E-Motive-Expertenforum: Batterie 1

Unter Hochspannung stehen im wahrsten Sinne des Wortes alle, die sich mit Batterien für Elektrofahrzeuge beschäftigen. Das E-Motive-Expertenforum half, Forschung und Industrie zu vernetzen. Die wichtigste Botschaft: Es ist nicht nur eine Preisfrage.

Deutschland kann weltbester Produktionsstandort auch für die Elektromobilität werden.“ So stimmte Hartmut Rauen, Mitglied der VDMA-Hauptgeschäftsführung, die Teilnehmer des 4. E-Motive-Expertenforums auf elektrische Fahrzeugantriebe ein. Der Erfolg der Elektromobilität steht und fällt mit den Batterien. Von ihrer Weiterentwicklung hängt vieles ab: So warnen das Institut der deutschen Wirtschaft Köln und Deutsche Bank Research vor Euphorie: Danach bleibt das Elektroauto in der Nische stecken, wenn Akkus nicht deutlich billiger werden. So heißt es in der September-Studie, dass die Preise für Batterien um rund 70 Prozent sinken und sich die Speicherfähigkeit verdoppeln müsse, „wenn E-Mobile salonfähig werden sollen“.

„Ich empfehle das Bilden von Teams, die das Thema Generalismus plus Tiefenbohrung hin bekommen.“ Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker, Werkzeugmaschinenlabor WZL, RWTH Aachen

Die Batterieproduktion sieht Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker, (Werkzeugmaschinenlabor WZL, RWTH Aachen) als Chance für mehr Wertschöpfung in Deutschland an. Der Leiter des Projektes ScreetScooter (Entwicklung bezahlbarer Elektrofahrzeuge) warnte davor, diese Chance zu verschlafen. Als warnendes Gegenbeispiel nannte er China, wo mal eben „100.000 Studenten einen gemeinsamen Forschungsauftrag erhalten.“ Um die Chancen zu nutzen, sollte der deutsche Maschinen- und Anlagenbau seine Stärken gezielt einsetzen. Das sind Qualitätsverständnis, Komplexitätsbeherrschung und die Fähigkeit zur Vernetzung.

„Die Batterie ist ein sehr komplexes Produkt, für die unterschiedlichste Fertigungstechnologien nötig sind“, erklärte der Wissenschaftler. Diese Komplexität können Deutsche mit Blick auf das Zusammenspiel etwa von Chemie, Elektronik, Mechanik und Montage sehr gut beherrschen. So gelte es, die qualitätskritischen Produktionsschritte aufeinander abzustimmen. Als Beispiel nannte er das Beschichten der Elektroden: Hier komme es unter anderem auf den Schutz des Aktivmaterials vor Verunreinigungen und der genauen Dosierung der Beschichtungsmasse an. Daher müssten alle beteiligten Maschinen- und Anlagenbauer eng zusammenarbeiten, um die einzelnen Zwischenstufen miteinander zu verknüpfen.

Kein Over-Engineering betreiben

Doch er wies auch auf die Gefahr der Komplexitätsfalle hin. „Auch ein komplexes Produkt lässt sich einfach und zugleich robust herstellen“, meinte Kampker. Hier seien neben den Ingenieuren die künftigen „Me-Chem-Troniker“, eine Qualifizierung der Mechaniker, gefragt. So benötige die weltweite Antriebsstrang-Industrie bis 2030 rund 420.000 zusätzlich ausgebildete Experten. Bis dahin könne sich die Industrie helfen, indem sie beim Stammpersonal mit Hilfe von Projekten die Kompetenzen aufbaut. Er empfiehlt außerdem das Bilden von Teams, die „das Thema Generalismus plus Tiefenbohrung hin bekommen“. Eine reine Koordination von Experten reiche dagegen nicht aus, weil dann nur an der Oberfläche gekratzt würde. Als Hilfe zu Selbsthilfe bietet das Aachener Institut in Sachen Batterieproduktion die Zusammen­arbeit im Projekt Quasi.Bat (Qualitätssicherung) und dem Arbeitskreis eMobile Module (Vernetzung) sowie die Unterstützung durch das Elektromobilitätslabor (Komplexitätsbeherrschung) an.

Bewegung in die Elektromobilität kommt jetzt durch ein gemeinsames Projekt mit der Deutschen Post, in dem bis Ende 2012 ein fahrbereiter Prototyp eines „zukunftsweisendes Elektroauto speziell für die Brief- und Paketzustellung“ entstehen soll. Details sind noch nicht bekannt, aber die Batteriefrage wird sicherlich auch angegangen.

Batterieproduktion in Deutschland

Um den Aufbau von Produktionsstätten für Batterien kümmert sich die Firma Manz Tübingen, ein führender Anbieter von Produktionssystemen unter anderem für Solarzellen und Lithium-Ionen-Batterien. Geschäftsführer Albrecht Werner wies darauf hin, dass deutsche Maschinenbauer wie Manz über die entsprechenden Schlüsseltechnologien verfügen, um die Batteriekosten signifikant zu senken – hauptsächlich durch Verbessern der Materialien, Produkt- und Prozessqualität sowie Senken der Taktzeiten und Erhöhen der Lebensdauer. Eine wichtige Rolle spielt der Laser bei Manz, den die Tübinger beispielsweise in der Batteriepackfertigung einsetzen. So verbindet das Unternehmen (exakt: per serieller Verschaltung) die sogenannten Pouchzellen per Laserschweißung. Vier Pluspunkte sprechen laut Werner für diese Technologie:

  • Hohe Prozessgeschwindigkeiten und -stabilität
  • minimaler Übergangswiderstand
  • Verschweißen ungleicher Metallpaarungen (Kupfer, Aluminium) ohne Schutzgas
  • präzise Steuerung der Einschweißtiefe bis zur definierten Durchschweißung

Das größte deutsche Rundzellenwerk zur Herstellung von Lithiumzellen und Akkusystemen soll in Geesthacht entstehen. Bauherr ist die Electro Chemical Company (ECC) GmbH, ein Joint-Venture der bayerischen Firma Schletter (Solar-Montagesysteme) und der Oberflächen- und Materialtechnologie (o.m.t.) aus Lübeck. O.m.t. hat sich bereits einen Namen gemacht bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus, bei denen die Norddeutschen die Leistung um 20 Prozent steigern und die Kosten um 20 Prozent senken konnten. Geschäftsführer Dr. Detlev Repenning dazu: „Oft werden Lithium-Akkus aus dem gesundheitlich bedenklichen und relativ teuren Kobaltoxid gebaut. Wir haben uns auf die Weiterentwicklung von Lithium-Eisenphosphat konzentriert, das ungiftig und umweltverträglich ist. Diesen Grundstoff konnten wir hinsichtlich seiner Leitfähigkeit und Feuchtigkeitsempfindlichkeit deutlich verbessern.“ Hiermit habe man einen wichtigen Schritt zur wirtschaftlichen Fertigung der Lithium-Energiespeicher vollzogen.

Den nächsten Schritt zum preiswerten Energie­speicher geht der pfiffige Norddeutsche dank seiner über 30-jährigen Batterieerfahrung nun mit dem süddeutschen Marktführer für Solar-Montage-Anlagen an: Es geht dabei vor allem um die Verbesserung der Produktion. „Pulver und Pulveraufbereitung sind Schlüsselfaktoren für die Elektrodenherstellung“, erklärte Dr. Reppening. Der Experte setzt dabei auf Plasma­behandlung zur Reinigung, Trocknung, Aktivierung, Hydrophobierung und elektrischen Einstellung der Oberfläche.

Es ist eine Preisfrage: Noch zählen die mobilen Energiespeicher für Elektrofahrzeuge (im Bild der Motorraum eines Hybridfahrzeuges) zu den sehr teuren Investitionen.

Neue Batterietypen in der Entwicklung

Um die Weiterentwicklung der Lithium-Luft-Batterie mit ihren extrem hohen, theoretisch möglichen Energiedichten handelt es sich bei zwei Projekten, an dem sich das MEET-Batterieforschungszentrum der Uni Münster beteiligt. Neben der Energiedichte werden auch die Lebensdauer und die Recyclingfähigkeit von Batterien unter die Lupe genommen. In den Projekten Glanz und Stella entstehen eine wiederaufladbare Lithium-Luft-Zelle mit glasbasierten Festkörperelektrolyten und geschützter Anode sowie strukturierte Elektroden für Metall-Luft-Akkumulatoren.

„Wer hat Interesse, bei der Battery Safety Organization Batso mitzuwirken?“ Dipl.-Ing. Marc Krugmann, TÜV International

Mit dem Thema Sicherheit sprach Dipl.-Ing. Marc Krugmann, Global Business Field Manager von der Firma TÜV International in Köln, einen wichtigen Aspekt an. In Aachen fragte er: „Wer hat Interesse bei Batso mitzuwirken?“ Dahinter verbirgt sich die Battery Safety Organization, die laut TÜV einen neuen Standard für die sichere Anwendung von mobilen Energiespeichern aller Art etabliert hat. Der TÜV International prüft und zertifiziert bereits auf Grundlage des neuen internationalen Standards. Ein Batso-Zertifikat erhält das Unternehmen, dessen Produkt eine Vielzahl von Kriterien erfüllt – vom nicht überhöhten Stromabfall bis hin zum Fehlen von Reißstellen.

Energiespeicher auch entsorgen

Mit dem Akku nach dem Ableben, dem Recycling, beschäftigt sich intensiv Prof. Dr.-Ing. Bernd Friedrich vom Institut für Metallhüttenkunde und Elektrometallurgie IME (RWTH Aachen). Der Experte für metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling wies auf die wichtige Werkstoffquelle Automobil-Lithium-Ionen-Batterien hin, die viele wertvolle Metalle wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Kupfer und Aluminium, oder Stahl und auch schädliche Rohstoffe enthalten. Die jetzigen Recyclingverfahren müssten jedoch verbessert werden, denn es sei nämlich sehr mühsam, die EU-Vorgaben (mindestens 50 Prozent Recyclingquote) zu erfüllen. Derzeit kommen die Verfahren auf 40 bis 54 Prozent Recyclingquote. Wenn Abfälle wie Schlacke oder Graphit nicht zählen würden, könnte die Quote auf bis zu 75 Prozent hoch schnellen.

Am IME entstehen zusammen mit der Accurec Recycling GmbH aus Mülheim neue mehrstufige Recyclingkonzepte: Der Anwender kann nach manueller Demontage und Zellenentladung in einem vakuumthermischen und anschließend mechanischen Aufbereitungsprozess das Batteriemodul verwerten und viele marktfähige Fraktionen frühzeitig abtrennen. Vor einer Illusion warnte der Wissenschaftler allerdings: „Es gibt bisher keine Chance für ein kostenneutrales Recycling.“

Autor: Nikolaus Fecht, Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Raumsuche: Entwickler beschäftigten sich auch mit der Frage, wie sich die großen schweren Akkus für E-Fahrzeuge crashsicher unterbringen lassen.

Information
Batteriefertigung: Geschäft mit Zukunft
Die Zukunft der Elektromobilität analysierte der VDMA gemeinsam mit der Firma Roland Berger Strategy Consultants aus München in der Studie „Zukunftsfeld Elektromobilität“. Besonders interessant ist die Batteriefertigung: Mit neuen Produktionsanlagen können deutsche Maschinen- und Anlagenbauer rund 4,8 Milliarden Euro in den nächsten zehn Jahren umsetzen. Dabei stoßen die meist mittelständischen Unternehmen auf harten Wettbewerb vor allem aus Asien. Autor Dr. Guido Hertel, Partner bei Roland Berger, dazu: „Die deutschen Firmen müssen daher möglichst rasch die technologischen Vorsprünge vor allem der japanischen und koreanischen Konzerne entlang der Wertschöpfungskette aufholen.“