E-Mobilität Kostengünstige Batterieproduktion in Europa ermöglichen

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In dem EU finanzierten Forschungsprojekt Green Speed haben die Projektmitglieder ein neues Konzept für die Herstellung von Elektroden für Batteriezellen entwickelt. Die Kombination von Trockenbeschichtung der Kathode, Anoden auf Siliziumbasis und KI-gesteuerten Digital-Twin-Simulationen soll die Batterieproduktion künftig nachhaltiger und kostengünstiger gestalten.

Das rasante Wachstum der Elektromobilität in Europa wird zunehmend durch Umwelt-, Kosten- und Lieferkettenprobleme im Zusammenhang mit der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien gebremst. Obwohl die Lithium-Ionen-Technologie batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) antreibt und den Übergang zu nachhaltiger Mobilität unterstützt, ist die herkömmliche Elektrodenherstellung nach wie vor energieintensiv und stark von organischen Lösungsmitteln und energieintensiver Trocknung abhängig.Das im Juli 2022 im Rahmen des EU-Programms „Horizon Europe“ gestartete Projekt Green Speed brachte elf Partner aus fünf Ländern zusammen – darunter Industrieunternehmen, KMUs und Forschungseinrichtungen –, um die Batterieherstellung in Europa neu zu definieren. Unter der Koordination der Virtual Vehicle Research GmbH haben die Projektbeteiligten eine Batteriezelle entwickelt, deren Elektroden in einem innovativen Produktionsprozess hergestellt werden, wodurch der Energieverbrauch gesenkt, die CO2-Emissionen reduziert und die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) in der Produktion vollständig eliminiert werden.

Nachhaltige Elektrodenproduktion

• Trockene Kathodenbeschichtung: Green Speed entwickelte eine Rolle-zu-Rolle-Kathodenbeschichtung für eine Nickel-reiche NMC-Verbundkathode. Hierbei entfallen die bei der herkömmlichen Herstellung üblichen Schritte des Gießens von Lösungsmitteln und des energieintensiven Trocknens, Kondensierens und Transportierens vollständig.
• Anodentechnologie auf Siliziumbasis: Für die Anode wurde eine hochkapazitive Schicht aus reinem Silizium mithilfe eines mikrowellenunterstützten, plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (MW-PECVD) hergestellt. Dabei wird poröses Silizium unter Verwendung von lokal erzeugtem Silangas (SiH₄) direkt auf Kupferstromkollektoren abgeschieden. Dieser Ansatz vermeidet herkömmliche Bindemittel und leitfähige Additive.
• Die Kombination dieser Entwicklung ermöglicht ein Zelldesign, das Energiedichte um 69 % bei gleichzeitig um 32% geringerem Energieverbrauch steigert und die Produktionskosten im Vergleich zu Standard-Lithium-Ionen-Zellen um 21  % reduzieren soll.

Simulation reduziert experimentelle Iterationen

Von Anfang wurden in dem Projekt Modellierungs- und Simulationstechniken eingesetzt – darunter digitale Zwillinge, künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen –, um die Zellleistung vorherzusagen und zu optimieren und die Fertigungsparameter zu steuern. Damit minimierten sich experimentelle Iterationen und beschleunigten die Prozessoptimierung.Konkret befassten sich die Arbeitspakete mit dem Materialverhalten unter mechanischer Beanspruchung (z. B. Verformung des Stromkollektors), der mesomechanischen Modellierung von funktionalen Batteriezellen und der KI-gestützten Modellierung von Ersatzschaltkreisen. 

Green Speed definierte frühzeitig die Anforderungen an Zellen für den Automobilbereich, einschließlich Validierungs- und Testprotokollen für Leistung, Sicherheit, Zyklenfestigkeit und Lebensdauer. Es wurden Zellen der ersten Generation konstruiert: Im Labormaßstab gestapelte Pouch-Zellen und Zellen mit Standardelektrolyten ermöglichten die Prüfung von Kathoden- und Anodenkonfigurationen. Das Konzept der Anode aus reinem Silizium wurde auf Laborzellenebene erfolgreich demonstriert und zeigte vielversprechende Ergebnisse (wenn auch mit begrenzter Lebensdauer) – was sowohl das Potenzial als auch die Herausforderungen für die weitere Optimierung unterstreicht.Auf der Kathodenseite wurde der Bindemitteltyp, die Folienoberflächenbehandlung, die Haftung und die Filmgleichmäßigkeit optimiert; Extrusions- und Rolle-zu-Rolle-Transferprozesse wurden verfeinert, die Haftung auf den Trägerfolien verbessert und die beidseitige Beschichtung wurde technisch realisierbar.
Die Ergebnisse kommen nicht nur Batterieherstellern und Automobilherstellern zugute, sondern unterstützen auch die Energie- und Klimaziele Europas, indem sie eine umweltfreundlichere Mobilität ermöglichen und die CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus der Batterien reduzieren.