Wegwijzende concepten voor een duurzame en economische batterijcelproductie

Concept van een installatietestfaciliteit van Fraunhofer FFB in U-vorm als macro-omgeving. © Fraunhofer FFB / Concept van een Fraunhofer FFB-installatietestfaciliteit in U-vorm als macro-omgeving De dynamiek waarmee batterijopslagtechnologie zich ontwikkelt als een van de meest veelbelovende benaderingen om fossiele brandstoffen te vervangen, is enorm. Echter, om batterijcellen op de lange termijn duurzamer en economischer te produceren, zijn aanvullende besparingspotentieel en efficiëntiestrategieën vereist in het productieproces, zonder de normen van productieomgevingen uit het oog te verliezen. Momenteel is tot 50 procent van de broeikasgasemissies in Duitsland afkomstig van de elektriciteit die nodig is voor de productie van batterijcellen, waarvan tot 43 procent van de energievraag toe te schrijven is aan de productieomgeving en het gebruik van schone en droge kamers. Het whitepaper van de Münsterse onderzoekers beschrijft .© Fraunhofer FFB

Voor de transitie naar duurzame mobiliteit zijn krachtige batterijcellen een essentiële voorwaarde. Fundamental hiervoor is het creëren van een energiezuinige en grondstofefficiënte productie-infrastructuur voor de cellen. Onderzoekers van de Fraunhofer-instelling Forschungsfertigung Batteriezelle FFB tonen nu mogelijkheden aan hoe met behulp van zogenaamde »Mini- en Macro-Omgevingen« energie- en operationele kosten in de batterijcelproductie kunnen worden verminderd, en daarmee een hoog potentieel voor een concurrerende batterijproductie in Duitsland en Europa kan worden gerealiseerd. De bevindingen zijn samengevat in het recent uitgegeven whitepaper »Energie-efficiënte en kwaliteitsgerichte installatiesconcepten voor de batterijcelproductie«, dat vanaf nu beschikbaar is.

De dynamiek waarmee de batterijopslagtechnologie zich ontwikkelt als een van de veelbelovendste benaderingen voor de vervanging van fossiele energiebronnen, is enorm. Om batterijcellen op lange termijn duurzamer en economischer te produceren, zijn echter aanvullende besparingspotentieel en efficiëntiestrategieën nodig in het productieproces, zonder daarbij de normen van de productieomgevingen uit het oog te verliezen. Momenteel komt tot 50 procent van de broeikasgasemissies in Duitsland voort uit de benodigde elektriciteit voor de productie van batterijcellen, waarvan tot 43 procent van het energieverbruik op de productieomgeving en het beheer van cleanrooms en droogkamers rust. Het whitepaper van de onderzoekers uit Münster beschrijft hoe met behulp van verschillende innovatieve omgevingsconcepten in de toekomst in de batterijcelproductie een economisch en milieutechnisch besparingspotentieel kan worden gerealiseerd, en toont bovendien de praktische implementatie van het concept aan de Fraunhofer FFB.

Uitdagingen in de batterijcelproductie

In hun toepassingsgebied wordt de lithium-ionbatterij (LIB) beschouwd als de meest geavanceerde variant: stationaire energiesystemen, consumentenelektronica, maar vooral de elektrificatie van mobiliteit nemen het grootste deel van de verwachte totale vraag in. Ze is de drijvende kracht achter de jaarlijks groeiende vraag naar LIB in gigawattuur-gebied. De toenemende eisen aan de duurzaamheid en prestatie-eigenschappen van de batterij, zoals een hogere energiedichtheid om de actieradius van elektrische voertuigen te vergroten, vereisen ook nieuwe batterijmaterialen. Met het oog op een soepele, kwalitatief hoogwaardige en veilige productie van de batterijcellen, stellen deze echter hoge eisen aan netheid en droogte.

Cleanrooms en droogkamers, oftewel hermetisch afgesloten ruimtes, voldoen aan deze eisen. Ze beschikken over een droog binnenklimaat en daardoor over een zeer lage luchtvochtigheid bij een dauwpunt van min 60 graden – de temperatuurwaarde waarbij condensatie van het vocht in de lucht begint. Om het droger te maken dan de woestijn, zijn echter enorme energie-inspanningen nodig voor de behandeling van de zeer droge lucht.

Potentieel van nieuwe omgevingsconcepten in de batterijcelproductie

Voor de productieomgeving ontwikkelt, implementeert en onderzoekt de Fraunhofer FFB proces- en machinegerichte behuizingsconcepten in de productie, die in de toekomst de energie-intensieve cleanrooms en droogkamers moeten vervangen en aanzienlijk kosteneffectievere en duurzamere alternatieven vormen.

– »Mini-omgevingen zijn beperkte, afgebakende productie- en transporteenheden die het waardecreërende proces en het product inkapselen. Het gebruik van »Mini-omgevingen« is tot nu toe nog beperkt tot laboratorium- of pilotniveau.«
– »Macro-omgevingen verbinden en combineren beperkte, afgebakende productiegebieden, die de bediening, de logistiek en de machine- en productie-eenheden kunnen omvatten.«

Daartoe zegt Marius Heller, wetenschappelijk medewerker van de onderzoeksgroep »Assemblage en Vormgeving« bij de Fraunhofer FFB: »Met het gebruik van »Mini-omgevingen« in de batterijcelproductie kunnen belangrijke parameters worden verbeterd. Daartoe behoren aanzienlijk lagere operationele en energiekosten en de bescherming van medewerkers tegen potentieel schadelijke gevaarlijke stoffen. Voor de industrie kan de overstap naar omgevingsconcepten in de toekomst de omslag betekenen naar een ecologische en economische celproductie in Europa.«

Implementatie en test in de productielijnen van de Fraunhofer FFB

Fabrikanten van installaties worden in de toekomst uitgedaagd om effectieve en efficiënte installatietechnologie te ontwerpen. De Fraunhofer FFB zal in haar flexibele en wendbare fabrieken, »FFB PreFab« en »FFB Fab«, een vergelijkingsmaatstaf voor kwaliteitsgerichte en energie-efficiënte installatietechnologieën ten opzichte van de bestaande stand van de techniek vaststellen en zo een belangrijke bijdrage leveren aan de overdracht van geavanceerde oplossingen naar de batterijindustrie. Daartoe worden onder andere de omliggende cleanrooms en droogkamers gebruikt om proces- en productietechnologieën te testen en te kwantificeren. Tegelijkertijd wordt de stapsgewijze test van de omgevingsconcepten uitgevoerd.

Hasibe Turhan, wetenschappelijk medewerker van de onderzoeksgroep »Assemblage en Vormgeving« bij de Fraunhofer FFB: »Wij verwachten dat de batterijcelproductie een vergelijkbare ontwikkeling zal doormaken als de halfgeleiderproductie 30 jaar geleden: Door procesnabij inkapseling kunnen gerichte luchtstromingen worden gerealiseerd en een hoge productkwaliteit worden bereikt. Het gehele proces van de productieomgeving wordt in totaal geoptimaliseerd.«

Op basis van marktobservaties en industriegesprekken verwacht de Fraunhofer FFB dat de doorbraak voor »Mini-omgevingen« zal plaatsvinden van de pilotfase naar de seriematige productie vanaf het jaar 2027.

Het whitepaper »Energie-efficiënte en kwaliteitsgerichte installatiesconcepten voor de batterijcelproductie« is vanaf nu gratis te downloaden.