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

Herausfordernde Kohlendioxid-Emissionsziele und die zunehmende Knappheit fossiler Brennstoffe führen zu einem Umdenken im Energie- und Verkehrssektor. Im Energiesektor äußert sich dies durch den verstärkten Ausbau von erneuerbaren Energien, wie etwa Windkraft, Solarenergie und Wasserkraft, für deren Speicherung die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) kurz- bis mittelfristig die attraktivste Variante darstellt. Ein Großteil der Wertschöpfung eines Batteriesystems liegt in der Zelle, weshalb gegenwärtig ein signifikanter Anteil der Wertschöpfung außerhalb Deutschlands stattfindet, da deutsche Unternehmen von asiatischen Zulieferern abhängig sind. Um dies zu ändern, ist es essenziell, innerhalb Deutschlands entsprechendes Know-how für eine industrielle Massenfertigung zu generieren und Konkurrenzfähigkeit auf dem Weltmarkt herzustellen.

Ziel des Teilprojektes am MEET ist die Auswahl optimaler Materialien und Komponenten (Kathoden- und Anodenaktivmaterial, Binder, Separator, Elektrolyt) für Pouch- und Rundzellen der nächsten LIB-Generation.

Dabei werden neuartige Aktiv- und Inaktivmaterialien eingesetzt, die sich – verglichen zum Stand der Technik – durch höhere Energiedichten, verringerte Alterungseffekte und intrinsisch verbesserte Sicherheitseigenschaften auszeichnen. Zelldesign und Zellchemie werden hierfür speziell an die Anforderungen bezüglich Ratenstabilität, Temperaturbereich, Lebensdauer etc. angepasst. Nicht zuletzt sind die Materialverfügbarkeit (Ressourcen, Kosten, geopolitische Aspekte) sowie die zu erfüllenden Sicherheitsanforderungen (intrinsische Sicherheit und Einfluss der Alterung auf die Zellsicherheit) zentrale Aspekte bei der Materialauswahl. Teilprojektübergreifend werden Pouch- und Rundzellendesigns ausgearbeitet, auf deren Basis spezifische Elektrodenrezepturen und -architekturen entwickelt werden. Im weiteren Verlauf ist eine Hochskalierung des Herstellungsprozesses zusammen mit der Firma Custom Cells Itzehoe (CCI) in einen großtechnischen Maßstab zur kompetitiven Variantenfertigung angestrebt.

Inhalt dieses Teilprojektes ist die Entwicklung eines hoch perfomanten Elektrodendesigns basierend auf innovativen Zellchemien. Die spezifischen Anforderungen an die Pouch- und Rundzellen werden in den Teilprojekten 2 und 4 definiert und fließen direkt in die Materialauswahl dieses Teilprojektes ein. Somit können die Zellchemie und das Zelldesign entsprechend der Zielspezifikationen direkt aufeinander abgestimmt werden. Favorisierte Materialien und Komponenten werden im Labormaßstab durch das MEET in enger Abstimmung mit den im Projekt beteiligten Material- und Zellherstellern evaluiert. Ein Arbeitsschwerpunkt liegt hierbei auf der Rezepturentwicklung im Labormaßstab, wobei nicht nur moderne Aktivmaterialien eingesetzt, sondern auch Empfehlungen zur Auswahl und Verwendung von Inaktivkomponenten wie Bindern und Elektrolyten abgegeben werden.

In enger Kooperation werden nachfolgend unter Federführung der Firma CCI die ersten Skalierungsphasen erprobt, die in Serienmustern münden sollen; hierbei werden die in Teilprojekt 11 entwickelten Anlagen (Laserschneidegerät für Elektrodensheets, optimierte Vorrichtung für die Elektrolytbefüllung) verwendet. Die gewonnenen Erkenntnisse aus diesem Teilprojekt werden direkt, unter Federführung der Firma Manz, an die entsprechenden Projektpartner zur Entwicklung des Pouch- und Rundzellen-Produktionsprozesses weitergereicht. Zudem dienen die Ergebnisse als Grundlage zur Entwicklung innovativer Beschichtungsverfahren (insbesondere im großtechnischen Maßstab), welche die Firma Litarion betrachtet und konzipiert.

Der Beitrag zum Thema Energiespeicherung in diesem Teilprojekt gestaltet sich mannigfaltig, da die Zellchemie und das Zelldesign die Grundlage für die Gesamtperformance eines elektrochemischen Energiespeichers bilden. Als Ergebnis des Teilprojektes steht u. a. die Erhöhung der Energiedichte von LIB-Zellen unter Berücksichtigung von Sicherheits-, Nachhaltigkeits- und Kostenaspekten. Ein Großteil der Wertschöpfung eines Batteriesystems liegt auf dem Zelllevel, wodurch sich erhebliche Kostenreduktionspotenziale bei der Auswahl der Materialien und Komponenten eröffnen. Zudem stellt die stetig wachsende Nachfrage nach elektrischen Speicherkapazitäten gute Markteinstiegschancen auch für neue „Player“ bereit, sodass eine strategische Neuausrichtung deutscher Unternehmen in Verbindung mit der Schaffung von Arbeitsplätzen im Bereich der Materialhersteller bzw. der Maschinen- und Anlagenbauer ermöglicht wird.

Die Herausarbeitung von Alleinstellungsmerkmalen, z. B. durch eine gesteigerte intrinsische Sicherheit durch Auswahl geeigneter Komponenten (z. B. Elektrolyt-Additive) trägt darüber hinaus zur Umsetzung einer deutschen Zellfertigung bei – mit dem langfristigen Ziel, einen direkten Wettbewerbsvorteil gegenüber Herstellern aus Fernost zu manifestieren.