Katharina Quade

In meiner Promotion an der RWTH Aachen, eine der größten und renommiertesten technischen Universitäten Deutschlands mit über 45000 Studierenden, beschäftige ich mich mit der experimentellen und datenbasierten Alterungsanalyse von Batterien. Der Forschungsbereich ist stark interdisziplinär: Er verbindet Kenntnisse im Aufbau und Einsatz von Testequipment (elektrisch, mechanisch und optisch) mit einem tiefen Verständnis elektrochemischer Prozesse sowie fundierter Datenanalyse. Nur durch diese Kombination lassen sich die Alterungsdaten aus einer Vielzahl von Zellen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen sinnvoll auswerten.

Schon während meines Studiums an der RWTH Aachen habe ich mich mit dem Themenfeld Batterie beschäftigt: Meine Bachelor- und Masterarbeit entstanden in diesem Bereich, zudem war ich mehrere Jahre als Hilfskraft an Instituten, die sich mit Batterieentwicklung beschäftigen, tätig. Für meine Promotion habe ich mich schließlich entschieden, den Fokus auf die Lebensdaueranalyse neuer Zelltechnologien zu legen, mit dem Ziel, ein tieferes Verständnis von Alterungsmechanismen zu gewinnen und so deren schnellen und sinnvollen Einsatz in Anwendungen zu ermöglichen.

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Campus der UC Berkeley

Der Schwerpunkt meines Forschungsaufenthalts an der UC Berkeley, der zugleich den finalen Schritt meiner Promotion darstellte, lag auf der Analyse der Degradation kommerzieller Natrium-Ionen-Rundzellen. Natrium-Ionen-Batterien gelten als vielver-sprechende Alternative zu den derzeit weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Sie bieten Vorteile in Bezug auf Nachhaltigkeit, Rohstoffverfügbarkeit und potenziell auch Kosten.

Allerdings bestehen noch wesentliche, offene Fragen zur Langlebigkeit dieser Technologie. Als Vorbereitung auf den Forschungsaufenthalt hatte ich gemeinsam mit KollegInnen bereits ein Jahr zuvor am CARL der RWTH Aachen (A.d.R.: Akronym für Center for Ageing, Reliability, and Lifetime Prediction of Electrochemical and Power Electronic Systems) umfangreiche Alterungstests an Natrium-Ionen Batterien gestartet, um diese mit den Studierenden von der UC Berkeley tiefergehend zu untersuchen. Die Analyse hat mit einer Auswertung der Alterungsdaten gestartet, aus denen relevante Merkmale (Features) abgeleitet wurden, beispielsweise aus regelmäßig aufgenom-menen Entladekurven und ihrem differentiellen Verlauf. Diese Features wurden mit der Alterung der Batterien korreliert.

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Golden Gate Bridge

Überraschenderweise zeigte sich, dass unsere Batterien besonders stark im unteren Ladezustandsbereich altern, etwas was nicht üblich ist für Lithium-Ionen-Batterien. Um die Ursachen genauer zu untersuchen, führten wir spontan in Aachen über einen Kollegen CT-Messungen durch, die Verformungen der Elektrodenstruktur aufzeigten. Das war ein besonderes Highlight für uns, da diese Alterungsmechanismen und Verformungen so noch nicht für Natrium-Ionen-Batterien detektiert wurden.

Die University of California, Berkeley

Die UC Berkeley zählt zu den weltweit renommiertesten Universitäten und zeichnet sich durch ihre interdisziplinäre Forschung in gesellschaftlich hochrelevanten Zukunfts-themen aus. Das Labor von Prof. Moura, energy, controls, & application lab (eCAL), verbindet Expertise in Algorithmenentwicklung, Regelungstechnik und datenbasierten Methoden.

Schon vor meiner Ankunft hatte Prof. Moura in Vorbereitung meines Aufenthalts mir einen Doktoranden zur Seite gestellt, mit dem ich gemeinsam an meinem Thema arbeiten konnte. Der Student kam ursprünglich aus China und war seit ca. einem Jahr an der UC Berkeley. Wir haben uns gut verstanden und unsere Profile ergänzten sich perfekt: Während der Doktorand auf Methoden der künstlichen Intelligenz für Batterien spezialisiert war, brachte ich Erfahrung bezüglich Testdaten und elektrochemischen Analysen ein. Dank eines gemeinsam mit Prof. Moura vorab erarbeiteten, detaillierten Zeitplans konnte ich unmittelbar nach meiner Ankunft in die Forschungsarbeit einsteigen.

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Eis zur Mittagspause

An meinem ersten Tag an der UC Berkeley führten mich die „battery guys“ aus dem Labor durch die Räumlichkeiten und zeigten mir meinen Arbeitsplatz. Im Vergleich zu den großen Laboren an der RWTH Aachen wirkte das eCAL fast familiär: Es arbeiten dort unter Prof. Moura ca. zehn DoktorandInnen sowie einige Bachelor- und Master-Studierende. Die Arbeitsweise im Labor an der UC Berkeley unterschied sich deutlich von der in Deutschland. Während DoktorandInnen an der RWTH Aachen regelmäßig Abschlussarbeiten betreuen und eng mit studentischen Hilfskräften zusammenarbeiten, lag der Fokus in Berkeley stärker auf dem eigenen Projekt und der Dissertation.

Insofern hatten die DoktorandInnen weniger organisatorische Verpflichtungen und konnten sich sehr konzentriert mit ihrer Forschung beschäftigen. In Berkeley wurden die DoktorandInnen auch engmaschig betreut und es gab zweiwöchige Absprachen mit dem Professor. So haben auch wir uns regelmäßig mit Prof. Moura zum aktuellen Stand unserer Arbeiten ausgetauscht und wurden in unserem Vorhaben auch über die Zeit meines Aufenthalts hinaus unterstützt. Das eCAL deckt eine große Bandbreite an Themenschwerpunkten ab: von Batterietechnologien über Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeugen bis hin zum autonomen Fahren. Gerade die Diskussionen zu Themen, die außerhalb meines bisherigen Fokus lagen, wie z.B. autonomes Fahren, fand ich spannend.

Die überschaubare Größe des Labors machte den Einstieg für mich besonders leicht: Man kam schnell ins Gespräch und trotz der Tatsache, dass die Studierenden über verschiedene Gebäude des Campus verteilt arbeiteten, war der Austausch unkompliziert und offen. Das Labor war sehr international aufgestellt, wobei die Mehrheit der internationalen Studierenden aus Asien und Lateinamerika kamen, und die sehr verschiedenen kulturellen Hintergründe der Studierenden brachten mit sich, dass unsere Gespräche oft eine Mischung aus fachlichen Themen, kulturellen Perspektiven und einen Erfahrungsaustausch aus weltweit unterschiedlichen Promotionsprogrammen darstellten.

Während meines Aufenthalts arbeiteten wir intensiv an einem gemeinsamen Paper. Dabei gab es viele offene und auch kritische Diskussionen. Unser Ideenaustausch war geprägt von unterschiedlichen Blickwinkeln. Diese Gespräche haben mich oft zum Nachdenken gebracht, meinen eigenen Ansatz hinterfragen lassen und mir gezeigt, wie wertvoll verschiedene Perspektiven in der Forschung sind. Durch diesen kontinuier-lichen und kritischen Austausch habe ich viel gelernt und bin überzeugt, dass er mich zu einer besseren Wissenschaftlerin gemacht hat.

Neben der Arbeit gab es auch immer wieder soziale Events, wie gemeinsames Mittagessen, Eis essen oder Ausflüge. Das hat auch die Zusammenarbeit im Labor sehr unkompliziert gemacht. Selbst in Momenten, in denen wir nicht weiterkamen, blieb die Stimmung locker und oft sogar witzig. Für mich war das ein wichtiger Teil des Aufenthalts, weil es die Arbeit und das Leben vor Ort zusammengebracht hat.

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Blick auf die Golden Gate Bridge vom Campus der Uni

Der Campus selbst war beeindruckend, vor allem die Lage im Osten der sogenannten „Bay Area“. An manchen Stellen konnte man direkt auf San Francisco schauen, und wenn es nicht neblig war, war sogar die Golden Gate Bridge vom Campus aus zu sehen. Was mich aber am meisten überrascht hat, war das starke Gemeinschafts-gefühl: Die Studierenden identifizieren sich sehr mit der Uni, und diese Energie war auf dem Campus und in Berkeley ständig spürbar.

Persönliches Leben in den USA

Die Wohnungssuche in Berkeley war nicht einfach. Die Universität bietet einige Wohnmöglichkeiten an, aber da ich mich erst kurz vor dem Aufenthalt nach Wohnungen umgeschaut hatte, hatte ich mich für ein AirBnB entschieden. Wer günstiger wohnen möchte, findet oft WG-Zimmer, und viele Studierende leben auch in umliegenden Städten wie Oakland. Ich habe mich bewusst für Berkeley entschieden, weil ich kein Auto hatte und die Uni zu Fuß erreichen wollte.

Berkeley selbst ist eine eher kleine Stadt in der „East Bay“. Da mein Aufenthalt im Sommersemester stattfand, war auf dem Campus und in der Stadt insgesamt weniger los als sonst. Am Wochenende nach San Francisco zu kommen, ist dank des BART-Zugs problemlos möglich.

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Seelöwen am Pier 39

In San Francisco selbst nutzt man dann zumeist Bus und U-Bahn oder natürlich die berühmten „Cable Cars“. Die Stadt hat mir insgesamt sehr gut gefallen und bietet sowohl kulinarisch als auch kulturell viel zu entdecken. Ich besichtigte zum Beispiel Alcatraz, besuchte Ausstellungen und aß sehr gut in Chinatown sowie Little Italy. Man sollte aber auf die Mikroklimata achten: Es kann schnell kalt, windig oder neblig in der „Bay Area“ werden.

Kalifornien bietet landschaftlich eine enorme Vielfalt und ist der US-Bundesstaat mit den meisten Nationalparks. Viele davon sind von Berkeley aus erreichbar, erfordern jedoch in der Regel ein Auto. Während meines Aufenthalts hatte ich die Gelegenheit, den Yosemite-, Sequoia-, Redwood- und Death-Valley-Nationalpark zu besuchen.

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Ausflug ins Death Valley

Besonders faszinierend fand ich, wie unterschiedlich die Natur innerhalb eines einzigen Bundesstaates sein kann: von den beeindruckenden Wäldern der Redwoods und Sequoias bis zu den trockenen und heißen Wüstenlandschaften im Death Valley. Oft habe ich die Ausflüge mit anderen „Visiting Students“ unternommen, die ich bei Pizza- oder Barabenden kennengelernt habe, was von der UC Berkeley organisiert wurde.

Mein Fazit

Meine Zeit in Kalifornien hat mir fachlich wie persönlich sehr viel gegeben und wird mich noch lange begleiten. Besonders bereichernd war der Austausch mit den anderen Studierenden im Labor, die aus vielen verschiedenen Ländern kamen und unterschied-liche Perspektiven in meine Arbeit und in den Alltag einbrachten. Durch diese Gespräche habe ich viel über verschiedene Herangehensweisen in der Forschung gelernt und meine Fähigkeit weiterentwickelt, noch offener auf andere Menschen zuzugehen. Mit einigen DoktorandInnen bin ich auch weiterhin im Kontakt und freue mich auf das nächste Treffen in Aachen.

Auch bin ich sehr froh, dass ich mich an der UC Berkeley intensiv und konzentriert mit meinem Forschungsvorhaben auseinandersetzen konnte. Dies hat entscheidend dazu beigetragen, dass ich meine Promotion nun erfolgreich abschließen kann. Allgemein hat der Aufenthalt meine Leidenschaft für die Wissenschaft gestärkt, was mich zusätzlich motiviert, unsere gemeinsame Veröffentlichung in den kommenden Wochen und Monaten fertigzustellen.

Besonders dankbar bin ich Prof. Moura von der UC Berkeley, Prof. Sauer von der RWTH Aachen sowie meinen KollegInnen, die auch aus Deutschland heraus bei der Auswertung mitgewirkt haben. Ein herzlicher Dank gilt dem „KSB Stiftung Stipendium“ der DAAD-Stiftung, das mir diesen besonderen Auslandsaufenthalt überhaupt erst ermöglicht hat.