Fabrik- und Maschinenkonzepte für wirtschaftlich effiziente Batteriezellproduktionen mit Microenvironments

Das Projektvorhaben verfolgt die Ziele des beschleunigten Transfers in die industrielle Anwendung und der Entwicklung neuer Technologien des BMBF-Dachkonzept „Forschungsfabrik Batterie“. Es sollen aktuelle technische Herausforderungen von Microenvironments für die Maschinen- und Anlagentechnik in der Batteriezellproduktion adressiert werden, um eine nachhaltige Batteriezellproduktion in Europa durch innovative Maschinetechnik und ein dazugehöriges Fabrikkonzept mit logistischer Vernetzung der Prozesse zu stärken. Darüber hinaus sollen regionale Kooperationen unter Einbeziehung aller relevanten Akteure für die Entwicklung und Umsetzung von Transformationsstrategien genutzt werden. Durch das Projekt soll eine vollständig lokalisierte Lieferkette und ein internationaler Wettbewerbsvorteil für europäische Turn-Key Solutions für eine effiziente und nachhaltige Batteriezellproduktion begünstigt werden. Die beteiligten Forschungspartner ermöglichen die Schärfung des Forschungsprofils und die Umsetzung von Forschungs- und Entwicklungsergebnissen in die Richtung der Marktanwendung.

Der Lehrstuhl PEM der RWTH Aachen ist seit Jahren im Themenfeld der Batterieproduktion der LithiumIonen-Batterietechnologie tätig. Das Tätigkeitsfeld des Lehrstuhls erstreckt sich über alle Themen der Elektromobilproduktion. Im Projekt nutzt das PEM insbesondere diese Erfahrungen für die Identifizierung und Aggregation von relevanten Parametern entlang der gesamten Prozesskette, um auf diese Weise Einflussfaktoren in der Batteriezellproduktion zu analysieren und produkt- und prozessspezifischen Atmosphären für Microenvironments zu bewerten. Dabei soll eine Validierung in Form eines Demonstrators am PEM erfolgen, indem eine Trockenheitsuntersuchung und Charakterisierung von prototypischen Zellen durchgeführt wird.

Die Grundlage der Bewertung neuartiger Fabrikkonzepte bildet dabei die Definition eines Referenzprodukts und einer Referenzprozesskette. Darauf aufbauend werden entsprechende Produktionsanforderungen in Hinblick auf die Integration von Microenvironment-Maschinenkonzepten abgeleitet. Das zentrale Arbeitspaket bildet die Ausarbeitung von Integrationskonzepten für Microenvironments zur Abbildung einer umwelt- und kosteneffizienten Batteriezellproduktion. Diese werden hinsichtlich der Faktoren (AP3.1) Automatisierung und Verkettung, (AP3.2) Materialfluss und Logistik, (AP3.3) Auslegung und Schnittstellen sowie (AP3.4) Produktrelevante Einflussfaktoren analysiert und gegenüber der Referenz aktueller Produktionskonzepte bewertet. Abschließend erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von ausgewählten Fabrik- und Microenvironment-Maschinenkonzepten. Begleitet werden die Tätigkeiten durch ein technisches Projektmanagement.

Verwertungsplan:

Für das PEM ist eine wissenschaftliche Verwertung in Form von Veröffentlichungen und Verbreitung der Ergebnisse auf Konferenzen und Messen für ein wissenschaftliches Fachpublikum geplant. Hierfür vorgesehen sind national und international anerkannte Konferenzen und Journals, wie zum Beispiel die CIRP-Konferenzen. Die Publikationen sollen als Open Access erfolgen. Ebenso sind hier Qualifikationsmaßnahmen (Lehre, Abschlussarbeiten, Schulungen, etc.) geplant. Das PEM wird mit Hilfe der Erkenntnisse die Untersuchung von Maßnahmen zur Steigerung der Material- und Prozesseffizienz in der Lithium-Ionen-Batteriezellenproduktion vorantreiben und in der Forschungsinfrastruktur „eLab“ der RWTH Aachen erforschen.

Wirtschaftliche Erfolgsaussichten:

Durch die enge Zusammenarbeit der Forschungspartner in diesem Projekt und weiteren Forschungsvorhaben innerhalb von SynBatt im Bereich von Microenvironments sowie der Forschungsfertigung Batteriezelle FFB können in der finalen Phase des Projekts neuartige Konzepte von Fabrik-Maschinensystemen und Microenvironments teilweise in die Konzeptionierung und Planung der Forschungsfabrik einfließen. Darüber hinaus

werden die Konzepte in Form eines Demonstrators (in der Pilotfertigung der RWTH Aachen) validiert werden.

Eine effiziente und kostengünstige Umsetzung von Microenvironments kann in der FFB und bei Industriepartnern zur internationalen Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland und zu einer fundierten Basis für weitere Batterieforschung beitragen.

Gesamtwirtschaftlich betrachtet, kann der Wettbewerbsvorteil durch eine signifikante Reduzierung des

Energiebedarfs und Reduzierung des Anlageninvestments zu einer entsprechend höheren Nachfrage im Bereich der Maschinen- und Anlagentechnik führen. Dies betrifft insbesondere die Elektromobilität und stationäre Speichersysteme, bei denen die Zellpreise zu teilweise unrentablen Systempreisen führt, was eine deutliche Erhöhung der Wirtschaftlichkeit für zukünftige Anwendungen voraussetzt. Des Weiteren lassen sich aus den Erkenntnissen hinsichtlich der technischen Anforderungen an Maschinen und Anlagen zur Integration in Microenvironments Empfehlungen für die Maschinen- und Anlagenbauer ableiten, um den Innovationsgrad Ihrer Produkte für den Einsatz in einer Zellproduktion zu steigern. Zur Dissemination der Ergebnisse und dem beschleunigten Eintreten der wirtschaftlichen Erfolge wird angestrebt die erlangten Projektergebnisse durch geeignete Publikationen zu verbreiten.

Wissenschaftliche und technische Erfolgsaussichten:

Die im Rahmen des Teilvorhabens erarbeiteten Erkenntnisse bieten ein großes wissenschaftliches Potenzial zur Weiterentwicklung der Batterieproduktion. Das PEM wird die techno-ökonomische Bewertung in der europäischen Forschungslandschaft verbreiten, um die Konzeptionierung und gezielte Einstellung der Prozess-und Produktionsatmosphäre in der Batteriezellproduktion zu optimieren. Das daraus resultierende Potentialbeschleunigt die Forschung in sämtlichen produkt- und prozessseitigen Forschungsprojekte, welche eine Industrialisierung neuer Batterie- oder Prozesstechnologien adressieren. Darüber hinaus werden die durch das PEM erarbeiteten Ergebnisse des Projekts in umfangreicher Form in die universitäre Lehre einfließen. Die Ergebnisse sollen in Vorlesungen aufgegriffen werden und als Grundlage für Praktika und Abschlussarbeiten dienen (nach Projektbeginn). Seit Jahren sind an der RWTH Aachen steigende Studierendenzahlen im Bereich

der Elektromobil- und Batteriezellproduktion zu verzeichnen. Die Reputation des PEM soll genutzt werden, um Netzwerke zu erweitern und auch internationale Kooperationen einzugehen. Nicht zuletzt werden die Ergebnisse an den Anlagen des PEM angewendet. Die Infrastruktur des eLab stellt eine Plattform dar, welche sowohl von Forschungs- als auch von Industriepartnern genutzt werden kann, um den entwickelten Standard

an realen Anlagen zu sehen. Die zentralen Analyse- und Forschungsergebnisse werden jährlich auf nationaler und zu Projektende auf internationaler Ebene in wissenschaftlichen Publikationen und auf Fachtagungen veröffentlicht.