ZSW nimmt Pilotline für neue Kathodenmaterialien in den Vollbetrieb

Kathodenmaterialien sind insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien die teuerste und umweltkritischste Komponente der Batteriezellen. Mit einer neuen Pilotanlage in Ulm will das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) nun helfen, neuentwickelte vorteilhafte Materialien in die industrielle Zellproduktion zu überführen. Sie soll Materialien vom Labormaßstab auf Chargen von bis zu 100 Kilogramm skalieren. Die Pilotlinie namens „Powder-Up!“ steht der Industrie und anderen wissenschaftlichen Einrichtungen für Kooperationsprojekte zur Verfügung.

Die Forscher wollen in der Anlage unter anderem die Produktion von NMC-Kathodenmaterialien (Nickel-Mangan-Kobalt) voran bringen. Sie ermöglichen Batterien mit hoher Energiedichte, etwa für größere Reichweiten von Elektrofahrzeugen. Durch die gezielte Anpassung des Nickel-, Mangan- und Kobalt-Anteils lassen sich Energiegehalt, Lebensdauer, Stabilität und Kosten für unterschiedliche Anwendungen ausbalancieren.

Ein zweiter Schwerpunkt liegt auf LFP-Kathodenmaterialien (Lithium-Eisen-Phosphat). Weiteres wichtiges Thema sind Materialien für Natrium-Ionen-Batterien, so das ZSW.

Pilotlinie deckt gesamte Prozesskette ab

Mit ihren mehr als 135 Anlagen und Geräten deckt die Pilotlinie dem ZSW zufolge die gesamte Prozesskette von der Synthese bis zur Analyse und Qualitätssicherung ab. Eine digitale Prozessführung und hochautomatisierte Analytik sollen Entwicklungszyklen beschleunigen und Daten für KI-Anwendungen liefern.

Dem ZSW zufolge ermöglichen eigens entwickelte Apparate die Entwicklung von Syntheserouten im High-Throughput-Verfahren. Dabei werden viele Varianten parallel getestet, so dass sie schnell optimiert werden können. Die Materialcharakterisierung erfolgt mit Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), fokussiertem Ionenstrahlabtrag mit Rasterelektronenmikroskopie zur hochauflösenden Analyse (FIB-SEM), energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX), Raman-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und Röntgenpulverdiffraktion (XRD). All diese Methoden ermöglichen eine detaillierte Analyse von Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften der Materialien, so das ZSW.

Die elektrochemische Prüfung erfolgt in Knopfzellen, die ebenfalls am ZSW hergestellt und im hauseigenen Batterietestzentrum validiert werden. Alle Daten aus der Synthese und der Testung werden digital erfasst und unmittelbar in die weitere Materialentwicklung integriert. Dadurch sollen sich Entwicklungszyklen deutlich beschleunigen und Ergebnisse gezielt optimieren lassen.

Finanziert von Bund und Land

Die 2.400 Quadratmeter Nutzfläche einnehmende Pilotlinie wurde mit Fördermitteln des Bundes und des Landes Baden-Württemberg finanziert. Das Land hat das Gebäude mit rund 10 Millionen Euro finanziert, während der Bund die Anlagentechnik sowie die notwendige Infrastruktur mit rund 24 Millionen Euro unterstützt hat.

„Wer Batteriezellen in Deutschland und Europa wettbewerbsfähig produzieren will, braucht Zugang zu den besten Materialien“, sagt Markus Hölzle, ZSW-Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm. „Mit Powder-Up! können Unternehmen eigene Materialkonzepte industrietauglich validieren, gemeinsam neue Syntheseverfahren entwickeln oder von der digitalen Datenplattform profitieren.“

„Mit Powder-Up! hat das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt mit dem Land Baden-Württemberg gezielt investiert, um neue Kathodenmaterialien für Batterien schneller wirtschaftlich verwertbar zu machen“, sagt Bundesforschungsministerin Dorothee Bär (CSU). „So beschleunigen wir gezielt den Transfer vom Labor in die industrielle Anwendung – damit Batterietechnologie ‚Made in Germany‘ zum Gütesiegel wird.“