Erforschung von Maßnahmen zur Steigerung der Material- und Prozesseffizienz in der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion über die gesamte Wertschöpfungskette

In den nächsten Jahren wird von einem starken Anstieg des Bedarfs an Lithium-Ionen-Batterien in vielen wirtschaftlich wichtigen Bereichen ausgegangen. Insbesondere die Elektromobilität gilt als ein Haupttreiber dieser Entwicklung.

Das Projekt Fab4Lib adressiert deshalb ein Produktionskonzept und Fabriklayout für innovative Zellen in Deutschland unter Berücksichtigung des Recyclings. Im Fokus sind Pouch- Zellen sowie zylindrische Zellen im Format 21700.

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens besteht darin, innovative Prozesse und Fertigungskonzepte zu entwickeln, um eine solche konkurrenzfähige Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen über weite Teile der Wertschöpfungskette in Deutschland zu ermöglichen. Die Arbeiten befassen sich unter anderem mit einem innovativen Fabriklayout, Prozessinnovationen und Recycling, um Investitions- und Betriebskosten zu reduzieren. Beispielhaft sind hierfür die wasserbasierte Elektrodenbeschichtung (Anode), die Implementierung von NMC-622-Kathodenmaterial, der Herstellungsprozess der Elektroden, die Zellassemblierung und Sicherheit in Produkt und Prozess sowie die Reduzierung und das zielgerichtetes Recycling von produktionsbedingten Abfällen auf max. 2 Prozent über den Gesamtprozess zu nennen.

Insbesondere werden Arbeiten erbracht, die auch zu einer energieeffizienteren und ressourcenschonenden Produktion beitragen, etwa im Bereich der Formation. Nicht zuletzt erfolgen Prozesssimulationen und am Konzept Fab4Lib-Industrie-4.0 wird weiterführend gearbeitet. Ein Ziel von Fab4Lib ist auch, die Produktionskosten zu verifizieren, um im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Dies erfordert eine Fabrikations-BOM-Betrachtung, die eine großformatige, prismatische Pouchzellenproduktion im Bereich unter 90 Euro pro KWh unterlegt.

Die Auswahl optimaler Materialien und Komponenten für die Pouch- und Rundzelle sowie die Hochskalierung der entsprechenden Elektrodenrezepturen und -herstellungsprozesse ist ein wesentliches Arbeitspaket im Vorhaben. Dabei sollen neuartige Aktiv- und Inaktivmaterialien eingesetzt werden, die sich - verglichen zum Stand der Technik - durch höhere Energiedichten, verringerte Alterungseffekte und intrinsisch verbesserte Sicherheitseigenschaften auszeichnen. Zelldesign und -chemie werden hierfür speziell an die Anforderungen bezüglich Ratenstabilität, Temperaturbereich, Lebensdauer etc. angepasst.

Über ein Screening wird an den Elektrolytzusammensetzungen gearbeitet. Es sollen durch ausgewählte physikochemische, elektrochemische sowie analytische Methoden vielversprechende Elektrolyte systematisch charakterisiert werden und zur Verwendung vorgeschlagen werden.

Das Ziel der Arbeiten eines weiteren Paketes ist schließlich die Entwicklung und Teildemonstration einer kompetitiven Variantenfertigung (KomVar) in Klein- und Mittelseriengröße zur Auslegung, Skalierung und Projektierung.