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„Die Batterie-Industrie wird für Aluminiumproduzenten immer wichtiger“
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Autor: Die Redaktion
Veröffentlicht am 04.11.2021
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Mit rasanter Geschwindigkeit entstehen in Deutschland und in Europa immer wieder neue Projekte zur Batterieproduktion. Was bedeutet das für Aluminiumhersteller wie die Speira GmbH mit Sitz in Grevenbroich? Dr. Mathis Ruppert, Projektmanager „New Business Development & Innovation“ bei Speira, erzählt im Interview, was den Werkstoff Aluminium für die Batterietechnik so besonders macht.
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Battery-News.de: Seit wann beschäftigen Sie sich persönlich und in Ihrem Unternehmen mit dem Themenfeld der Batterie?
Mathis Ruppert: Erste Aktivitäten im Bereich der Batterietechnologie gab es bei Speira schon im Jahr 2009. Das Unternehmen hat damals mit der Entwicklung von Batterieelektrodenfolien begonnen und bereits zwei Jahre später das erste Patent angemeldet. Seitdem haben sich Fertigungsprozess und Produktportfolio kontinuierlich weiterentwickelt – und heute sind wir im Bereich von Kathodenfolien führend in Europa. In den vergangenen Jahren sind wir aber auch in andere Bereiche der Batterietechnologie vorgedrungen und bieten inzwischen ein breites Portfolio von Aluminiumhalbzeugen auf Zell-, Modul- und Pack-Ebene an. Ich bin vor etwa eineinhalb Jahren zu diesem erfahrenen Team gestoßen und seitdem wirklich begeistert von der Dynamik des Marktes und den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten für Aluminium im Bereich der Batterietechnologie.
„Aluminium ist unendlich oft recycelbar – und zwar ohne jegliche Einbußen seiner Eigenschaften!“
Battery-News.de: Weshalb hat derzeit ausgerechnet Aluminium solch eine hohe Bedeutung für den Batteriemarkt?
Ruppert: Die meisten Leute denken bei Aluminium im Zusammenhang mit der Elektromobilität hauptsächlich an den Batteriekasten oder die Fahrzeugkarosserie. Natürlich trägt Aluminium als Strukturwerkstoff gerade bei diesen Elementen entscheidend zur Gewichtsreduktion des Gesamtfahrzeugs und damit zur Steigerung der Batteriereichweite bei – aber Aluminium kann noch vieles mehr. Neben seiner geringen Dichte bietet der Werkstoff hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Umformbarkeit und gute Festigkeit. Diese Bandbreite positiver Eigenschaften lässt sich durch Legieren – also die gezielte Beimengung anderer Elemente – und richtiges Prozessieren auf das jeweilige Anforderungsprofil eines Bauteils oder Produkts optimieren. Aluminium ist also ein extrem vielseitiger und flexibler Werkstoff und damit prädestiniert für die komplexen und vielschichtigen Anwendungen in der Batterietechnologie. Gleichzeitig ist Aluminium unendlich oft recycelbar – und zwar ohne jegliche Einbußen seiner Eigenschaften! Nachhaltiges Aluminium für den Batteriemarkt, wie wir es in Europa produzieren und stetig weiterentwickeln, kann maßgeblich dazu beitragen, den künftigen Anforderungen an die Industrie – zum Beispiel reduzierte CO2-Emissionen und eine effiziente Kreislaufwirtschaft – gerecht zu werden.
„Beispiel Batteriekasten: Da liefern sich moderne Stahllösungen, Kunststoffverbunde und Aluminium einen Mehrkampf.“
Battery-News.de: Bei Getränkedosen etwa bilden Stahl und Aluminium das Rohstoffmetall. Ist es denkbar, dass beide Metalle auch bei der Elektromobilität in einen Zweikampf treten?
Ruppert: Bei der Vielfältigkeit von Anwendungen in der E-Mobilität ist ein Mehrkampf zwischen unterschiedlichen Werkstoffen wahrscheinlicher. Das Interessante ist aber, dass Aluminium aufgrund seiner Vielseitigkeit in jedem Anwendungsbereich mitmischen kann und sich andere Werkstoffe immer auch mit Aluminium messen lassen müssen. Nehmen wir beispielsweise den Bereich elektrischer Leiter – Busbars, Konnektoren und so weiter: Betrachtet man ausschließlich die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs, hat Kupfer zwar die Nase vorne, sobald aber Kosten oder Gewicht ins Spiel kommen und man mit etwas geringerer Leitfähigkeit auskommt, stiehlt Aluminium dem Kupfer bei vielen Anwendungen die Show. Ein weiteres Beispiel ist der Batteriekasten: Da liefern sich moderne Stahllösungen, Kunststoffverbunde und Aluminium einen Mehrkampf. Die Bandbreite von Design-Konzepten in diesem Bereich zeigt, dass es hier bislang keinen klaren Sieger gibt.
„Auf Zellebene könnte ein Zweikampf zwischen Aluminium und Stahl sehr spannend werden.“
Battery-News.de: Und wenn wir den Fokus zum Beispiel auf die Zellebene verengen?
Ruppert: Auf Zellebene könnte tatsächlich ein Zweikampf zwischen Aluminium und Stahl sehr spannend werden – nämlich dann, wenn es um das Zellgehäuse geht. Im Bereich prismatischer Zellen und Pouch-Zellen ist das Rennen schon entschieden: Aluminium-Gehäuse beziehungsweise Aluminium-Kunststoffverbunde sind hier der unangefochtene Standard. Anders sieht es bei zylindrischen Zellformaten aus: Da hat nickelplattierter Stahl aktuell zwar den Löwenanteil im Markt inne, es existieren aber auch Aluminium-Lösungen. Gerade bei größeren Zellformaten, wie dem von Tesla vorgestellten 4680-Format, könnte die deutlich bessere thermische Leitfähigkeit von Aluminium gegenüber Stahl einen praktischen Vorteil bei der Kühlung bieten. In einer gerade abgeschlossenen gemeinsamen Studie zwischen Speira und dem Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ der RWTH Aachen konnten wir das nicht nur anhand von Simulationen zeigen, sondern haben darüber hinaus ein Modell einer Konzept-Zelle im 4680-Format mit Multi-Tab-Design entworfen und anhand von Industriestandards ausgelegt. Die Vorteile von Aluminium gegenüber Stahl kommen dabei deutlich zum Tragen. So ermöglicht das Aluminiumgehäuse durch seine bessere Wärmeleitfähigkeit zum Beispiel eine deutlich verbesserte Schnellladefähigkeit durch effizientere Wärmeabfuhr aus der Zelle, langsamere Alterung durch homogenere Temperaturverteilung und eine erhöhte gravimetrische Energiedichte gegenüber einer 4680-Zelle mit Stahlgehäuse. Zu den Ergebnissen werden wir bald auch ein Whitepaper veröffentlichen.
„Unabhängig vom Zellformat, ist Aluminium der Standard für die Elektrodenfolie auf der Kathodenseite aller Lithium-Ionen-Batterien.“
Battery-News.de: Geben Sie uns gerne noch einen größeren Überblick: In welchen Elementen der Batterie ist Aluminium zu finden, und welche Anforderungen werden an Aluminiumlegierungen gestellt?
Ruppert: Egal ob auf Zell-, Modul- oder Pack-Ebene: Aluminium wird an vielen Stellen der Batterie im E-Auto eingesetzt – die Liste ist lang. Unabhängig vom Zellformat, ist Aluminium der Standard zum Beispiel für die Elektrodenfolie auf der Kathodenseite aller Lithium-Ionen-Batterien. Dieses Thema und das Potenzial des Marktes dahinter haben wir bereits vor mehr als zehn Jahren erkannt und waren der erste europäische Aluminiumhersteller, der die Batterieelektrodenfolie im Portfolio hatte. Seitdem haben wir unsere Folie ständig verbessert, waren und sind Partner von Zellherstellern in großen EU-Projekten und dürften damit auf dem deutschen und europäischen Markt führend in der Entwicklung von Kathodenfolie sein. Auch beim prismatischen Batteriezellgehäuse sind wir seit mehreren Jahren Serienlieferant asiatischer Hersteller in Europa.
„Aluminium ist als hervorragendes Wärmetauschermaterial bekannt. In der Batterietechnologie nutzt man dieses Potenzial und die gute Lötbarkeit.“
Battery-News.de: Bleiben wir kurz noch auf der Zellebene.
Ruppert: Da bildet Aluminium auch im Zelldeckel oder im Rahmen für Pouch-Zellen die Hauptwerkstoff-Komponente. Da es eine ideale Kombination aus Festigkeit, Gewicht, Verformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und thermischer Leitfähigkeit mit sich bringt, ist Aluminium für solche Anwendungen besonders gut geeignet. Aber Aluminium wird eben nicht nur auf Zellebene eingesetzt. Aufgrund der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit werden Zellkonnektoren, Sammelschienen und -bleche sowie andere Kontaktiersysteme aus unseren Werkstoffen gefertigt. Das dafür eingesetzte Legierungsspektrum ist breit und ermöglicht optimierte Eigenschaftskombinationen aus hoher Festigkeit, hoher elektrischer Leitfähigkeit und hohem thermischen Widerstand. Zum optimalen Schutz der Einzelzellen werden außerdem höherfeste, gut umformbare und korrosionsbeständige Aluminiumlegierungen aus der 3000er-, 5000er- und 6000er-Serie im Modulgehäuse, in der Batteriebox – Deckel und Wanne – oder als Unterbodenschutz genutzt. Aber es geht noch weiter: Um die elektromagnetische Kompatibilität von Board-Elektronik und elektrischem Antrieb zu gewährleisten, werden in E-Fahrzeugen häufig sehr breite und teils kalottierte Abschirmfolien aus 8000er Aluminium genutzt – auch dazu bieten wir Materiallösungen an. Auch das Thermomanagement ist ein wichtiger Bereich: Aluminium ist als hervorragendes Wärmetauschermaterial bekannt und kommt in vielen alltäglichen Anwendungen zum Einsatz. In der Batterietechnologie nutzt man dieses Potenzial und die gute Lötbarkeit von Aluminium. Komplexe zwei- oder dreidimensionale Wärmetauscher-Strukturen aus Aluminium helfen dabei, die Batterietemperatur auf einem konstanten Arbeitslevel zu halten und thermische Gradienten zwischen einzelnen Zellen und Modulen zu minimieren.
„Der CO2-Footprint wird durch den besonders hohen Einsatz von Aluminiumschrott bei der Herstellung heruntergedrückt.“
Battery-News.de: Um den Anforderungen des Marktes gerecht zu werden, müssen Sie Ihre Produkte sicherlich stetig weiterentwickeln. Welche Möglichkeiten nutzen Sie dafür?
Ruppert: Die kontinuierliche Weiterentwicklung unserer Werkstoffe gehört zu den wichtigsten und gleichzeitig spannendsten Bereichen unserer täglichen Arbeit. Eines unserer Fokusthemen ist die Entwicklung recyclingfreundlicher Legierungen. Sie erfüllen alle gängigen Spezifikationen und bieten das gleiche Eigenschaftsprofil wie ihre konventionellen Pendants. Sie sind im Vergleich dazu aber deutlich nachhaltiger, da der CO2-Footprint durch den besonders hohen Einsatz von Aluminiumschrott bei der Herstellung auf einen Bruchteil des Primär-Aluminiums heruntergedrückt wird. Um solche anspruchsvollen Entwicklungen zu realisieren, betreibt Speira ein modernes und branchenführendes Forschungs- und Entwicklungszentrum in Bonn.
„Unsere neue Arbeitsgruppe ‚New Business Development & Innovation‘ hat das Ziel, Kundenprozesse besser zu verstehen und in Kooperationsprojekten marktfertige Lösungen zu entwickeln.“
Battery-News.de: Unterhalten Sie auch Kooperationen mit Partnern?
Ruppert: Wir schauen natürlich über den eigenen Tellerrand hinaus und sind sowohl im industriellen als auch im universitären Umfeld gut vernetzt. Dabei sind wir nicht nur Aluminiumlieferant, sondern ein engagierter Entwicklungspartner, der Aluminium-Lösungen bis zum Endprodukt denkt und gleichzeitig Kundenbedürfnisse sowie Marktentwicklungen berücksichtigt. Um genau diese Schnittstelle zwischen Forschung und Entwicklung, Produktion, Kunden- und Marktanforderungen besetzen zu können, haben wir eine eigene Arbeitsgruppe – bestehend aus Ingenieuren, Marktforschern und Kaufleuten – aufgebaut, die sich „New Business Development & Innovation“ nennt. Dieses Team hat das Ziel, Kundenprozesse besser zu verstehen und in Kooperationsprojekten marktfertige Lösungen zu entwickeln, bei denen Speira-Aluminium einen Mehrwert bietet. Wir nennen das auch gerne „Co-Creation“, da wir nicht unbedingt auf einem bestehenden Produkt aufsetzen müssen, sondern in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden von der Idee bis zum Produkt den gesamten Weg als gleichwertige Entwicklungspartner agieren und Kompetenzen vereinen möchten. Diese Entwicklungen geschehen in bilateralen oder multilateralen Partnerschaften unter Geheimhaltungsvereinbarung oder auch in großen EU-Projekten mit Beteiligung von Forschung und Industrie. Aktuell haben wir einen starken Bezug zum Bereich E-Mobilität und Batterietechnologie und sind vor allem in diesen Bereichen Ansprechpartner für Innovationen aus Aluminium.
„Nachhaltigere Werkstoffe leisten einen äußerst wichtigen Beitrag auf dem Weg der EU zu Klimaneutralität und nachhaltiger Kreislaufwirtschaft.“
Battery-News.de: Die Entwicklung heutiger Batterietechnik fokussiert sich vor allem auf Nachhaltigkeit. Kann auch Aluminium als Batterie-Rohstoff dazu einen Beitrag leisten?
Ruppert: Nachhaltigere Werkstoffe leisten einen äußerst wichtigen Beitrag auf dem Weg der EU zu Klimaneutralität und nachhaltiger Kreislaufwirtschaft. Es ist dabei maßgeblich, wo und wie Werkstoffe hergestellt werden und inwiefern sie sich wiederverwenden lassen. Aluminium ist in der Primärerzeugung erst mal relativ energieintensiv. Hier ist es also entscheidend, dass der Anteil erneuerbarer Energie bei der Herstellung stetig vergrößert wird. Im globalen Durschnitt liegen die Emissionen für Primär-Aluminium bei etwa 16,7 Kilogramm CO2 pro Kilogramm erzeugten Aluminiums. Dieser Wert ist so hoch, weil einige Länder immer noch hauptsächlich auf Kohlestrom setzen. China emittiert dadurch beispielsweise rund 20 Kilo CO2 pro Kilogramm Primär-Aluminium. In Europa, wo der Energie-Mix schon deutlich stärker durch erneuerbare Energiequellen geprägt ist, kommen wir in der Primärproduktion gerade mal auf 6,7 Kilogramm CO2. Durch den Ausbau der „Erneuerbaren“ und die Weiterentwicklung der Elektrolyse-Technologie kann dieser Durchschnittswert in den nächsten Jahren noch mal deutlich schrumpfen. Bei Aluminium gibt es aber noch eine weitere, äußerst effektive Methode, um den CO2-Fußabdruck zu verringern: das Recycling.
„Der Recycling-Prozess von Aluminium benötigt nur etwa fünf Prozent des ursprünglichen Energieeinsatzes.“
Battery-News.de: Inwiefern wirkt sich das positiv auf die CO2-Bilanz aus?
Ruppert: Vorhin hatte ich ja schon mal erwähnt, dass Aluminium unendlich oft recycelbar ist und das recycelte Aluminium – sogenanntes Sekundär-Aluminium – die gleichen herausragenden Eigenschaften bietet wie der Originalwerkstoff, egal wie oft der Kreislauf durchschritten wird. Der Recycling-Prozess benötigt dabei aber nur etwa fünf Prozent des ursprünglichen Energieeinsatzes. Durch hohen Einsatz wiederverwendbaren Aluminiums lässt sich der CO2-Fußabdruck also auf einen Bruchteil reduzieren. Auch in der Batterietechnik spielt Recycling eine große Rolle, da ein „Second Life“ der Batterie als stationärer Energiespeicher ebenfalls von begrenzter Dauer und außerdem nicht immer möglich ist. Erste Start-up-Betriebe, aber auch größere Unternehmen, haben deshalb in den vergangenen Jahren eigene Konzepte zum Batterie-Recycling entwickelt – meistens mit klarem Fokus auf der Rückgewinnung des Aktivmaterials. Das liegt zum einen an der durch die Ressourcenknappheit von Lithium, Nickel, Cobalt und Mangan bedingten Notwendigkeit zur Wiedergewinnung, zum anderen lassen sich mit diesen Elementen entsprechend hohe Margen erzielen. Aluminiumschrott ist beim Batterie-Recycling – bislang und vor allem auf Zellebene – oft nur Beiwerk, da die Recycler damit, im Verhältnis zu Cobalt und Konsorten, nur geringe Margen erzielen. Dennoch ist dieser Aluminiumschrott recyclingfähig und kann zu neuen Batteriezellgehäusen, – modulen oder -kästen verarbeitet werden.
„Dem Aluminium in der Batterie ist es egal, ob LFP- oder NMC-Chemie verwendet wird.“
Battery-News.de: Sehen Sie im Recycling noch weiteres Potenzial?
Ruppert: Die Entwicklungen werden mit Sicherheit aus zweierlei Gesichtspunkten noch sehr interessant. Erstens befinden sich noch nicht die großen Mengen zu recycelnder Batterien auf dem Markt, und die Prozesse sind daher noch relativ kostenintensiv. Das wird sich in den kommenden Jahren ändern. Zweitens sehen wir, dass Batteriezellen ohne Nickel‑, Cobalt- oder Mangan-Anteil zunehmend Bedeutung gewinnen. LFP-basierte Zellen werden derzeit zwar noch ausschließlich in China verbaut, aber Automobilisten in Europa werden in Zukunft – zumindest für ihre Mittelklasse-Modelle – vermehrt auf diesen Zelltyp setzen. Das könnte schon mittelfristig entscheidenden Einfluss auf die Geschäftsmodelle der Recycler nehmen, die bislang auf die Rückgewinnung des teuren Aktivmaterials abzielen. Die Frage ist dann auch, wie die Politik reagiert, welche Ziele beim Recycling von Batterien vorgegeben werden und wer dafür verantwortlich ist. Dem Aluminium in der Batterie ist es allerdings egal, ob LFP- oder NMC-Chemie verwendet wird: Es lässt sich unabhängig davon unendlich oft recyceln, gießen und zum Halbzeug verarbeiten, aus dem wieder neue Batteriekomponenten entstehen können.
„Wir sehen das enorme Wachstum des Marktes und wie viele Gigawattstunden Batteriefertigungskapazität in Deutschland und Europa von großen Playern geplant sind.“
Battery-News.de: Wenn Sie eine Einschätzung geben müssten: Welcher Trend ergibt sich in den nächsten Jahren auf dem Aluminium-Markt in der Batterie-Industrie?
Ruppert: In den vergangenen Jahren hat sich die Batterie-Industrie für uns immer mehr vom Nischen- zum Volumenmarkt entwickelt. Wir verkaufen rund eine Million Tonnen Aluminium pro Jahr in unterschiedliche Märkte. Der Aluminium-Anteil in einer Batterie ist im Vergleich dazu relativ gering, und es müssen viele Batterien produziert werden, damit sich das im Volumen bemerkbar macht. Aber natürlich sehen wir das enorme Wachstum dieses Marktes und wie viele Gigawattstunden Batteriefertigungskapazität in Deutschland und Europa von großen Playern wie CATL, Samsung, LG oder Tesla, aber auch von Start-up-Unternehmen wie Northvolt und vielen anderen geplant sind. Und alle benötigen in irgendeiner Form Aluminium. Dabei ist das Potenzial von Aluminium für Rundzellengehäuse noch gar nicht berücksichtigt. Die Bedeutung der Batterie-Industrie für uns als Aluminiumproduzenten wird in den nächsten fünf bis zehn Jahren also immer größer werden. Die dafür passenden Werkstoffe und Fertigungsrouten haben wir heute schon entwickelt.
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