Fraunhofer-Gesellschaft
Fraunhofer-Gesellschaft
""
© Adobe Stock

© Adobe Stock

Batteriezellfertigung für die Energiewende

Ob in E-Autos, in der Medizintechnik oder in unseren Smart Devices – Batterien sind längst aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Mit der weltweiten Energiewende und dem wachsenden Bedarf an nachhaltigen, emissionsarmen Technologien steigt auch die Nachfrage nach leistungsfähigen und ressourcenschonenden Energiespeichern.

Batteriezellen sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Doch nur durch starke Forschung und schnelle Innovationstransfers kann das Potenzial voll ausgeschöpft und der Bedarf an einer europäischen Batteriezellfertigung gedeckt werden.

Einblicke in die Fraunhofer-Forschung

Produktion und Infrastruktur

Die Batteriezellproduktion in Europa nimmt stark an Fahrt auf. Bis zum Jahr 2030 werden Produktionskapazitäten von über zwei Terawattstunden pro Jahr erwartet. Das übersteigt die voraussichtliche Nachfrage.
Prognose für den Hochlauf der Batteriezellproduktion in Europa (Fraunhofer ISI)


Der Aufbau der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB ist ein Großprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft und eines der größten Forschungsbauvorhaben Deutschlands und weltweit einmalig. Die Einrichtung arbeitet an der Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie mit der Mission, innovative Produktionsprozesse für Batteriezellen zu entwickeln und im industrierelevanten, großskaligen Maßstab zu validieren.

Luftbildaufnahme der Batteriezellfabrik.
© Dennis Neuschäfer-Rube
Die »FFB PreFab« ist eine offene Batteriezellfabrik für Forschungs- und Entwicklungszwecke. Hier können alle Schritte der Batteriezellproduktion abgebildet werden – von der Elektrodenfertigung über die Zellassemblierung bis zur Formierung. In der integrierten Pilotlinie können vollständige Pouchzellen reproduzierbar produziert werden.

Forschungsfertigung im Gigamaßstab

Ein zentrales Element ist dabei die »FFB PreFab« in Münster: eine vollständig digitalisierte Fertigungsumgebung für Pouch- und prismatische Zellen sowie eine durchgängig digitalisierte Prozesskette. Hier können kleine, mittlere und große Unternehmen die seriennahe Produktion neuer Batteriezellen sowie innovative Anlagentechnik erproben und skalieren. Der nächste Entwicklungsschritt erfolgt in der derzeit im Bau befindlichen »FFB Fab«. Dort entsteht eine vollständig digitalisierte Fertigungslinie für die großskalige Batteriezellproduktion.

 

Projektförderung

Das Großprojekt wird vom BMFTR und vom Land Nordrhein-Westfalen gefördert. Der Bund fördert die Fraunhofer FFB mit bis zu 500 Millionen Euro für Forschungsanlagen und -projekte. Das Land Nordrhein-Westfalen stellt bis zu 320 Millionen Euro für Grundstücke und Neubauten zur Verfügung. 

Themenfelder entlang der Wertschöpfungskette

Die Batteriezellforschung erfordert einen interdisziplinären Ansatz, bei dem verschiedene Fachrichtungen eng zusammenarbeiten. Unter einem Dach vereinen sich Kompetenzen beispielsweise aus der Elektrochemie, Verfahrenstechnik, dem Maschinenbau sowie den Nachhaltigkeits- und Wirtschaftswissenschaften. Diese Vielfalt bildet die Grundlage für Innovationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Batteriezellfertigung.

 

© Fraunhofer FFB

Digitalisierte Batteriezellfertigung 

Wie in vielen Bereichen des professionellen und privaten Lebens bietet die Digitalisierung auch in der Produktion von Batteriezellen große Vorteile. Denn erst die Vernetzung von Maschinen, Produkten, dem Gebäude und ihrer Daten im Sinne der Industrie 4.0 ermöglicht eine effiziente und nachhaltige Zellfertigung.

 

© Fraunhofer FFB

Fabrikplanung

Der exponentiell wachsende Bedarf an Batteriezellen kann nur gedeckt werden, wenn die Produktion in den nächsten Jahren hochgefahren wird. Die Errichtung einer Gigafactory stellt die Industrie häufig noch vor Herausforderungen. Die Fraunhofer FFB bietet Unternehmen entsprechende Unterstützungslösungen an.

 

© Fraunhofer FFB

Prozessinnovation und Anlagentechnik 

Ziel ist es, die Batteriezellfertigung effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Bekannte Techniken werden optimiert und innovative Ansätze, wie die Trockenbeschichtung, zur Marktreife gebracht. So soll die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Batteriezellproduktion gesteigert und gleichzeitig die Umweltbelastung reduziert werden.

 

© Adobe Stock

Batterien als neues Geschäftsfeld 

Der wachsende Batteriemarkt bietet zahlreiche Chancen, denn die Wertschöpfungskette der Batteriezelle bietet Expansionsmöglichkeiten in allen Bereichen: Von der Rohstoff- und Materialindustrie über die Zulieferer von Batteriezellkomponenten, die Batteriezellfertigung und -integration bis hin zur Wiederverwertung und zum Recycling von Batterien oder deren Komponenten.

 

© Fraunhofer FFB

Batteriezellinnovation & Musterproduktion

Ob All-Solid-State-Batterien, Natrium-Ionen-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien oder inkrementelle Innovationen an bestehenden Lithium-Ionen-Batteriezellen – eines ist klar: Die Entwicklung neuer Zellgenerationen schreitet voran und es tauchen kontinuierlich neue Zelltypen am Markt auf. 

 

© Adobe Stock

Stoffkreislauf und Nachhaltigkeit 

Die Klimakrise ist derzeit eine der größten Herausforderungen für die Menschheit und erfordert eine schnelle Abkehr von fossilen Brennstoffen. Bei Fraunhofer schaffen wir ressourcenschonende Lösungen für bestehende Produktionsprozesse, die Kosten, Ausschüsse und CO2-Emissionen langfristig senken. So kann die Produktion von Batterien nachhaltiger gestaltet werden.

Alternative Batterietechnologien

Die weltweit steigende Nachfrage nach Batterien wird derzeit zum Großteil durch Lithium-Ionen-Batterien gedeckt. Aufgrund von geopolitischen Abhängigkeiten und Ressourcenverfügbarkeiten geraten allerdings zunehmend alternative Batterietechnologien in den Fokus. Die unterschiedliche technologische Reife und die technologischen Herausforderungen lassen erwarten, dass die alternativen Batterietechnologien voraussichtlich zu unterschiedlichen Zeiten für den Markteintritt zur Verfügung stehen. Unter anderem können Alternativen sein:

 

© Fraunhofer FFB

Das Innovationspotenzial von Natrium-Ionen-Batterien 

Die Natrium-Ionen-Technologie bietet eine vielversprechende, wettbewerbsfähige Alternative. Forschende im Projekt Na.Ion.NRW erarbeiten ein nachhaltiges elektrochemisches Speicherkonzept auf Basis der Natrium-Ionen-Technologie unter Verwendung lokal verfügbarer, kostengünstiger und umweltfreundlicher Rohmaterialien zur anschließenden Verwertung in stationären Energiespeicherkonzepten. 

 

© Getty Images

Festkörperbatterien: Hochenergiespeicher der nächsten Generation

Wiederaufladbare Festkörperbatterien werden als Hochenergiespeicher der nächsten Generation angesehen. Die Fertigung von Batterien, die ausschließlich aus festen Materialien bestehen, stellt sowohl auf Zellebene als auch für das gesamte Batteriesystem eine Herausforderung dar. Dies erfordert den Einsatz neuer Fertigungs- und Produktionstechniken sowie innovative Methoden bei der Zellmontage. 

 

© CustomCells Itzehoe GmbH für HiQ-CARB

Projekt HiQ-CARB: Nachhaltigere leitfähige  Kohlenstoffadditive für Lithium-Ionen-Batterie

Angesichts der steigenden Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien ist die Entwicklung innovativer und umweltfreundlicher Materialien von zentraler Bedeutung. Das von der Europäischen Union/EIT RawMaterials geförderte gemeinsame Projekt HiQ-CARB hat in den letzten vier Jahren einen großen Fortschritt in dieser Schlüsseltechnologie zur Reduzierung der CO2-Emissionen erzielt. 

Starke Förderung für zukunftsweisende Forschung

 

© Fraunhofer FFB

In Zukunft elektrisch fliegen 

Die Forschung auf dem Gebiet der elektrischen Flugzeuge steht noch ganz am Anfang. Jedoch erfordert eine erfolgreiche Elektrifizierung der Luftfahrt neben neuer Antriebstechnologien auch praxisnahe Lösungen für die Energieversorgung am Boden. Im Forschungsprojekt »MOMO-C« entwickeln Forschende eine mobile, modulare Ladeeinheit für elektrisch betriebene Kurzstreckenflugzeuge. 

 

© Getty Images

Recycling kritischer Rohstoffe 

Viele End-of-Life-Produkte landen auf Deponien oder werden als Schrott ins Ausland exportiert, was zu einem Verlust wertvoller Rohstoffe führt. Das Forschungsprojekt »SeRoBatt« zielt darauf ab, sekundäre Rohstoffquellen für die Batteriezellproduktion zu identifizieren und zu erschließen. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf Glaskeramiken, der zweitgrößten Lithium-Produktgruppe nach Batterien, für die es noch keinen geregelten Stoffkreislauf gibt.

 

© Studio Wiegel

Aufbau einer Nachwuchsforschungsgruppe 

An der Fraunhofer FFB wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt der Aufbau einer Nachwuchsforschungsgruppe für die Entwicklung und Etablierung neuartiger und ressourcenschonender Produktionsansätze für die Elektrodenfertigung in der Lithium-Ionen-Batterieproduktion gefördert.

 

© Adobe Stock

Vernetzung entlang der gesamten Wertschöpfungskette  

Der Transformations-Hub Wertschöpfungskette Batterie (TraWeBa) vernetzt Unternehmen entlang der Batteriewertschöpfungskette – von Zellchemie über Produktion bis hin zu Recycling und Second-Use. An dem Konsortium sind vier Fraunhofer-Institute beteiligt.

Fraunhofer-Allianz Batterien

Fraunhofer bündelt mit 26 Instituten und Einrichtungen seine Expertise entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Materialforschung bis zur Zellproduktion. Als aktiver Partner in sämtlichen Batterie-Leitprojekten des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert Fraunhofer die industrielle Umsetzung und trägt dazu bei, Deutschlands Wettbewerbsfähigkeit im Zukunftsmarkt Batterie zu sichern.