PhD Position – 3D ion beam tomography of next-generation batterie...

Am Institut für Materialien und Geräte - Materialien Synthese und Fertigungsprozesse (IMD-2) arbeiten wir in einem dynamischen und internationalen Team von über einhundert Materialwissenschaftlern, Chemikern, Physikern, Maschinenbauingenieuren und technischem Personal an der Entwicklung fortschrittlicher Energieumwandler und Hochleistungs-Speichersysteme für die Energiewende. Dabei umfassen wir eine Vielzahl von Technologien, von oxidkeramischen Brennstoffzellen bis hin zu Festkörperbatterien, thermischen Barriereschichten für Gasturbinen und Gastrennmembranen.

Die Schwerpunkte dieser Technologien liegen auf anorganischen Materialien, die als Funktionsschichten aus Pulvern oder über die Gasphase verarbeitet werden. Zu diesem Zweck nutzen wir skalierbare, industrienahe Prozesse, die einen schnellen Transfer unserer Forschungsergebnisse in die Industrie gewährleisten. Somit trägt unsere Arbeit erheblich dazu bei, die Lücke zwischen Grundlagenforschung und Anwendung zu schließen.

Die zukünftigen Batterietechnologien sind dringend erforderlich, um die Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung noch erschwinglicher, sicherer und effizienter zu gestalten. Si-reiche Anoden werden bereits in Hochenergie-Batterien eingesetzt und können die Energiedichte erheblich erhöhen. Aufgrund der hohen volumetrischen Expansion von Si während des Ladevorgangs zeigen solche Zellen jedoch eine starke Zyklusalterung. Um die Zyklusstabilität zu verbessern, wird bereits in industriellem Maßstab an der Vor-Lithierung von Si-reichen Anoden geforscht. Viele Forschungsfragen bleiben jedoch unbeantwortet, insbesondere hinsichtlich der Verteilung von Li innerhalb der Anode in Abhängigkeit von Prozessparametern und Anodendesign.

Die Ionstrahlanalyse (IBA) bietet eine neue Methode zur Quantifizierung von Li mit räumlicher Auflösung; bei dieser Technik werden hochenergetische Ionen (> 2 MeV) auf die Batteriemuster geschossen, was eine Kernfusionreaktion auslöst. Die resultierenden Ionen ermöglichen eine tiefenaufgelöste Quantifizierung von Li und anderen Komponenten der Anode, z.B. Si, O, F, C usw. Diese Informationen liefern wertvolle Einblicke in die Qualität und Stabilität der Prozesskontrolle. Durch die Kombination mit einer zweidimensionalen Scannung des Ionstrahls über die Proben können auch 3D-atomare Verteilungen visualisiert werden, wodurch potenzielle Inhomogenitäten sowohl lateral als auch innerhalb der Tiefe der Elektrode aufgedeckt werden.

Das Ziel ist es, diese fortschrittliche Analysetechnik zu nutzen, um die Produktion von vor-lithierten Anoden für zukünftige Batterien zu optimieren.

Ihr Job

• Durchführung unabhängiger Messungen mit der weltweit ersten 3D Li-Tomographie-Anlage an Batteriemustern (der Batteriebestrahlungslinie am 3 MeV Tandetron-Ionenbeschleuniger am FZJ)
• Optimierung des Messprozesses zur Erreichung der höchstmöglichen Empfindlichkeit, Auflösung und Reproduzierbarkeit
• Messung verschiedener Materialien und Batteriebestandteile, die von den Projektpartnern bereitgestellt werden
• Analyse der Ergebnisse mit speziell entwickelter, KI-basierter Software, die 3D-Rekonstruktionen der Elementverteilung ermöglicht
• Komplementäre Analysen mit anderen fortschrittlichen Techniken wie SIMS, Raman, FIB-SEM, µ-CT usw.
• Zusammenstellung der Ergebnisse und Bewertung des Einflusses von Prozessparametern auf die Li-Verteilung in verschiedenen Konzepten von nächsten Generationen von Anoden

Während ihrer Promotion wird die Kandidatin somit Kenntnisse über fortschrittliche Analysemethoden für zukünftige Batteriesysteme erwerben und deren branchenrelevante Anwendung zur Prozessoptimierung demonstrieren.

Ihr Profil

• Ein erfolgreich abgeschlossenes Masterstudium in Physik, Physikalischer Chemie oder Materialanalyse
• Sehr gute Kenntnisse der Festkörperanalyse oder verwandter analytischer Methoden
• Erfahrung in der Vorbereitung, Herstellung und Produktionsprozessen anorganischer Materialien
• Kenntnisse in Elektrochemie und/oder Batterien wären von Vorteil
• Sehr gute Englischkenntnisse in Wort und Schrift mit umfangreichem Wortschatz sind erforderlich (mindestens B2-Niveau gemäß dem Gemeinsamen Europäischen Referenzrahmen)
• Eine hohe Teamfähigkeit und Flexibilität sowie die Bereitschaft, großes Engagement zu zeigen

Unsere Vorteile für Sie

• Team & Umfeld: Sie arbeiten in einem motivierten Team mit internationalem und interdisziplinärem Fokus – an einer der größten Forschungseinrichtungen in Europa
• Forschung & Infrastruktur: Sie haben Zugang zu hervorragenden wissenschaftlichen und technischen Einrichtungen für Ihre Arbeit
• Vernetzung & Austausch: Sie sind Teil eines Konsortiums, das Industrie, Universitäten und andere nationale Forschungseinrichtungen umfasst, gefördert durch die BMFTR
• Betreuung & Unterstützung: Ihr akademischer Betreuer, Dr. Martin Finsterbusch, wird Ihnen kontinuierliche akademische Anleitung bieten. Die Promotion wird an der Universität Duisburg-Essen unter der Aufsicht von Prof. Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing durchgeführt.
• Work-Life-Balance: Wir bieten flexible Arbeitszeiten, um Ihnen zu helfen, Ihr Berufs- und Privatleben in Einklang zu bringen. Sie haben auch die Möglichkeit, flexibel zu arbeiten (in Bezug auf den Standort), was in der Regel nach Rücksprache und im Einklang mit anstehenden Aufgaben und (vor Ort) Terminen möglich ist.
• Jahresurlaub: Sie erhalten 30 Tage Jahresurlaub
• Wissen & Entwicklung: Ihre berufliche Entwicklung ist uns wichtig – wir unterstützen Sie gezielt und individuell, z.B. durch Schulungs- und Vernetzungsmöglichkeiten speziell für Doktoranden (JuDocS). Sie können auch Ihre persönlichen Stärken durch unser umfangreiches Schulungsangebot innerhalb der HITEC Graduiertenschule weiterentwickeln (online und Präsenzveranstaltungen).
• Gesundheit & Wohlbefinden: Ihre Gesundheit ist uns wichtig. Sie können sich auf ein umfassendes betriebliches Gesundheitsmanagement freuen, das eine Vielzahl von Optionen umfasst, darunter einen Beachvolleyballplatz, Laufgruppen, Yogakurse und vieles mehr. Darüber hinaus stehen Ihnen unser betrieblicher Gesundheitsdienst und ein erfahrenes Sozialberatungsteam vor Ort zur Verfügung.
• Campus-Erlebnis: Unser Forschungscampus auf dem Land schafft ideale Bedingungen für kollegialen Austausch und sportliche Aktivitäten direkt vor Ort. Unsere Cafeteria bietet eine breite Palette von Optionen – Sie können eine entspannende Mittagspause mit Seeblick genießen.
• Erfolgreicher Start: Es ist uns wichtig, dass Sie sich schnell im Team einleben und eine strukturierte Einarbeitung für Ihre Aufgaben erhalten. Wir unterstützen Sie von Anfang an und erleichtern Ihnen den Einstieg mit unseren Welcome Days und dem Welcome Guide.
• Faire Vergütung: Je nach Qualifikation und übertragenen Verantwortlichkeiten werden Sie nach Entgeltgruppe 13 (75%) des TVöD-Bund eingestuft. Neben dem Grundgehalt gibt es einen zusätzlichen Jahresendbonus gemäß dem Tarifvertrag in Höhe von 75 % eines Monatsgehalts sowie vermögenswirksame Leistungen. Alle Informationen zum Tarifvertrag TVöD-Bund finden Sie auf der BMI-Website (Entgelttabelle auf Seite 66 ff. des PDF-Downloads).
• Befristet: Die Stelle ist auf 3 Jahre befristet.
• Unterstützung für internationale Mitarbeiter: Unser International Advisory Service erleichtert internationalen Mitarbeitern den Einstieg.

Wir begrüßen Bewerbungen von Menschen mit unterschiedlichen Hintergründen, z.B. in Bezug auf Alter, Geschlecht, Behinderung, sexuelle Orientierung / Identität sowie soziale, ethnische und religiöse Herkunft. Ein vielfältiges und inklusives Arbeitsumfeld mit Chancengleichheit, in dem jeder sein Potenzial entfalten kann, ist uns wichtig.

Startdatum: Zum nächstmöglichen Zeitpunkt

Bewerbungsfrist: Die Stelle wird ausgeschrieben, bis sie erfolgreich besetzt ist.