Forschungsfabrik am ZSW

Neuartige Batteriematerialien in größeren Mengen herstellen

ZSW, Batteries, Powder-Up!
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Partikel eines kobaltfreien Kathodenmaterials, hergestellt am ZSW.
© ZSW

Für Universitäten und Forschungseinrichtungen ist es nahezu unmöglich, hochleistungsfähige Kathodenmaterialien für Forschungsarbeiten zu Hochleistungsbatterien zu erhalten. Mit Powder-Up! will das ZSW in Ulm das nun ändern.

Ob Energiedichte, Lebensdauer, Kosten oder Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien: Maßgeblich bestimmen die Materialien in der Kathode all diese Eigenschaften. Ein Schlüssel, um im internationalen Wettbewerb vorne dabei sein zu können, liegt daher in der schnellen Verfügbarkeit neuester Kathodenmaterialien – und das in großen Mengen. Mit dem Großprojekt Powder-Up! errichtet das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in den nächsten Monaten in Ulm eine Pilotanlage zur Herstellung solcher hochleistungsfähigen Kathodenmaterialien für zukünftige Generationen von Lithium-Ionen-Batterien. Diese Materialien können in der Anlage in Mengen bis zu 100 Kilogramm hergestellt werden.

Wissenschaftliche Partner in Deutschland und Europa, aber auch Partner aus der Industrie, können diese Kathodenmaterialien künftig für den Einsatz auf ihren Pilotanlagen nutzen. Damit wird laut ZSW eine gravierende Lücke in der wissenschaftlichen Landschaft in Deutschland geschlossen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert Powder-Up! mit rund 20 Millionen Euro.

»Aktuell werden Kathodenmaterialien der nächsten Generation in Deutschland nicht im industriellen Maßstab hergestellt. Für Universitäten und Forschungseinrichtungen ist es daher nahezu unmöglich, derartige Materialien in Forschungsarbeiten zu Hochleistungsbatterien einzusetzen«, erklärt ZSW-Vorstand und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm, Prof. Markus Hölzle. »Powder-Up! wird diese Lücke schließen.«

Vom Metallsalz bis zum Kathodenpulver

Mit dem Projekt Powder-Up! bauen die Forschenden des ZSW eine Pilotanlage für die Hochskalierung der Synthese maßgeschneiderter Kathodenmaterialien vom 1-Kilogramm- über den 10-Kilogramm- bis zum 100-Kilogramm-Maßstab auf. Die Materialien sollen dann Forschungs- und Industriepartnern für die Zellentwicklung bereitgestellt werden.

Die großtechnisch etablierte Prozesskette der Kathodenmaterialherstellung mit ihren komplexen Teilschritten wird vollständig abgebildet: von der Produktion eines sogenannten Precursors über die Fällungsreaktion von beispielsweise Nickel- oder Kobaltsalzen mit Natronlauge und der Weiterverarbeitung dieses Precursors mit Lithiumsalzen bei Temperaturen von bis zu +1000 °C bis hin zur abschließenden Oberflächennachbehandlung des Endproduktes. Jeder Einzelschritt ist dabei entscheidend für die Qualität dieser Materialien.

In Powder-Up! kommen nach Aussage des ZAW ausschließlich industriebewährte Maschinen zum Einsatz, um eine Pulverherstellung unter industrienahen Bedingungen zu garantieren. Diese Maschinen decken die komplette Prozesskette ab, sollen aber auch Forschungsarbeiten zu einzelnen Fertigungsschritten ermöglichen. Ergänzt werden sie durch Analytik sowie eine schnelle Datenerfassung und Verarbeitung zur Sicherung der Qualitätsstandards.

Die Rezeptur- und Prozessentwicklung wird zunächst in kleinster Skalierungsstufe ausgeführt. Hierbei ist es das Ziel, in kurzer Zeit mit niedrigen Kosten ein Zielrezept für einen ausgewählten Prozess zu erstellen. Die optimierten Parameter überträgt das ZSW dann in den größeren Maßstab, die sogenannte Pilotierung. Durch digitalisierte Analytik und vernetzte Prozessschritte mit Prozessdatenerfassung soll der Einfluss der Syntheseparameter auf Ressourceneinsatz, Produktausbeute, Partikeldesign und elektrochemische Performance statistisch erfasst und wissenschaftlich ausgewertet werden.


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