Batteriezellen: Wie eine Fertigung in Deutschland gelingt

Der Bedarf ist riesig: Bis 2025 werden Bat­te­rie­kapazitäten von mindestens 500 Gigawattstunden benötigt, schätzen Experten. Knapp ein Drittel der Nachfrage kommt dabei aus Europa. Bis dahin soll allein VW einen Bedarf von fünf großen Zellfabriken für seine Ausbaupläne im Bereich E-Mobilität haben. Doch der Markt wird derzeit nahezu vollständig von einer guten Handvoll asiatischer Hersteller dominiert. LG Chem, SKI, Samsung, CATL, BYD und Panasonic lauten die Namen der koreanischen, chinesischen und japanischen Unternehmen. Allein Daimler hat kürzlich Aufträge an asiatische Zellen-Hersteller im Wert von zwei Milliarden Euro verteilt. 

Die Batterie ist die zentrale Komponente eines Stromautos. Auf sie entfallen 30 bis 40 Prozent der Wertschöpfung und davon wiederum machen die Batteriezellen 60 bis 80 Prozent aus. Die Abhängigkeit von asiatischen Zellherstellern wird nicht nur als Gefahr für die deutsche Industrie gesehen, sie soll bereits heute konkrete Auswirkungen haben. Die Marktmacht spielt dabei nicht nur in der Preisbildung eine Rolle. Es wird gemutmaßt, dass manche Lieferanten mit der Zellenversorgung auch eine Ausweitung ihrer Leistungen auf die Komplettbatterie in Verbindung bringen.

„Eine Auto-Nation sollte nicht abhängig sein“, sagte dazu kürzlich Bundesforschungsministerin Anja Karliczek. Neben dem Fördertopf für die Batterieherstellung von Wirtschaftsminister Peter Altmaier im Umfang von einer Milliarde Euro stellt ihr Ministerium nochmals 500 Millionen Euro im Rahmen des Programms ‚Forschungsfertigung Batterie­zelle‘ zur Verfügung.

Ziel ist der Aufbau einer industriellen Produktion von Lithium-Ionen-Zellen in Deutschland. Nach Expertenmeinung sind die kommenden zwei Jahre entscheidend. Dabei werden die Chancen für eine hiesige Zellenproduktion gar nicht so schlecht eingeschätzt. Dies liegt einerseits an der großen Nachfrage und andererseits an den bestehenden Kompetenzen deutscher Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. 

In den vergangenen Monaten gibt es zudem viel Bewegung in dem bislang hierzulande ziemlich beschaulichen Umfeld von Zellchemie und -produktion. Verschiedene Standorte im Norden, Süden und Osten Deutschlands bringen sich in Stellung für eine vom Bund und wohl auch von der EU geförderte Zellfabrik.

Insbesondere das Autoland Baden-Württemberg setzt einiges in Bewegung. Wirtschaftsministerin Nicole Hoffmeister-Kraut hebt als Standortvorteile hervor, dass dort alle Kompetenzen für die Herstellung von Batteriezellen auf engstem Raum vertreten sind. So habe Varta, als einziger deutsche Massenhersteller dieser Komponenten, seinen Sitz im schwäbischen Ellwangen.

Das Projekt DigiBattPro4.0, in das das Bundesland acht Millionen Euro Fördergelder steckt, soll die Basis für eine künftige Großserienproduktion schaffen. Projektpartner sind neben Varta das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und die Zellchemie-Experten des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm. Der Geschäftsfeldleiter Energie beim IPA und zugleich Koordinator von DigiBattPro4.0, Joachim Montnacher, verweist auf die Potenziale: „Der Markt für Batteriezellen wächst enorm, er wird sich in den kommenden zehn Jahren vervielfachen.“ Dabei ist die E-Mobilität nur einer von mehreren Treibern. Auch bei Akku-Kleingeräten, wie Powertools, Schrauber, Staubsauger oder Schreibtischlampen, aber auch bei stationären Stromspeichern, werden erhebliche Wachstumsraten erwartet.

Der Abhängigkeit vieler Branchen von der Zellenbelieferung sollte man Rechnung tragen, fordert Montnacher. Für ihn ist klar: „Wenn wir nicht massiv ins Hintertreffen geraten wollen, muss Deutschland hier aktiv werden.“ In der Produktionserfahrung sei gegenüber den Asiaten bereits eine „riesengroße Lücke“ entstanden.

„Wir haben jetzt die letzte Chance, diese Lücke zu schließen, denn jetzt findet der Wandel statt“, macht der Energie- und Produktionsexperte klar. Mit Blick auf Länder wie Polen oder Ungarn verweist er auf aus dem Boden sprießende Produktionsstätten unter asiatischer Führung. Dabei muss man gar nicht so weit blicken. Das chinesische Unternehmen CATL baut bei Erfurt eine Zellfabrik mit bis zu 1.000 Arbeitsplätzen. 

Die Frage ist: Übernimmt Deutschland selbst eine aktive Rolle oder überlässt man das Feld ausländischen Unternehmen? Damit droht ein Platz auf der verlängerten Werkbank und das Ingenieur-Know-how würde woanders sitzen. Bislang sind die Verhältnisse bei vielen Industriegütern ja genau umgekehrt. 

Montnacher sieht gute Chancen, auch in der Herstellung von Batteriezellen wirtschaftlich Fuß zu fassen. Als Strategie empfiehlt er: „Wir müssen dabei unsere Joker ausspielen.“ In erster Linie sei dies die „gute Position in der Produktionstechnik und dem Maschinenbau in Verbindung mit der Digitalisierung“. Konkret geht es dabei vorwiegend um das Up-Scaling, also um die Fragen: Wie kommt man von kleinen Batterien zu großen? Oder: Wie kommt man von einer Laborfertigung in die Massenproduktion? Dabei wird es laut dem Koordinator von DigiBattPro4.0 nicht funktionieren, die „Zoom-Taste zu drücken“. Denn dabei veränderten sich die Prozesse und die Qualität des Outputs.

Ebenso wie in anderen Industriebranchen hat man mit der Digitalisierung den größten Hebel in der Hand. Montnacher fordert hier eine „höhere Produktionseffizienz als die asiatische Konkurrenz“. Ein Ansatzpunkt ist die heute noch von sehr viel Ausschuss geprägte Produktion. Zudem sei es heute üblich, Zellen in unterschiedlichen Qualitäten zu produzieren, die man dann entsprechend klassifiziert verkauft. Nach Montnachers Auskunft liegt die durchschnittliche Produktivität einer Batteriezellenfertigung heute bei etwa 90 Prozent, 10 Prozent sind Ausschuss. „Hier müssen wir auf eine Ausschussrate von unter einem Prozent kommen“, fordert er.

Ermöglichen könne dies eine durchgängige und saubere Produktionsdatenhaltung. Der IPA-Mitarbeiter ist sich sicher: „Wir haben hier gegenüber der Konkurrenz noch die Nase vorne.“ Das gelte etwa für die Integration von Cloud-Lösungen in die Produktion oder für cyberphysische Produktionssysteme, für die Technik des digitalen Schattens oder die Expertise beim Machine-Learning.

Diese Ansatzpunkte adressiert man auch bei Varta. „Wir erforschen, wie Instrumente der Digitalisierung besser genutzt werden können, um hocheffizient zu produzieren“, heißt es aus Ellwangen. Das Tochterunternehmen Varta Microbattery produziert am Rande der Schwäbischen Alb kleinformatige Lithium-Ionen Zellen mit sehr hohen Energiedichten. Als Basis dafür nennt Varta ein innovatives Zelldesign sowie eine optimierte Elektrochemie. Zudem punktet man bei der Zuverlässigkeit. Dies gebieten schon die Applikationen. Da die produzierten Lithium-Ionen-Zellen häufig fest verbaut sind, würde ein Defekt an der Zelle den Totalausfall des gesamten Produkts bedeuten. 

Der Batteriehersteller hat nach eigenen Angaben nicht nur ein „umfangreiches Know-how in allen Formaten der Lithium-Ionen-Batterien“ aufgebaut, sondern investiert auch stark in die Forschung. „Wir evaluieren kontinuierlich weitere Anwendungsgebiete für Lithium-Ionen-Batterien“, betont Varta.

Auf welchen Batterietyp man bei DigiBattPro4.0 zunächst setzt, scheint auch schon ausgemacht. „Unsere heutigen kleinformatigen Lithium-Ionen-Zellen und die Rundzellen 21.700 haben eine große technologische Nähe. Daher ist es ein logischer Schritt, uns in diesem Segment weiterzuentwickeln“, so Varta. Beim IPA verweist man auf den breiten Einsatzbereich – vom E-Auto bis zum E-Gerät – des auch beim Tesla verbauten Zellformats 21.700.

Parallel zu DigiBattPro4.0 entsteht am IPA ein Zentrum für digitalisierte Batteriezellenproduktion. Dort beschäftigt man sich auch damit, wie sich die Endprodukte optimieren und gleichzeitig die geforderten höchsten Toleranzwerte einhalten lassen. Ein Beispiel ist das exakte Zusammenfügen und der Einbau der sogenannten Zellwickel in ein Gehäuse, um einerseits das Volumen bestmöglich auszunutzen, andererseits müssen Beschädigungen verhindert werden.

Montnacher gibt die Losung aus: „Zum Ende der geplanten Projekte wollen wir eine vorwettbewerbliche vollautomatische Forschungspilot-Produktion Industrie 4.0 in Betrieb haben.“ Ziel sei die wirtschaftliche Herstellung von Prämium-Li-Ionenzellen für deutsche Anwender. Denn eigentlich ist es ganz einfach: „Wenn man optimal produziert, dann verbessert sich automatisch die Performance der Zelle. Dieses Potenzial müssen wir heben“, so Montnacher.

Dabei spielt ein weiterer Gesichtspunkt dem Standort Deutschland in die Karten und verhindert möglicherweise eine ähnliche Entwicklung wie bei Solarzellen oder LCD-Displays. „Man wird nicht wie beim Öl mit Batteriezellen beladene Tanker im großen Maßstab über die Weltmeere fahren lassen“, sagt der IPA-Experte. Das liegt nicht nur an den Transportkosten, sondern hier spielt die Explosionsgefahr und eine mögliche Kettenreaktion die entscheidende Rolle. Auch das weiß Montnacher: „Bei Li-Ionen-Zellen haben sie dafür alles an Bord.“