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„Man kann nicht jede neue Technologie als ‚Durchbruch‘ bezeichnen“

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Autor: Die Redaktion

Veröffentlicht am 30.09.2022

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Waschmittel? – Klar. Klebstoff? – Auch. Aber Batterietechnik? Die Henkel AG & Co. KGaA mit Hauptsitz in Düsseldorf ist so gut wie jedem bekannt. Weniger geläufig ist das Engagement des Unternehmens im Bereich von Materialien und Lösungen für Elektrofahrzeug-Batterien. Vor einigen Monaten hat der Konzern mit dem Aachener Beratungs- und Ingenieursdienstleister „PEM Motion“ eine strategische Partnerschaft geschlossen, um Pionierarbeit bei der Entwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation zu leisten, die Materialanforderungen für deren Realisierung zu erforschen und die Entwicklung von sicheren und nachhaltigen Batterien vorantreiben.

Welche Trends werden die Zukunft bestimmen?

Eine von zahlreichen Fragestellungen der Kooperation: Wie vielversprechend ist der Einsatz alternativer Trocknungsmethoden zur Senkung der Energiekosten in der Elektrodenherstellung? „Basierend auf unseren Berechnungen und praktischen Versuchen in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen, sind im Labormaßstab Einsparungen von bis zu 50 Prozent bei ähnlicher Qualität der Beschichtung erreichbar“, sagt Christian Offermanns, Oberingenieur am Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen und in der Kooperation mit Henkel bei der Lehrstuhl-Ausgründung „PEM Motion“ aktiv. Welche Batterie- und E-Mobilitäts-Innovationen stehen auf der Schwelle zur Marktreife? Das erklärt Dr. Keon Woo Lee, Leiter des Batteriespezialisten-Teams von Henkel und Trend-Experte in Sachen sichere Batteriesysteme, Batteriezellentechnologie, Systemintegration und nachhaltige Batterie, im Interview mit „Battery-News.de“.
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Battery-News.de: Zunächst auf Modulebene: Welche Trends sind in Ihren Augen zukunftsweisend?
Dr. Keon Woo Lee: Da gibt es einige! Größere Zellformfaktoren etwa werden durch die Reduzierung vor allem paralleler Verbindungen die Anzahl der Teile verringern und die Energiedichte erhöhen. Im Zellstapel-Design wird es mehr Variationen geben – vertikal, horizontal und hybrid –, um die Modulhöhen zu verringern. Außerdem werden die Modulgehäuse vereinfacht, ähnlich wie beim Cell-to-Pack-Ansatz. Dabei geht es darum, die Modulstruktur zu minimieren, um unnötiges Gewicht und Volumen einzusparen. Und was den modularen Aufbau betrifft: Wenn große Module alle diejenigen Funktionen aufweisen, die auch die Packs besitzen, lassen sich Module wie Lego-Bausteine verwenden. Dadurch können sei einfach in verschiedene Designs integriert werden, was dem Gesamt-Design des Akkus Flexibilität verleiht. Dieses Konzept lässt sich auch für den Austausch von Batterien nutzen und den Reparaturprozess vereinfachen.
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„Größere Zellformfaktoren werden durch die Reduzierung vor allem paralleler Verbindungen die Anzahl der Teile verringern und die Energiedichte erhöhen.“

Dr. Keon Woo Lee, Leiter des Batteriespezialisten-Teams von Henkel
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Battery-News.de: Welche Next-Generation-Technologie außer der Festkörperbatterie halten Sie für besonders vielversprechend, und wie würden Sie den Zeitplan und die Marktverteilung dazu definieren?
Lee: Wenn wir ausschließlich auf die Anwendung in Elektrofahrzeugen schauen, glaube ich, dass sich die Brennstoffzellentechnologie langsam durchsetzen wird – wie es sich im vergangenen Jahrzehnt ja prinzipiell schon angekündigt hat. Brennstoffzellenautos sind bereits auf dem Markt, aber immer noch ein Nischenprodukt. Es ist allerdings ein allmählicher Fortschritt bei der Verbesserung der Lebensdauer und der Effizienz des Brennstoffzellensystems feststellbar. Ich wage mal die Vermutung, dass die großen OEMs Ende der 2020er Jahre damit beginnen, Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Markt so aktiv zu fördern, wie sie es heute bei batterieelektrischen Autos tun.

Battery-News.de: Wie groß ist das Potenzial anderer Ionen-Technologien?
Lee: Es gibt viele Technologien, die auf einer anderen Chemie basieren, wie etwa Zink, Natrium, Aluminium, aber es scheint kaum möglich zu sein, dass sie in die Elektrofahrzeug-Anwendung eindringen, die den größten Einfluss hat. E-Mobil-Batterien brauchen Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und eine hohe Leistung in einem ausgewogenen Verhältnis zu den Kosten. Die Lithium-Chemie wird überleben – bis eine neue, bahnbrechende Idee auftaucht. Neue Ionen-Technologien werden mit Sicherheit in stationäre Anwendungen vordringen; aber auch in diesem Fall wird es immer einen Wettbewerb mit der Lithium-Ionen-Chemie geben.

Battery-News.de: Was waren in der Zellproduktion und in der Zellentwicklung die größten technologischen Durchbrüche der vergangenen zehn Jahre?
Lee: Auch hier wieder eingegrenzt auf die Anwendung in Elektrofahrzeugen, würde ich sagen: die Verarbeitung von Elektroden mit großer Breite, stabile Kathodenmaterialien mit hohem Nickel-Gehalt, Siliziumanoden und Kohlenstoff-Nanoröhren. Auch abseits davon wurden viele Fortschritte erzielt, aber man kann nicht jede neue Technologie einfach als „Durchbruch“ bezeichnen. Stattdessen hoffe ich sehr, dass der E-Mobil-Boom einen echten technologischen Durchbruch für das nächste Jahrzehnt mit sich bringt.

Battery-News.de: Was denken Sie zum jetzigen Zeitpunkt über den „Technology Readiness Level“ von Festkörperbatterien in der Herstellung – vor allem in der Großserienproduktion?
Lee: Ich hoffe, dass die „All-Solid-State“-Batterie so schnell wie möglich kommt, aber es gibt noch viele Herausforderungen zu lösen, bis sie den konventionellen Lithium-Ionen-Akku ersetzen kann. Viele Festkörperbatterie-Designs basieren auf Anoden mit hohem Siliziumgehalt oder Lithium-Metall. Die Herstellung von Feststoffbatterie-Kathodenmaterialien auf Oxid- und Sulfidbasis erfordert neue Produktionsverfahren. Auch die Lieferkette ist noch nicht vollständig etabliert. Polymerbasierte Batterien hingegen machen zwar keine großen Änderungen im Herstellungsprozess notwendig, aber ihre Leistung, Effizienz und Sicherheitsmerkmale müssen noch bis zur Praxisreife verbessert werden. Um Festkörperbatterien mit einer nennenswerten Durchdringungsrate auf dem Markt zu sehen, müssen wir noch warten, bis viele technische und lieferkettenbezogene Probleme gelöst sind.
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„Basierend auf unseren Berechnungen und praktischen Versuchen in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen, sind im Labormaßstab Einsparungen von bis zu 50 Prozent bei ähnlicher Qualität der Beschichtung erreichbar.“

Christian Offermanns, Oberingenieur am Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen, Entwicklungspartner von Henkel
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Battery-News.de: Wie vielversprechend ist der Einsatz alternativer Trocknungsmethoden – zum Beispiel der Lasertrocknung – zur Senkung der Energiekosten bei der Elektrodenherstellung?
Lee: Im Allgemeinen klingt ein schnelles, kompaktes, effizientes Trocknungssystem, das auf orientierter Laserbeleuchtung basiert, sehr attraktiv. Insbesondere bei Kathodenelektroden kann es dazu beitragen, den Nachteil des derzeitigen NMP-Trocknungs- und Recycling-Systems zu überwinden, das noch viel Energie, Platz und Zeit benötigt. Meiner bescheidenen Meinung nach müssen der tatsächliche Nutzen und das Potenzial dieser Technologie über einige Jahre hinweg verifiziert werden: langfristige Zuverlässigkeit, einschließlich Wartungsaufwand, Gleichmäßigkeit, Varianz, tatsächlicher Kostenvorteil und so weiter. Um ihre Verbreitung zu beschleunigen, sollte das Verfahren über den reinen Kostenaspekt hinaus neue Leistungsvorteile bieten. Was wäre zum Beispiel, wenn diese Technologie etwa die Gleichmäßigkeit oder die Grenzflächenhaftung verbessern würde? Es sind noch weitere Details zu untersuchen.

Battery-News.de: Wie bewerten Sie die Diskrepanz zwischen wissenschaftlicher und industrieller Forschung im Batteriesektor?
Lee: Ich sehe das keinesfalls als Diskrepanz, sondern als Gleichgewicht. Die Industrieforschung kann sich nicht von der Frage der Gewinn- und Verlustrechnung lösen. Sie muss sich auf Dinge konzentrieren, die sie unbedingt tun muss, um zu überleben. Eine Universität aber kann als verhältnismäßig neutrale Einrichtung die innovative und grundlegende Forschung ins Feld führen. Es gibt viele Beispiele – Stichwort: Lithiumeisenphosphat mit Olivin-Struktur – die zeigen, wie die Hochschulforschung zur Innovation der Batterieindustrie beigetragen hat. Ich sehe noch viele Möglichkeiten für die universitäre Forschung in den Bereichen Chemie – etwa mit Blick auf Kathodenmaterialien, Elektrolyte et cetera – und Technik, zum Beispiel zu Trockenelektrodenverfahren, neuen Nachweis- und Testmethoden oder zur Automatisierung von Anlagen. Ich hoffe, dass sich dieses Gleichgewicht fortsetzt, bis alle Menschen weltweit in den Genuss wirtschaftlicher und sicherer Elektrofahrzeuge kommen.

Battery-News.de: Wie beurteilen Sie das Potenzial von Mini-Umgebungen im Vergleich zu Rein- und Trockenräumen in der Großproduktion?
Lee: Sie werden sicherlich dazu beitragen, die Investitions- und Wartungskosten zu senken. Vor allem für sulfidbasierte Festkörperbatterien, die eine supertrockene Umgebung benötigen, ist das eine sehr verlockende Lösung. Allerdings müssen die wirtschaftlichen Auswirkungen sorgfältig verglichen werden. Selbst bei einer Mini-Umgebung kann immer noch ein gewisser Grad an Sauberkeit und ein Taupunkt für die Anlage erforderlich sein. In diesem Fall können die Auswirkungen zu gering sein, um Kunden zu gewinnen.
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