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

Mit bis zu 40 Prozent Wertschöpfungsanteil ist die Lithium-Ionen-Batterie eine der zentralen Komponenten im Elektrofahrzeug. Batteriemodule und Batteriesysteme werden in Europa bereits heute von verschiedenen Zulieferern und OEM selber hergestellt. Batteriezellen hingegen werden vorwiegend am asiatischen Markt zugekauft. Ein Großteil der Wertschöpfung eines Batteriesystems liegt dabei in der Zelle, sodass aktuell ein signifikanter Anteil der Wertschöpfung nicht in Deutschland stattfindet und eine hohe Abhängigkeit von Zulieferern vorliegt. Gleichzeitig bestimmt die Zelle maßgeblich über die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems und ist das entscheidende Differenzierungsmerkmal in batteriebetriebenen Produkten.

Um Deutschland als Leitmarkt für Elektromobilität zu etablieren, muss auch die Wertschöpfung überwiegend hierzulande angesiedelt werden. Seit Ende 2015 gibt es jedoch keine nennenswert kommerzielle Zellherstellung mehr in Deutschland. Aus Sicht der Industrie und Wissenschaft ist es dennoch essenziell, bereits jetzt eine industrielle Massenfertigung aufzubauen. Auf Basis von aktuellen Lithium-Ionen-Systemen kann der Wechsel zu zukünftigen Systemen wesentlich besser gelingen, wenn bereits grundlegende Produktionserfahrung in der Großserie gesammelt wurde und auf eine bereits fortgeschrittene Lernkurve zurückgegriffen werden kann.

Dennoch bestehen bezüglich der Etablierung einer Zellfertigung in Deutschland gewisse Barrieren. Zum einen besteht noch keine ausgeprägte Marktnachfrage durch OEM (Original Equipment Manufacturer, d. h. Automobilhersteller) für Elektrofahrzeuge in Großserienproduktion. Zum anderen – der ausschlaggebende Punkt – ist die fehlende Wettbewerbsfähigkeit der Hauptgrund dafür, dass in Deutschland keine Zellfertigung existiert.

Das Gesamtvorhaben Fab4LiB hat zum Ziel, Maßnahmen zur Steigerung der Material- und Prozesseffizienz in der Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung entlang der Wertschöpfungskette zu erforschen. Dabei sollen die gewonnenen Erkenntnisse unmittelbar nach der Durchführung des Forschungsprojektes in die Industrialisierung und den anschließenden Aufbau einer Deutschen Zellfertigung münden. Die erlangten Effizienzsteigerungsmaßnahmen sollen dem Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil gegenüber etablierten Zellherstellern liefern und somit das Unternehmen langfristig stärken.

Der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) hat in seinem Teilvorhaben zum Ziel, einen Beitrag zur Prozesseffizienzsteigerung in den Bereichen Elektrodenherstellung, Zellassemblierung und Formation zu leisten:

• Evaluation von Technologiealternativen

• Senkung der Infrastrukturkosten durch den Einsatz innovativer Technologien

• Senkung der Ausschussraten in der Zellfertigung durch Industrie 4.0 bzw. optimierte Qualitätssicherungskonzepte

• Analyse der Materialprozessketten und Rohstoffbedarfe

• Senkung der Prozesskosten während der Formation durch eine Optimierung der Anlagentechnik und Parameter.

Der unmittelbare Nutzen des Forschungsprojektes besteht in der Entwicklung effizienter Lösungen zur Realisierung einer wettbewerbsfähigen Batteriezellfertigung in Deutschland. Nach Abschluss der Projektphase sollen die Projektergebnisse in eine reale Zellfertigung umgesetzt werden. Hierdurch ist es möglich, den automobilen Standort in Deutschland zu stärken und wesentliche Wertschöpfungsumfänge in Deutschland anzusiedeln. Insbesondere die langfristige Steigerung der Versorgungssicherheit mit Batteriezellen für die deutsche Wirtschaft steht dabei im Fokus. Darüber hinaus sollen auch bei den beteiligten Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Kompetenzen im Bereich der Batteriezellfertigung gestärkt werden.