.

Eine neue Möglichkeit Li ortsaufgelöst zu quantifizieren, bietet hier die Ionenstrahlanalytik (IBA), bei der Ionen mit hoher Energie (> 2 MeV) auf die Batterieproben geschossen werden, und eine Kernfusionsreaktion auslösen. Die entstehenden Ionen ermöglichen eine tiefenaufgelöste Quantifizierung von Li und anderen Bestandteile der Anode, z.B. Si, O, F, C, etc.. Diese Informationen geben wertvolle Einblicke in die Qualität und Stabilität der Prozessführung. Durch die Kombination mit 2-Dimensionalem rastern des Ionenstrahls über die Proben können auch 3D Atomverteilungen sichtbar gemacht werden, und somit mögliche Inhomogenitäten sowohl lateral als auch in der Tiefe der Elektrode aufgedeckt werden. Ziel ist es, durch diese fortschrittliche Analytik die Herstellung Vor-Lithiierter Anoden für zukünftige Batterien zu optimieren.

## Ihre Aufgaben im Team

Die Doktorarbeit findet im Rahmen eines Verbund-Projektes des BMFTR zum Thema Hochleistungsbatterien statt, wobei akademische und industrielle Partner gemeinsam am Projekt arbeiten.

Ihre Aufgaben umfassen dabei im Wesentlichen:

• •Selbständige Messung mit der weltweit ersten Anlage zur 3D-Li Tomographie an Batterieproben (Batterie-beamline am 3 MeV Tandetron Ionenbeschleuniger am FZJ)
• •Optimierung des Mess-Prozesses um eine möglichst hohe Sensitivität, Auflösung und Reproduzierbarkeit zu erhalten
• •Messung verschiedener Materialien und Batteriekomponenten der Projektpartner
• •Auswertung der Ergebnisse mittels einer eigens entwickelten, KI-basierte Software, welche 3D Rekonstruktionen der Elementverteilung ermöglicht
• •Komplementäre Analytik mit anderen Fortschrittlichen Verfahren wie SIMS; Raman; FIB-SEM; µ-CT;…
• •Zusammenstellung der Ergebnisse und Bewertung des Einflusses der Prozessparameter auf die Li-Verteilung in diversen Anodenkonzepten der nächsten Generation

Die Kandidatin oder der Kandidat kann somit bei der Doktorarbeit Kenntnisse über fortschrittlichen Analysemethoden für zukünftigen Batteriesystemen sammeln, sowie deren industrierelevanten Einsatz zur Prozessoptimierung demonstrieren.

## Das bringen Sie mit

• •Erfolgreich abgeschlossenes wissenschaftliches Hochschulstudium (Master) im Bereich Physik, Physikalische Chemie oder der Materialanalytik
• •Sehr gute Kenntnisse im Bereich Festkörperanalytik, oder verwandter Analyseverfahren
• •Erfahrung im Bereich Präparation/ Herstellung/ Herstellverfahren von anorganischen Materialien
• •Kenntnisse im Bereich Elektrochemie und/oder Batterien sind von Vorteil
• •Sehr gute Englischkenntnisse, sowohl mündlich als auch schriftlich (mindestens B2-Niveau nach dem [GeR](https://go.fzj.de/sprachkenntnisse))
• •Ein hohes Maß an Teamfähigkeit und Flexibilität sowie die Bereitschaft zu großem Engagement

## Freuen Sie sich auf folgende Benefits

Wir arbeiten an hochaktuellen gesellschaftlich relevanten Themen und bieten Ihnen die Möglichkeit, den Wandel aktiv mitzugestalten! Sie erwartet ein vielseitiges Angebot:

• •Team & Umfeld: Sie arbeiten in einem motivierten Team mit internationaler und interdisziplinärer Ausrichtung – an einer der größten Forschungseinrichtungen Europas
• •Forschung & Infrastruktur: Für Ihre Arbeit steht Ihnen eine exzellente wissenschaftliche und technische Ausstattung zur Verfügung
• •Vernetzung & Austausch: Sie wirken in einem vom BMFTR geförderten Konsortium aus Industrie, Universitäten und weiteren nationalen Forschungseinrichtungen mit Sie haben die Möglichkeit, an Projekttreffen und Tagungen teilzunehmen und ihre Ergebnisse zu präsentieren (Online- und Präsenzveranstaltungen)
• •Betreuung & Unterstützung: Ihre kontinuierliche fachliche Betreuung wird durch Ihren wissenschaftlichen Betreuer Dr. Martin Finsterbusch übernommen. Die Promotion wird an der Universität Duisburg-Essen bei Frau Prof. Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing (Doktormutter) durchgeführt
• •Work-Life-Balance: Bei uns haben Sie die Möglichkeit zur flexiblen Arbeitszeitgestaltung, die die Vereinbarkeit von Beruf und Privatleben unterstützt. Zudem besteht die Möglichkeit zum (orts-)flexiblen Arbeiten, dieses ist grundsätzlich nach Abstimmung und im Einklang mit den anstehenden Aufgaben und (Vorort-)Terminen gegeben
• •Urlaub: Sie erhalten bei uns 30 Tage Urlaub
• •Wissen & Weiterbildung: Ihre Weiterentwicklung ist uns wichtig – wir fördern Sie gezielt und individuell, z.B. durch Trainings- und Vernetzungsangebote speziell für Promovierende[(JuDocS)](https://go.fzj.de/JuDocs_de). Ihre persönlichen Stärken, können Sie zudem durch unser ein umfangreiches Weiterbildungsangebot im Rahmen der Graduiertenschule HITEC weiterentwickeln (Online- und Präsenzveranstaltungen)
• •Gesundheit & Wohlbefinden: Ihre Gesundheit liegt uns am Herzen. Freuen Sie sich auf ein umfangreiches betriebliches Gesundheitsmanagement mit vielfältigen Angeboten – z. B. durch Beachvolleyball-Platz, Laufgruppen, Yoga-Kurse und vieles mehr. Zusätzlich stehen Ihnen unser betriebsärztlicher Dienst sowie ein erfahrenes Team der Sozialberatung direkt vor Ort zur Seite
• •Campus-Erlebnis: Unser Forschungscampus im Grünen schafft ideale Bedingungen für kollegialen Austausch und sportlichen Ausgleich direkt vor Ort. In unserer Kantine erwartet Sie ein vielfältiges Angebot – Ihre Mittagspause können Sie entspannt mit Seeblick genießen
• •Erfolgreicher Einstieg: Uns ist es wichtig, dass Sie schnell im Team ankommen und strukturiert in Ihre Aufgaben eingearbeitet werden. Zudem begleiten wir Sie von Beginn an und erleichtern Ihnen den Start durch unsere [Welcome Days und unseren Welcome Guide](https://go.fzj.de/willkommen)
• •Faire Vergütung: Die Vergütung erfolgt analog der Entgeltgruppe 13 (75%) des Tarifvertrags des öffentlichen Dienstes (TVöD-Bund). Zusätzlich zum Grundgehalt gibt es eine zusätzliche tarifliche Sonderzahlung zum Jahresende in Höhe von 75% eines Monatsgehalts. Alle Informationen zum Tarifvertrag des TVöD-Bund finden Sie auf der [Seite des BMI](https://go.fzj.de/bmi.tvoed). Die monatlichen Entgelte in Euro entnehmen Sie bitte dort auf Seite 69 ff. des PDF-Downloads
• •Befristung: Die Position ist auf 3 Jahre befristet
• •Unterstützung für Internationa