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

Das Gesamtvorhaben Fab4Lib verfolgt das Ziel, Maßnahmen zur Steigerung der Material- und Prozesseffizienz in der Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung entlang der vollständigen Wertschöpfungskette zu erforschen. Dabei sollen die gewonnenen Erkenntnisse unmittelbar nach der Durchführung des Forschungsprojektes in den Aufbau einer deutschen Zellfertigung durch das Unternehmen TerraE münden. Die erlangten Effizienzsteigerungsmaßnahmen sollen dem Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil gegenüber etablierten Zellherstellern liefern und somit das Unternehmen auf lange Sicht stärken. Insbesondere die langfristige Sicherung der Versorgungssicherheit mit Batteriezellen für die deutsche Wirtschaft steht dabei im Fokus.

Die StreetScooter GmbH hat dabei in ihrek Teilprojekten das Ziel, durch eine Definition der Anforderungen an Batteriezellen aus Sicht eines Fahrzeugherstellers eine möglichst starke Optimierung der Zellen für den Einsatz im Bereich der Elektromobilität und im Besonderen in ihren Produkten zu erreichen. Weiterhin beteiligt sie sich an der Erarbeitung eines Konzeptes zum Recycling der Batterien, was für Fahrzeughersteller von zentraler Bedeutung ist. Damit lassen sich folgende Teilziele formulieren:

• Optimierung der Zellen für den Einsatz in elektrischen Transportfahrzeugen durch Begleitung der Anforderungsdefinition

• Erarbeitung eines Konzepts für eine kostenneutrale Batterieverwertung nach dem „First Life“

Dabei bringt die StreetScooter GmbH Erkenntnisse und Erfahrungen aus vergangenen Projekten, der Serienfertigung elektrischer Nutzfahrzeuge und deren Betrieb in das Konsortium ein. Weiterhin sollen die bereits vorhandenen Kompetenzen in der Batterieentwicklung und -produktion erweitert werden und so auch zukünftigen Projekten zur Verfügung stehen.

Der erste Teil des Projektes beinhaltet die Anforderungsdefinition von Pouch- und Rundzellen, die in der Batteriefabrik gefertigt werden sollen. Dabei werden aus Herstellersicht Anforderungen an das Design von Pouch- und Rundzellen definiert, um diese für den Einsatz in mobilen Anwendungen zu optimieren. Es sollen anschließend nach diesen Anforderungen Zellen im Pouch- und Rund-Design entwickelt werden. Hier fließen die Erfahrungen zur Fertigung und Nutzung der bisher verwendeten Batterien ein. Die Anforderungen an die Zellen sollen im Kontext der Systemauslegung gewichtet werden. Außerdem werden im Hinblick auf Second-Life-Konzepte von Batterien zusätzlich Anforderungen an Zellen für die Anwendung nach dem automotiven Einsatz aufgenommen. Bei der Definition der Anforderungen wird folgendermaßen vorgegangen:

• Analyse der aktuellen Anforderungen an Pouch- und Rundzellen

• Identifikation von Optimierungspotenzialen von Pouch- und Rundzellen für automotive Anwendungen (hinsichtlich Gewicht und Volumen, Leistungs- und Energiedichte, Lebensdauer und Verwertung, Kosten)

• Identifikation von Optimierungspotenzialen von Pouch- und Rundzellen für das Second-Life (Lebensdauer bzw. Restkapazität nach First Life, Eignung und Sicherheitsanforderungen für erneuten Einsatz)

• Identifikation von Optimierungspotenzialen am Fahrzeug (hinsichtlich Bauraum, Antriebsstrang-Peripherie)

• Analyse der identifizierten Optimierungspotenziale und Auswahl realistischer und wirtschaftlicher Anforderungen unter Berücksichtigung der relevanten Ziele des Vorhabens (Scale-up-Konzept, nachhaltiges und innovatives Zelldesign, Variantenfertigung)

Die StreetScooter GmbH beteiligt sich im Rahmen des Projektes auch am Arbeitspaket zum Recycling und Materialmanagement. Ziel dieses Arbeitspaketes ist die Bereitstellung von aktuellen Kathodenmaterialien und die Betrachtung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Dazu wird ein ganzheitliches Recyclingkonzept entwickelt, in dem eine individuelle Lösung für jeden anfallenden Materialstrom erarbeitet wird. Dazu werden zunächst die speziellen Sicherheitsanforderungen der Batteriepacks aufgenommen und im Rahmen einer Studie verschiedene Recycling- und Logistiklösungen betrachtet, um daraufhin die am besten geeignete Lösung zu ermitteln und ein anforderungsgerechtes, ganzheitliches Konzept zu entwickeln. Das Ergebnis dieses Arbeitspaketes besteht in einem optimierten Materialmanagement und einem effizienten Recyclingkonzept, welche Umwelt-, Sicherheits- und wirtschaftliche Aspekte berücksichtigen und somit in der Praxis umgesetzt werden können.

Bei erfolgreichem Projektverlauf und Umsetzung der Zellfertigung durch TerraE entsteht für StreetScooter sowohl direkt als auch indirekt wirtschaftlicher Erfolg. Die voraussichtlich günstigeren beziehungsweise effizienteren Lithium-Ionen-Batteriezellen tragen direkt zur Reduzierung der Gesamtkosten der Fahrzeuge bei und werden, sobald die Produktion der ersten Batteriemodule fertiggestellt wurde, in den StreetScooter-Fahrzeugen zuerst teilweise und eventuell vollständig verwertet (geschätzt drei Jahre nach Projektende). Ebenso wird im gleichen Zeitraum die Unabhängigkeit von ausländischen Lieferanten, die Erhöhung der Wettbewerber bei der Zellfertigung sowie die geographische Nähe zu StreetScooter die Kosten von Speichermodulen verringern. Als entscheidender Kostenfaktor für die Wertschöpfung elektrischer Fahrzeuge wäre eine Preissenkung von Batteriezellen ein entscheidender, finanzieller Erfolg für StreetScooter.

Indirekt wird durch die auf die automobile Anwendung angepasste Batterie das Fahrzeug entweder technisch, wirtschaftlich oder in beiden Bereichen attraktiver gestalten, wodurch mit höherer Nachfrage gerechnet, der Absatz steigen wird und die Fahrzeuge insgesamt positiver wahrgenommen werden. Auch dieser Effekt tritt ein, sobald die zu entwickelnde Traktionsbatterie in den Nutzwagen integriert wird.

Neben dem Fahrzeugbereich werden die Lithium-Ionen-Batteriezellen auch in sekundären Geschäftsbereichen, wie dem Aufbau von stationären Speichern an Zustellstützpunkten der Deutsche Post DHL Group, wirtschaftliche Vorteile erbringen. In erster Linie sollen die Speichereinheiten jedoch das Fahrzeug verbessern, weswegen die Verwertung in zweitrangigen Anwendungen frühestens in einem Zeitraum von vier bis fünf Jahren erfolgen wird.

Die Verbesserung der Traktionsbatterie geht mit erhöhten Leistungseigenschaften der Fahrzeuge einher und findet sofort ab dem Zeitpunkt statt, in dem die zu entwickelnden Speichermodule in das Fahrzeug integriert werden (ca. drei Jahre nach Projektende). Mögliche technische Entwicklungen sind eine höhere Lebensdauer für fahrzeugspezifische Be- und Entladungsvorgänge, eine größere Energiedichte und Reichweiten, geringeres Gewicht oder Bauvolumen und günstigere Eigenschaften für den Second-Life-Einsatz. Nach Beendigung des Projekts und ersten Fahrversuchen beziehungsweise Flottenversuchen in signifikanter Größenordnung mit der angepassten Traktionsbatterie können die Ergebnisse des Vorhabens praktisch getestet und analysiert werden. Mit Sicherheit werden sich weitere Optimierungspotentiale finden, an die in weiteren Projekten sowohl wissenschaftlich als auch technisch angeschlossen werden kann.