Die Batterie und ihre Produktion gelten inzwischen als etablierte Komponenten in der Automobilherstellung. Neben der bekannten Lithium-Ionen-Batteriezelle, gilt die All-Solid-State-Batteriezelle als nächste Entwicklungsstufe.

Wir haben Herrn Dr. Heiner Heimes, geschäftsführender Oberingenieur des Lehrstuhls Production Engineering of E-Mobility Components PEM der RWTH Aachen getroffen und ihn gebeten uns einen Einblick in die Arbeit des Lehrstuhls rund um die Batterieentwicklung zu geben.

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Die Batterieproduktion ist in den letzten Jahren ein Dauerthema in unseren Nachrichten. Inzwischen gilt die Batterie als etablierte Komponente für das Automobil. Um zu verstehen was sich dahinter verbirgt, widmet sich das PEM der RWTH Aachen den entsprechend relevanten Produktionsprozessen. Welche Prozesse spielen hier eine Rolle und wie würden Sie diese kurz definieren?

Dr. Heiner Heimes: „Das PEM der RWTH Aachen hat den Anspruch den Produktionsprozess der Batterie vollumfänglich weiterzuentwickeln und den Weg zu der Batterieproduktion von Morgen und Übermorgen zu ebnen. Hierfür arbeiten wir seit Jahren in zahlreichen Projekten eng mit anderen Forschungsinstituten, aber auch mit der Industrie zusammen.

Reden wir über die Produktion von Batterien, so benötigen wir heute zum einen hochgradig effiziente und zum anderen nachhaltig produzierende Fertigungslinien, welche idealerweise in einem modularen Gesamtfertigungsprozess eingebunden sind, um den weiterhin notwendigen Entwicklungsschritten in der Batterieproduktion gerecht zu werden.

Möchte man unter den vielen relevanten Stellschrauben zentrale Prozess benennen, so sehe ich hier aktuell die Qualitätsabsicherung in der Produktion und die Optimierung des zeitintensiven Formierungsprozesses von entscheidender Bedeutung. Ebenso müssen über den gesamten Prozess der Produktion Energiekosten für eine Klimaneutrale Fertigung weiter eingespart werden. Wichtig ist auch, dass forschende Unternehmen eine Plattform für die Erprobung ihrer Entwicklungen erhalten. Insbesondere durch unsere Forschungsprojekte „FormEL“ und „NextGenBat“ möchten wir als PEM der RWTH die Batterieproduktion in diesem Sinne mitprägen und Lösungen definieren.“

Die Lithium-Ionen-Batteriezelle gilt als Klassiker in der Batterieproduktion? Können Sie uns erläutern, was die grundlegende Prozesskette der Lithium-Ionen-Zellproduktion ausmacht und welche Aspekte hier berücksichtigt werden müssen?

Dr. Heiner Heimes: „Die Herstellung der Lithium-Ionen-Batterie basiert auf dem komplexen Zusammenspiel vieler einzelner Prozessschritte bei der Herstellung einer Batteriezelle.

Am Anfang der Produktion steht die Auswahl geeigneter Grundstoffe. Zu den Grundstoffen gehören zum Beispiel die Aluminium- und Kupfercoils, welche die Basis der Elektroden darstellen. Auf die Metallfolien wird im Folgenden die Aktivmasse in einem Gemisch aus reaktiven Stoffen und Lösungsmittel aufgebracht, man spricht vom Beschichten. Im Anschluss erfolgt das Trocknen der beschichteten Metallfolien, dass üblicherweise durch lange Trockenöfen umgesetzt wird und wo wir aktuell Potential zur Verbesserung des Prozesses z.B. durch Lasertrocknung sehen. Nach dem Trocknen der beschichteten Elektroden erfolgt das Kalandern, was dazu dient, die Aktivmasse auf den Elektroden zu verdichten. Wichtigste Herausforderung ist hier, dass die Dicke der ablaufenden Elektrode sehr gleichbleibend ist und nur um wenig tausendstell Millimeter abweicht. In einem nächsten Prozessschritt werden die Elektroden gesplittet und dann zu kleineren Elektrodencoils aufgerollt, bevor diese dann in einen Trockenkammer überführt werden, wo sie ca. 24h lagern. Hier endet der erste Teil der Batterieproduktion, die Elektrodenfertigung.

Die fertig hergestellten Elektrodencoils (Anode und Kathode) sind jetzt schon verkaufsfähige Produkte.

Es folgt die sogenannte Zellassemblierung. Die Elektrodencoils werden ausgerollt und z.B. durch einen Laser vereinzelt, hier muss ebenso genau gearbeitet werden wie in den folgenden Schritten dem Stapeln (Pouch, prismatisch) oder Wickeln (Rund, prismatisch), wo die Lagen an Anode, Separator und Kathode gebündelt werden. Hiernach werden die Zellen in ihre Gehäuse eingebracht und der Elektrolyt wird befüllt. Wichtig beim Elektrolyten ist, dass dieser sehr gleichmäßig in der Zelle verteilt wird. Es wird in einem Vakuum gearbeitet, da insbesondere der Elektrolyt sehr schnell mit der Restfeuchte der Luft reagieren kann, was die Qualität der Batterie sehr reduziert sowie jeglicher Lufteinschluss im Zellraum negativ ist. Ist die Zelle mit Elektrolyt befüllt erfolgt der letzte Schritt der Batteriezellproduktion, die Formierung. Bei der Formierung wird die Zelle im Zeitraum von 24h das erste Mal geladen und entladen, dabei kommt es zur Gasbildung in der Zelle. Durch ein anliegendes Vakuum wird die Entgasung der Zellen optimiert. Bei Pouchzellen sammelt sich das Gas beispielsweise in einer speziellen Gastasche, die später entfernt wird. Im Folgenden muss die Batterie zuletzt nach verschiedenen Prüfkriterien getestet werden, bevor sie weiter in Modulen verarbeitet werden kann.“

In wie fern sollte bereits bei der Planung von Montagelinien auf die Modulassemblierung als auch auf die Batteriepack- bzw. Batteriesystemassemblierung eingegangen werden?

Dr. Heiner Heimes: „Bei der Produktion von Batteriezellen, -modulen und -packs sind unterschiedliche Produktionsaufwände und vor allem Prozessgeschwindigkeiten zu berücksichtigen. Dadurch erfährt die Logistik nach definierten Produktionsszenarien eine entscheidende Bedeutung. In Betrachtung der Batteriezellfertigung beispielsweise ist zu berücksichtigen, dass die Produktionsmenge von Elektrodencoils in erheblich größeren Mengen pro Zeiteinheit umgesetzt werden kann, als die Produktion von Zellen.“

Herr Dr. Heimes, abschließend noch ein Wort zu einer neueren Batterietechnologie, der Produktion einer All-Solid-State-Batteriezelle. Was beinhaltet diese Technologie und welche Vorteile sehen Sie hier in Bezug auf die klassische Batterieproduktion?

Dr. Heiner Heimes: „Die All-Solid-State-Batteriezelle oder auch Festkörperbatterie ist eine der nächsten Entwicklungsstufen der Lithium-Ionen-Batterietechnik, mit deren Durchbruch ich persönlich in den nächsten Jahren rechne. Einfach betrachtet hat die Technik den immensen Vorteil, dass sie die Energiespeicherkapazität der einzelnen Zelle erheblich erhöht. In Betrachtung des aktuellen Entwicklungsstandes ist die Technik bereits weit vorangeschritten. Wiederum ist uns der asiatische Batteriemarkt auch hier voraus. Einige Hersteller haben im März dieses Jahres Ihre Lösungen vorgestellt und auch Automobilhersteller möchten bereits gegen Mitte des Jahrzehnts Massenmarkt taugliche Lösungen präsentieren. Schauen wir auf die Gesamtdynamik des Batteriemarkts, so rechne ich jedoch, wie gesagt, bereits früher mit der Industrialisierung der Technologie und gehe davon aus, dass wir mit der All-Solid-State-Batteriezelle einen weiteren Hub für den weltweiten Elektromobilmarkt erreichen können.“

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