Die Herstellung neuartiger Hochleistungsbatterien für Elektrofahrzeuge und stationäre Speicher ist in Deutschland einen großen Schritt vorangekommen. Am 2. Mai 2024 wurde am ZWS Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Stuttgart, am Standort Ulm eine Pilotanlage eingeweiht, die erstmals in Deutschland die Produktion von innovativen Batteriematerialien und deren Vorprodukten im Maßstab von bis zu 100 kg außerhalb der Industrie ermöglicht. Zur Einweihung anwesend waren Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger und Ministerialdirektor Michael Kleiner vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg, Stuttgart. Der Baubeginn der Anlage erfolgte im Dezember 2022. Sie wurde mit Fördermitteln des BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung, Berlin, unterstützt. Den Neubau des bundesweiten Leuchtturms der deutschen Batterieforschung namens Powder-Up! förderte das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus des Landes Baden-Württemberg finanziell.
Die neue Produktionsstätte Powder-Up! für die Herstellung von hochenergetischen und umweltfreundlichen Batteriematerialien ist ein zentraler Baustein für den Aufbau einer wettbewerbsfähigen und nachhaltigen Batteriewertschöpfungskette in Deutschland und Europa. Damit wird auch die technologische Souveränität im Bereich Batteriefertigung weiter vorangetrieben. Laut B. Stark-Watzinger ist die deutsche Batterieforschung sehr erfolgreich, jetzt müssen der Transfer in die Anwendung verbessert und neue, innovative Infrastrukturen dafür geschaffen werden. Mit der Pilotanlage Powder-Up! am ZSW in Ulm und der Forschungsfertigung Batteriezelle in Münster entsteht in Deutschland ein zusammenhängendes Forschungsökosystem für die Entwicklung innovativer Batterietechnologien made in Europe. Diese Forschungsinfrastruktur stärkt die Position Deutschlands als führender Standort für die Batterieproduktion. Jetzt liegt es an der Industrie, dieses Angebot für einen schnellen Markthochlauf zu nutzen.
Die Batteriezelle ist eine besonders wichtige Zukunftstechnologie, erklärt M. Kleiner. Die Landesförderung von insgesamt 10 Mio. Euro ist ein wichtiger Beitrag, damit das ZSW seine Stellung als nach seinen Angaben führendes anwendungsorientiertes Batterieforschungszentrum weiter ausbauen kann.
Die Performance von Lithium-Ionen-Batterien hängt hauptsächlich von den verbauten Materialien ab. Mit der Pilotanlage Powder-Up! können jetzt erstmalig außerhalb der Industrie solche Kathodenmaterialien in einer seriennahen Umgebung hergestellt werden, erklärt Prof. Dr. Markus Hölzle, Leiter des ZSW in Ulm. Er zeigt sich stolz diese herstellerunabhängige Entwicklungsplattform den Partnern aus Industrie und Wissenschaft anzubieten. In dem viergeschossigen Neubau kommen ausschließlich industrieerprobte Maschinen zum Einsatz, um eine erfolgreiche Produktherstellung unter seriennahen Bedingungen zu garantieren.
Kathodenmaterialien industrienah herstellen
Neue Materialien werden zunächst in kleinen Batterieprototypen getestet. Bei erfolgreichen Ergebnissen werden dann jedoch schnell deutlich größere Materialmengen notwendig. Diese konnten bisher nur von den großen industriellen Herstellern geliefert werden, die jedoch meist nicht in Europa produzieren und nur selten bereit sind, ihre besten Produkte an Universitäten oder andere Forschungseinrichtungen abzugeben. Diese Lücke schließt Powder-Up!.
Die Pilotanlage umfasst eine Nutzfläche von 2.400 qm und deckt alle Produktionsschritte für die Herstellung von hochenergetischen und umweltfreundlichen Batteriematerialien ab. Dazu gehören eine Fällungsanlage für Vorstufen, eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung sowie verschiedene Varianten der Nachbearbeitung. Ebenso integriert sind neue chemische Labore sowie hochpräzise analytische Messgeräte. Die neuen Anlagen ermöglichen es, schnell unterschiedliche Produktmuster herzustellen und diese ebenso schnell zu testen. Mittels digitalisierter Prozessschritte inklusive der zugehörigen Produktanalytik werden die Entwicklungszyklen weiter verkürzt, um Ressourceneinsatz, Produktausbeute und die Performance von Batterien schnell weiter zu verbessern.
Die in Powder-Up! hergestellten Materialien, der Fokus liegt auf neuartigen Kathodenmaterialien, können anschließend in Pilotanlagen bei Forschungsinstituten oder bei Batterieproduzenten für Entwicklungen genutzt werden. Chargen bis 100 km sind möglich. Erst diese Menge an Material ermöglicht den Bau von originalgroßen Batterien, wie sie später zum Beispiel in Fahrzeugen eingesetzt werden. Powder-Up! dient darüber hinaus der Erforschung einzelner Produktionsschritte und der dafür eingesetzten Maschinen. Durch diese Arbeit wird auch der deutsche Maschinenbau unterstützt, von dem fast alle Maschinen und Anlagen stammen.
Das Land Baden-Württemberg finanziert das Powder-Up!-Gebäude mit 10 Mio. Euro. Die Pilotanlage mit allen Anlagenteilen, der Gebäude- und Sicherheitstechnik sowie die notwendige Analytik wird mit 24 Mio. Euro vom BMBF finanziell gefördert.
Investitionen, Innovation und Industriezusammenarbeit
Die Wissenschaftler am ZSW erforschen seit über 35 Jahren Funktionsmaterialien für Batterien und Superkondensatoren. Sie verfügen daher über umfassende Erfahrung in der Entwicklung und Verarbeitung maßgeschneiderter Pulver und Pasten. Ein Fokus liegt auf dem Design innovativer Batteriezellen ohne den Einsatz kritischer und umweltschädlicher Roh- und Hilfsstoffe, aber auch auf Batteriezellen mit erhöhter Sicherheit.
Zur Ausstattung des ZSW in Ulm gehört seit 2014 auch eine große Pilotlinie für die industrielle Produktion von Lithium-Ionen-Zellen bis 80 Amperestunden sowie seit 1998 ein europaweit anerkanntes Batteriesicherheits- und Testzentrum, in dem die Leistungsfähigkeit von Batterien und insbesondere von neuen Batterieprototypen unter extremsten Bedingungen bewertet wird. Dazu zählen auch bewusst herbeigeführte Batteriebrände in den am ZSW vorhandenen Sicherheitsbunkern. Die Erforschung und Implementierung von Recyclingverfahren für Produktionsabfälle und Metalle aus gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien runden die Aktivitäten ab.
Durch die kontinuierliche und großzügige Förderung des BMBF und des Landes Baden-Württemberg wurde in den letzten Jahren ein robustes Ökosystem für die Batteriefertigung in Deutschland aufgebaut. Das ZSW spielt dabei nach eigenen Angaben eine Schlüsselrolle im Technologietransfer. Heute arbeiten mehr als 100 Experten am ZSW in Ulm an Komponenten für die nächsten Generationen von Batteriezellen.
Über das ZSW
Das ZWS Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg gehört nach eigenen Angaben zu den führenden Instituten für angewandte Forschung in den großen Themen der Energiewende: Photovoltaik, Windenergie, Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyse, E-Fuels, Circular Economy, Politikberatung sowie die Nutzung von KI zur Prozess- und Systemoptimierung. Gemeinsam mit der Industrie ebnet das ZWS neuen Technologien den Weg in den Markt. An den ZSW-Standorten Stuttgart und Ulm arbeiten dafür mehr als 300 Mitarbeiter sowie rund 100 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte. Das ZSW betreibt ein Testfeld für Windenergie und ein weiteres Testfeld für PV-Anlagen. Das ZSW ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), einem Bündnis aus zehn wirtschaftsnahen Forschungseinrichtungen.
