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18-01-2024 | Batterie | Im Fokus | Article

Batterieproduktion strebt nach Technologiedurchbrüchen

Author: Thomas Siebel

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Im Batteriemaschinenbau sind Kostenreduktion, Qualitätssteigerung und nachhaltigere Produktion entscheidende Ziele. Um diese zu erreichen, sind Technologiedurchbrüche in verschiedenen Bereichen erforderlich.

Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) wächst rapide: Im Jahr 2021 wurden knapp 500 GWh an LIB-Zellen nachgefragt, und im 2024 wird die globale Zellproduktionskapazität voraussichtlich erstmals die TWh-Grenze überschreitet. Laut dem Branchenverband VDMA bieten sich für den europäischen Maschinen- und Anlagenbau große Geschäftspotenziale sowohl in der Zellfertigung als auch in der Modul-, Pack- und Systemfertigung.

Derzeit befinden sich die relevanten Zellhersteller hauptsächlich im asiatischen Raum, während chinesische Maschinenbauunternehmen weltweit führend als Fabrikausrüster sind. Allerdings verlagern sich Produktionsstätten zunehmend nach Europa, in die Nähe großer Fahrzeug-OEMS, und in die USA, wo durch den Inflation Reduction Act ein dritter Hotspot der Batteriefertigung entsteht.

Hohe Anforderungen auch für chinesischen Maschinenbau

Der rasante Ausbau der Fertigungskapazitäten stellt den europäischen Maschinen- und Anlagenbau mit seinen hochspezialisierten Unternehmen vor Herausforderungen. Sarah Michaelis, Expertin für Batterieproduktion beim VDMA, erklärt: "Der Hauptgrund dafür, dass chinesische Zulieferer als Fabrikausrüster gewählt werden, ist, dass sie als Generalunternehmer alles aus einer Hand anbieten können." Ein europäischer Turn-Key-Anbieter mit Referenzen in der Großserie sucht man heute hingegen noch vergeblich. Allerdings können europäische Fabrikausrüster Hoffnung schöpfen, da der schnelle Aufbau einer Massenproduktion für großformatige Batterien auch chinesische Maschinen- und Anlagenbauer vor Herausforderungen stellt. Die gesamte Branche muss sich den sogenannten Grand Challenges stellen:

  • Kostenersparnis durch Steigerung des Durchsatzes und höhere Ausbeuten
  • Qualitätssteigerung durch stabilere Prozesse sowie höhere Zellperformance und -sicherheit
  • Nachhaltigkeit durch höhere Ressourcen- und Energieeffizienz.

Technologische Durchbrüche in der Produktionstechnik notwendig

Der VDMA hat gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, dem Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen und der Battery LabFactory Braunschweig in der Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030 festgehalten, welche technologischen Durchbrüche dafür erforderlich sind. Sogenannte Red Brick Walls müssen entlang der gesamten Prozesskette überwunden werden.

Notwendige Technologiedurchbrüche

Elektrodenfertigung

  • Entwicklung von Trockenbeschichtungsverfahren, die mit möglichst wenig oder ohne Lösemittel auskommen und den Energieverbrauch beim späteren Kalandrieren senken
  • Qualitätssteigerung durch Inline-Überwachung der Homogenität der Schichten und
  • aktive Prozesssteuerung beim Beschichten und Trocknen
  • Erhöhung des Durchsatzes bei der Separatorproduktion
  • Vermeidung von Rückständen beim Stanzen oder Schneiden der einzelnen Anoden-, Kathoden- oder Separatorsheets durch Filtertechniken und Predictive Maintenance

Zellfertigung

  • Hohe Positioniergenauigkeit beim Stapeln der Zellen bei gleichzeitiger Steigerung der Geschwindigkeit
  • Prozesszeitverkürzung und homogene Benetzung des Zellstapels unabhängig vom Zelldesign bei der Elektrolytbefüllung
  • Bedarfsgerechte und wirtschaftliche Auslegung von Rein- und Trockenräumen als entscheidender Faktor für die langfristige Wettbewerbsfähigkeit

Formierung

  • Entwicklung eines tiefgreifenden Verständnisses des erstmaligen Lade- und Entladeprozesses der Zellen, um darauf aufbauend zeit- und energieoptimierte Formierprotokolle zu entwickeln.

Modulfertigung

  • Finden eines guten Verhältnisses aus Automatisierung und Produktkomplexität angesichts des hohen Kostendrucks in der Modulproduktion
  • Verhinderung von Versprödung und Korrosion der Kontakte an Modulen und Zellen

Packfertigung

  • Einsatz modularer stückzahl- und produktflexibler Produktionssysteme bei der Modul- und Systemmontage
  • Minimierung von Ausschuss bei zunehmender Gehäusevielfalt in der Gehäusefertigung

Tieferes Verständnis der Prozesskette erforderlich

Neben Durchbrüchen in einzelnen Technologiebereichen ist laut der Roadmap ein tieferes Verständnis der wesentlichen Wirkzusammenhänge entlang der gesamten Prozesskette erforderlich. Dies beinhaltet das Verständnis dafür, wie bestimmte Prozessparameter mit der Qualität der Zwischenprodukte und den elektrochemischen Eigenschaften der finalen Batteriezelle zusammenhängen. Dadurch können beispielsweise der Einfluss von Umweltparametern oder schwankenden Materialeigenschaften reduziert werden.

Zudem bildet das genaue Prozessverständnis die Grundlage für die Entwicklung von Maschinen, die optimal auf den Einsatzzweck abgestimmt sind und nicht darüber hinausgehen. Solche sogenannten frugalen Innovationen sollen Maschinen aus europäischer Produktion auch kostenmäßig wettbewerbsfähiger machen.

Des Weiteren werden Lösungen für die automatisierte Demontage der unterschiedlichen Batteriesysteme benötigt, um das verbaute Material möglichst vollständig zurückzugewinnen.

Hersteller direkt in Großprojekte einbinden

Der europäische Maschinen- und Anlagenbau verfügt mit seiner hohen Innovationskraft, seiner starken Spezialisierung und seiner Erfahrung aus anderen Industrien angesichts der anstehenden Aufgaben über eine gute Ausgangsbasis, betont der VDMA. Er verfügt Kompetenzen unter anderem in den Bereichen Digitalisierung sowie Umwelt- und Nachhaltigkeit. Nun gilt es, den Forschungsbedarf in enger Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen, Industrie und Politik anzugehen und neue Ideen schneller als bisher umzusetzen.

Wichtig ist dem VDMA zufolge auch, dass Hersteller von Produktionsmitteln direkt in Großprojekte eingebunden werden, um Bedarfe schnell zu erkennen und Lösungen zu entwickeln. Angesichts des rasant wachsenden Marktes sollte der Fokus zudem nicht nur auf der Deckung von Bedarfen liegen. Gerade jetzt sei es wichtig, Chancen zu erkennen und Zeit für Innovationen und neue Ansätze zu investieren.

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