ZSW informuje o pełnym funkcjonowaniu swojej instalacji pilotażowej do produkcji materiałów katodowych.

Centrum Badań nad Energią Słoneczną i Wodorem Baden-Württemberg (ZSW) uruchomiło w Ulm pilotażową instalację w pełnym trybie działania, która potrafi przenieść materiały katodowe do baterii z skali laboratoryjnej na skalę partii o wadze do 100 kilogramów w rzeczywistych warunkach.

Linia pilotażowa ZSW w Ulm jest teraz w pełni działająca.

ZSW podkreśla, że linia pilotażowa o nazwie „Powder-Up!“ w Ulm jest pierwszą niezależną instalacją w Niemczech, która potrafi skalować materiały katodowe do baterii z poziomu laboratorium w takim zakresie. Została sfinansowana z dotacji rządu federalnego oraz kraju Baden-Württemberg i jest dostępna od teraz dla przemysłu oraz naukowców.

ZSW podkreśla ponadto, że materiały katodowe „w znacznym stopniu decydują o wydajności i bezpieczeństwie baterii wysokowydajnych”. Jednocześnie wskazuje, że przeniesienie osiągnięć z badań naukowych do przemysłowej produkcji ogniw stanowi ogromne wyzwanie. Ma to w przyszłości umożliwić nowa linia pilotażowa. Według jej twórców obejmuje ona cały łańcuch procesowy – od syntezy po analizę i kontrolę jakości. Zintegrowane są w niej również cyfrowe zarządzanie procesem oraz wysoko zautomatyzowana analiza, co ma przyspieszyć cykle rozwojowe i dostarczyć dane do zastosowań opartych na sztucznej inteligencji.

„Kto chce produkować ogniwa bateryjne w Niemczech i Europie w sposób konkurencyjny, potrzebuje dostępu do najlepszych materiałów”, komentuje prof. dr Markus Hölzle, członek zarządu ZSW i kierownik działu technologii energetyki elektrochemicznej w Ulm. „Dzięki Powder-Up! przedsiębiorstwa mogą sprawdzić swoje własne koncepcje materiałów pod kątem przydatności przemysłowej, wspólnie opracowywać nowe metody syntezy lub korzystać z cyfrowej platformy danych. ZSW staje się w ten sposób krajowym punktem kontaktowym dla wszystkich, którzy chcą rozwijać lepsze materiały do baterii i przygotowywać je do produkcji masowej.”

Materiały katodowe stanowią, jak wiadomo, plusowy biegun baterii. Szczególnie w przypadku baterii litowo-jonowych są one, według ZSW, najdroższym i najbardziej szkodliwym dla środowiska komponentem. Zawierają one bowiem oprócz litu również inne kluczowe surowce, takie jak nikel czy kobalt. Ponadto: „Ponieważ są one w baterii niezastąpione, materiały katodowe są stale udoskonalane. Dlatego w Ulm duży nacisk kładzie się na materiały katodowe typu NMC. […] Dzięki celowemu dostosowaniu zawartości niklu, manganu i kobaltu można zrównoważyć pojemność energetyczną, żywotność, stabilność oraz koszty w różnych zastosowaniach”, czytamy w towarzyszącym komunikacie.

Zgodnie z informacjami ZSW, już krótko po uruchomieniu linii pilotażowej udało się zwiększyć rozmiar pierwszych próbek materiałów z zaledwie kilku gramów do poziomu 15 kilogramów. Ważnym krokiem w tym procesie jest termiczne obróbki materiałów w temperaturach od 600 do 1.000 stopni Celsjusza, przy czym temperatura musi być utrzymywana z dużą dokładnością. Do tego celu w obiekcie dostępne są specjalne piece, które precyzyjnie odtwarzają procesy przemysłowe.

Obecnie prace w Ulm koncentrują się również na drugiej klasie produktów z materiałów katodowych: fosforanie litu i żelaza (LFP). Również w tym przypadku, według ZSW, już wytwarzane są ilości w skali kilogramów. Kolejnym ważnym tematem są materiały do baterii jonowych sodu.

W zasadzie linia pilotażowa obejmuje około 2 400 metrów kwadratowych powierzchni użytkowej i gromadzi pod jednym dachem ponad 135 urządzeń i instalacji. Ten zestaw umożliwia zarówno rozwój materiałów, jak i skalowanie od skali dziesięciu gramów do 100 kilogramów. Specjalnie opracowane aparaty pozwalają również na tworzenie tak zwanych tras syntezy w metodzie wysokiej przepustowości, która umożliwia jednoczesne testowanie wielu wariantów i szybką ich optymalizację.

• 1/4
• 2/4
• 3/4
• 4/4

Karakterystyka materiałów w Ulm przeprowadzana jest również za pomocą najnowocześniejszych metod, takich jak mikroskopia elektronowa skanująca (SEM), skanująca mikroskopia elektronowa z fokusowanym strumieniem jonów do analizy o wysokiej rozdzielczości (FIB-SEM), analiza rentgenowska rozpraszająca energię (EDX), spektroskopia Raman, mikroskopia sił atomowych (AFM), analiza fluorescencji rentgenowskiej (RFA) oraz dyfrakcja rentgenowska proszków (XRD). Według specjalistów wszystkie te metody umożliwiają szczegółową analizę struktury, składu i właściwości materiałów. Badania elektrochemiczne przeprowadzane są natomiast w ogniach przyciskowych, które również są wytwarzane w ZSW i weryfikowane w własnym centrum testowania baterii. Wszystkie dane uzyskane podczas syntezy i testowania są następnie zapisywane cyfrowo i bezpośrednio wykorzystywane w dalszym rozwoju materiałów. Dzięki temu cykle rozwojowe mają się znacznie przyspieszyć, a wyniki można będzie celowo optymalizować.

Obiekt pilotażowy został zbudowany, jak wspomniano na początku, dzięki środkom Federalnego Ministerstwa Badań Naukowych, Technologii i Lotnictwa Kosmicznego (BMFTR) oraz kraju Badenia-Wirtembergia. Kraj sfinansował budynek w wysokości około 10 milionów euro, podczas gdy rząd federalny wspierał technologię obiektu oraz niezbędną infrastrukturę kwotą około 24 milionów euro. Budowa rozpoczęła się na początku 2022 roku. Po zakupie, budowie i instalacji obiekt został otwarty trzy lata później, w marcu 2025 roku. Dopiero teraz obiekt działa w pełnym wymiarze. W 2024 roku również electrive pisała już o linii pilotażowej.

Dorothee Bär, federalna minister ds. badań naukowych, technologii i lotnictwa kosmicznego, wypowiada się na temat pełnego wdrożenia w następujący sposób: „Moim celem jest to, aby technologie i materiały baterii nie pozostawały jedynie koncepcjami w laboratoriach. Muszą z nich powstać konkretne produkty – to jest główny cel Hightech Agenda Deutschland.” Dzięki programowi Powder-Up! jej ministerstwo wraz z krajem Baden-Württemberg dokonało celowanych inwestycji, aby nowe materiały katodowe do baterii mogły szybciej zostać wykorzystane w praktyce gospodarczej. „W ten sposób celowo przyspieszamy przeniesienie technologii z laboratorium do zastosowań przemysłowych – aby technologia baterii ‚Made in Germany’ stała się gwarancją jakości.”