Von Lithium zur Batterie: Nachhaltige Batterieproduktion für die Energiewende

Mischen, Beschichten, Montieren, Verpacken – fertig. Eigentlich ist die Herstellung einer Batterie ganz einfach. Doch der Teufel steckt im Detail: Denn um möglichst viel Energie auf möglichst engem Raum speichern zu können, sind enorme technologische Klimmzüge notwendig. Und das beginnt bei den Batteriematerialien.

Wird in der Öffentlichkeit über Elektromobilität oder Stromspeicher in häuslichen PV-Installationen gesprochen, denkt fast jeder an Lithium-Ionen-Batterien – und hat dabei meist Recht. Doch der Speichermarkt ist inzwischen deutlich differenzierter – die Zahl der Batterie-Chemien wächst stetig. Schon die Lithium-Ionen-Technologie gibt es in unterschiedlichen Ausprägungen: Am weitesten verbreitet ist die Variante NMC622. Die Zahlen stehen dabei für das Verhältnis der Kathodenmaterialien Nickel, Mangan und Kobalt, NMC811 ist eine weitere Variante. Bedeutend ist zudem die Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP), die zwar nicht dieselbe Energiedichte wie die vorgenannten erreicht, jedoch mehr Ladezyklen erlaubt und ohne die teuren und in der Gewinnung oft problematischen Metalloxide auskommt.

Eine Alternative dazu, die in jüngster Zeit Schlagzeilen macht, ist die Natrium-Ionen-Batterie (Na-Ion), die einerseits günstiger ist als Li-Ion-Zellen und die zudem ihre Leistung über einen größeren Temperaturbereich bringt. Andererseits haben Na-Ion-Batterien eine niedrigere Energiedichte, d.h. sie sind bei gleicher Kapazität schwerer. Und auch die Na-Ion-Batterie gibt es in verschiedenen Varianten. Die wichtigsten drei basieren entweder auf “Preußisch Weiß” - einer komplexen anorganischen Verbindung -, Metalloxid-Schichten mit Nickel, Mangan und anderen, sowie sogenannten Polyanion-Kathoden. Und um die Verwirrung komplett zu machen: Es gibt noch viel mehr chemische Kombinationen, die in der Lage sind, elektrische Energie zu speichern.

Vier Schritte führen zur Batterie

In der Herstellung sind die Materialunterschiede weniger relevant: Die Produktionslinien der Gigafactories können relativ schnell beispielsweise von Li-Ion auf Na-Ion umgerüstet werden. Denn der Aufbau ist grundsätzlich gleich: Die Batterien bestehen aus den vier Kernelementen Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt. Die wichtigsten Prozessschritte bei der Herstellung sind:

• Elektrodenfertigung
• Zellassemblierung
• Formation
• Aging

Sowohl Kathoden als auch Anoden bestehen aus dem Aktivmaterial – für Anoden Grafit, für Kathoden z.B. Lithium-Kobalt-Oxid –, Leitruß, Lösungsmittel, Binder und Additiven, die durch intensiven Energieeintrag in Mischern, Dispergierern oder Extrudern jeweils zu einer homogenen Paste (Slurry) verbunden werden. Je nach Elektrodendesign wird in unterschiedlicher Reihenfolge trocken gemischt oder nass dispergiert. Anschließend wird eine Trägerfolie – bei Anoden Kupfer, für Kathoden Aluminium – mit dem Slurry beschichtet und dann getrocknet. Die anschließende Kalandrierung sorgt für eine homogene Schichtdicke der Elektroden.

Nachdem das Elektrodenband geschnitten wurde, werden die aufgerollten Coils in Vakuumtrocknern entfeuchtet. Anschließend erfolgt die Zellassemblierung, bei der die Elektrode entweder zu Zellstapeln gefaltet (Pouch) oder gerollt wird (Rundzelle, prismatische Zelle). Nachdem die Ableiterfolien kontaktiert sind, werden die Elektroden in die Verpackung eingebracht und schließlich mit Elektrolyt befüllt.

Im Prozessschritt Formation werden die Batteriezellen erstmals geladen und entladen, wobei sich Lithium-Ionen in die Grafitstrukturen der Anode einlagern. Das anschließende Aging hat zum Ziel, etwaige Kurzschlüsse in den Zellen zu identifizieren. Jeder dieser Prozessschritte hat einen mehr oder weniger großen Einfluss auf die Leistung und Sicherheit der Batterie.

Großes Verbesserungspotenzial in Prozessen und Technik

Die Komplexität bei der Batteriefertigung steigt zudem durch externe Marktentwicklungen: Stark steigende Lithium- und Nickelpreise zwingen die Hersteller dazu, ihre Rezepturen und Technologien anzupassen. Neue Technologien, wie der Ersatz flüssiger Elektrolyte durch Feststoff- oder halbfeste Elektrolyte, aber auch schnellere Mischprozesse könnten zu neuen Disruptionen führen. Hier liegt auch die Chance für europäische Hersteller im Hinblick auf die chinesische Dominanz.

Um diese Chancen nicht zu verpassen, werden neue Batteriefabriken oft bereits für Verfahren gebaut, die noch gar nicht ausentwickelt sind. Das setzt Maschinenlieferanten unter Druck: Parallel zum Bau der Gigafab müssen diese Zuführ-, Dosier- und Mischprozesse oft in mühsamer empirischer Kleinarbeit so entwickeln, dass die geforderten Qualitäten und Leistungen schließlich erreicht werden. Und die Skalierung aus dem Labor und Technikum in den großtechnischen Maßstab stellt eine weitere Herausforderung dar. Aktuelles Beispiel: Die Aktivmaterialien werden bislang noch meist in Big Bags angeliefert. Mehrere Dutzend solcher Großpackmittel in Handarbeit oder halbautomatisch zu entleeren ist ineffizient – neue Logistikprozesse könnten hier zu deutlichen Verbesserungen führen, und zwar vor allem dann, wenn die Wege zwischen den Herstellern kurz und die Lieferketten integriert werden.

Speziell auf die Anforderungen der Batterieproduktion angepasste Maschinen wie Pumpen und Transportsysteme, die abrasive Slurrys fördern, Maschinen und Schnittstellen, die sicher die geforderten Arbeitsplatzgrenzwerte (OEB 4 und 5) erreichen, aber auch Testsysteme und Analysengeräte für diese speziellen Anforderungen gehören zu den Herausforderungen, denen sich viele Ausrüster stellen. Und das wird auch auf der kommenden POWTECH TECHNOPHARM zu sehen sein, die vom 23. bis 25. September 2025 in Nürnberg stattfinden wird.