Die wirtschaftliche Batteriezellfertigung im Blick

Der Wandel zur nachhaltiger Mobilität bedarf leistungsfähiger Batteriezellen. Damit sich diese auf lange Sicht nachhaltiger und ökonomischer fertigen lassen, sind jedoch im Herstellungsprozess zusätzliche Einsparpotenziale und Effizienzstrategien, erforderlich, ohne das dabei die Standards von Fertigungsumgebungen außer Acht gelassen werden. 

Forschende der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB zeigen nun Möglichkeiten auf, wie sich die Energie- und Betriebskosten in der Batteriezellfertigung reduzieren lassen. Das Ziel ist es, ein hohes Potenzial für die wettbewerbsfähige Batterieproduktion in Deutschland und Europa zu schaffen. Die Erkenntnisse haben die Forschenden in dem neu erschienenen Whitepaper "Energieeffiziente und qualitätsorientierte Anlagenkonzepte für die Batteriezellfertigung" zusammengefasst. 

Laut Fraunhofer resultieren bis zu 50 Prozent der Treibhausgasemissionen in Deutschland aus dem benötigten Strombedarf für die Produktion von Batteriezellen. Davon entfallen bis zu 43 Prozent des Energiebedarfs auf die Fertigungsumgebung sowie den Betrieb der Rein- und Trockenräume. Das Whitepaper beschreibt, wie mithilfe verschiedener innovativer Environment-Konzepte zukünftig in der Batteriezellfertigung ein wirtschaftliches und umwelttechnisches Einsparpotenzial erzielt werden kann. Auch die praktische Umsetzung des Konzepts an der Fraunhofer FFB wird aufgezeigt.

Die Forschenden nennen die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) in ihrem Anwendungsspektrum als die "fortschrittlichste Variante": Stationäre Energiespeichersysteme, Verbraucherelektronik, aber vor allem die Elektrifizierung der Mobilität nehme den Großteil des zu erwartenden Gesamtbedarfs ein. Jährlich steige die Nachfrage nach LIB im Gigawattstunden-Bereich. Die reibungslose, qualitativ hochwertige und sichere Herstellung der Batteriezellen stellen einen hohen Anspruch an Sauberkeit und Trockenheit, wie Fraunhofer anmerkt. Prozess- und maschinennahe Einhausungskonzepte

Erfüllt würden diese Anforderungen derzeit durch Rein- und Trockenräume − hermetisch dichte Räume, die über ein trockenes Raumklima verfügen. Sie haben eine sehr niedrige Luftfeuchtigkeit bei einem Taupunkt von minus 60 Grad, der Temperatur, ab der die Kondensation der Luftfeuchte beginnt. Hierzu sind allerdings enorme Energieaufwände für die Aufbereitung der sehr trockenen Luft erforderlich. Die Fraunhofer Forschung setzt hier an: Die Wissenschaftler entwickeln prozess- und maschinennahe Einhausungskonzepte in der Produktion, die künftig die energieintensive Rein- und Trockenräume ersetzen sollen.
 
Sie unterscheiden zwischen den beiden Konzepten "Mini-Environments" und "Makro-Environments". Erstere sind, wie die Forschenden erklären, begrenzte, abgetrennte Fertigungs- und Transporteinheiten, die den wertschöpfenden Prozess sowie das Produkt einkapseln. Der Einsatz der Mini-Environments ist bislang auf den Labormaßstab begrenzt. Makro-Environments dagegen verbinden begrenzte, abgetrennte Fertigungsbereiche, die die Bedienung, die Logistik und die Maschinen und Fertigungseinheiten umfassen. 

Optimierung des gesamten Ablaufes der Prozessumgebung

Marius Heller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer FFB erklärt: "Mit dem Einsatz von Mini-Environments in der Batteriezellfertigung können entscheidende Parameter verbessert werden. Dazu zählen deutlich geringere Betriebs- und Energiekosten und der Schutz der Mitarbeitenden vor potenziell schädlichen Gefahrenstoffen." Durch die Einkapselung könnten zielgerichtet Luftströmungen realisiert und eine hohe Produktqualität erreicht werden. Insgesamt werde der gesamte Ablauf der Prozessumgebung optimiert.

Heller ist sich sicher: "Für die Industrie kann in Zukunft mit einem Umstieg auf Environment-Anlagenkonzepte die Wende zu einer ökologischen und ökonomischen Zellfertigung in Europa gelingen." Mit dem Durchbruch für Mini-Environments vom Pilotmaßstab auf den Serienmaßstab rechnen die Forschenden ab 2027.

Das Whitepaper "Energieeffiziente und qualitätsorientierte Anlagenkonzepte für die Batteriezellfertigung" lässt sich auf der Internetseite der Fraunhofer-Einrichtung FFB downloaden.