Missionsorientierte Maßnahmen

Der missionsorientierte Teil des Dachkonzepts Forschungsfabrik Batterie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) umfasst die forschungsseitige Unterstützung der Materialentwicklung und -charakterisierung, der Prozessentwicklung und Digitalisierung sowie der Produktion und Automatisierung. Begleitet werden 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 hat das BMBF seit 2012 exzellente Forschungsstandorte unterstützt, die neue Materialkonzepte entwickeln und erproben. Die Initiative wurde bis 2019 in zwei Phasen mit rund 40 Millionen Euro finanziert. Seit Herbst 2019 werden die grundlegenden Forschungen zu Materialthemen im Kompetenzcluster für Batteriematerialien ExcellBattMat gebündelt. Mit rund 16 Millionen Euro werden Projekte gefördert, welche die materialwissenschaftlichen Grundlagen für zukünftige flüssigelektrolytbasierte Batteriesysteme erarbeiten sollen. Besonderes Augenmerk liegt auf der Relevanz der Ergebnisse für die industrielle Fertigung.

Festkörper-Batterien werden aktuell 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 sind, bedarf es noch erheblicher Forschungsaktivitäten, um Festkörperbatterien erfolgreich im Markt zu etablieren. Der Kompetenzcluster für Festkörperbatterien FestBatt soll dafür in Deutschland die wissenschaftliche Basis legen. Das BMBF fördert 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 werden die Kompetenzen von 28 Forschungseinrichtungen und Forschungsanlagen und -infrastrukturen zur Batteriezellfertigung zusammengeführt, die an unterschiedlichen Standorten vorhanden sind. Ziel des Kompetenzclusters ist 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 unterstützt 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, sollen im nächsten Schritt in der neu zu errichtenden Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) in einem massentauglichen Maßstab prozessiert und untersucht werden. Sie soll 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 wird mit rund 150 Millionen Euro unterstützt. Die Anlage soll Mitte 2022 den Betrieb aufnehmen.

Eine Fördersumme von rund 30 Millionen Euro hat das BMBF für den Aufbau des Kompetenzclusters Intelligente Batteriezellproduktion InZePro vorgesehen. In dessen Fokus steht, die Produktivität der Zellfertigung zu erhöhen und zu flexibilisieren. Erreicht werden soll dies, indem das Produktionssystems unter Einsatz von Lösungen der Industrie 4.0 ganzheitlich optimiert wird. Schwerpunkte sind 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 schafft 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 umfasst 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 leiten sich sieben Forschungsfelder ab, die bearbeitet werden sollen: Prüfung und Demontage, mechanische Aufbereitung, chemische Prozessierung, nachhaltige Rohstoffgewinnung und Re-Synthese, Life-Cycle-Design und -Engineering, sowie Digitalisierung für Recycling. Das BMBF fördert greenBatt mit rund 30 Millionen Euro.

Weitere rund 20 Millionen Euro hat das Bundesforschungsministerium für den Cluster Batterienutzungskonzepte BattNutzung vorgesehen. Sein Ziel ist 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 ist 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 sollen drei Themenfelder bearbeitet werden: Sicherheit und Performance, Alterung und Lebensdauerprognose sowie Batteriesystembewertung. Zur Gesamtbewertung gehört 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 ist es deshalb, ein umfassendes prozessübergreifendes Verständnis von Eigenschafts-Struktur-Beziehungen zwischen Materialien, Fertigungsschritten und der elektrochemischen Performance der Elektroden bzw. Zellen zu erarbeiten. Damit sollen Forschungsergebnisse auf Materialebene schneller in die Entwicklung und Herstellung kommerzieller Zellen einfließen können. Gleichzeitig sollen damit Prozesse in der Fertigung optimiert werden, um bei garantierten Leistungskenndaten Kosten zu reduzieren. Gesamtziel ist die Erarbeitung einer lückenlosen Matrix von Qualitätssicherungsmaßahmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette von den Ausgangsmaterialien über die Elektroden- und Zellfertigung bis zur Gesamtzelle. Geplant ist 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, sind 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 vorgesehen.