Runter mit den Kosten für Elektrofahrzeugbatterien
Der Übergang zu Elektrofahrzeugen hat einen sprunghaften Anstieg der Nachfrage nach Batteriezellen bewirkt, weshalb sich Europa darauf vorbereitet, eine Hauptrolle in der Fertigung dieser wichtigen Komponenten zu übernehmen. Da die Unternehmen milliardenschwere Investitionen in neue Fabriken und Produktionsanlagen tätigen, befindet sich Europa auf bestem Wege, um den Weltmarkt für Elektrofahrzeugbatterien beherrschen zu können. Das EU-finanzierte Projekt DEFACTO hat sich zum Ziel gesetzt, die Fertigung der für Elektrofahrzeuge bestimmten Batteriezellen in Europa zu revolutionieren. Inspiriert von der vorhergesagten massiven Zunahme der Elektrofahrzeugnutzung und beflügelt von den Chancen auf eine drastische Kostenreduzierung sowie eine Steigerung ihrer Funktionalitäten, hat sich DEFACTO zum Ziel gesetzt, den weiteren Weg so reibungslos wie möglich zu gestalten. Im Einzelnen befasste sich das Projekt mit der Herausforderung, die Kosten für Batteriesätze, die gegenwärtig 35 % der Elektrofahrzeugkosten verantworten, durch verbesserte Energiedichte und optimierte Fertigungsprozesses zu senken. „Die Basiskomponenten der Batterien, die elektrochemischen Zellen, stellen für die europäische Industrie einen wichtigen Markt dar, der für das Jahr 2025 auf 250 Milliarden EUR geschätzt wird“, erklärte Elixabete Ayerbe, Koordinatorin des Projekts DEFACTO. „Ein Batteriesatz besteht aus mehreren Modulen, von denen jedes sechs bis zwölf Zellen enthält. Diese Zellen sind ein kostenintensives Element, das fast 70 % der Zusammensetzung der Batteriesätze ausmacht.“
Multiskalenmodelle zur Optimierung des Zellaufbaus
Um die Prozesskette der Batteriezellfertigung zu beschleunigen, entwickelte DEFACTO multiphysikalische und -skalige Modelle, um das Verhalten von Material, Zelle und Herstellungsprozess noch besser zu verstehen. Das Ziel lautete, die Zellentwicklung und den Forschungs- und Innovationsprozess zu beschleunigen sowie Zelldesign und -funktionalität zu optimieren. „Gegenwärtig müssen die Unternehmen erhebliche Labor- und Personalkosten aufwenden, um das Zelldesign und den Batterieherstellungsprozess zu verbessern“, berichtete Ayerbe. „In diesem Sinne hat DEFACTO eine multidisziplinäre Methodik implementiert, die Laborarbeit, Prototyperstellung und multiphysikalische Multiskalenmodelle miteinander kombiniert, um die Prozesskette der Batteriezellfertigung zu verbessern und zu beschleunigen.“ Das Projekt trug auch zur Normung von Messverfahren, zur Schaffung neuer Marktchancen und zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit des Industriesektors bei. Die validierten Computersimulationen werden den passgenauen Entwurf neuer optimaler Zelldesigns, die Optimierung der Fertigungsschritte der Elektrodenverarbeitung und Elektrolytbefüllung sowie die Formung der Materialien der neuen Generation 3b unterstützen.
Neue Lithium-Ionen-Zelle der Generation 3b mit hoher Kapazität
DEFACTO setzt auf zwei Zelltechnologien für den Automobilmarkt. Bei der ersten handelt es sich um eine kommerzielle NMC622/G-Zelle aus dem Produktportfolio eines der Projektpartner. Die zweite ist ein Prototyp der letzten Generation (NMC-811/G-Si). Beide Zellchemien entsprechen dem Hauptinteresse des Marktes. In Hinsicht auf die Marktprognosen wird eine breite Akzeptanz der NMC-811-Kathoden auf dem Elektrofahrzeugmarkt nach 2025 erwartet. „Der DEFACTO-Ansatz gestattete die Entwicklung einer neuen Lithium-Ionen-Zellen-Batterie der Generation 3b mit hoher Kapazität und hoher Spannung“, erklärte Ayerbe. „Auf diese Weise konnte das Verständnis der Multiskalen-Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen erhöht, die Ressourcen für die Erforschung und Entwicklung von Zellen reduziert sowie folglich eine innovationsorientierte Zellfertigungsindustrie in Europa in Gang gebracht werden.“ Durch seinen Beitrag zur Entwicklung der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Kapazität und hoher Spannung, welche die Hauptstromquelle für Elektrofahrzeugbatterien bilden, konnte das Projekt die Zellentwicklung sowie die FuI-Prozesse beschleunigen. DEFACTO arbeitet an der Optimierung des Zelldesigns und der Funktionalität. „Die Entwicklung des DEFACTO-Arbeitsablaufs, eines Rahmenwerks, das die Hauptschritte der Zellfertigung wie die Elektrodenverarbeitung und die Elektrolytbefüllung nachahmt und später das Leistungsverhalten und Alterung der Zellen vorhersagt, wird die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation vorantreiben“, bekräftigte Ayerbe.
Schlüsselbegriffe
DEFACTO, Batteriezelle, Lithium-Ionen, Elektrofahrzeug, Elektrode, Kathode, Transport, Verkehr
