Promotionsprojekte

Im Projekt „Korrelierter Ionen- und Elektronentransport in Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien“ untersuchen wir die Korrelationen zwischen der Bewegung von Elektronen und Ionen in kathodenaktiven Materialien für Li-Ionen-Batterien. Ziel ist es, in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Theoretische Physik VII (Prof. Harald Oberhofer) einen kombinierten experimentellen und rechnerischen Ansatz zu entwickeln. Insbesondere werden wir nach der Synthese des LiMnPO₄-Materials den Einfluss von Defekten (Punktdefekte, Grenzflächen und Korngrenzen) auf die Ladungsträgerbewegungen klären und den Einfluss verschiedener Begrenzungsniveaus (durch die Dimensionalität von Kanälen und Körnern endlicher Größe) auf die damit verbundenen Elektronen- und Ionenbewegungen explizit verifizieren. Schließlich werden wir Materialien entwerfen, deren Zusammensetzung und Morphologie auf optimierte Transporteigenschaften abzielen.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher durchgeführt. Es ist Teil des SFB 1585: Strukturierte Funktionsmaterialien für Mehrfachtransport in nanoskaligen Räumen (MultiTrans)

Mein Arbeitsschwerpunkt wird die Synthese und Charakterisierung von neuartigen Na⁺-Leitern mit hoher Ionenleitfähigkeit und thermodynamischer Stabilität sein.

Das Promotionsprojekt wird im Rahmen des 4SBATT-Projekts am Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher durchgeführt.

Blockcopolymere können sich selbst zusammensetzen und eine neue Klasse von Mikropartikeln bilden, die sogenannten Polymer-Cubosome. Polymer-Cubosome bestehen aus einem periodischen Kanalsystem, sie sind offenporig und haben eine hohe Ladekapazität. Ich werde Polymer-Cubosome entweder als Vorlage für Metalloxide und Übergangsmetalle verwenden oder sie direkt in mesoporösen Kohlenstoff umwandeln. Die resultierenden Materialien werden dann als neuartige Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien getestet.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl für Polymermaterialien für elektrochemische Energiespeicher durchgeführt.

Lithiumbatterien gelten weithin als die bevorzugte Wahl für die elektrochemische Energiespeicherung. Die Verbesserung ihrer Kosteneffizienz und Leistung hat das Potenzial, ihr Anwendungsspektrum erheblich zu erweitern und die Entwicklung neuer Technologien, die auf Energiespeicherung beruhen, zu erleichtern. Feste Polymerelektrolyte haben aufgrund ihrer auslaufsicheren Eigenschaften, ihrer geringen Entflammbarkeit, ihrer hervorragenden Verarbeitbarkeit, ihrer Flexibilität, ihres breiten elektrochemischen Stabilitätsbereichs, ihrer außergewöhnlichen Sicherheit und ihrer überlegenen thermischen Stabilität großes Interesse an Hochleistungs-LMBs geweckt. Mein Promotionsprojekt befasst sich mit der Entwicklung neuer fester Polymerelektrolyte, der Herstellung der Zellen und der Durchführung elektro- und physikochemischer Analysen, um ein besseres Verständnis für den Ionentransportmechanismus und die Reaktionsprozesse zu gewinnen.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl für Polymermaterialien für elektrochemische Energiespeicher durchgeführt.

In meiner Dissertation untersuche ich thermische Probleme in Batterien auf der Mikrostrukturebene. Wir sind besonders daran interessiert, wie der Wärmetransport durch die Verwendung intrinsischer thermisch anisotroper Materialien gestaltet werden kann. Graphit, als eines der am häufigsten verwendeten Anodenmaterialien, ist ein Beispiel für ein solches Material. Durch die gezielte Ausrichtung von Graphitpartikeln kann die Wärmeableitung in der Batterie verbessert werden. Darüber hinaus können Hot Spots vermieden werden, was wiederum die Degradation des aktiven Batteriematerials verringert.
Ich arbeite auch mit laserbasierten Methoden und IR-Thermografie zur zerstörungsfreien Bewertung von Batteriematerialien und Batteriezellen. Der nächste Schritt ist die Erweiterung unseres Aufbaus zur Extraktion der thermischen Eigenschaften von kalandrierten Elektroden. Zusammen mit detaillierten Informationen über die Mikrostruktur können wir dann den Wärmetransport in der Elektrode gezielt modifizieren.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl für Physikalische Chemie I durchgeführt.

Ziel der Studie ist die Synthese und (strukturelle/elektrochemische) Charakterisierung von Kathodenmaterialien mit einer Li-reichen ungeordneten Steinsalzstruktur, um die elektrochemische Leistung der derzeit kommerziellen Kathodenmaterialien zu verbessern und einige der Nachteile zu überwinden, die diese Materialien typischerweise aufweisen. Die Proben werden mit einer Kombination von Techniken wie Röntgen- und Neutronenpulverbeugung, In-situ-Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie untersucht, um die Kristallstruktur zu bewerten. Elektrochemische Tests und Operando-Röntgenbeugungsstudien werden ebenfalls in unserem Labor durchgeführt, um die Leistung und die kristallographischen Veränderungen in Echtzeit zu bewerten.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher durchgeführt.

P2-Schichtoxide weisen im Vergleich zu ihren O3-Analoga eine bessere Na-Ionen-Leitfähigkeit und strukturelle Stabilität auf, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation von Batterien macht. Der geringere anfängliche Na-Gehalt (Na/Übergangsmetalle < 1) schränkt jedoch ihre Kapazität während des ersten Ladevorgangs ein, und die Übergänge zwischen P- und O2-Typ-Strukturen während des Zyklus verschlechtern ihre Stabilität weiter.
Diese Arbeit zielt darauf ab, das Na-Inventar in unberührten Kathodenzusammensetzungen zu erhöhen, was insbesondere für Vollzellensysteme relevant ist, und gleichzeitig ihre Zyklenstabilität zu erhalten. Das gut untersuchte P2-Material Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂ wurde als Ausgangsreferenzmaterial verwendet. Die Dotierung mit inaktiven Elementen (z.B. Li) in den Übergangsmetallschichten wurde zur Stabilisierung der Struktur bei gleichzeitiger Erhöhung des Na-Gehalts eingesetzt.
Zusätzlich zu den grundlegenden strukturellen und elektrochemischen Charakterisierungstechniken setzen wir auch fortgeschrittene Methoden wie temperaturaufgelöstes in situ XRD im Haus und operando XANES an Synchrotronanlagen ein. Diese Techniken unterstützen das Projekt bei der Suche nach einem hochleistungsfähigen Schichtoxid mit ausgezeichneter Zyklenstabilität als Kathodenmaterial für Natriumionenbatterien.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher durchgeführt.

Das Promotionsprojekt wird bei der Juniorprofessur für Methoden des Batteriemanagements durchgeführt.

Das Projekt zielt darauf ab, die Charakterisierung siliziumhaltiger Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien durch eine ganzheitliche Herangehensweise zu verbessern. Durch die Synthese neuer Kompositmaterialien, insbesondere Si-rGO-Komposite, sollen die Leistung und Stabilität der Batterien optimiert werden. Dies wird durch die Implementierung von Schichtelektroden ermöglicht, die anschließend elektrochemisch mittels Zyklierung, CV, differentieller Kapazitätsanalyse und Impedanzspektroskopie charakterisiert werden. Zusätzlich werden physikochemische Charakterisierungsmethoden wie REM, TEM, FTIR, Raman, XRD, XPS und Elementanalyse herangezogen, um umfassende Einblicke in die Struktur und Zusammensetzung der Materialien zu erhalten. Durch die Verknüpfung dieser Bereiche sollen Erkenntnisse über die De- und Lithiierungs-, sowie Degradationsprozesse der synthetisierten Materialien und Elektroden gewonnen werden, was zur Weiterentwicklung leistungsfähigerer Lithium-Ionen-Batterien beiträgt.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Werkstoffverfahrenstechnik durchgeführt.

Der Konflikt zwischen kurzer Ladezeit und hoher Lebensdauer von Batterien ist nach wie vor eine Herausforderung bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen und Elektrowerkzeugen. Um schnelles Laden mit einer langen Batterielebensdauer kombinieren zu können, müssen Betriebsbedingungen ermittelt werden, welche Degradationsprozesse auslösen. Daher sind nicht-invasive Sensortechniken, die die Dynamik innerhalb der Batterie in Echtzeit überwachen, von entscheidender Bedeutung. Mit Operando EIS oder dynamischer elektrochemischer Impedanzspektroskopie (DEIS) werden Impedanzdaten während des Ladens oder Entladens der Batterie aufgezeichnet, um Informationen im Betrieb zu erhalten. Durch die Untersuchung von Anomalien im Impedanzverlauf können Hinweise auf Batterieschädigungen während des Betriebs gefunden werden. Diese Methode soll zur Entwicklung einer Schnellladeregelung von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme durchgeführt.

Unser Projekt umfasst den Entwurf und die Entwicklung fortschrittlicher polymerbasierter fester/quasifester Elektrolytmaterialien für Batterien auf Natriumbasis durch einen umfassenden Ansatz, der den Entwurf und die Charakterisierung von Materialien sowie elektrochemische Untersuchungen umfasst.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl für Elektrodendesign für elektrochemischer Energiespeicher durchgeführt.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Ökologische Ressourcentechnologie durchgeführt.

Bei Überhitzung in Folge von Überladung oder eines mechanischen Defekts bei Lithium-Ionen Batterien (LIBs) besteht ein Sicherheitsrisiko aufgrund des thermisch instabilen Elektrolyten. Kontakt mit Luftsauerstoff oder -feuchtigkeit führt zur Oxidation des Elektrolyten und damit zur Wärmeentwicklung, wodurch eine Kettenreaktion, das sogenannte thermische Durchgehen, gestartet wird. Der Batterie-Separator als passives, sicherheitsrelevantes Bauteil in LIBs gewährleistet die räumliche Trennung von Anode und Kathode und verhindert so interne Kurzschlüsse. Als temperaturstabile Alternative zu bisher eingesetzten Polymerseparatoren soll Glas als Separator-Werkstoff eingesetzt werden. Hohe thermische und chemische Beständigkeit, sowie gute Benetzbarkeit mit dem Batterieelektrolyten prädestinieren Glas für diese Anwendung.
Im Keylab Glastechnologie werden Separatoren auf Basis von Glasfasern und Glaspartikel über kolloidale Verfahren hergestellt und charakterisiert. In umfangreichen elektrochemischen Testzyklen konnte die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Glas-Separatoren in den Testzellen unter Beweis gestellt werden. Die höhere Dichte von Glas vermindert allerdings die gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle, sodass der Fokus der laufenden Forschung auf der Dickenreduktion des Separators liegt.

Das Promotionsprojekt wird am Keylab Glastechnologie durchgeführt.

Das Projekt hat zum Ziel, den Einfluss von unterschiedlich bedingten Schwankungen zwischen einzelnen Zellen innerhalb von Batteriemodulen zu identifizieren und zu analysieren. Es werden hierfür neuartige Charakterisierungsmethoden entwickelt und Diagnoseverfahren zur Erkennung von Inhomogenitäten in Batteriemodulen aus den gewonnenen Erkenntnissen abgeleitet.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme durchgeführt.

Übergeordneter Schwerpunkt ist die Anwendung und Weiterentwicklung von Modellen für Batterieelektroden. Dabei werden sowohl poröse Elektroden für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien als auch Kompositelektroden für Feststoffbatterien betrachtet. Letzteres geschieht im Rahmen des BMBF-Projektes FB2-AdBatt in enger Zusammenarbeit mit Kollegen des Lehrstuhls für Funktionsmaterialien. Weiterhin liegt der Fokus auf der experimentellen Charakterisierung von Elektroden zur Parametrierung der Modelle. Letztendlich wird das Ziel verfolgt, eine modellbasierte Optimierung des Elektrodendesigns im Hinblick auf verschiedene Zielgrößen (z. B. Energiedichte, Ratenfähigkeit, Homogenität der Elektrodenausnutzung) zu ermöglichen.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme durchgeführt. Es ist Teil des BMBF-Kompetenzclusters für Festkörperbatterien (FestBatt).

In diesem Forschungsprojekt wird die Durchführbarkeit der Verwendung von Pulver-Aerosol-Deposition (PAD) zur Herstellung von mikrometerdünnen, dichten und ionenleitenden NaSICON-Membranen (Sodium Super Ionic Conductor) für Natrium-basierte Festkörperbatterien der nächsten Generation (SSSBs) untersucht. Diese Batterien bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, darunter die Verwendung von reichlich vorhandenem und umweltfreundlichem Natrium sowie das Potenzial für höhere Energiedichten und verbesserte Sicherheit aufgrund des festen Elektrolyten. Das Projekt konzentriert sich nicht auf die Materialentwicklung, sondern auf die Optimierung der Prozessbedingungen und -parameter für PAD-NaSICON-Membranen.
Das Projekt konzentriert sich auf drei Hauptaspekte: die Herstellung dichter, natriumleitender NaSICON-Membranen mit PAD, das Verständnis der Beziehung zwischen der resultierenden Mikrostruktur und der bei Raumtemperatur erreichbaren ionischen Leitfähigkeit sowie die Erforschung des Potenzials einer moderaten Temperierung zur Verbesserung der Leitfähigkeit und zur Verringerung des Grenzflächenwiderstands. Darüber hinaus wollen die Forscher zeigen, dass es möglich ist, natriumleitende Zellen ausschließlich mit aus PAD hergestellten Funktionsschichten zu konstruieren. Das Endziel ist der Aufbau einer Natriumbatterie in festem Zustand durch aufeinanderfolgende Abscheidung von Kathoden- und Festelektrolytschichten mittels PAD und die Verwendung von Na-Metall als Anode.

Das Promotionsprojekt wird am Lehrstuhl Funktionalsmaterialien durchgeführt.

Der Formationsprozess ist ein komplexer, aber entscheidender Schritt bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB), da er sich erheblich auf die Leistung und die Kosten der LIBs auswirkt. Ziel des Forschungsprojekts ist es, Methoden zu entwickeln, die eine materialabhängige Gestaltung des Formationsprotokolls ermöglichen. Zu diesem Zweck werden elektrochemische und simulative Methoden entwickelt und eingesetzt, um das Prozessverständnis zu verbessern. Der Schwerpunkt liegt auf Multiskalensimulationen, die elektrochemische Zellmodelle mit kontinuierlichen SEI-Wachstumsmodellen und atomaren kinetischen Monte-Carlo-Modellen zur Extrapolation bzw. Analyse der Auswirkungen der Bildung kombinieren. Das abschließende Ziel besteht darin, die experimentellen und simulativen Methoden in einem Rahmen zu kombinieren, um eine effiziente Methodik für die multikritische Gestaltung von Formationsprotokollen zu ermöglichen.

Das Promotionsprojekt wird bei der Juniorprofessur für Methoden des Batteriemanagements durchgeführt.