Bundesweit einzigartig Pilotlinie für neue Batteriematerialien geht am ZSW in den Vollbetrieb

Kathodenmaterialien bestimmen maßgeblich die Leistung und Sicherheit von Hochleistungsbatterien. Fortschritte aus der Forschung in die industrielle Zellproduktion zu überführen, ist dabei eine große Herausforderung. Dies soll künftig die neue Pilotlinie "Powder-Up!" des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm leisten: Als erste unabhängige Anlage in Deutschland skaliert sie Materialien unter realen Bedingungen vom Labormaßstab auf Chargen von bis zu 100 kg.

Die Pilotlinie ist nun in den Vollbetrieb gegangen. Mit mehr als 135 Anlagen und Geräten deckt sie die gesamte Prozesskette von der Synthese bis zur Analyse und Qualitätssicherung ab. Eine digitale Prozessführung und hochautomatisierte Analytik beschleunigen Entwicklungszyklen und liefern Daten für KI-Anwendungen. Powder-Up! wurde durch Fördermittel des Bundes und des Landes Baden-Württemberg ermöglicht und steht ab sofort der Industrie sowie der wissenschaftlichen Gemeinschaft für Kooperationsprojekte zur Verfügung.

Pilotlinie erzielt erste Skalierungserfolge

Kathodenmaterialien bilden den Pluspol von Batterien. Vor allem bei Lithiumionenbatterien stellen sie jedoch die teuerste und umweltkritischste Komponente dar. Sie enthalten außer Lithium weitere kritische Rohstoffe wie Nickel oder Kobalt. Weil sie in der Batterie unersetzlich sind, werden die Kathodenmaterialien ständig weiterentwickelt. Ein Schwerpunkt in Powder-Up! liegt deshalb auf NMC-Kathodenmaterialien (Nickel-Mangan-Kobalt). Diese ermöglichen Batterien mit hoher Energiedichte, etwa für größere Reichweiten von Elektrofahrzeugen. Durch die gezielte Anpassung des Nickel-, Mangan- und Kobalt-Anteils lassen sich Energiegehalt, Lebensdauer, Stabilität und Kosten für unterschiedliche Anwendungen ausbalancieren.

Bereits kurz nach der Inbetriebnahme von Powder-Up! konnten erste Materialmuster von wenigen Gramm in den 15-kg-Bereich hochskaliert werden. Ein wichtiger Schritt ist dabei die thermische Behandlung der Materialien bei Temperaturen von 600 bis 1000 °C, wobei die Temperatur auf wenige Grad genau eingehalten werden muss. Hierfür stehen in Powder-Up! Spezialöfen zur Verfügung, die die industriellen Prozesse präzise nachbilden.

Aktuell fokussieren sich die Arbeiten auf eine zweite Produktklasse der Kathodenmaterialien: Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). Auch hier werden bereits Mengen im Kilogramm Maßstab hergestellt. Ein weiteres wichtiges Thema sind Materialien für Natrium-Ionen-Batterien.

Schnellere Forschung, fortschrittlichere Batteriematerialien

Die Pilotlinie umfasst rund 2.400 m² Nutzfläche und vereint mehr als 135 Anlagen und Geräte unter einem Dach. Diese Ausstattung umfasst sowohl die Materialentwicklung als auch die Skalierung vom 10-g- bis in den 100-kg-Maßstab.

Speziell hierfür entwickelte Apparate ermöglichen die Entwicklung von Syntheserouten im High-Throughput-Verfahren, bei dem viele Varianten parallel getestet und schnell optimiert werden können. Die Materialcharakterisierung erfolgt mit hochmodernen Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie, fokussiertem Ionenstrahlabtrag mit Rasterelektronenmikroskopie zur hochauflösenden Analyse, energiedispersiver Röntgenanalyse, Raman-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Röntgenfluoreszenzanalyse und Röntgenpulverdiffraktion. All diese Methoden ermöglichen eine detaillierte Analyse von Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften der Materialien.

Die elektrochemische Prüfung erfolgt in Knopfzellen, die ebenfalls am ZSW hergestellt und im hauseigenen Batterietestzentrum validiert werden. Alle Daten aus der Synthese und der Testung werden digital erfasst und unmittelbar in die weitere Materialentwicklung integriert. Dadurch lassen sich Entwicklungszyklen deutlich beschleunigen und Ergebnisse gezielt optimieren.

Pilotlinie bietet langfristige Perspektiven

Die Pilotanlage Powder-Up! wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und des Landes Baden-Württemberg aufgebaut. Das Land hat das Gebäude mit rund 10 Millionen Euro finanziert, während der Bund die Anlagentechnik sowie die notwendige Infrastruktur mit rund 24 Millionen Euro unterstützt hat. Das Projekt startete im Anfang 2022. Nach Beschaffung, Bau und Installation erfolgte die Inbetriebnahme der Anlage drei Jahre später im März 2025.

Das ZSW ist damit ein zentraler Forschungspartner für die Wissenschaft und Industrie, der die gesamte Batteriewertschöpfungskette unter einem Dach abbildet: Von der Materialsynthese über die Zellfertigung bis hin zum Systemtest. Seit 2001 steht das etablierte Batterietestzentrum (eLaB) für unabhängige Validierung und Zertifizierung. Die 2014 in Betrieb genommene Forschungsproduktionslinie für große Lithium-Ionen-Zellen (FPL) deckt alle gängigen Zellformate von 5 bis 300 Ah ab – ergänzt durch eine weitere Pilotlinie für kleine Rund- und Pouchzellen. Diese lückenlose Infrastruktur ermöglicht es Partnern aus der Industrie und der Wissenschaft, Entwicklungszyklen signifikant zu verkürzen, Skalierungskosten zu senken und somit die europäische Batterielieferkette strategisch zu stärken.