Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFBForschungsprojekt »HoWaLIB« gestartet
Leistungsstärkere Lithium-Ionen-Batterien: Projektteam skaliert Walzstrukturierung in der Elektrodenproduktion
Das Forschungsprojekt »HoWaLIB« unter Beteiligung von vier Projektpartnern aus Industrie und Forschung entwickelt ein Verfahren zur gezielten Oberflächenmodifikation von Elektroden mittels Walzstrukturierung weiter. Die skalierte Technologie ermöglicht leistungsstärkere Batteriespeicher bei gleichbleibendem Aktivmaterialeinsatz, schont damit wertvolle Ressourcen und trägt zu einer nachhaltigeren und kostengünstigeren Massenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien sowie einer Stärkung der europäischen Wettbewerbsfähigkeit im Batteriesektor bei.
Münster/Vreden. Das Forschungsprojekt »HoWaLIB« unter Beteiligung von vier Projektpartnern aus Industrie und Forschung entwickelt ein Verfahren zur gezielten Oberflächenmodifikation von Elektroden mittels Walzstrukturierung weiter. Die skalierte Technologie ermöglicht leistungsstärkere Batteriespeicher bei gleichbleibendem Aktivmaterialeinsatz, schont damit wertvolle Ressourcen und trägt zu einer nachhaltigeren und kostengünstigeren Massenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien sowie einer Stärkung der europäischen Wettbewerbsfähigkeit im Batteriesektor bei.
Die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB, das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München, Manugy und Matthews International erstellen ein Anlagenkonzept zur gleichzeitigen Kalandrierung und Strukturierung von beschichtetem Elektrodenmaterial sowie ein kosteneffizientes Verfahren zur Fertigung geeigneter Strukturwalzen. Die Validierung erfolgt in der industrienahen Umgebung der Fraunhofer FBB – für einen zügigen Transfer dieser Technologie in die industrielle Anwendung.
Das Forschungsprojekt »HoWaLIB – Hochskalierung der Walzstrukturierung in der Elektrodenproduktion für Lithium-Ionen-Batterien« wird mit rund 2,5 Millionen Euro aus den Mitteln des »Sondervermögen Klima- und Transformationsfonds« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Koordiniert wird das Forschungsprojekt von Matthews International.
Skalierte Technologie – ressourcenschonend und inlinefähig
Im Zuge des Technologiewandels rücken Lithium-Ionen-Batterien als zentrale Komponenten für die Speicherung und Bereitstellung von Energie verstärkt in den Fokus. Zugleich gewinnt die kontinuierliche Weiterentwicklung der entsprechenden Fertigungsverfahren in Bezug auf Nachhaltigkeit, Effizienz und Kostenstruktur an Relevanz. Das Forschungsprojekt »HoWaLIB« knüpft unmittelbar an die Erkenntnisse aus dem Vorgängerprojekt »ProfiStruk – Prozess- und Anlagenentwicklung zur prozessintegrierten Inline-Strukturierung von Lithium-Ionen-Elektroden« an, in dem verschiedene Verfahren zur Oberflächenstrukturierung von Batterieelektroden ohne Aktivmaterialverlust getestet wurden. Anhand elektrochemischer Untersuchungen konnte die Walzstrukturierung als ressourcenschonende Möglichkeit identifiziert werden, bei gleichbleibendem Materialeinsatz die Leistungsfähigkeit der Elektroden zu erhöhen. Darüber hinaus stand die Bewertung der Inlinefähigkeit im Vordergrund.
Das Verfahren der Walzstrukturierung lässt sich aufwandsarm auch in bereits bestehende industrielle Produktionslinien integrieren. Im Rahmen von »HoWaLIB« wird der Forschungsverbund das Verfahren skalieren, um dessen Adaption im deutschen und europäischen Anlagenbau zu beschleunigen.
»Die systematische Skalierung der Strukturkalandrierung von Elektroden ist ein entscheidender Schritt, um die industrielle Umsetzung dieser Technologie voranzutreiben. Sie ermöglicht die gleichzeitige Verbesserung der Leistungs- und Energiedichte der Batteriezellen und trägt so zur Etablierung der Batterietechnologie insbesondere in Sektoren mit hohen Anforderungen an Performance und Ladezeiten bei. Die Skalierung der Technologie auf Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 25 m/min ermöglicht die Validierung der Technologie bei hohen Durchsatzraten und führt sie einen Schritt näher an die Industriereife.«, erklärt Daniel Becker, aus der Gruppe Elektrodenfertigung der Fraunhofer FFB.
Dazu wird – basierend auf definierten Referenz- und Ziel-Designs sowohl für die Elektrode als auch die Batteriezelle – ein für den Hochdurchsatz-Betrieb geeigneter und mit Strukturwalzen ausgestatteter Kalander entwickelt und gefertigt. Dies umfasst geeignete Reinigungs- und Wartungsstrategien als Teil eines Inline-Qualitätssicherungskonzepts.
Die Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB bietet eine industrienahe Umgebung zur weiteren Validierung und Skalierung der Technologie. »Die im Projekt entwickelten Analyse- und Überwachungstechnologien ermöglichen zudem eine kontinuierliche Überwachung und präzise Steuerung der Inline-Walzenreinigung, wodurch wir eine gleichbleibende Qualität der Elektrodenstrukturierung und schlussendlich eine effiziente, nachhaltige und qualitätsgesicherte Elektrodenproduktion erreichen«, erläutert Daniel Becker.
Geförderte Batterieforschung - Investition in die Zukunft und den Industriestandort
Die zielgerichtete und zukunftsorientierte Stärkung der europäischen Wettbewerbsfähigkeit im Batteriesektor insbesondere gegenüber asiatischen Märkten gelingt in erster Linie über die Entwicklung und erfolgreiche Etablierung innovativer Fertigungsverfahren, die die Kostenstruktur der produzierten Zellen senken. »Mit HoWaLIB bringen wir eine Schlüsseltechnologie zur Strukturierung von Elektroden in die industrielle Anwendung und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Batteriezellproduktion in Europa«, erklärt Dr. Anna Zumbülte, Projektkoordinatorin bei Matthews International. »Wir freuen uns, dass die Bedeutung dieser technologisch souveränen Lösung wie auch deren Potenzial in Hinblick auf die Massenproduktion leistungsstärkerer Lithium-Ionen-Batterien von Seiten des Bundes erkannt und unser gemeinsamer Forschungsbeitrag gefördert wird.«
Die aus dem Forschungsprojekt hervorgehenden Kompetenzen kongruieren mit dem wachsenden Bedarf an kosteneffizienten Batteriesystemen und dem erklärten Ziel der Ressourcenschonung in der Zellproduktion. Zugleich leisten sie ihren Beitrag zur Stärkung des Industriestandorts Deutschland sowie des europäischen Wirtschaftsraums.
Durch die einfache Integration des Prozesses in bereits bestehende Produktionslinien wie auch als integraler Bestandteil in Planung befindlicher Anlagen im Gigafactory-Maßstab, schaffen die Projektergebnisse vielseitige Verwertungsmöglichkeiten und internationale Wettbewerbsfähigkeit. Das Forschungsprojekt hat eine Laufzeit von drei Jahren und endet am 31. Dezember 2027.
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