Neue Batteriematerialien: Ulmer Pilotlinie schafft 100-Kilogramm-Chargen

Neue Batteriematerialien lassen sich im Labor häufig nur in kleinen Mengen herstellen. Für die Erprobung in industriellen Zellformaten werden jedoch deutlich größere Chargen benötigt. Diese Lücke soll die Pilotlinie „Powder-Up!“ am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm schließen. Laut dem Forschungsinstitut handelt es sich um die erste unabhängige Anlage dieser Art in Deutschland. Sie ermöglicht die Skalierung von Kathodenmaterialien auf Chargen von bis zu 100 kg.

Auf rund 2.400 m² Nutzfläche stehen dafür mehr als 135 Anlagen und Geräte zur Verfügung. Sie decken die Prozesskette von der Materialsynthese über die thermische Behandlung bis zur Charakterisierung und Qualitätssicherung ab. Die Inbetriebnahme der Anlage erfolgte bereits März 2025. Nun arbeitet sie im Vollbetrieb.

Erste Kathodenmaterialien auf 15 Kilogramm skaliert

Ein Schwerpunkt liegt auf Nickel-Mangan-Kobalt-Kathodenmaterialien (NMC). Sie sind wegen ihrer hohen Energiedichte vor allem für Elektrofahrzeuge interessant . Durch die Anpassung der Materialzusammensetzung sollen sich Eigenschaften wie Energiegehalt, Lebensdauer und thermische Stabilität beeinflussen lassen.

Erste Materialmuster konnten die Forschenden bereits von wenigen Gramm auf etwa 15 kg hochskalieren. Eine besondere Herausforderung ist die thermische Behandlung bei Temperaturen zwischen 600 und 1.000 °C. Dabei muss die Temperatur laut dem ZSW auf wenige Grad genau eingehalten werden. Spezielle Industrieöfen ermöglichen eine entsprechende Prozessführung.
Neben NMC-Materialien entwickelt das Institut inzwischen auch Lithium-Eisenphosphat-Kathoden (LFP) im Kilogrammmaßstab. Ein weiteres Forschungsfeld sind Materialien für Natrium-Ionen-Batterien.

Digitale Prozessdaten für schnellere Entwicklung von Batteriematerialien

Die Pilotlinie kombiniert automatisierte Syntheseverfahren mit umfangreicher Analytik. Im High-Throughput-Verfahren können unterschiedliche Materialvarianten parallel hergestellt und untersucht werden. Für die Charakterisierung stehen unter anderem Rasterelektronenmikroskopie, Raman-Spektroskopie und Röntgendiffraktion zur Verfügung.

Anschließend werden die Materialien in Knopfzellen elektrochemisch geprüft. Die dabei gewonnenen Messwerte sowie die Prozessdaten aus der Herstellung werden digital erfasst und für weitere Entwicklungsschritte genutzt. Die Datenbasis soll künftig auch KI-gestützte Optimierungen unterstützen.
„Mit Powder-Up! können Unternehmen eigene Materialkonzepte industrietauglich validieren, gemeinsam neue Syntheseverfahren entwickeln oder von der digitalen Datenplattform profitieren“, sagt ZSW-Forscher Prof. Dr. Markus Hölzle.

Zweistelliger Millionenbetrag für neue Batteriematerialien

Der Aufbau der Pilotlinie wurde mit insgesamt rund 34 Mio. € aus Bundes- und Landesmitteln finanziert. Das Land Baden-Württemberg übernahm rund 10 Mio. € für das Gebäude, der Bund unterstützte Anlagentechnik und Infrastruktur mit rund 24 Mio. €.

Die neue Einrichtung ergänzt die bestehenden Kapazitäten des ZSW zur Batteriezellfertigung und zum Batterietest. Für Unternehmen und Forschungseinrichtungen entsteht damit die Möglichkeit, neue Kathodenmaterialien vor ihrer Überführung in die industrielle Serienfertigung unter produktionsnahen Bedingungen zu erproben

Ob sich dadurch Entwicklungszeiten und Skalierungskosten tatsächlich reduzieren lassen, muss sich in konkreten Industrieprojekten zeigen. Die Pilotlinie steht dazu nun Kooperationspartnern aus Wirtschaft und Wissenschaft zur Verfügung.