Produktion von Natrium-Ionen-Batterien in Baden-Württemberg

Im Forschungsprojekt »PRONTO« werden skalierbare Produktionsprozesse, Zellarchitekturen und Aktivmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien (NIB) mit dem Ziel entwickelt, eine Batteriezellproduktion in Baden-Württemberg aufzubauen. Das Projektkonsortium, bestehend aus Fraunhofer ISE, KIT und Universität Stuttgart, wird von assoziierten Industriepartnern begleitet.

Ausgangslage

Die Erfolge der Lithium-Ionen-Technologie zeigen Potenzial für Elektrifizierung, bringen aber Lieferkettenrisiken durch kritische Rohstoffe wie Lithium und Kobalt mit sich. Natrium-Ionen-Batterien bieten eine attraktive Alternative dank niedrigeren Rohstoffkosten, guter Temperaturstabilität und hoher Schnellladefähigkeit, leiden jedoch an geringerer Energiedichte. Konventionelle, lösungsmittelbasierte Beschichtungsverfahren verursachen hohe Kosten, Energieaufwand und Lösungsmittelrückgewinnungsprobleme. Daher besteht Bedarf an umweltverträglichen, kosteneffizienten und skalierbaren Produktionsverfahren sowie optimierten Zellarchitekturen für NIB.

Ziel

»PRONTO« zielt auf die Entwicklung und Demonstration von: (1) optimierten Anoden- und Kathodenaktivmaterialien für NIB; (2) einer großformatigen, bipolar ausgelegten Zellarchitektur; (3) eines skalierbaren Trockenbeschichtungsverfahrens zur Elektrodenfertigung; (4) einer Gesamtkonzeption für eine Produktionslinie inklusive techno-ökonomischer Bewertung. Das Projekt beabsichtigt, Materialien, Modellierung und Prozesstechnik so zu verknüpfen, dass eine industrielle Fertigung von NIB in Baden‑Württemberg realisierbar wird.

Lösungsansatz

Auf Basis vorhandener Vorerfahrungen implementiert das Fraunhofer ISE ein innovatives, skalierbares Trockenbeschichtungsverfahren zur Herstellung von Elektroden, das Trocknungskosten reduziert, die Umweltbilanz verbessert und die Prozessintegration erleichtert. Das KIT entwickelt und synthetisiert optimierte Aktivmaterialien und Elektrolyte; die Universität Stuttgart erbringt Modellierungen zur Zelloptimierung und liefert Designparameter für anwendungsspezifische Performance. Am Fraunhofer ISE werden sowohl kleine Versuchszellen für Materialtests als auch großformatige Bipolar-Zellformate mittels Trockenprozessierung realisiert. Parallel erfolgt die Auslegung einer späteren Produktionslinie und eine techno-ökonomische Bewertung. Die assoziierten Industriepartner beraten zur industrienahen Umsetzung und liefern Know-how zu Maschinentechnik, Systemintegration und Produktionsinfrastruktur.

Ergebnisse

Das Projekt »PRONTO« demonstriert skalierbare Trockenbeschichtungsverfahren zur Herstellung von Elektroden, die Trocknungskosten und Lösungsmittelaufwand gegenüber konventionellen Verfahren reduzieren. Die Modellierungsaktivitäten der Universität Stuttgart unterstützen bei der iterativen Auslegung der Elektrodenstrukturen hinsichtlich Parametern wie Porosität, Schichtdicke, Partikelgröße und Betriebsparametern. »PRONTO« liefert optimierte Aktivmaterialien auf Basis von nachhaltigen Schichtmetalloxiden und Hartkohlenstoffen aus biologischen Reststoffen sowie eine bipolar aufgebaute, großformatige Zellarchitektur, die Modularität und Recyclingfähigkeit verbessert. Die Wirksamkeit der entwickelten Materialien und Prozesse wird in kleinen Versuchszellen und großformatigen Prototypen nachgewiesen. Außerdem werden ein Produktionslinienkonzept und eine techno-ökonomische Bewertung erstellt sowie Machbarkeitskonzepte mit Industriepartnern erarbeitet, um die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien in Baden-Württemberg vorzubereiten.

Das Projekt »PRONTO«  wird vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert.