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Das Leben, so wie wir es heute kennen, ist untrennbar mit der Nutzung von Batterien verbunden. Von Smartphones über Elektroautos bis hin zur Netzstabilisierung für Kraftwerke für erneuerbare Energien – Batterien sind das Herzstück unserer Kommunikation, Unterhaltung und Mobilität und sie helfen uns dabei, eine nachhaltigere Zukunft voranzutreiben.
Lukas Hofstetter, August 2021
Da so viele Interessengruppen nach effizienteren Batterien und der Möglichkeit suchen, diese in industriellem Massstab zu produzieren, erlebt die Branche Veränderungen und Innovationen in einem beispiellosen Tempo. Im Jahr 2020 wurden weltweit 1,38 Milliarden Smartphones verkauft. Die Ankündigung von General Motors im Januar 2021, bis 2035 komplett auf Elektroautos umzusteigen, reiht sich nahtlos in die Bemühungen der Autohersteller weltweit ein, die grüne Mobilität zu forcieren. Um die Netzstabilität zu verbessern, entstehen weltweit Batterieparks mit Kapazitäten von bis zu einem Gigawatt – das entspricht der Leistung von 3,125 Millionen Solarpanels.
Die Herausforderungen sind gross, die Chancen aber auch – letztendlich wollen wir unser Versprechen ‹Innovations for a better world› einlösen.»
Adrian Spillmann,
Director Market Segment Battery Solutions bei Bühler
Beeindruckende Zahlen, hinter denen eines steht: ein unstillbarer Hunger auf Batterien. Die kontinuierliche Mischtechnologie für Elektrodenpasten von Bühler spielt dabei eine Schlüsselrolle. «Es ist eine aufregende Zeit, um im Batteriegeschäft tätig zu sein. Der Markt ist so dynamisch, überall tauchen neue Akteure und Innovationen auf, und es deutet nichts auf eine Verlangsamung hin», sagt Adrian Spillmann, Director Market Segment Battery Solutions bei Bühler. «Die Elektromobilität nimmt richtig Fahrt auf – die steigende Kundennachfrage, strengere staatliche Vorschriften zur Reduktion des CO2-Fussabdrucks und technologische Verbesserungen sowie eine schnell wachsende Infrastruktur führen zu einem perfekten Sturm – im positiven Sinne.»
Es ist diese Art von Nachfrage, die der Geschäftsbereich Grinding & Dispersing von Bühler – einer von drei Geschäftsbereichen von Advanced Materials mit einem Umsatz von knapp CHF 100 Millionen – antizipiert hat, als er vor rund zehn Jahren seinen Geschäftszweig Battery Solutions gegründet hat. Basierend auf der bewährten Zweiwellenextrudertechnologie für die Lebens- und Futtermittelindustrie entwickelte Bühler ein neues kontinuierliches Mischverfahren für Elektrodenpasten. Statt mit Cerealien und Tiernahrung begannen die Ingenieure, Versuche mit Elektrodenpasten durchzuführen. «Wir sagten uns: ‹Lasst es uns versuchen.› Wir haben die Technologie und das Prozess-Know-how, um die Produktion von Batteriepasten in Bezug auf Geschwindigkeit, Flexibilität, Qualität und Quantität zu verbessern», sagt Spillmann.
Die Qualität der Elektrodenpaste ist massgebend für die Leistung und die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie. Traditionell werden Pasten in grossen Behältern hergestellt, die nicht unbedingt den Anforderungen an eine Grossserienproduktion in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten entsprechen. Ausserdem ist der Prozess unflexibel. Entspricht eine Charge nicht den Anforderungen, wird sie entweder entsorgt, nachbearbeitet oder für minderwertige Produkte verwendet. Während die Produktion von grossen Chargen mehrere Stunden dauert, benötigt der kontinuierliche Mischprozess nur wenige Minuten. «Mit einem rotierenden Doppelwellenmischer vereinen wir die notwendigen Prozessschritte wie Vormischen, Homogenisieren, Dispergieren und Entgasen in einer einzigen, kontinuierlich laufenden Einheit», sagt Spillmann.
Dank dieses kontinuierlichen Mischprozesses kann der Hersteller jederzeit eingreifen, wenn die Ergebnisse nicht den Anforderungen entsprechen. Was zählt ist, dass der verbesserte Mischprozess die Batterieleistung deutlich erhöht. Ausserdem reduziert er die Investitionskosten, und die Energiekosten sind ebenfalls deutlich geringer. Schliesslich braucht der neue Prozess deutlich weniger Platz, und es fällt weniger Ausschuss an. Die Entwicklung des Prozesses dauerte Jahre. Im Jahr 2017 wurde mit der Eröffnung der ersten Produktionsanlage bei Lishen im chinesischen Suzhou ein Meilenstein für die Produktion von Batteriepaste im industriellen Massstab gesetzt. Yi Liu ist Ingenieur bei dem chinesischen Batteriehersteller Lishen. Er hat die Technologie zusammen mit dem Team von Bühler entwickelt und sagte bei der Einweihungsfeier: «Diese Lösung wird die Batterieindustrie komplett verändern. Es ist ein historischer Moment, eine Revolution.»
Vier Jahre später und in 9000 Kilometern Entfernung schauen sich Valentin Dolder und Adrian Spillmann die neusten Daten von QuaLiB an, dem Inline-Qualitätskontrollsystem von Bühler. Es ermöglicht die Inline-Überwachung und die Steuerung von Prozessparametern in Echtzeit. «Eine kontinuierliche Qualitätskontrolle ist bei der Produktion von Batteriepaste von zentraler Bedeutung. Bevor wir QuaLiB einführten, verloren die Hersteller Zeit und Geld, indem sie physisch Proben nahmen, Offline-Messungen in einem Labor durchführten und Qualitätsprobleme während der Produktion zu spät bemerkten. Durch den Einsatz des QuaLiB-Systems kann die Produktionsausbeute gesteigert werden», erklärt Dolder.
Nach erfolgreichen Versuchen in China und der Schweiz führen Dolder und sein Team nun Tests mit einem grossen Automobilhersteller in Deutschland durch. Für Dolder sollte jeder Batteriehersteller, der den kontinuierlichen Mischprozess von Bühler nutzt, QuaLiB in seinen Prozess miteinbeziehen. «Das System ist vollständig in den Prozess integriert und erkennt die Produktqualität automatisch und in Echtzeit.» Darüber hinaus profitieren die Produzenten von einer vollständigen Transparenz ihres Prozesses und ihrer Materialien, was immer wichtiger wird, da ganze Wertschöpfungsketten bei stark steigender Nachfrage wie ein Uhrwerk funktionieren müssen.
Das System ist vollständig in den Prozess integriert und erkennt die Produktqualität automatisch und in Echtzeit.
Valentin Dolder,
Technologist Market Segment Battery Solutions bei Bühler
Asiens führende Rolle in der industriellen Produktion von Batterien begann 1991, als die japanischen Unternehmen Sony und Asahi Kasei die erste kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie herausbrachten. Mit der Übernahme der Strassen durch Elektroautos und der steigenden Nachfrage nach Batterieparks hat Europa gegenüber Asien eine Infrastrukturlücke, wenn es um die Batterieproduktion im grossen Stil geht. Die European Battery Alliance (EBA) hat sich zum Ziel gesetzt, diese Lücke zu schliessen, um die Abhängigkeit Europas von Batterien aus Asien zu reduzieren; sie wird dabei von den Mitgliederländern der Europäischen Union unterstützt.
Im Januar 2021 genehmigte die Europäische Kommission eine zweite öffentliche Unterstützung in Höhe von 2,9 Milliarden Euro für dieses «Wichtige Projekt von Gemeinsamem Europäischen Interesse» (IPCEI), um Forschung und Innovation in allen Segmenten der Batteriewertschöpfungskette zu unterstützen.
Von Rohstoffen und fortschrittlichen Materialien über Batteriezellen und Batteriesysteme bis hin zu Recycling und Nachhaltigkeit will Europa einen Teil des in den letzten Jahrzehnten verlorenen Bodens wiedergutmachen.
Das ist auch ein Beweis für die strategische Bedeutung von Batterien. Eine Studie des Weltwirtschaftsforums (WEF), der Global Battery Alliance (GBA) und McKinsey aus dem Jahr 2019 geht davon aus, dass der weltweite Batteriebedarf zwischen 2018 und 2030 um den Faktor 14 wachsen wird – von 184 auf 2623 Gigawattstunden (GWh). Der Grossteil der weltweiten Nachfrage wird mit 2333 GWh aus der Elektromobilität kommen, während Energiespeicher und Unterhaltungselektronik 221 GWh respektive 69 GWh benötigen werden.
Ein Blick auf Angebot und Nachfrage nach Regionen zeigt, warum die Europäische Union stark in den Aufbau einer eigenen Produktionsinfrastruktur investiert. Im Jahr 2030 werden mit 1122 GWh fast 43 Prozent der Nachfrage aus China kommen, Europas Appetit auf Batteriestrom wird mit 443 GWh etwa 17 Prozent ausmachen. Für das Jahr 2025 erwarten die Autoren der Studie eine weltweite Zellproduktionskapazität von 860 GWh, davon 60 Prozent in China. Damit bleibt eine Lücke von 1700 GWh, um den erwarteten Bedarf im Jahr 2030 zu decken, was zu Versorgungsengpässen bei europäischen Automobilherstellern führen könnte. Diese Prognosen unterstreichen die globale Dringlichkeit, die Produktionskapazitäten hochzufahren und Abhängigkeiten auf allen Seiten zu vermeiden. Den Gangwechsel in der Autoindustrie erlebt Spillmann bei Bühler täglich. «Alle grossen Autohersteller setzen auf Elektrofahrzeuge. Der Verbrennungsmotor war jahrzehntelang das Herzstück ihrer Produktionslinien, und jetzt bauen sie alle im Eiltempo Fähigkeiten und Kapazitäten auf, um ihre eigenen Batterien herzustellen.»
Die Geschwindigkeit, mit der sich der Wandel vollzieht, zeigt sich in einer weiteren ambitionierten Ankündigung innerhalb der Automobilbranche. Der deutsche Autohersteller Opel kommunizierte am 8. Juli 2021, die Produktion von Autos mit Verbrennungsmotoren in Europa bis 2028 einzustellen. Das Unternehmen setzt sich damit eines der ehrgeizigsten Ziele in der Branche.
In seinem Labor im schweizerischen Dübendorf analysiert Corsin Battaglia mit einer Kollegin neue Batteriematerialien. Er leitet die Abteilung Materials for Energy Conversion an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und weiss in seiner Funktion, wie schnell das Herz der Batterieindustrie heutzutage schlägt. «Es ist eine sehr dynamische Branche, und die Geschwindigkeit, mit der die Elektromobilität an Fahrt gewinnt, treibt die Innovation auf ein noch nie dagewesenes Niveau», sagt er. Battaglia und sein Team führen eigene Forschungsprojekte durch und arbeiten eng mit der Industrie zusammen. «Wir entwickeln neue Materialien und Prozesse für Batterien der nächsten Generation und befassen uns mit grundlegenden materialwissenschaftlichen Fragen, aber auch damit, wie sich neue Materialien und Prozesse in die Industrie übertragen lassen.»
Worauf also konzentrieren sich Battaglia und sein Team bei ihrer Forschung? «Aus der Materialperspektive ist Lithiummetall ein sehr interessantes Anodenmaterial für Batterien der nächsten Generation. Im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien mit Graphit-Anoden können Batterien mit Lithium-Metall-Anoden fast die doppelte Menge an Energie pro Ladung speichern», sagt er. Das würde die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen und die Speicherkapazität von Batterieparks verbessern. «Ein grosses Problem bei Lithium-Metall-Anoden stellt die Neigung zur Bildung von sogenannten Lithium-Metall-Dendriten dar, die einen Kurzschluss in der Batterie provozieren können. Hier kommt die Materialwissenschaft ins Spiel. Neue Festelektrolytmaterialien sind vielversprechend, um die Dendritenbildung zu verhindern.»
Die Geschwindigkeit, mit der die Elektromobilität an Fahrt gewinnt, treibt die Innovation in der Branche auf ein noch nie dagewesenes Niveau.
Corsin Battaglia,
Head of the Laboratory Materials for Energy Conversion bei Empa
Ein weiteres Element, das Forscher auf der ganzen Welt auf Trab hält, ist Kobalt. 60 Prozent des Kobalts wird in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut, was gravierende Auswirkungen auf die Gesellschaft und Umwelt hat. Es gibt Alternativen, aber deren Energiedichte bleibt eine Herausforderung. «Lithiumeisenphosphat (LFP) zum Beispiel ist kobaltfrei, kann aber weniger Energie speichern», sagt Battaglia. Wir entwickeln Kathodenmaterialien auf Basis von Mangan und Titan, die eine hohe Energiedichte ermöglichen, aber immer noch eine relativ geringe Stabilität aufweisen, wenn sie in einer Batterie zykliert werden.»
Die Empa beschäftigt sich auch mit übergeordneten Themen wie einer Kreislaufwirtschaft für Batterien. «Während die Hersteller so schnell wie möglich Millionen von Batterien produzieren müssen, betrachten wir die Sache ganzheitlicher und fragen uns, wie wir den Lebenszyklus von Batterien verlängern und zur Nachhaltigkeit beitragen können», sagt Battaglia. «Wir entwickeln zum Beispiel mit der Schweizer Firma Kyburz eine neue energieeffiziente, wasserbasierte Recycling-Methode für Lithium-Ionen-Batteriezellen.»
Bei Bühler in Uzwil im Battery Application Lab blickt Spillmann optimistisch in die Zukunft. «Batterien werden das Herzstück des grünen Wandels in der Mobilitäts- und Energiebranche sein. Dank erhöhter Investitionen und einem Verständnis für die Dringlichkeit finden Innovation und Zusammenarbeit in einem Ausmass statt, wie wir es noch nie erlebt haben. Mit unserer kontinuierlichen Mischtechnologie haben wir eine bewährte und nachhaltige Lösung für unsere Kunden, damit sie ihre Produktionskapazitäten hochfahren und sich auf die steigende Nachfrage vorbereiten können.»
Bei Bühler ruht man sich nicht auf den Lorbeeren aus. Ganze Branchen mit Energie zu versorgen, ist eine Aufgabe, die niemand alleine lösen kann. Bühler Grinding & Dispersing stellt sich darum gemeinsam mit einem grossen Netzwerk aus Industriepartnern und wissenschaftlichen Einrichtungen dieser Aufgabe. «Wir werden weiterhin gemeinsam innovativ sein. Die Herausforderungen sind gross, die Chancen aber auch – wir sind stolz darauf, unseren Teil dazu beizutragen», erklärt Spillmann. «Letztendlich wollen wir unser Versprechen ‹Innovations for a better world› einlösen.»
Gupfenstrasse 5
Uzwil
9240
Schweiz
