"Die Produktionskosten hängen von Energieeinsatz und Zellformat ab"

Die Partner im BatWoMan-Projekt wollen Kosten und Energieverbrauch in der Batteriezellproduktion drastisch senken. Auf welche Prozesse es dabei ankommt, erläutert Katja Fröhlich im Interview.

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Springer Professional: Die Herstellung von Batteriezellen ist sehr energieintensiv. Welche Prozesse verursachen den hohen Energieverbrauch?

Fröhlich: Sehr energieintensiv sind die verschiedenen Prozesse zur Trocknung und zur Lösemittelrückführung. Auf Zellproduktionsebene entfallen teilweise mehr als 45 % des Energiebedarfs darauf. Besonders viel Energie verbraucht dabei die Fertigung der Kathode, die nach heutigem Stand der Technik mithilfe eines organischen und reproduktionstoxischen Lösemittels durchgeführt wird. Das Lösemittel hat einen hohen Siedepunkt. Deswegen erfordert das Trocknen der Kathode und die anschließende Kondensierung des Lösemittels viel Energie. Zusätzlich müssen viele Produktionsprozesse unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden – sowohl nach der Elektrodenherstellung, als auch teilweise schon zuvor, etwa bei der Verarbeitung von nickelreichen Kathoden.

Was macht die Bereitstellung bestimmter Atmosphären so energieintensiv?

Viele der Einzelkomponenten – neben Lithium auch und vor allem Elektrolytbestandteile – reagieren mit Wasser beziehungsweise mit Feuchtigkeit, beispielsweise aus der Luft. Daher befinden sich die Geräte zur Zellherstellung in einem sogenannten Trockenraum, der viele tausende Kubikmeter pro Stunde umwälzt, um einen Taupunkt zwischen -20 und -60 °C zu halten. Die umgewälzte Luft wird auch hier wieder getrocknet, entweder elektrisch oder mit Gasbrennern. Je nach Zelltyp, Durchsatz und Hersteller entfallen ungefähr 20 bis 30 % des gesamten Energiebedarfs in der Zellproduktion auf den Einsatz und den Betrieb des Trockenraums.

Unterscheiden sich unterschiedliche Fabriken in ihren Energiebedarfen?

Reale Zahlen zu den Energieverbräuchen stehen selten öffentlich zur Verfügung. Insofern variieren die genannten Zahlen naturgemäß auch stark in Abhängigkeit des Herstellers, der Zelltechnologie und des Zelltyps, aber auch der Anlagengröße. Fest steht aber, dass sich die meisten Optimierungen, die wir im BatWoMan-Projekt anstreben, unabhängig von Hersteller, Zelltechnologie oder Anlagengröße anwenden lassen. Auch für Technologien und Zellenproduktionen, die über den gegenwärtigen Stand-der-Technik hinausgehen, rechnen wir durch unsere Entwicklungen mit einem drastisch reduzierten Energiebedarf.

Was macht Batteriezellen abgesehen von den hohen Energiekosten heute so teuer?

Die Gesamtkosten der Batteriezellen ergeben sich aus den eingesetzten Materialien und aus der Zellproduktion selbst. Vor allem das Aktivmaterial der Kathode stellt dabei einen großen Kostenfaktor dar. Die Produktionskosten hängen neben den Energiekosten auch vom Zellformat ab. Beispielsweise unterscheidet sich die Produktion von Rundzellen und sogenannte Pouch-Zellen, die gestapelt werden. Selbstverständlich spielt der Durchsatz eine Rolle, und auch der produzierte Ausschuss ist nicht zu unterschätzen. Die Optimierung der Prozesse in der Zellproduktion stellt daher ein höchst relevantes Forschungsfeld dar. Wir sind froh, hier am AIT bei Battery Technologies mit nachhaltigen und hochqualitativen Ansätzen einen wichtigen Beitrag leisten zu können, um die Kosten nachhaltig zu senken.

… was ja auch ein Ziel des EU-Projekts BatWoMan ist, in dem Sie gemeinsam mit Partnern die Kosten in der Zellproduktion um 60 % senken und den Energieverbrauch halbieren wollen. Wie wollen Sie das schaffen?

Indem wir die Energieeffizienz genau jener kostentreibenden Prozesse optimieren. Zum einen setzen wir in der Elektrodentrocknung auf die Verarbeitung von rein wasserbasierten, hochviskosen Pasten. Zum anderen wollen wir den generellen Bedarf des Trockenraums auf ein absolutes Minimum reduzieren. Durch die stetige Umwälzung der Luft zählt der Trockenraum zu den kosten- und energieintensivsten Einsätzen. Zusätzlich optimieren wir die Formierung und Alterung der Zelle.

Wie wollen sie den Trockenraumbedarf senken?

Wir werden neue Trocknungskonzepte auf Zellebene, aber auch neue Elektrolytfüllprozesse entwickeln. Indem wir Elektroden dreidimensional strukturieren, soll die Elektrolytfüllung – die trotz Optimierungen weiterhin unter Schutzatmosphäre geschehen muss – möglichst rasch und effizient vonstattengehen.

Welche Fortschritte wollen Sie in der Formierung und Alterung der Zelle erzielen?

Dieser letzte Schritt in der Zellfertigung findet oftmals lange mit niedrigen Strömen unter Druck und/oder Temperatureinfluss statt, und er nimmt viel Platz in Anspruch. Wir planen die Zellfinalisierung effizienter und rascher durchzuführen und die Kosten damit wesentlich zu reduzieren.

Die Fertigung wollen Sie mit einer KI-gestützten Datenplattform unterstützen.

Ja, die Datenplattform erfasst und speichert relevante und kritische Zellproduktionsprozesse und deren Parameter. Damit stellt sie wichtige Informationen für Second-Life-Anwendungen oder auch für Recyclingunternehmen bereit. Sie stellt auch dar, wie nachhaltig die Produktion ist – eine Möglichkeit, die zukünftig an Relevanz gewinnen wird.

Welche Rolle spielt die KI bei der Datenplattform?

Die gespeicherten Produktionsparameter werden mit elektrochemischen Kenndaten verknüpft. Hier soll eine Machine-Learning-Methodik zur Anwendung kommen. Bei ausreichend vorhandenen Datenpunkten lassen sich so mit definierten Zelleigenschaften die notwendigen Prozessparameter voraussagen. Unter anderem betrifft das den Formierprozess, den wir konkret in diesem Projekt verbessern möchten. Anstatt alle möglichen Testprotokolle tatsächlich messen zu müssen, lässt sich mithilfe von ML-Ansätzen die Anzahl der Versuche drastisch reduzieren. Ressourceneffizienz und Zellperformance lassen sich dann für den gewünschten Anwendungsfall hin optimieren.

Gemeinsam mit den Industriepartnern wollen Sie die neu entwickelte Zellproduktionskette bis zur Marktreife bringen.

Ja, im BatWoMan-Projekt haben hierfür ein eigenes Arbeitspaket angelegt, das sich mit der Industrialisierung und Marktumsetzung beschäftigt. Von den beteiligten Anlagenherstellern, die bereits im Segment tätig sind, erhoffen wir uns eine schnelle Umsetzung und Markteinführung der entwickelten Konzepte. Möglichst früh im Projekt soll deswegen auch die Wirtschaftlichkeit der neuen Prozesse beziehungsweise des dafür benötigten Equipments bewertet werden.

Wann dürften Batterien dank Ihrer optimierten Verfahren also nur noch halb so viel kosten wie heute?

Der geplante Projektabschluss wird im Jahr 2025 bei einem angestrebten TRL6 sein, somit liegt es dann an den Anlagenherstellern, die entwickelten Konzepte umzusetzen und auch das Equipment an den Markt zu bringen. Wir erhoffen uns den Markteintritt im Elektrofahrzeugsektor zwischen 2028 und 2035. Hier sind wir jedoch auch von anderen Faktoren abhängig, die wir nicht alle beeinflussen können. Im Anschluss erfolgt die Weiterentwicklung der Anlagen zum Großmaßstab bis hin in den Gigawattbereich.