Batterieforschung in Deutschland

Nachhaltige Unterstützung der Batterieforschung, Aufbau einer Batteriezellproduktion in Deutschland, schnellerer Transfer von Forschungsergebnissen in die Anwendung: Das sind die Ziele des Dachkonzepts "Forschungsfabrik Batterie" des BMBF.

Lithium-Batterie
Das Bundesforschungsministerium unterstützt die Entwicklung neuer Batterien. © Adobe Stock / xiaoliangge

Weltweit steigt die Nachfrage nach Batterien. Sie sind eine Schlüsseltechnologie – beispielsweise für die Elektromobilität. Doch bisher kommen die meisten Batterien aus Asien, während nicht eine einzige Batteriezelle der heutigen E-Autos in Deutschland produziert wird. Deutschland muss daher seine Kapazitäten weiterentwickeln. Die Voraussetzungen dafür sind gut: Hierzulande ist eine starke Autoindustrie zu Hause, es gibt hochqualifizierte Arbeitskräfte und eine starke Forschung. Jetzt ist es wichtig, exzellente Forschung und Produktion zusammenzubringen.

Um das zu erreichen, hat das Bundesforschungsministerium Ende 2018 beschlossen, die Förderung der Batterieforschung neu auszurichten – durch das Dachkonzept "Forschungsfabrik Batterie". Es vereint alle bisherigen Fördermaßnahmen und -programme zur Batterieforschung unter einem Dach und baut auf den bestehenden Kompetenzen auf. In drei Modulen wird die Förderung gebündelt, neu ausgerichtet und aufeinander abgestimmt:

1. Material

Mit der Initiative „Excellent Battery“ hat das BMBF seit 2012 exzellente Forschungsstandorte unterstützt, die neue Materialkonzepte entwickeln und erproben. Die Initiative wurde bis 2019 in zwei Phasen mit etwa 40 Millionen Euro finanziert. Seit Herbst 2019 werden die grundlegenden Forschungen zu Materialthemen im Kompetenzcluster für Batteriematerialien "ExcellBattMat" gebündelt. Mit rund 16 Millionen Euro werden Projekte gefördert, die die materialwissenschaftlichen Grundlagen für zukünftige flüssigelektrolytbasierte Batteriesysteme legen sollen. Besonderes Augenmerk liegt weiterhin auf der Relevanz der Ergebnisse für die industrielle Fertigung.

Festkörper-Batterien werden aktuell als vielversprechende Weiterentwicklung von etablierten Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten gesehen, insbesondere für die Elektromobilität. Während die Material- und Prozesstechnologien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten bereits weit entwickelt sind, bedarf es zur erfolgreichen Etablierung von Festkörperbatterien noch erheblicher Forschungsaktivitäten. Der Kompetenzcluster für Festkörperbatterien „FestBatt“ soll die wissenschaftliche Basis für eine Etablierung von Festkörperbatterien in Deutschland legen. Das BMBF fördert die Partner des Clusters mit rund 16 Millionen Euro.

2. Zelle und Prozesse

Jeder einzelne Prozessschritt in der Produktion von Batteriezellen hat Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, die Qualität und die Kosten von Batteriezellen. Um diese Zusammenhänge wissenschaftlich aufzuklären und für die Industrie in Deutschland zugänglich zu machen, wurde in 2016 „ProZell“, der Kompetenzcluster zur Batteriezellproduktion, durch das BMBF initiiert. Im Forschungscluster werden die Kompetenzen von 28 Forschungseinrichtungen und die an unterschiedlichen Standorten vorhandenen Forschungsanlagen und -infrastrukturen zur Batteriezellfertigung zusammengeführt. Ziel des Kompetenzclusters ist es, den Produktionsprozess von Batteriezellen und dessen Einfluss auf die Zelleigenschaften sowie Produktentstehungskosten zu erarbeiten, im Detail zu verstehen und zu beschreiben sowie kontinuierlich weiterzuentwickeln. Das BMBF unterstützt „ProZell“ mit rund 42 Millionen Euro.

In der Forschungsproduktionslinie am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm werden Material- und Zellkonzepte im Labor im Hinblick auf ihre Eignung für die Massenproduktion getestet und validiert.

3. Batteriezellfertigung

Aussichtsreiche Batterien, die die ersten Tests bestanden haben, werden im nächsten Schritt in der neu zu errichtenden „Forschungsfertigung Batteriezelle“ in einem massentauglichen Maßstab prozessiert und untersucht. Voraussetzung hierfür ist eine Verpflichtung durch die Industrie, die Arbeiten, bei erfolgreichem Verlauf, weiterzuführen und umzusetzen. Die Forschungsfertigung Batteriezelle soll als zentrales Element etabliert werden, um den Transfer neuer Batteriezellkonzepte und notwendiger Anlagentechnik in die Industrie zu beschleunigen und Unternehmen die Möglichkeit zur Evaluierung spezifischer Batteriezellkonzepte zu ermöglichen. Ein erstes Teilprojekt zum Aufbau und zur Inbetriebnahme einer ersten Forschungslinie wird durch das BMBF mit rund 150 Millionen Euro unterstützt.

Die Forschungsfertigung Batteriezelle ist ein Element des Dachkonzeptes. Sie wird in Münster aufgebaut und soll Mitte 2022 den Betrieb aufnehmen. (Fragen & Antworten zum Thema) Aufbau und Betrieb erfolgen durch die Fraunhofer-Gesellschaft als Trägereinrichtung. Ziel ist es, neue Produktionstechnologien zu validieren und so den Transfer von neuen Batteriekonzepten und Produktionsverfahren in die Praxis zu beschleunigen. Zudem haben Unternehmen die Chance, ihre Batteriekonzepte auf Massenfertigungstauglichkeit zu prüfen. Das BMBF unterstützt den Aufbau mit rund 500 Millionen Euro.

"Die neue Forschungsfertigung Batteriezelle wird dazu beitragen, dass Deutschland auf dem Zukunftsfeld Batterie mitspielen kann. Wir überlassen dieses Feld nicht anderen, sondern stellen uns der Konkurrenz. Ohne leistungsstarke Batterien werden wir nicht die Mobilität weiterentwickeln können. Wir brauchen leitungsstarke Batterien um den Kampf gegen den Klimawandel zu bestehen. Wir brauchen Energiespeicher für den Strom aus erneuerbaren Energien."

Bundesforschungsministerin Anja Karliczek, Berlin, 28.06.2019.

Vier neue Batterie-Kompetenzcluster bringen Zellfertigung weiter voran

Mit Blick auf die weitere Ausgestaltung des Dachkonzeptes „Forschungsfabrik Batterie“ wurden weitere Themen identifiziert, die im Rahmen des Dachkonzeptes umgesetzt werden. Diese Themen werden durch den Aufbau von vier neuen Batterie-Kompetenzclustern angegangen, die das BMBF mit 100 Millionen Euro fördert. Damit wird das Dachkonzept weiter mit Inhalten gefüllt und die Batterieforschungslandschaft in Deutschland insgesamt weiter gestärkt.

Das sind die vier Batterie-Kompetenzcluster

Intelligente Batteriezellproduktion (InZePro)

Im Fokus steht die Erhöhung und Flexibilisierung der Produktivität der Zellproduktion. Erreicht werden soll dies durch eine ganzheitliche Optimierung des Produktionssystems unter Einsatz von Lösungen der Industrie 4.0. Schwerpunkte sind dabei: Innovative agile Anlagentechnik, Digitalisierung, Künstliche Intelligenz (KI) in der Produktion sowie virtuelle Produktionssysteme.

Fördersumme: rund 30 Millionen Euro.

Koordinatorenteam:

  • Prof. Dr. Gunther Reinhart (Sprecher), Technische Universität München
  • Prof. Dr. Jürgen Fleischer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Prof. Dr. Klaus Dröder, TU Braunschweig
  • Prof. Dr. Achim Kampker, RWTH Aachen

Recycling / Grüne Batterie (greenBatt)

Zentrales Handlungsfeld des Kompetenzclusters ist die systematische Gestaltung des Batterielebenszyklus, die Berücksichtigung und Weiterentwicklung effizienter Recyclingtechnologien und die Integration von rückgewonnenen Materialien in die Batteriezellproduktion. Ziel ist es Stoffkreisläufe zu schließen.

Fördersumme: rund 30 Millionen Euro.

Koordinatorenteam:

  • Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann (Sprecher), Technische Universität Braunschweig
  • Prof. Dr. Alexander Michaelis (Sprecher), Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme, Dresden
  • Prof. Dr.-Ing. Bernd Friedrich, RWTH Aachen

Batterienutzungskonzepte (BattNutzung)

Ziel ist das tiefgehende Verständnis von Batteriezuständen und -verhalten, um zu entscheiden, wann die Zweitnutzung (Second Use) von Batteriespeichern möglich und für welche Anwendung sinnvoll ist.

Fördersumme: rund 20 Millionen Euro.

Koordinatorenteam:

  • Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer (Sprecher), RWTH Aachen
  • Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen, Technische Universität München
  • Dr. rer. nat. habil. Axel Müller-Groeling, Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie, Itzehoe

Analytik / Qualitätssicherung (AQua)

Die stete Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig langer Lebensdauer und hoher Sicherheit von Batterien erfordert Kompetenzen zur Analyse und Qualitätssicherung. Ziel ist die gemeinschaftliche Erarbeitung von Methoden, Strategien und Standards. Fördersumme: rund 20 Millionen Euro.

Koordinatorenteam:

  • Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens (Sprecherin), Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Ulm
  • Prof. Dr. Helmut Ehrenberg, Karlsruher Institut für Technologie
  • Prof. Dr. Hubert A. Gasteiger, Technische Universität München

Das Konzept der vier neuen Kompetenzcluster baut auf den vorhandenen Strukturen des Dachkonzeptes „Forschungsfabrik Batterie“ auf, das forschungsseitig Synergien mit dem europäischen Green-Deal und den IPCEI-Projekten des Bundeswirtschaftsministeriums schafft. Dabei ist im Gesamtkontext des Dachkonzeptes die Forschungsfertigung Batteriezelle Münster ebenfalls ein Baustein. Alle Module des Dachkonzepts wirken zusammen und sollen Forschungsergebnisse auf die nächste Wertschöpfungsstufe bringen. Erfolgversprechende Lösungsansätze aus den Forschungsvorhaben können in der Forschungsfertigung Batteriezelle validiert und in die Industrie transferiert werden.

Blick zurück: Seit 2007 stärkt das BMBF die Batterieforschung

Im August 2009 verabschiedete die Bundesregierung den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität, in dem die Grundlagen für eine strategisch ausgerichtete Entwicklung gelegt wurden. Deutschland soll Leitmarkt und Leitanbieter für die Elektromobilität werden. Dies kann nur dann gelingen, wenn leistungsfähige Batteriesysteme in Deutschland produziert werden können. Aber nicht nur in der Elektromobilität, sondern beispielsweise auch bei Laptops, Smartphones, Hochleistungswerkzeugen, Industrieanwendungen und der Medizintechnik sind leistungsstarke, langlebige und sichere Energiespeicher gefragt.

Schon seit 2007 unterstützt das Bundesforschungsministeriums (BMBF) die Batterieforschung. Seither werden in strategisch aufeinander abgestimmten Maßnahmen unterschiedliche Aspekte wiederaufladbarer Batterien erforscht. Dabei verfolgt das BMBF einen breiten Ansatz: Es unterstützt den akademischen Wissensaufbau im Bereich der Batteriematerialien und Prozesstechnologien von Batteriezellen. Die Maßnahmen zielen unter anderem auf die Steigerung von Anzahl, Qualität und Ausstattung von elektrochemischen Kompetenzzentren. Weiterhin werden auch Batteriesysteme der Zukunft durch die Förderung von Technologien der sogenannten "Post-Lithium-Ionen-Ära" unterstützt. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Transfer der Ergebnisse aus der Forschung in einen industrietauglichen Maßstab und schlussendlich in die industrielle Anwendung.

Die Fördermaßnahmen adressieren zum einen Werkstoff- und Prozessentwicklungen im Bereich der Lithium-Ionen-Technologie. Auf Basis bestehender Technologien werden in evolutionären Ansätzen neue Materialien und Produktionsmethoden erforscht, die mittelfristig sowohl in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch bei vielen weiteren industrierelevanten Anwendungen zum Einsatz kommen werden. Zum anderen werden auch grundlegend neue Ansätze verfolgt, die nicht auf Lithium-Ionen-Technologien beruhen und die erst langfristig eine Chance auf industrielle Umsetzung haben werden. Neben der Steigerung der Energiedichte stehen Sicherheit und Lebensdauer im Mittelpunkt der Arbeiten. Ein wichtiger Aspekt der Batterieaktivitäten des BMBF ist es auch, durch gezielte Ausbildung und Förderung im Bereich der Elektrochemie Nachwuchskräfte für Forschung und Industrie zu entwickeln.