Behind the Thesis: Zwischen Labor und Energiewende: Natrium als vielversprechendes Anodenmaterial für Batterien
Lithium ist die Basis heutiger Energiespeicher – und zugleich ihr größter Engpass: knappe Ressourcen, geopolitische Abhängigkeiten, steigende Kosten. Natrium hingegen ist fast unbegrenzt verfügbar, preiswert und chemisch Lithium erstaunlich ähnlich. Für die Forschung ergibt sich daraus ein klarer Auftrag: Wege finden, um Natrium als Anodenmaterial in Batterien nutzbar zu machen.
Genau mit diesem Zukunftsthema beschäftigte sich Prisca, Chemie-Studentin an der Hochschule Aalen, im Rahmen ihrer Bachelorarbeit am fem Forschungsinstitut. Im Projekt LIB2SIB untersuchte sie, wie sich Natrium galvanisch abscheiden lässt – und welche Elektrolytsysteme und Substrate sich dafür eignen. Ihr Ziel: dünne, reproduzierbare Natriumschichten herzustellen, die als Anodenmaterial in künftigen Natriumionen-Batterien eingesetzt werden können.
„Ich habe nicht nur eine Abschlussarbeit geschrieben, sondern aktiv an einem Forschungsprojekt mitgearbeitet, das globale Herausforderungen adressiert. Es geht um die Frage, wie eine nachhaltige, sichere und bezahlbare Energiespeicherung der Zukunft aussehen könnte. Dieses Ziel vor Augen zu haben, war sehr motivierend“, erzählt Prisca. Besonders wertvoll war für sie auch die enge Zusammenarbeit mit den Kollegen und der fachliche Austausch mit ihrem Betreuer Dr. Reinhard Böck.
Für ihn war die Betreuung der Abschlussarbeit eine kleine Entdeckungstour. Denn es wurden nicht nur bekannte Fakten bestätigt, sondern auch neue Erkenntnisse gewonnen. „Die untersuchten Natrium-Elektrolytsysteme verhielten sich hinsichtlich ihrer chemischen Stabilität und Eignung zur Abscheidung völlig unterschiedlich. Je nach Elektrolyt bildete das Natrium andere Kristallitstrukturen aus – etwas, das in der Fachliteratur so nicht dokumentiert war. Genau solche Befunde machen Forschung spannend.“
Dass diese Ergebnisse so klar sichtbar wurden, lag auch am sorgfältigen Vorgehen. Prisca arbeitete sich tief in das komplexe Thema ein, plante Versuche präzise und wertete sie konsequent aus.
„Ihr Engagement und ihre Genauigkeit haben entscheidend dazu beigetragen, dass wir neue Erkenntnisse zur galvanischen Abscheidung von Natrium aus Ether-basierten organischen Elektrolyten gewinnen konnten“, betont Dr. Böck. Die Resultate sind nun ein wichtiger Baustein, um das Projektziel – die Entwicklung dünner Natriummetallanoden – weiter voranzubringen.
Und welchen Rat nimmt die Absolventin mit? „Alle Annahmen und Erkenntnisse sollten wirklich verstanden werden und wissenschaftlich belegbar sein.“ Ein Ratschlag, der nicht nur für diese Arbeit gilt, sondern für jede Forschung.
Ausgezeichnete Nachwuchsforschung am fem: VDI-Förderpreis für Abschlussarbeit zu Silizium-Komposit-Anoden
Herzlichen Glückwunsch an Jonas Bezler! Seine Abschlussarbeit zur „Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Silizium-Komposit-Anoden für Hochleistungsbatterien“ wurde mit dem VDI-Förderpreis ausgezeichnet.
Unter der Betreuung von Christoph Kiesl, Wissenschaftler am fem Forschungsinstitut, entstand eine Arbeit, die zeigt, wie sich innovative Materialsysteme und präzise elektrochemische Analytik verbinden lassen, um die Batterietechnologien der nächsten Generation voranzubringen. Erst im September haben wir in unserer neuen Themenreihe „Behind the Thesis” einen Blick hinter die Kulissen geworfen und die spannenden Projektarbeiten von Jonas und Christoph vorgestellt.
Am fem forschen wir im Rahmen des Projekts SiCAP(Silicon Composite Anode) an Verfahren, die das Potenzial von Silizium als Anodenmaterial effizient nutzbar machen – mit dem Ziel, Energiedichte und Lebensdauer von Batteriezellen nachhaltig zu steigern. Auf Basis unserer erzielten Ergebnisse werden wir den nächsten Schritt gehen.
Wir sind stolz auf den Beitrag unseres Teams zur Entwicklung leistungsfähigerer Energiespeicher – und auf die nächste Generation von Ingenieur:innen, die diese Zukunft mitgestalten.
Behind the Thesis: Next Gen Anodenmaterialien, neue Verfahren und ein Aha-Moment unter dem REM
Wie fühlt es sich an, wenn ein Forschungsansatz erstmals durch Daten und Bilder bestätigt wird? Jonas weiß es genau. Denn sein Aha-Moment fand nicht auf dem Papier statt, sondern am Rasterelektronenmikroskop (REM).
„Der beeindruckendste Moment für mich war die Untersuchung der selbst hergestellten Anoden mit dem REM nach den simulierten Zelltests. Man konnte den Einfluss des Ladungstransfers der Li-Ionen auf das Aktivmaterial, die Siliziumpartikel, und die Mikrostruktur der getesteten Anoden direkt sehen. In diesem Moment wurden die Ergebnisse all unserer Untersuchungen zur Prozessoptimierung und zur Herstellungsmethode erstmals in einem abschließenden Ergebnis gebündelt. Jetzt war uns klar: Unsere Idee funktioniert!“
Jonas, der sein Studium im Studiengang Energietechnik an der Hochschule Ulm absolviert, hat im Rahmen seiner Bachelorarbeit am Projekt SiCAP des fem Forschungsinstituts mitgewirkt. Betreut wurde die Arbeit von Projektleiter Christoph Kiesl. Im Mittelpunkt der Forschung: Silizium. Dank seiner außergewöhnlichen Energiedichte gilt es als vielversprechendes Anodenmaterial der nächsten Batteriegeneration. Das Projektziel: Die Herstellung von Silizium-Komposit-Anoden für leistungsstarke, umweltfreundliche und effiziente Batterien.
Dass das Projekt technologisch neue Wege geht, wurde für Betreuer Christoph Kiesl besonders deutlich, als ein zentraler Durchbruch gelang:
„Der für mich spannendste Moment der letzten vier Monate ereignete sich während der Elektrolytentwicklung, als es uns erstmals gelang, gezielt poröse 3D-Strukturen mit kontrollierter Morphologie und reproduzierbarer Qualität abzuscheiden. Ein echter Meilenstein für die Entwicklung einer funktionalen Silizium-Komposit-Anode.“
Zur Herstellung solcher Anoden entwickelte das SiCAP-Team ein innovatives galvanotechnisches Verfahren. Es ist nicht nur kostengünstiger und energieeffizienter als bisherige Methoden, sondern vor allem auch industriell skalierbar. Für Jonas bedeutete das vor allem eines: den Einstieg in ein komplett neues Fachgebiet – die Galvanotechnik.
Doch nicht nur die fachlichen Eindrücke nimmt Jonas aus seiner Zeit am fem mit, sondern auch ein geschärftes wissenschaftliches Urteilsvermögen.
„Aus der Zusammenarbeit habe ich vor allem mitgenommen, Ergebnisse – gestützt durch Literatur – kritisch zu hinterfragen und zu erklären, statt reinen Vermutungen zu vertrauen. Außerdem wurde mir die Wichtigkeit visueller Inhalte, beispielsweise in Form von Grafiken, zur einfachen Erklärung komplexer Sachverhalte, viel bewusster.“
Christoph Kiesl lobt vor allem das persönliche und fachliche Engagement von Jonas.
„Die Zusammenarbeit mit ihm war nicht nur fachlich überzeugend, sondern hat auch richtig Spaß gemacht. Mit viel Ausdauer und einem hohen Maß an Sorgfalt hat Jonas maßgeblich zur Qualität und Aussagekraft der Versuchsergebnisse beigetragen.“
Das Projekt SiCAP wird voraussichtlich noch bis Ende September 2025 laufen. Zunächst konzentrierte sich das Forschungsteam auf die Vorentwicklung, eine umfassende Materialcharakterisierung und die technische Bewertung des Verfahrens im Rahmen eines Proof-of-Concepts. Jonas trug mit seiner Bachelorthesis und seiner Mitarbeit aktiv zu diesem Prozess bei.
Die Technologie adressiert zentrale Zukunftsmärkte: Elektromobilität, stationäre Energiespeicherung und mobile Elektronik. Neben dem technologischen Fortschritt verspricht SiCAP auch ökologische Vorteile – etwa durch geringere CO₂-Emissionen – und stärkt den Innovationsstandort Baden-Württemberg.
Ein Jahr am fem: Neugier, Technik und jede Menge Praxis im FJN
Ein ganzes Jahr lang war Adrian während seines Freiwilligen Jahres in Wissenschaft, Technik und Nachhaltigkeit (FJN) Teil des fem-Teams – hat Beschichtungen durchgeführt, Versuche dokumentiert, Hightech-Anlagen bedient und neue Perspektiven entdeckt. Im Interview erzählt er, was ihn am meisten überrascht hat, welche Erfahrungen ihn geprägt haben und warum er das Freiwillige Jahr jedem empfehlen kann, der sich für Naturwissenschaft und Technik begeistert.
Adrian, was hat das Arbeiten am fem für dich besonders gemacht? Adrian: Die vielfältigen Einblicke in Forschungs- und Entwicklungsarbeit. An sich ist es eine sehr besondere Erfahrung, als Freiwilliger ein Jahr lang an einer Forschungseinrichtung wie dem fem arbeiten zu dürfen.
Was nimmst du aus dem Jahr für dich mit – fachlich und persönlich? Adrian: Dass Kommunikation und Austausch entscheidend für gute Forschung sind. Zudem habe ich gelernt, dass eine saubere Dokumentation der Versuche und des Versuchsaufbaus der Schlüssel für nachvollziehbare, erfolgreiche wissenschaftliche Arbeit ist.
Was waren für dich die drei prägendsten Erlebnisse oder Aha-Momente? Adrian: Rückblickend fällt es mir schwer, mich auf drei Erlebnisse festzulegen. Besonders gefreut hat es mich immer, wenn mir Wissen aus den MINT-Schulfächern hier bei der Arbeit geholfen hat. Kleine Aha-Momente hatte ich auch immer dann, wenn ich eine neue Beschichtungsart kennengelernt habe. Vor meinem FJN wusste ich nicht, dass es so viele Möglichkeiten der Oberflächenbeschichtung gibt.
Wie hat dich das Jahr beeinflusst – beruflich oder in deiner Studienwahl? Adrian: Das FJN hat mich stark beeinflusst. Ich bin auf Berufsfelder wie Materialwissenschaften, Werkstoffkunde und Oberflächentechnik aufmerksam geworden, die ich vorher nicht auf dem Radar hatte. Nach dem Jahr werde ich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität Bayreuth studieren.
Gab es einen „Wow – das hätte ich nie erwartet-Moment“? Adrian: Da gab es bestimmt einige, aber was mich immer wieder aufs Neue staunen lässt, sind die Geräte und Programme zur Materialcharakterisierung. Die Qualität der Aufnahmen, die mit einem Rasterelektronenmikroskop gemacht werden, begeistert mich jedes Mal.
Und dein Tipp für alle, die über ein FJN nachdenken? Adrian: Einfach bewerben! Man bewirbt sich erst einmal allgemein und bekommt dann eine Liste mit Einsatzstellen. Wenn man eine Stelle findet, die einen anspricht – wie mich das fem – kann ich das FJN jedem naturwissenschaftlich Interessierten nur empfehlen.
In welchen Bereichen konntest du mitarbeiten und was hat dir dabei am meisten Spaß gemacht? Adrian: Ich durfte an drei Projekten mitarbeiten. Anfangs in der Abteilung Elektrochemie beim Projekt ‚Ultrablack‘ – da ging es um die galvanische Herstellung einer schwarzen Schicht auf Nickelbasis. Später kam die Plasma-Oberflächentechnik dazu, wo ich eine Parameterstudie über eine der Beschichtungsanlagen erstellt habe. D.h. ich führte Beschichtungen unter verschiedenen Bedingungen durch und erstellte anschließend Rateverteilungen. Abschließend war ich noch in der Abteilung für Elektrochemische Energiesysteme. Dort habe ich bei Abscheideversuchen für das Projekt „SiCAP“ mitgewirkt. Am meisten Spaß gemacht hat mir bei allen Projekten das Beschichten.
Danke, dass du ein Jahr lang mit uns geforscht, beschichtet und gestaunt hast. Wir sind gespannt, wohin dein Weg dich führt, und wünschen dir für dein neues Kapitel viel Erfolg. Bleib neugierig!
