Missionsorientierte Maßnahmen

Der missionsorientierte Teil des Dachkonzepts Forschungsfabrik Batterie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) umfasste die forschungsseitige Unterstützung der Materialentwicklung und -charakterisierung, der Prozessentwicklung und Digitalisierung sowie der Produktion und Automatisierung. Begleitet wurden alle Maßnahmen durch Aktivitäten zur Erhöhung von Effizienz und Langlebigkeit der Batterien sowie zum Ressourcenschutz. Diese Themen werden in drei Modulen und zwei übergreifenden Querschnittsinitiativen zusammengefasst, die im Folgenden näher erläutert werden.

Mit der Initiative Excellent Battery unterstützte das BMBF seit 2012 exzellente Forschungsstandorte, die neue Materialkonzepte entwickelten und erprobten. Die Initiative wurde bis 2019 in zwei Phasen mit rund 40 Millionen Euro finanziert. Ab Herbst 2019 wurden die grundlegenden Forschungen zu Materialthemen im Kompetenzcluster für Batteriematerialien ExcellBattMat gebündelt. Mit rund 16 Millionen Euro wurden Projekte gefördert, welche die materialwissenschaftlichen Grundlagen für zukünftige flüssigelektrolytbasierte Batteriesysteme erarbeiten sollten. Besonderes Augenmerk lag auf der Relevanz der Ergebnisse für die industrielle Fertigung.

Festkörper-Batterien wurden als vielversprechende Alternative zu etablierten Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten gesehen – insbesondere für die Elektromobilität. Während die Material- und Prozesstechnologien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten bereits weit entwickelt waren, bedurfte es noch erheblicher Forschungsaktivitäten, um Festkörperbatterien erfolgreich im Markt zu etablieren. Der Kompetenzcluster für Festkörperbatterien FestBatt sollte dafür in Deutschland die wissenschaftliche Basis legen. Das BMBF förderte die Partner des Clusters mit rund 16 Millionen Euro.

Jeder einzelne Prozessschritt hat Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, die Qualität und die Kosten von Batteriezellen. Um diese Zusammenhänge wissenschaftlich aufzuklären und für die Industrie in Deutschland zugänglich zu machen, wurde im Jahr 2016 der Kompetenzcluster zur Batteriezellproduktion ProZell durch das BMBF initiiert. Im Forschungscluster wurden die Kompetenzen von 28 Forschungseinrichtungen und Forschungsanlagen und -infrastrukturen zur Batteriezellfertigung zusammengeführt, die an unterschiedlichen Standorten vorhanden waren. Ziel des Kompetenzclusters war es, den Produktionsprozess von Batteriezellen und dessen Einfluss auf die Zelleigenschaften sowie Produktentstehungskosten zu erarbeiten, im Detail zu verstehen und beschreiben zu können sowie kontinuierlich weiterzuentwickeln. Das BMBF unterstützte ProZell mit rund 52 Millionen Euro.

Auf der Forschungsplattform für die industrielle Produktion von großen Lithium-Ionen-Zellen oder kurz Forschungsproduktionslinie (FPL) am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm werden Material- und Zellkonzepte im Labor im Hinblick auf ihre Eignung für die Massenproduktion getestet und validiert. Der Aufbau der Anlage, die im September 2014 eingeweiht wurde, wurde durch das BMBF in Höhe von 25,7 Millionen Euro gefördert. Das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft des Landes Baden-Württemberg (MFW) kam mit sechs Millionen Euro für die Finanzierung des Gebäudes auf.

Aussichtsreiche Batterien, welche die ersten Tests am ZSW bestanden haben, sollten im nächsten Schritt in der neu zu errichtenden Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) in einem massentauglichen Maßstab prozessiert und untersucht werden. Sie sollte als zentrales Element etabliert werden, um den Transfer neuer Batteriezellkonzepte und notwendiger Anlagentechnik in die Industrie zu beschleunigen, und Unternehmen ermöglichen, spezifische Batteriezellkonzepte zu evaluieren. Die Forschungsfertigung Batteriezelle wird vom BMBF mit rund 500 Millionen Euro gefördert. Ein erstes Teilprojekt zum Aufbau und zur Inbetriebnahme einer ersten Forschungslinie in Münster durch die Fraunhofer-Gesellschaft als Trägereinrichtung wurde mit rund 150 Millionen Euro unterstützt.

Eine Fördersumme von rund 30 Millionen Euro investierte das BMBF in den Aufbau des Kompetenzclusters Intelligente Batteriezellproduktion InZePro. In dessen Fokus stand, die Produktivität der Zellfertigung zu erhöhen und zu flexibilisieren. Erreicht werden sollte dies, indem das Produktionssystems unter Einsatz von Lösungen der Industrie 4.0 ganzheitlich optimiert wird. Schwerpunkte waren dabei: innovative agile Anlagentechnik, Digitalisierung, künstliche Intelligenz (KI) in der Produktion sowie virtuelle Produktionssysteme.

In den Querschnittsinitiativen sind Kompetenzcluster und Forschungsinitiativen und -vorhaben organisiert, die modulübergreifende Themenstellungen haben.

Der Kompetenzcluster Recycling und Grüne Batterie greenBatt schaffte die Voraussetzungen für eine energie- und materialeffiziente Batterieentwicklung durch die konsequente Umsetzung eines ganzheitlichen Life Cycle Engineerings und die Schließung von Material- und Stoffkreisläufen. Der Bezugsrahmen des Clusters umfasste den vollständigen Batterielebenszyklus mit einem besonderen Fokus auf das Recycling, die systematische Betrachtung der Vorketten von der Rohstoffgewinnung bis zur Materialsynthese bzw. Re-Synthese für bestehende und neue Batteriematerialien sowie die Potenziale der Digitalisierung an der Schnittstelle zum Recycling oder End-of-Life. Hieraus leiteten sich sieben Forschungsfelder ab, die bearbeitet werden sollten: Prüfung und Demontage, mechanische Aufbereitung, chemische Prozessierung, nachhaltige Rohstoffgewinnung und Re-Synthese, Life-Cycle-Design und -Engineering sowie Digitalisierung für Recycling. Das BMBF förderte greenBatt mit rund 30 Millionen Euro.

Mit weiteren rund 20 Millionen Euro förderte das Bundesforschungsministerium das Cluster Batterienutzungskonzepte BattNutzung. Sein Ziel war das tiefgehende Verständnis von Batteriezuständen und -verhalten, um zu entscheiden, wann die Zweitnutzung (Second Use) von Batteriespeichern möglich und für welche Anwendung sie sinnvoll ist. Wesentliche Aufgabe des Kompetenzclusters war es, die heute übliche sequentielle Entwicklung vom Material zur Zelle zum System erheblich zu beschleunigen, indem wesentliche Entwicklungsschritte zum Batteriesystem zeitlich zur Material- und Zellentwicklung parallelisiert werden. Im Kompetenzcluster BattNutzung sollten drei Themenfelder bearbeitet werden: Sicherheit und Performance, Alterung und Lebensdauerprognose sowie Batteriesystembewertung. Zur Gesamtbewertung gehörte auch die Analyse des ökologischen Fußabdrucks und der Rohstoffbilanz der untersuchten oder erarbeiteten Technologien bzw. Nutzungskonzepte.

Die stete Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig langer Lebensdauer und hoher Sicherheit von Batterien erfordert Kompetenzen zur Analyse und Qualitätssicherung. Ziel des Kompetenzclusters Analytik und Qualitätssicherung AQua war es deshalb, ein umfassendes prozessübergreifendes Verständnis von Eigenschafts-Struktur-Beziehungen zwischen Materialien, Fertigungsschritten und der elektrochemischen Performance der Elektroden bzw. Zellen zu erarbeiten. Damit sollten Forschungsergebnisse auf Materialebene schneller in die Entwicklung und Herstellung kommerzieller Zellen einfließen können. Gleichzeitig sollten damit Prozesse in der Fertigung optimiert werden, um bei garantierten Leistungskenndaten Kosten zu reduzieren. Gesamtziel war die Erarbeitung einer lückenlosen Matrix von Qualitätssicherungsmaßahmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette von den Ausgangsmaterialien über die Elektroden- und Zellfertigung bis zur Gesamtzelle. Geplant war der Aufbau einer Analytik- und Qualitätssicherungsplattform, die komplexe Fragestellungen zur Zellfertigung aus Forschung und Industrie mit Hilfe komplementär aufeinander abgestimmter Methoden und Kompetenzen untersucht und die Ergebnisse für die Prozessmodellierung bzw. weitere Optimierung von Elektroden- und Zelldesign und von Fertigungsprozessen zur Verfügung stellt. Um die gesteckten Ziele erreichen zu können, waren drei Plattformen im Kompetenzcluster vorgesehen: Materialcharakterisierung und -analytik, Zellanalytik sowie Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) und In-line-Fertigungskontrollen. Für den Kompetenzcluster AQua hat das BMBF eine Fördersumme von rund 20 Millionen Euro bereitgestellt.