60-Liter Mischstation zum Anfertigen der Elektrodenpasten. (Bild: ZSW/Duckek)
Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Land Baden-Württemberg geförderte Pilotfertigung am ZSW ist auf einer Fläche von mehr als 3.000 Quadratmetern mit speziell entwickelten Produktionsanlagen ausgerüstet und wird seit gut einem Jahr betrieben. Anfang 2015 starteten die Arbeiten. Die technologischen Hürden für eine kommerzielle Produktion von Batteriezellen hierzulande sind mit den auf der ZSW-Pilotanlage gesammelten Erfahrungen deutlich reduziert worden. „Für Deutschland ist der Aufbau einer Produktion von automobiltauglichen Batteriezellen eine einmalige Chance, um die Wertschöpfung und Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten“, sagt Prof. Dr. Werner Tillmetz, ZSW-Vorstand und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien. „Jetzt müssen noch die Hebel in der Industrie und bei den Zulieferern umgelegt werden.“
Mehr als elf Kilometer Elektrodenfolien verarbeitet
Einige Unternehmen haben das bereits erkannt und sich bei den technologischen Vorarbeiten engagiert: BASF, BMW, Daimler, Elring Klinger, Manz, Robert Bosch, Rockwood Lithium, SGL Carbon und Siemens. Die vorwettbewerbliche Forschungsplattform im ZSW-Labor für Batterietechnologie (eLaB) in Ulm steht allen Unternehmen und Forschungseinrichtungen zur Produktionsforschung für Batteriezellen mit fortschrittlichen Materialien und Herstellverfahren zur Verfügung. Seit Inbetriebnahme vor einem Jahr verarbeitete das ZSW 1.300 Kilogramm an Aktivmaterialien zu Pasten, beschichtete 11 Kilometer Elektrodenfolien und assemblierte daraus weit mehr als tausend Zellen vollautomatisch. Dabei konnte die geforderte Produktionsgeschwindigkeit von einer Minute pro Zelle und die kontinuierliche Reduktion der Ausschussraten erfolgreich demonstriert werden. „Im ersten Jahr Betrieb der Pilotfertigung haben wir enorm viel an Erfahrung zur Herstellung von automobiltauglichen Lithium-Ionen-Zellen gewonnen und gewinnen jeden Tag neue, wertvolle Erfahrungen hinzu, die extrem wertvoll für die erfolgreiche Etablierung einer kommerziellen Fertigung sind“, so Tillmetz.
Um alle Anforderungen für künftige Zellen beispielsweise in Bezug auf Kapazität oder Lebensdauer erfüllen zu können, sind weitere Entwicklungsanstrengungen nötig. Dennoch zeigen die aktuellen Ergebnisse, welche beeindruckenden Erfolge die deutsche Industrie zusammen mit der Forschung in den vergangenen Jahren erzielt hat. War doch das Verständnis über den gesamten Produktionsprozess für Lithium-Ionen-Zellen – von der Elektrodenherstellung über die Zellmontage bis zur Formierung und Prüfung – bislang nur bei sehr wenigen deutschen Experten vorhanden. Für die Qualifikation der Herstellprozesse verwendeten die Forscher die heute weltweit am weitesten verbreitete Materialkombination Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC)/Graphit. In neu angelaufenen und künftig geplanten Projekten werden auch fortschrittliche Materialien eingesetzt, die höhere Energiedichten und damit höhere Reichweiten der Fahrzeuge ermöglichen. Auch die Optimierung der Zellkonstruktion und der einzelnen Fertigungsprozesse sind vorgesehen.