Batterieforum Deutschland 2024: 28 aktuelle Vorträge und Studien diskutiert vom KLiB e. V. in Berlin

Highlights aus der Wissenschaft und Forschung (Q1/2024)

Briefing des TraWeBa-Projekts

In diesem Briefing präsentieren wir aktuelle Zahlen, Risiken bzw. Ergebnisse aus 22 Studien und Vorträge vom Batterieforum Deutschland 2024 organisiert vom Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien e.V. Das Netzwerk versammelte vom 24. bis 26. Januar 2024 Teilnehmer aus Politik, Forschung und Industrie in Berlin um über über die deutsche Batterieforschung und den industriellen Aufbau eines technologisch souveränen und nachhaltigen Ökosystems Batterie in Deutschland zu diskutieren.

Die Schwerpunkte des Summary Briefings liegen in den Fokusthemen Batteriezellkomponenten, Methoden zur Beschleunigung der Zellentwicklung, Simulation und Machine Learning, sowie Second Use und Batterierecycling.

Disclaimer

Abstract

Die Forschungslandschaft zu Lithium-Ionen-Batterien entwickelt sich laufend weiter. Mit dem nachfolgenden Quartalsbericht möchten wir Ihnen ausgesuchte, jüngere Entwicklungen aus dieser Landschaft vorstellen.

Der zentrale Schwerpunkt dieses Briefings greift dabei ausgewählte Themenschwerpunkte und Inhalte des diesjährigen Batterieforum Deutschland 2024 auf, dass im Januar stattgefunden hat und vom Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien e.V. (KLiB) bereits zum zwölften Mal ausgerichtet wurde. Bei Interesse an einer tieferen Diskussion stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung 

Ansprechpartner TraWeBa Summary Briefing

Fraunhofer Institut für Keramische Technologen und Systeme

Am St.-Niclas-Schacht 13 | 09599 Freiberg
Ansprechpartner: Dr. Christian Kensy
Tel.: +49 (0) 3731 2033-158
E-Mail: christian.kensy@ikts.fraunhofer.de

Das Batterieforum Deutschland 2024

Einblick in die aktuelle Situation der Batterieforschung

Das Batterieforum Deutschland 2024, ausgerichtet vom Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien e.V. (KLiB) [29], fand Anfang des Jahres bereits zum zwölften Mal statt. Vom 24.-26.01.2024 diskutierten in Berlin Teilnehmende aus Politik, Forschung und Industrie über die deutsche Batterieforschung und den industriellen Aufbau eines technologisch souveränen und nachhaltigen Ökosystems Batterie in Deutschland.

Die Eröffnung des Batterieforums fand durch Dr. Michael Krausa (Geschäftsführer KLiB) und Dr. Burkhard Straube (KLiB Vorsitzender) statt. Die Stimmung auf dem Batterieforum war zunächst geprägt von Sorge und Unzufriedenheit über die drastischen Kürzungen der Fördermittel für die Batterieforschung. Akteure aus Forschung und Industrie warnen eindringlich vor den potenziellen Folgen für das aufstrebende deutsche Batterie- Ökosystem durch die Kürzungen von Fördermitteln. Hintergrund ist u.a. das Bundesverfassungsgerichtsurteil im November 2023 über die Konformität des Klima- und Transformationsfond (KTF) der Bundesregierung, woraufhin der KTF gesperrt wurde. In der Haushaltsplanung 2024 wurden zunächst im Entwurf Einsparungen des Bundesministeriums für Forschung und Entwicklung (BMBF), insbesondere durch Mittelkürzungen von 180 Mio € für „Maßnahmen zur Weiterentwicklung der Elektromobilität“ und damit direkt im Bereich der Batterieforschung in Deutschland, vorgenommen. Einem Brandbrief des KLiB [1] als Aufschrei der deutschen Batterieforschung und einer Vielzahl von Medienberichten folgend konnte für dieses Jahr das BMBF den harten Einschnitt etwas abfedern. Eine Nachjustierung sieht für dieses Jahr nun insgesamt ein Fördermittelvolumen für neue Projekte von bis zu 70 Mio € vor [2], [3]. Damit können bestehende Projekte fortgeführt aber nur sehr, sehr eingeschränkt neue gestartet werden. Fraglich bleibt, wie es ab 2025 mit der Forschungsförderung weitergeht.1 Dies ist von Ergebnis der Haushaltsverhandlungen abhängig.

In Deutschland bildet die Innovationspipeline Batterieforschung des BMBF-Dachkonzepts eine einmalige Struktur, die die starke Grundlagen- und angewandte Forschung u. a. zu Batteriematerialien und Produktionstechnologien mit Industrieaktivitäten von deutschen und europäischen Unternehmen für den Aufbau einer resilienten, nachhaltigen und technologisch souveränen Wertschöpfungskette Batterie verbindet. Einerseits braucht es unternehmerisches Engagement und Eigeninitiative für die industrielle Skalierung, andererseits droht mit dem Wegbrechen von Fördermitteln die exzellente Forschung einzufrieren. Dies hat potenziell nicht nur Auswirkungen für den zukünftigen Technologietransfer, sondern auch mit Blick auf den bereits aktuellen Fachkräftemangel, der in Zukunft noch größer zu werden scheint und bei der Ausbildung auf die akademische Batterieforschung als Multiplikator angewiesen ist [4],[5].

Das Dachkonzept Batterieforschung, 2023 veröffentlicht vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), zielt darauf ab, die deutsche Batterieforschung und -industrieskalierung zu stärken und ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. Es besteht aus drei Säulen: Grundlagenforschung, angewandte Forschung und industrielle Umsetzung. Die wesentlichen Merkmale sind eine interdisziplinäre Herangehensweise, enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie sowie eine klare strategische Ausrichtung auf Nachhaltigkeit und Innovation. Das BMBF stimuliert mit seiner Förderung insbesondere die Forschung bis TRL 6 und ist in enger Abstimmung mit dem BMWK, dass auf den Weg in die Anwendung seine Fördermittel im Bereich TRL 7-9 innerhalb des Dachkonzepts einbringt.

Abbildung 1:          Exkurs BMBF-Dachkonzept Batterieforschung in Deutschland. [6]

Die aus der Kürzung der Forschungsförderung begründete Besorgnis wird verstärkt durch die globale Lage der Industrie, einschließlich einer Investitionsverschiebung nach Nordamerika aufgrund der großzügigen Fördermittel des Investment Tax Credit (IRA) in den USA und dem strategischen Vorgehen Chinas, das gezielt auf Zukunftstechnologien setzt. Insbesondere die Energiepreisunterschiede in Europa werden als Wettbewerbsnachteil betrachtet, nicht nur durch attraktivere Standortbedingungen außerhalb Europas, sondern auch mit Blick auf Planungssicherheit für die Standortentscheidung einer Industrieansiedlung. Die Industrieansiedlung in Deutschland selbst (besonders im Bereich Zellproduktion) ist auf einem guten Weg, allerdings noch stark durch Aktivitäten von chinesischen und amerikanischen Unternehmen repräsentiert. Ab 2025 rechnet man mit einer Verlagerung hin zu europäischen Firmen in Europa, die ihre eigene Zellproduktion aufnehmen werden [7] – ein prominentes Beispiel in der jüngsten Vergangenheit ist z. B. Northvolt mit ihrer Ansiedlung in Heide [8].

Ein weiteres zentrales Thema ist die Herausforderung für Deutschland, eine Marktlücke für Spezialanwendungen in der Batterietechnologie zu nutzen. Mittelständische Weltmarktführer und Start-Ups sehen hier eine große Möglichkeit, Technologieführerschaft zu etablieren. Es wird betont, dass dafür eine verstärkte staatliche Förderung erforderlich ist, um die Abhängigkeiten von Rohstoffen und Lieferketten zu verringern, und die Technologiesouveränität Deutschlands zu stärken. Forschung und Industrie müssen gemeinsam innovativ bleiben, um die strukturellen Nachteile auszugleichen und die Batterietechnologie voranzutreiben.

Die Schaffung einer nachhaltigen Mobilität in Deutschland und Europa ist nur durch die Produktion bezahlbarer Batterien möglich. Es besteht Einigkeit darüber, dass die kommende Dekade entscheidend für die Zukunft der Batterietechnologie sein wird und das gemeinsame Anstrengungen erforderlich sind, um die Herausforderungen zu bewältigen, und die Industrie wettbewerbsfähig zu halten. Der postulierte Wettbewerbsvorteil einer nachhaltigen Batterie aus Europa hängt auch von Standortentscheidungen innerhalb Europas ab – allein durch Nachhaltigkeit kann sich das Ökosystem Batterie jedoch nicht etablieren. Erhalt und Ausbau der Forschungsförderung, Planungssicherheit und Abbau von Bürokratie, große Mengen an grünem und günstigem Strom und auch eine positive öffentliche/politische Wahrnehmung der Batteriespeichertechnologie müssen gezielt vorangebracht werden, um den Standort Deutschland und Europa zu bewerben.

Batteriezellkomponenten

Thematische Schwerpunkte und Highlights

Am zweiten Tag des 12. Batterieforums wurden Einblicke in das Forschungsgebiet der Batteriezellkomponenten gegeben. Die Referenten präsentierten aktuelle Trends, neue Innovationen sowie umweltfreundliche Lösungsansätze für die Herstellung bzw. Verarbeitung von Batteriematerialien.

Im Vortrag von Prof. Dr. Markus Hölzle, Vorstandsmitglied und Geschäftsbereichsleiter des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm, wurden aktuelle Zahlen, Risiken bzw. Ergebnisse zum Thema Batteriematerialien präsentiert [9].

Die steigende Nachfrage an Batterien wird hauptsächlich durch den Ausbau der Elektromobilität getrieben, wobei die Vielfalt der Kathodenmaterialien stark zugenommen hat. Dies kann ebenfalls an der dynamischen Entwicklung der Technologietrends beobachtet werden, da die Themenschwerpunkte der letzten 20 Jahre von Lithium-Schwefel-Batterien über Festkörper-Batterien bis hin zu Natrium-Ionen-Batterien reichen. Letztere werden mit ersten Anwendungen ab 2026 erwartet. Es kann festgehalten werden, dass nickel-reiche (Ni > 0,8) Kathodenmaterialien wie Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM) – höhere Energiedichte – sowie Lithiumeisenphosphat (LFP) – geringe Energiedichte – ein merkliches Wachstum ab 2020 erfahren haben. Daneben wird versucht, die Verwendung der kostenintensiven Metalle, Nickel und Cobalt, in den Materialien zu reduzieren. LFP bietet gegenüber den herkömmlichen Kathodenmaterialien gewisse Vorteile, z. B. werden für die Produktion keine kritischen Rohstoffe (Ni, Co) benötigt, und es können aufgrund des einfachen Herstellungsprozesses große Produktions­kapazitäten realisiert werden. Zudem wird die Weiterentwicklung des LFP-Materials stark vorangetrieben, indem gezielt Mangan in das Material eingebracht wird, wodurch sich nicht nur die Zellspannung, sondern auch die Energiedichte zunimmt. Auch die Möglichkeit von Materialblends (definierte Mischungen von verschiedenen Kathodenmaterialien) wird diskutiert [10].

Gegenüber der Kathodenseite nimmt die Vielfalt auf der Anodenseite nur im kleinen Ausmaß zu, da die Einführung von Silizium als alternatives Anodenmaterial für die hauptsächliche Veränderung am Batteriemarkt sorgt. Mit Hilfe von innovativen Silizium-Kohlenstoff-Kompositen können dünnere Anoden hergestellt werden, die schnellere Ladezeiten ermöglichen und somit ein Schlüsselfaktor für die Automobilanwendung ist. Zudem wird ein steigender Si-Anteil (bis zu 100%) im Anodenmaterial prognostiziert. Die Verwendung von hochenergetischem Lithiummetall wird nicht vor 2028 erwartet [10].

Ein weiteres Diskussionsthema in der Batterieindustrie beschäftigt sich dem vermeintlichen Verbot von per- und polyfluorierten Alkyl-Chemikalien (PFA) mit –CF2/-CF3-Gruppe durch die Europäische Union, welches durch das Umweltbundesamt mit weiteren Behörden aus Europa bei der Europäischen Chemikalienagentur eingereicht wurde [11]. Beispiele für PFA sind Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE), welche als Binder in Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Ein mögliches Verbot würde einen erheblichen Einschnitt in die Batterieindustrie bedeuten, da die Marktakzeptanz von PFA-Alternativen noch zu gering ist. Allerdings kann dadurch die Entwicklung von nachhaltigen Elektroden gefördert werden, indem neben dem standardmäßig eingesetzten PVDF als Binder auch auf das gesundheitsgefährdende Lösungsmittel N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) verzichtet wird. Hierbei konnten bereits mit wasserbasierte und fluorfreie Kathodenmaterialien mit hohen Nickelanteil (NCM811) erfolgsversprechende Ergebnisse in kleinen Pouchzellen und Rundzellen demonstriert werden [12].

Aus der Sicht der Batteriekomponenten muss auch das Thema Recycling betrachtet werden, da durch die EU-Batterieverordnung 2023 die gesetzlichen Rahmenbedingungen bezüglich des gesamten Lebenszyklus von Batterien, einschließlich Beschaffung, Herstellung, Verwendung und Recycling, festgelegt So müssen ab 2027 vorgegebene Rückgewinnungsquoten (50% Li, 90% Ni & Co) bzw. ab 2031 definierte Rezyklatgehalte (6% Li & Ni, 16& Co) als Mindestanteil in Industriebatterien umgesetzt werden [13]. Über das Batterierecycling bleibt zum einen der Zugang zu den Materialien erhalten, wenn die Rezyklate in Europa verbleiben und zum anderen bietet sich die Chance die Reinheit der Rohstoffe für die Materialsynthese neu definieren zu können [9].

Weiterhin stellte Prof. Dr. Jürgen Janek (Justus-Liebig-Universität Gießen) neue Innovationen zum Thema Festelektrolyte als Bestandteil von Festkörperbatterien vor und verdeutlichte welches Potenzial von diesen zukünftig ausgehen kann [14].

In einem weiteren Vortrag präsentierte Dr. Permien (UniverCell Holding GmbH) interessante Einblicke in die Produkt- und Prozessentwicklung bei UniverCell und zeigte potenzielle Ansätze für die Anwendung von umweltfreundlichen Materialien in innovativen Batterien [15].

Methoden zur Beschleunigung der Zellentwicklung

Vorträge von Vortragenden auf dem Batterieforum Deutschland 2024, die zur Beschleunigung von Zellentwicklungen für die Batteriefertigung beitragen, umfassten sowohl methodisch-strategische Ansätze als auch den konkreten Bezug zu Komponenten im Fertigungsprozess.

So wurde in einem Beitrag von Dr. Katzenmeier (Wildcat Discovery Technologies) über die effiziente Erarbeitung einer soliden Informationsbasis für die Erstellung von Batteriezell-Roadmaps als Werkzeug der strategischen Technologieplanung berichtet. Hervorgehoben wurde, dass in bereits vielfach genutzten Roadmaps oftmals fälschlicherweise von einer generellen Kompatibilität und „Austauschbarkeit“ der Komponenten einer Batteriezelle ausgegangen wird. Es würden häufig Zwischenabhängigkeiten einzelner Zellbestandteile und Materialien vernachlässigt. Als Lösungsansatz wurde die Durchführung so genannter „Hochdurchsatz-Experimente“ vorgeschlagen, um die nötige Anpassung und Optimierung des gesamten Herstellungsprozesses an jedes Material zu berücksichtigen, und durch effizientes experimentelles Design wirkliche Vergleichs­möglichkeiten und Potentialeinschätzungen von technologischen Innovationen erarbeiten zu können [16].

Prof. Dr. Rüdiger Daub (TU München) gab in seinem Vortrag „Zeitschienen in der Batteriezellentwicklung“ einen tiefen Einblick in die zeitabhängigen Bedingungen der Zellentwicklung und stellte wertvolle Lösungsansätze zur Beschleunigung des Gesamtentwicklungsprozesses heraus. Die primäre Motivation zur beschleunigten Zellentwicklung liegt in verkürzten „Time-to-Market“ Zeiten und der dadurch vorliegenden Schaffung entscheidender Wettbewerbsvorteile von Zellfertigern. Zu beachtende kritische Randbedingungen liegen im hochdynamischen Entwicklungsgrad von Zellchemien und Zellformaten, sowie der Notwendigkeit empirischer Absicherung zur Vielzahl an Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen und der Integration in das Gesamtsystem Speicher. Außerdem wurde herausgestellt, dass die Vielzahl an langwierigen Batterietests den Zellentwicklungsprozess verlangsamen. Dem Credo „Zellentwicklung ist ein Marathon und kein Sprint“ folgend, wurde dargestellt, dass die Zellentwicklung in der Praxis einen über mehrere Musterzellgenerationen reichenden Optimierungsprozess durchläuft, bevor diese tatsächlich in die Serienfertigung überführt werden können. Außerdem ist wertschöpfungs­kettenübergreifend auch die Bereitstellung notwendiger Ressourcen und Anlagentechnik für die Zellfertigung sicherzustellen. Als Schlüssel­methoden zur Beschleunigung der Zellentwicklung wurden die Stärkung der Digitalisierung, Standardisierung und schneller Hardwareaufbau hervorgehoben. Konkret wurden die Förderung von Hochdurchsatzforschung, die Vereinheitlichung von Prozessen, die Beschleunigung von Zertifizierungen, Erkennen und Nutzen der Vorteile durch Einsatz von Simulation und Wissensmodellierung, sowie die frühzeitige Identifikation von Schwachstellen genannt [17].

Im Vortrag von Dr. Sammer (AVL) „Beschleunigung der Zellentwicklung durch Test-Virtualisierung, KI-gestützte Datenauswertung und digitale Laborprozesse“ wurde der Beitrag der drei genannten Ansätze zur Zeit- und Aufwandsreduktion für üblicherweise bestehende Test- und Validierungsanforderungen im Rahmen der Zellentwicklung thematisiert. Der Einsatz von Simulation und KI-gestützter Testoptimierung kann zur Reduktion der Anzahl physikalischer Tests beitragen und somit die Gesamttestzeit verkürzen. Als Beispiel für den Beitrag von KI-gestützter Datenauswertung zur Zeitersparnis im Entwicklungsprozess wurde die Identifikation von Einflussfaktoren der Batterienutzung und ihrer Auswirkungsintensität auf die spätere Lebensdauer in ihrer Endanwendung beleuchtet. Abschließend wurde der Einsatz von digitalen Laborprozessen, wie der automatisierten Datenauswertung, einem KPI-gestützten Performance Monitoring, sowie einem intelligenten Planungs- und Taskmanagement zur allgemeinen Steigerung der Effektivität und Effizienz als zeitreduzierender Faktor hervorgehoben [18].

Simulation und Machine Learning

Das Thema Simulation und Machine Learning war ebenfalls Teil des Programms des Batterieforums und wurde mit mehreren Fachvorträgen von Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Start-Ups beleuchtet.

Zunächst zeigten Prof. Dr. Ulrike Krewer und Dr. Edwin Knobbe vom Karlsruher Institut für Technologie und von der BMW Group in ihrem Vortrag Einblicke in den Themenbereich der Batteriesimulation und den speziellen Einsatz­gebieten entlang der Batteriewertschöpfungskette. Besonders fokussiert wurden im Vortrag die Potenziale und Unterstützungsmöglichkeiten der Batterie-Designphase mittels Simulationen. Aber auch der Mehrwert von Simulationsmodellen zur Verbesserung des Batteriebetriebs und zur Erhöhung der Sicherheit und Reduzierung von Risiken wurde präsentiert [19].

In einem weiteren Vortrag zeigte Prof. Dr. Axel Groß von der Universität Ulm mögliche Beiträge der Quantenchemie zur beschleunigten und verbesserten Materialentwicklung für Batterien. Insbesondere das Transferpotenzial von Entwicklungen aus der Quantenchemie zur Optimierung der verwendeten Materialien in der Batterie wurde deutlich [20].

Im Zuge der Digitalisierung und den damit in die Unternehmen Einzug erhaltenden Technologien, präsentierte Dr. Weihan Li von der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen eine Schlüsseltechnologie, den digitalen Batteriezwilling. Fokus des Vortrags war die Vorstellung des digitalen Batteriezwillings, welcher die Verschmelzung physischer Modelle, Daten und Machine Learning Modellen darstellt. Es wurde aufgezeigt, welches Potenzial der digitale Zwilling entlang der Batteriewertschöpfungskette heben kann, aber auch welche Voraussetzungen hierfür erfüllt sein müssen. Insbesondere eine ausreichend und qualitativ hochwertige Datengrundlage ist notwendig für einen erfolgreichen Nutzen des Zwillings. Wenn alle Voraussetzungen erfüllt sind, kann der digitale Batteriezwilling als virtuelle Abbildung der physischen Batterie genutzt werden und beispielsweise präzise Information zum Batteriezustand bereitstellen, oder frühzeitig Warnungen über zukünftige Probleme oder Risiken identifizieren [21].

Insgesamt trägt die Batteriesimulation und der Einsatz von Machine Learning Modellen dazu bei, die Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Batterien zu verbessern. Sie ermöglichen eine effektivere Entwicklung von Batterietechnologien und unterstützen die Integration von Batterien in verschiedene Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme und tragbare Elektronik.

Second Use und Batterierecycling

Das diesjährige Batterieforum widmete am dritten Kongresstag den aktuellen Diskussionen zu Batterierecycling und insbesondere der Zweitnutzung bzw. Lebensverlängerung von Batteriespeichern seine Aufmerksamkeit. Thematisch zielten die Vorträge auf den Re-X Ansatz ab, der nicht nur die Wiedergewinnung von Batterierohstoffen und -materialien berücksichtigt, sondern auch technische, wirtschaftliche und regulatorische Aspekte von Second-Life-Batterien beleuchtet und unterschiedliche Strategien für das Ende der Erstnutzung für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft adressiert. Re-X oder auch oft als R-Strategien wie das Recycling, Reuse (erneute Nutzung), Remanufacturing oder Repair benannt [22] bezieht sich generell auf eine funktionierende Kreislaufwirtschaft und werden zunehmend im Kontext der Batteriespeichertechnologie und –anwendung diskutiert.

Dr. Núria González-García von betteries AMPS GmbH und Prof. Dr. Julia Kowal von der TU Berlin haben zum Thema Reuse als Second-Life-Batterie referiert und wichtige Punkte hervorgehoben [23]:

  • Batterienachhaltigkeit erfordert eine ganzheitliche Betrachtung des Systems.
  • Partnerschaften sind entscheidend für den Erfolg in diesem Bereich.
  • Produktdesign, insbesondere Design-for-Repair, spielt eine zentrale Rolle für die Zweitnutzung.
  • Die Digitalisierung und Nutzung von Daten sind entscheidende Enabler, insbesondere für Second-Life-Batterien.

Bei der Weiternutzung von Batterien können Geld und Ressourcen eingespart werden, aber es gibt viele offene Fragen zu klären, wie die Nutzung von Pack vs. Zelle, Bestimmung des State of Health (SOH), Neusortierung, usw. Die Klassifikation muss schnell und zuverlässig sein und eine Weiternutzung als Second-Life-Batterie muss (ökonomisch) vorteilhaft sein im Vergleich zu neuen LIB-Zellen. Allein die Kapazität einer Batterie kann keine Aussage über die Weiternutzungsdauer z. B. einer gebrauchten Traktionsbatterie liefern. Die Bestimmung des SOH ist mit verschiedenen Messmethoden möglich,[1] wobei jeweils Vor- und Nachteile sowie die Anwendbarkeit zu berücksichtigen sind. Die Nutzung von Machine Learning (ML) und Alterungsmodellierung kann helfen, die Restnutzungsdauer zu bestimmen. Es gibt jedoch noch viele technische, wirtschaftliche und regulatorische Herausforderungen für Second-Life-Batterien, wie die genaue Bestimmung des SOH und der Restlebensdauer, ohne zu aufwändig zu sein, sowie die (automatisierte) Demontage von Packs und die einfache Weiternutzung von weiteren Komponenten (oft auch als Design-for-X bezeichnet) [23].

Zur Umsetzung von Second-Life-Batteriespeichern bei der Firma encore by Deutsche Bahn AG hat Lucas Weidner referiert. Encore greift dabei alle wesentlichen Elemente für den Betrieb auf, von der Standortanalyse und Elektronikplanung bis zur Inbetriebnahme sowie dem Monitoring des Speichers. Die Second-Life-Speicher sind modular erweiterbar und damit anwendungsspezifisch auslegbar. Eine generelle Herausforderung liegt dabei im Finden und Einbringen der passenden Steckverbindungen für die Elektronik, da u. a. die Automobil OEMs (Original Equipment Manufacturer) teilweise eigene Stecker für ihre Traktionsbatterien verwenden und diese nicht frei auf dem Markt zur Verfügung stehen. Neben technischen Herausforderungen wurde abermals der bürokratische Prozess zur Anmeldung eines Second-Life-Speichers als größte Herausforderung und teils langwierigen Prozess hervorgehoben [24].

Einen Beitrag zur Demontage und Recycling von Lithium-Ionen-Batterien lieferte Prof. Dr. Sabrina Zellmer von der TU Braunschweig/BLB und Fraunhofer IST. Für eine zukünftige Kreislaufproduktion hebt Sie drei zentrale Elemente hervor: die automatisierte Demontage, das indirekte (konventionelle) Recycling und das direkte Recycling[2] [25].

  • Die automatisierte Demontage ist realistisch umsetzbar und sehr wichtig für ein generell effizientes Batterierecycling, jedoch durch fehlende Datenbasis zu den Komponenten, undefinierte Zustände der Batterien oder produktindividuelle Demontagestrategien weiterhin herausfordernd. Nicht lösbare Fügetechniken wie das Verkleben oder Einschäumen von Zellen bzw. im Pack erschwert die Automatisierung enorm. Ein „Design-for-Recycling“ kann dabei für Hersteller eine wichtige Rolle für die automatisierte Demontage spielen, wenn sie ihre eigenen Batterien zurücknehmen (müssen) und damit ein effizientes Recycling betreiben wollen.
  • Das indirekte Recycling, das die Rückgewinnung der Elemente aus der Schwarzmasse ermöglicht, kann mit einer geringen Demontagequote umgehen, wobei unterschiedliche Prozesse wie die mechanische Prozessierung oder pyro- und hydrometallurgische Verfahren flexibel kombiniert werden können. Die Resynthese der Batteriematerialien und die Verfahren selbst sind jedoch relativ energie- und kostenintensiv sowie effizienter in der Rückgewinnung der Materialien bei entsprechender Vorbehandlung wie der Demontage.
  • Das direkte Recycling ist insbesondere spannend beim Recycling von Produktionsausschüssen mit dem Ziel einer Delaminierung der Elektroden für den anschließenden Wiedereinsatz in der Produktion. Unterschiedliche Prozessrouten können dazu aufgegriffen werden, haben jedoch Vor- und Nachteile: Die mechanische Prozessroute ist relativ einfach und skalierbar aufgrund einer trockenen Prozessierung von Anoden- oder Kathodenabfällen, hat jedoch keine optimale Rückgewinnungsrate (~90%) und ggfs. mit Verunreinigungen durch die Metallfolien der Stromableiter zu tun. Die nasse Prozessroute mit Lösungsmitteln besitzt zwar eine sehr hohe Rückgewinnungsrate und geringe Verunreinigung, jedoch ist die Skalierung in Industriemaßstab noch sehr kompliziert.

Insgesamt ist das Thema Batterierecycling und Second-Life-Batterien von großer Bedeutung für die Nachhaltigkeit und die Ressourceneffizienz der Batterieindustrie, und es bedarf weiterer Forschung, Zusammenarbeit und Innovation, um diese Herausforderungen erfolgreich zu bewältigen. Die Grundlage für mehr Nachhaltigkeit wird dabei bereits im Produktdesign (Zelle, Pack, Integration) gelegt, wobei ein fehlendes Design für die multiplen Re-X Strategien das Recycling insbesondere von günstigen Zellchemien wie Lithium-Eisenphosphat-Batterien eher unattraktiv macht.

[1] Messmethoden zur SOH-Bestimmung sind bspw. elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS), Relaxationstest, Konstantstromladung

[2] siehe Referenz 29 im TraWeBa Summary Briefing Q3/2023:
H. Lefherz et al., Procedia CIRP 2023, 116, 65-70. https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.02.012

Batteriesysteme

Auf dem 12. Batterieforum Deutschland 2024 wurde das Themengebiet der Batteriesysteme von verschiedenen Referenten aufgegriffen, indem bestehenden und zukünftigen Technologien und Einblicke in die effiziente Systementwicklung sowie nachhaltige Mobilität präsentiert wurden.

Zunächst präsentierte Prof. Dr. Dirk Sauer einen Überblick über verschiedene Batteriesysteme und gab einen Ausblick für die Weiterentwicklung solcher Systeme [26].

Die Entwicklung von effizienten Batteriesystemen wurde von Michael Clauß (IAV GmbH) vorgestellt. Es wurden die wesentlichen Herausforderungen für den Anwender und den Markt aufgezählt [27]:

  • Allgemeines (Identifikation des Marktführers, aktuelle Trends, Kreislaufwirtschaft, Zugang zu Rohstoffen, etc.)
  • Kundenbedürfnisse (Attraktivität, Nachhaltigkeit, Kosten, Regulierungen, vertikale Integration, etc.)
  • Anbieter von technischen Lösungen (Produkt-/ Entwicklungsverantwortung, Umstellung des Personals von Verbrennungsmotoren auf EV-Mobilität, etc.)

Darüber hinaus wurden die Entwicklungsphasen eines relevanten Projektes mit individuellem Thema dargestellt, wobei das Ziel der Innovation immer den Start des Zeitplans definiert. Im Anschluss wurden wichtige Methoden zur Systementwicklung (z. B. Anforderungsmanagement, Simulation, HW/SW-Entwicklung, Prototypenbau) aufgezeigt, die für die Bearbeitung neuer Projekte relevant sind. Weiterhin wurden Lösungsansätze zur Reduzierung der Entwicklungszeit sowie der Umgang mit offenen technischen Konzepten diskutiert [27].

Zum Thema „Solar mobility quo vadis – Mobilität im Wandel der Zeit“ referierte Dr. Hartung Wilstermann (Webasto Group) und gab einen Einblick in nachhaltige solar Mobilität (z. B. mittels solarbetriebener Fahrzeuge). Dies ist ein vielversprechender Ansatz, um den Klimawandel entgegenzuwirken und die Umwelt langfristig schützen zu können. Um dieses Ziel umsetzen zu können, müssen gewisse Voraussetzungen wie Kolloberationen für Ressourcen, eine handlungsfähige Gesellschaft und klare Strukturen geschaffen werden. Somit kann eine nachhaltige Elektromobilität aufgebaut werden [28].

Literatur

[1] B. Straube et al., Kompetenznetzwerk Lithium- Ionen-Batterien e. V. (KLiB), 2023, Offener Brief – Deutsche Batterieforschung vor dem Aus, an die Bundesregierung vom 15.01.2024. zu finden unter https://klib-org.de (letzter Zugriff: 30.03.2024): https://klib- org.de/fileadmin/downloads/Brief_Bundesregieru ng_KTF.pdf

[2] M. Wyboris et al., „Batterieforschung: „Politisch verordnete Lade-Hemmung mit fatalen Folgen“, Aktuelle Meldungen, 08.03.2024, zu finden unter https://www.pem.rwth-aachen.de (letzter Zugriff: 30.03.2024): https://www.pem.rwth- aachen.de/go/id/bgamvu?#aaaaaaaaabganbi

[3] L-E. Nievelstein et al., „Forschungsministerium gibt Entwarnung – KTF-Millionen fließen in Batterieforschung“, 09.02.2024, zu finden unter https://www.merkur.de (letzter Zugriff: 30.03.2024): https://www.merkur.de/wirtschaft/batterieforschu ng-ktf-subventionen-energiewende- elektromobilitaet-zr-92824678.html

[4]  A. Thielmann et al., „Wird der Aufbau eines europäischen und deutschen Batterie-Ökosystems am Fachkräftemangel scheitern?“, Blogeintrag, 23.01.2024, zu finden unter https://www.isi.fraunhofer.de (letzter Zugriff: 30.03.2024):

https://www.isi.fraunhofer.de/de/blog/2024/batt erieforschung-kuerzung-foerderung-folgen- aufbau-oekosystem-europa-deutschland- fachkraefte-mangel.html

[5]  Thielmann et al., „Scheitert das europäische Batterie-Ökosystem am Fachkräftemangel?“, Blogeintrag transforming economies, 21.02.2024, zu finden unter https://transforming- economies.de (letzter Zugriff: 30.03.2024): https://transforming-economies.de/scheitert-das- europaeische-batterie-oekosystem-am- fachkraeftemangel/

[6] Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), BMBF-Dachkonzept Batterieforschung, 2023. Zu finden unter https://www.bmbf.de (letzter Zugriff: 30.03.2024):
https://www.bmbf.de/bmbf/shareddocs/downloads/files/bmbf-dachkonzept-batterieforschung-2023.pdf?__blob=publicationFile&v=6

[7] T. Hettesheimer et al., „Lithium-Ion Battery Roadmap –Industrialization Perspectives Toward 2030“, 2023.
https://doi.org/10.24406/publica-2153

[8] Northvolt AB, Career, Locations, Heide zu finden unter https://northvolt.com (letzter Zugriff: 30.03.2024):
https://northvolt.com/career/locations/heide/

[9] M. Hölzle, „Batteriemateriealien heute –Fakten, Trends, Risiken und Innovationen“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[10] H. Heimes, W. Bernhart et al., „Battery Monitor 2023 – The Value Chain Between Economy and Ecology“, PEM of RWTH Aachen Universität / Roland Berger GmbH, 2023, ISBN: 978-3-947920-46-4, zu finden unter https://content.rolandberger.com (letzter Zugriff: 30.03.202): https://content.rolandberger.com/hubfs/07_presse/Batteriemonitor_2023_digital_final.pdf

[11] Umweltbundesamt, „PFAS sollen EU-weit beschränkt warden”, 07.02.2023, zu finden unter https://www.umweltbundesamt.de (letzter Zugriff: 30.03.2024):
https://www.umweltbundesamt.de/themen/pfas-sollen-eu-weit-beschraenkt-werden

[12] S. Radloff et al., J. Power Sources 2023, 553, 232253.
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232253

[13] Verordnung (EU) 2023/1542 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 12. Juli 2023 über Batterien und Altbatterien, zur Änderung der Richtlinie 2008/98/EG und der Verordnung (EU) 2019/1020 und zur Aufhebung der Richtlinie 2006/66/EG, zu finden unter https://eur-lex.europa.eu (letzter Zugriff: 30.03.2024):
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX%3A32023R1542

[14] J. Janek, „Festelektrolyte als Batteriekomponenten“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[15] S. Permien, „Umweltfreundliche Materialien in innovativen Batterien – Produkt- und Prozessentwicklungen bei UniverCell“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[16] L. Katzenmeier, „Use of High-Throughput Technology to Develop Battery Cell Roadmaps“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[17] R. Daub, „Zeitschienen in der Zellentwicklung“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin

[18] G. Sammer, „Beschleunigung der Zellentwicklung durch Test-Virtulisierung, KI-gestützte Datenauswertung und digitale Laborprozesse“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[19] U. Krewer, E. Knobbe, „Batteriesimulation für Design, Betrieb und Sicherheit“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[20] A. Groß, „(Mögliche) Beiträge der Quantenchemie zur beschleunigten Materialentwicklung bei Batterien“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[21] W. Li, „Digitaler Batteriezwilling: Die Verschmelzung von Physik, Daten und Machine Learning“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[22] DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Normenrecherche Circular Economy, „Modell der R-Strategien“, zu finden unter https://www.din.de (letzter Zugriff: 30.03.2024):
https://www.din.de/de/forschung-und-innovation/themen/circular-economy/normenrecherche/modell-der-r-strategien

[23] N. González-García, J. Kowal, Technische, wirtschaftliche und regulatorische Aspekte von Second-Life-Batterien“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[24] L. Weidner, „Einblicke aus der Umsetzung von Second-Life-Speichern“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[25] S. Zellmer, „Demontage und Recycling von Lithium-Ionen-Batterien“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[26] D. Sauer, „Batteriesysteme – ein Überblick“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[27]  M. Clauß, „Effizient Batteriesystementwicklung“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[28] H. Wilstermann, Solar mobility quo vadis – Mobilität im Wandel der Zeit“, Vortrag 12. Batterieforum Deutschland 2024, Berlin.

[29] Die deutsche Batterieforschung und Elektromobilität wird nicht nur durch das BMBF gefördert, sondern auch z.B. durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMVD), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) oder auf europäischer Ebene im Rahmen der Important Project of Common European Interest (IPCEI). Dennoch bedeuten die Förderkürzungen einen harten Einschnitt in Projektbewilligungen und bspw. die Ausbildung von Fachkräften über Doktorandenstellen. Der enorme Zuwachs an akademisch ausgebildeten Fachleuten wurde in den letzten fast 15 Jahren maßgeblich durch Forschungsförderprojekte der öffentlichen Hand ermöglicht. [4]

Downloads

Summary Briefing des TraWeBa-Projekts Q1 2024

Mehr

Studien-Highlight: Batteriechemie und -materialien

Studie zeigt: Neue Kathoden mit NMX-Beschichtung steigern die Energiedichte und Stabilität von Batterien, machen Fahrzeugakkus leichter und langlebiger.

Neue Forschungen zeigen, dass Kathoden mit NMX-Beschichtung Batterien mit höherer Energiedichte und besserer Zyklenstabilität ermöglichen.
Diese Fortschritte machen Akkus in Fahrzeugen leichter, langlebiger und kostengünstiger. Entdecken Sie die Details und wie diese Innovationen unseren Alltag verbessern können!

Digitale Plattform: Leitfaden für Fachbeiträge

Wie verständige ich mich branchenübergreifend zum Thema Batterie? Der Leitfaden hilft die Begriffe zu finden.

Auf unserer digitalen Plattform ist es einfach, gezielt zu finden und verstanden zu werden. Wir verwenden Schlagwörter, um Inhalte fachspezifisch zu beschreiben und gezielt zur Batteriewertschöpfungskette in Beziehung zu setzen. Diese Keywords schaffen eine präzise und effiziente Kommunikationsbasis auf andugo.io und darüber hinaus.

Planspiel Batterie-Recycling auf der Hannover Messe

Auf der Hannover Messe stellt TraWeBa das Business Planspiel Batterierecycling vor. Die Batterie Wertschöpfungskette Simulation erklärt Herr Dr. Gryshkov Herrn Christian Marques, Projektleiter BETSY beim VDMA und Herrn Dr. Zybell.

"Die Zukunft der intelligenten Industrie basiert auf Partnerschaften." Mit diesem Zitat von Capgemini Chef Aiman Ezzat, einem führenden Technologie-Dienstleister Europas, wird der Fokus richtig gesetzt. Trotz global verteilten Herstellern von Industrievor- und zwischenfabrikaten ist TraWeBa als einer von 11 Transformations-Hubs des BMWK ein Vorreiter für Partnerschaft, Vernetzung und innovative Lösungen. Dr. Gryshkov erläutert im Bild Herrn Marques, Projektleiter BETSY beim VDMA, ein innovatives Planspiel zum Recycling.