CellXPress

Um die Energiewende voranzutreiben, braucht es leistungsfähige Batteriezellen, die Elektrofahrzeuge, Energiespeicher und tragbare Geräte effizienter, langlebiger und kostengünstiger machen. Neuartige Aktivmaterialien können Energiedichte, Lebensdauer, Nachhaltigkeit und technologische Souveränität verbessern und so die Gesamtkosten entlang der Wertschöpfungskette senken.
Dennoch finden neue Materialkonzepte, insbesondere aus dem nicht-industriellen Bereich, selten den Weg in kommerzielle Zellen. In einem stark umkämpften Markt sind Skalierung und Zellfertigungsentwicklung risikoreich, zeit- und kostenaufwendig. Die Branche fokussiert daher auf schrittweise Verbesserungen etablierter Konzepte. Zudem arbeiten Materialherstellung und Zellfertigung in Europa häufig nicht unter einem Dach, wodurch der bilaterale Wissensaustausch, in anderen Regionen Standard, erschwert wird. Innovationszyklen verlängern sich, Transferprozesse verlangsamen sich oder scheitern.
Hier setzt CellXPress an. Ziel ist die Entwicklung eines beschleunigten Skalierungskonzepts, das neue Materialkonzepte vom Labormaßstab in die skalierte Produktion großformatiger Zellen überführt, basierend auf einem hoch nickelreichem Material mit erhöhter Energiedichte. In enger Zusammenarbeit verbindet das Projekt zwei große Skalierungsforschungsinfrastrukturen: die Materialskalierung am Technikum PowderUp des ZSW und die Zellfertigung an der PreFab der Fraunhofer FFB. Ergänzend werden digitale Methoden gezielt entwickelt, eingesetzt und standortübergreifend harmonisiert.
Da ein solcher Transfer in Europa derzeit weder etabliert noch erprobt ist, dient CellXPress als Proof-of-Concept eines Kooperationsmodells für den beschleunigten Materialtransfer und fördert so eine wettbewerbsfähige Batteriewertschöpfungskette in Deutschland.

• In AP1 werden die Zielanforderungen für die gesamte Batteriezelle erarbeitet. Besonders relevant sind dafür die Eigenschaften des Kathodenmaterials und die Prozessparameter für das Mischen und Beschichten der Kathode.
• In AP2 wird die Herstellung des CAM im 500-g-Maßstab durchgeführt. Besonderer Fokus wird zunächst auf die Fällung und Kalzinierung des reinen Modellmaterials gesetzt. Erarbeitung der Grundparameter, sphärischer Partikel und anschließender Steuerparameter. Elektrochemische Validierung des Grundmaterials in Halb- und Vollzellen im Knopfzellenformat. Analytische Qualitätssicherungsmaßnahmen und Vorbewertung an der Fraunhofer FFB.
• In AP3 wird die Herstellung des CAM auf einen 10-kg-Maßstab skaliert. Besonderer Fokus wird hierbei auf die Fällungs- und Kalzinierungsparameter gesetzt. Anschließend werden ebenfalls der Mischprozess sowie die Elektrodenherstellung auf den Technikumsmaßstab skaliert. Abschließend werden in diesem AP Multilayer-Pouchzellen (~10 Ah) produziert und elektrochemisch untersucht.
• In AP4 erfolgt die Skalierung der Material-, Elektroden- und Zellherstellung in den seriennahen Maßstab. Die Erkenntnisse aus vorangegangenen Skalierungsstufen bilden die Grundlage für die erfolgreiche Umsetzung in den Pilotmaßstab.
• Das AP5 »Technologische, ökonomische und ökologische Begleitung« des Projekts »CellXPress« zielt darauf ab, eine umfassende Analyse der technologischen, ökonomischen und ökologischen Aspekte der in diesem Projekt entwickelten Verfahren und Materialien zu gewährleisten. Durch eine systematische Umfeldanalyse, die Identifizierung weiterer relevanter Akteure, eine Verwertungsvorbereitung sowie die Durchführung eines Proof of Concept soll sichergestellt werden, dass die entwickelten Technologien nicht nur innovativ, sondern auch marktfähig und nachhaltig sind.
• AP6 beinhaltet den Datentransfer zwischen den Partnern, um individuelle Umsetzungsstrategien zur Prozessbeschleunigung zu identifizieren und umzusetzen.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines beschleunigten Skalierungskonzepts, das neue Materialkonzepte vom Labormaßstab in die skalierte Produktion großformatiger Zellen überführt – basierend auf einem Material mit erhöhter Energiedichte. In enger Zusammenarbeit der Konsortialpartner ZSW und FFB findet hier ein Schulterschluss zweier großer Skalierungsforschungsinfrastrukturen im Bereich der Materialskalierung am Technikum PowderUp des ZSW und der Zellfertigung an der »FFB PreFab« statt. Zudem werden bei der Umsetzung gezielt der Einsatz digitaler Methoden erarbeitet, entwickelt, eingesetzt und zwischen den beiden Standorten harmonisiert. Da ein solcher Transfer derzeit im europäischen Raum weder bekannt noch etabliert ist, soll CellXPress als Proof of Concept eines Kooperationsmodells dienen, das den beschleunigten Transfer neuer Materialkonzepte ermöglicht und so eine wettbewerbsfähige Batteriewertschöpfungskette in Deutschland fördert.