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

Um Deutschland als Leitmarkt für Elektromobilität zu etablieren, muss auch die Wertschöpfung überwiegend hierzulande angesiedelt werden. Seit Ende 2015 gibt es jedoch keine nennenswerte kommerzielle Zellherstellung mehr in Deutschland. Als Hauptgrund ist der in den vergangenen Jahren beobachtete enorme Preisrückgang für Lithium-Ionen-Zellen anzusehen. Eine Fraunhofer-Studie aus dem Jahr 2012 prognostizierte Zellpreise für großformatige Zellen von ca. 300 Euro/kWh bzw. 250 Euro/kWh für 2015 bzw. 2020. Diese Preise werden schon heute von asiatischen Herstellern für große Mengenszenarien teilweise erreicht, obwohl die Fertigungskosten höchstwahrscheinlich darüber liegen.

Um die ehrgeizigen Kostenziele zu erreichen und um mit den asiatischen Wettbewerbern zu konkurrieren, sind kosteneffiziente Zell-Herstellprozesse und damit verbundene Elektrodenherstellprozesse dringend erforderlich. Der auf die Elektrodenproduktion entfallende Kostenanteil bezogen auf die Zelle beläuft sich abhängig vom verwendeten System im Bereich von etwas mehr als 50 Prozent. Hiervon fällt wiederum rund die Hälfte auf den Prozess der Elektrodenherstellung und die andere Hälfte auf die Rohstoffe. Die Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien – und hier insbesondere der Beschichtungsprozess – ist äußerst energieintensiv. Zudem sind für eine herkömmliche Beschichtungslinie mit räumlich sehr ausgedehnter Trocknerstrecke und dem dazugehörigen Gebäude sehr hohe Investitionssummen erforderlich. Auf der anderen Seite entfällt durch eine Fertigung in Deutschland der Transport der Zellen aus Asien und die Lieferkette für die weiterverarbeitenden Gewerbe sinkt um ca. 5 Wochen.

Die zentrale Frage der Forschungs- und Entwicklungsaufgabe im Vorhaben Fab4Lib lautet somit: Wie kann eine international wettbewerbsfähige Zellfertigung in Deutschland geplant und realisiert werden?

Zur Beantwortung dieser Frage werden im Teilvorhaben der Litarion GmbH entlang der Wertschöpfungskette zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen F&E-Zielstellungen bearbeitet, die ein hohes Kostensenkungspotenzial bei der Herstellung von Zellen haben. Gleichzeitig sollen bisherige Limitationen bezüglich der zu erreichenden Elektrodendichte überkommen werden. Geeignete Elektroden für innovative zylindrische Rundzellen im neuen sogenannten 21700er Format müssen in dem Teilvorhaben grundsätzlich neu entwickelt werden, da diese Technologie in Deutschland bislang noch nicht im Produktionsmaßstab vorhanden ist. Insgesamt soll eine technische Grundlage für eine wettbewerbsfähige Großserienproduktion erarbeitet werden.

Ein wesentliches Projektziel des Teilvorhabens der Litarion GmbH ist die Entwicklung von innovativen und wettbewerbsfähigen Beschichtungsprozessen für Anoden und Kathoden sowie das dazugehörige Pouch-Zelldesign unter Berücksichtigung des Produktionsprozesses der Zelle.

Ein weiteres wichtiges Ziel innerhalb des Gesamtvorhabens ist die Definition einer Rundzelle und die Entwicklung der entsprechenden Herstellprozesse. Dies bedingt fundamentale Entwicklungsarbeiten des Teilvorhabens der Litarion GmbH im Sinne geeigneter Elektroden für Rundzellen. Das Anforderungsprofil für solche Elektroden unterscheidet sich deutlich von Elektroden für Pouchzellen, z. B. hinsichtlich der Beschichtungsgeometrien, mechanischer Stabilität bei sehr kleinen Biegeradien oder zulässiger Toleranzwerte. Dementsprechend betritt die Litarion GmbH bei diesen Entwicklungen technologisches Neuland.

Im Bereich des Pouch-Zelldesigns werden die Anforderungen und Eigenschaften an die zu entwickelnden Pouch-Zellen erstellt. Zusätzlich entsteht ein Modell zur Vorhersage des Toleranzbereiches von Zellkapazitäten in Abhängigkeit der Fertigungstoleranzen entlang der Prozesskette.

Darauf aufbauend werden verschiedene Fertigungsprozesse für Pouch- und Rundzellen mit kontinuierlichen und intermittierend beschichteten Elektroden evaluiert.

Ein wichtiger Schwerpunkt umfasst die Entwicklung eines innovativen und kostengünstigen Herstellprozesses für Elektroden für Pouch-Zellen, der es zudem erlaubt, vorhandene Limitationen bezüglich der Elektrodendichte (insbesondere bei Kathoden) zu umgehen. Vor diesem Hintergrund adressiert das Projekt insbesondere die Entwicklung eines innovativen Beschichtungsprozesses („advanced coating“) auch mit Blick auf Folgeprozesse ebenso wie auf den vorgelagerten Bereich der Suspensionsherstellung. Bei den Folgeprozessen ist v. a. das Kalandrieren zu betrachten.

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die verfahrenstechnische Erforschung von neuen Beschichtungstechnologien und die Bewertung der Machbarkeit in einem großtechnischen Maßstab. Vorzugsweise sollte sowohl bei Anoden als auch Kathoden eine NMP-freie Beschichtungstechnologie in Betracht gezogen werden.

Des Weiteren werden Elektroden und die zugehörigen Prozesstechnologie für zylindrische Zellen entwickelt. Dies impliziert die Entwicklung des Trockenregimes und die Beantwortung von Fragestellungen hinsichtlich Beschichtungsgeschwindigkeit, Homogenität, Flächengewicht, Schichtdicke, Haftung, Kalandrierbarkeit und Beschichtungsfehler.

Wegen Insolvenz der Litarion GmbH wurde das Projekt frühzeitig beendet.

In dem beschriebenen Vorhaben soll die technische Grundlage für eine wettbewerbsfähige Massenproduktion von Pouch- und Rundzellen gelegt werden. Angesichts der sich abzeichnenden Knappheit an Lithium-Ionen-Zellen sind die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten als sehr positiv zu bewerten. Für die Litarion GmbH kann sich durch die Entwicklung von geeigneten Elektroden für Rundzellen die Chance eines neuen Marktes eröffnen. Für eine Implementierung der Technologie in der Serienfertigung werden nach Vorhabensende noch weitere erhebliche Anstrengungen sowohl hinsichtlich Zeit, Material- und Personaleinsatz notwendig sein.

Die Chance zur Erreichung der Entwicklungsziele ist für die Litarion GmbH durch die Zusammensetzung des Konsortiums überhaupt erst möglich geworden. Eine Förderung trägt somit auch zur Standorterweiterung in Verbindung mit der Entwicklung von innovativen und neuen Technologien auf dem Gebiet Lithium-Ionen-Speichertechnologie mit hohem Wertschöpfungspotenzial in Deutschland bei.

Mit dem Projekt soll die Technologie und die Kompetenz der Litarion GmbH auf dem Gebiet der Komponenten- und Zellfertigung gestärkt und weiter ausgebaut werden. Dies stärkt auch Deutschland als Standort im Sinne der Lithium-Ionen-Technologie. An das Entwicklungsprojekt soll sich ein schrittweiser Aufbau einer Gigafactory anschließen. Dies ist mit der Schaffung von neuen Arbeitsplätzen verbunden. Ebenfalls werden weitere deutsche Unternehmen von den Ergebnissen des Vorhabens profitieren. Materialhersteller, Planungsbüros, Maschinenbauunternehmen im Bereich Sondermaschinenbau sowie Montagefirmen sind hierbei nur einige Beispiele. Mit Abschluss des Projektes soll ein wegweisender Beitrag für die technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen zur Etablierung von elektrochemischen Speichern für vielfältige Anwendungen geschaffen sein.