ZSW meldet Vollbetrieb seiner Pilotanlage für Kathodenmaterial

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat in Ulm eine Pilotanlage in den Vollbetrieb überführt, die Batterie-Kathodenmaterialien unter realen Bedingungen vom Labormaßstab auf Chargen von bis zu 100 Kilogramm bringen kann.

Die Pilotlinie des ZSW in Ulm ist nun vollumfänglich in Betrieb.

Das ZSW betont, dass es sich bei der Pilotlinie namens „Powder-Up!“ in Ulm um die erste unabhängige Anlage in Deutschland handelt, die Batterie-Kathodenmaterial aus dem Labor in diesem Umfang skalieren kann. Sie wurde durch Fördermittel des Bundes und des Landes Baden-Württemberg finanziert und steht ab sofort der Industrie sowie Wissenschaftlern zur Verfügung.

Das ZSW hebt zudem hervor, dass Kathodenmaterialien „maßgeblich die Leistung und Sicherheit von Hochleistungsbatterien bestimmen“. Dass es aber eine große Herausforderung sei, Fortschritte aus der Forschung in die industrielle Zellproduktion zu überführen. Dies soll künftig die neue Pilotlinie leisten. Diese deckt laut den Verantwortlichen die komplette Prozesskette von der Synthese bis zur Analyse und Qualitätssicherung ab. Integriert ist zudem eine digitale Prozessführung und eine hochautomatisierte Analytik, was Entwicklungszyklen beschleunigen und Daten für KI-Anwendungen liefern soll.

„Wer Batteriezellen in Deutschland und Europa wettbewerbsfähig produzieren will, braucht Zugang zu den besten Materialien“, kommentiert Prof. Dr. Markus Hölzle, Mitglied des ZSW-Vorstands und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm. „Mit Powder-Up! können Unternehmen eigene Materialkonzepte industrietauglich validieren, gemeinsam neue Syntheseverfahren entwickeln oder von der digitalen Datenplattform profitieren. Das ZSW ist damit der bundesweite Ansprechpartner für alle, die verbesserte Materialien für Batterien entwickeln und für die Massenproduktion vorbereiten möchten.“

Kathodenmaterialien bilden bekanntlich den Pluspol von Batterien. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien stellen sie dem ZSW zufolge jedoch die teuerste und umweltkritischste Komponente dar. So enthalten sie außer Lithium weitere kritische Rohstoffe wie Nickel oder Kobalt. Und: „Weil sie in der Batterie unersetzlich sind, werden die Kathodenmaterialien ständig weiterentwickelt. Ein Schwerpunkt in Ulm liegt deshalb auf NMC-Kathodenmaterialien. […] Durch die gezielte Anpassung des Nickel-, Mangan- und Kobalt-Anteils lassen sich Energiegehalt, Lebensdauer, Stabilität und Kosten für unterschiedliche Anwendungen ausbalancieren“, heißt es in einer begleitenden Mitteilung.

Bereits kurz nach der Inbetriebnahme der Pilotlinie ist es laut dem ZSW gelungen, erste Materialmuster von wenigen Gramm in den 15-Kilogramm-Bereich hochzuskalieren. Ein wichtiger Schritt ist dabei die thermische Behandlung der Materialien bei Temperaturen von 600 bis 1.000 Grad Celsius, wobei die Temperatur auf wenige Grad genau eingehalten werden muss. Hierfür stehen in der Anlage Spezialöfen zur Verfügung, die die industriellen Prozesse präzise nachbilden.

Aktuell fokussieren sich die Arbeiten in Ulm zudem auf eine zweite Produktklasse der Kathodenmaterialien: Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). Auch hier werden laut ZSW inzwischen bereits Mengen im Kilogramm-Maßstab hergestellt. Als weiteres wichtiges Thema bezeichnen die Initiatoren Materialien für Natrium-Ionen-Batterien.

Grundsätzlich umfasst die Pilotlinie rund 2.400 Quadratmeter Nutzfläche und vereint mehr als 135 Anlagen und Geräte unter einem Dach. Diese Ausstattung deckt sowohl die Materialentwicklung als auch die Skalierung vom zehn-Gramm- bis zum 100-Kilogramm-Maßstab ab. Speziell entwickelte Apparate ermöglichen dabei auch die Entwicklung von sogenannten Syntheserouten im High-Throughput-Verfahren, bei dem viele Varianten parallel getestet und schnell optimiert werden können.

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Die Materialcharakterisierung erfolgt in Ulm zudem mit hochmodernen Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), fokussiertem Ionenstrahlabtrag mit Rasterelektronenmikroskopie zur hochauflösenden Analyse (FIB-SEM), energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX), Raman-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und Röntgenpulverdiffraktion (XRD). All diese Methoden ermöglichen laut den Verantwortlichen eine detaillierte Analyse von Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften der Materialien. Die elektrochemische Prüfung erfolgt dabei in Knopfzellen, die ebenfalls am ZSW hergestellt und im hauseigenen Batterietestzentrum validiert werden. Alle Daten aus der Synthese und der Testung werden anschließend digital erfasst und unmittelbar in die weitere Materialentwicklung integriert. Dadurch sollen sich Entwicklungszyklen deutlich beschleunigen und Ergebnisse gezielt optimieren lassen.

Die Pilotanlage wurde wie eingangs erwähnt mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und des Landes Baden-Württemberg aufgebaut. Das Land hat das Gebäude mit rund 10 Millionen Euro finanziert, während der Bund die Anlagentechnik sowie die notwendige Infrastruktur mit rund 24 Millionen Euro unterstützt hat. Der Aufbau startete Anfang 2022. Nach Beschaffung, Bau und Installation erfolgte die Eröffnung der Anlage drei Jahre später im März 2025. Doch erst jetzt läuft die Anlage auch im Vollbetrieb. Im Jahr 2024 hatte auch electrive schon einmal über die Pilotlinie berichtet.

Dorothee Bär, Bundesministerin für Forschung, Technologie und Raumfahrt, äußert sich zur vollumfänglichen Inbetriebnahme wie folgt: „Mein Ziel ist, dass Batterietechnologien und Batteriematerialien nicht nur Konzepte in den Laboratorien bleiben. Vielmehr müssen daraus konkrete Produkte entstehen – das ist das Kernanliegen der Hightech Agenda Deutschland.“ Mit Powder-Up! habe ihr Ministerium mit dem Land Baden-Württemberg gezielt investiert, um neue Kathodenmaterialien für Batterien schneller wirtschaftlich verwertbar zu machen. „So beschleunigen wir gezielt den Transfer vom Labor in die industrielle Anwendung – damit Batterietechnologie ‚Made in Germany‘ zum Gütesiegel wird.“