E-Mobilität: Trends nachhaltiger Batterieproduktion

Energiewende, Klimawandel und Nachhaltigkeitsbestrebungen verlangen nach Konzepten und Technologien, die Bereiche wie E-Mobilität und dort vor allem die Batterieproduktion unterstützen. Um den CO2-Verbrauch signifikant zu senken, müssen alternative Antriebsmodelle gefunden werden. Der Batterieentwicklung und -produktion kommt hierbei eine signifikante Bedeutung zu. Die Herausforderung: Welcher Batterietypus und welche Fertigungsabläufe sind am besten geeignet, um den steigenden Bedarf und die immer strikteren Vorgaben bestmöglich zu erfüllen? Wie können Hersteller Nachhaltigkeit, Effizienz und Qualität im Werk optimieren und Workflows automatisieren? Es sind innovative und ganzheitliche Automatisierungskonzepte und -technologien, basierend auf künstlicher Intelligenz und Robotik, gefragt, die sowohl die Vorgaben des Marktes und der Politik als auch die individuellen Anforderungen der Batterieindustrie berücksichtigen. Die folgenden Ausführungen gehen auf Trends und Ansätze einer zukunftsorientierten Batterieproduktion ein, die europäische Unternehmen unterstützt, eine Vorreiterrolle im E-Mobility- und Energiespeicher-Markt zu übernehmen.

Aktuelle Studien wie der „Global Top 100“-Report des Beraterhauses Corporate Knights sehen deutsche Anbieter in Sachen Nachhaltigkeit weit hinter anderen Ländern. Nur vier deutsche Unternehmen finden sich in diesem Bericht in den Top 100 der nachhaltigsten Konzerne der Welt Firmen aus Dänemark, Frankreich und Finnland führen. Die Batterieproduktion ist in diesem Zusammenhang ein zentrales Feld, in dem deutsche Unternehmen nachziehen können und sollten. Es gilt zum einen, den stetig steigenden Bedarf an innovativer, leistungsstarker und verlässlicher Batteriezellentechnologie zu decken. Zum anderen müssen die Produktionsabläufe in den Werken selber transformiert und effizienter gemacht werden. Laut Roadmap Batterie-Produktionsmittel des VDMA wird der europäische Markt bis 2030 einen Bedarf von rund 30 Prozent des Weltmarktbedarfs haben. Asiatische Anbieter und die wenigen europäischen Startups werden diese Nachfrage alleine nicht decken können. Daher ist nun Handeln gefragt. Die Initiative 2030+ der Europäischen Kommission möchte Europa einen Platz an der Spitze dieses Rennens um die Batterietechnologien der Zukunft verschaffen. Oberstes Ziel ist die Entwicklung und effiziente Produktion von sicheren und nachhaltigen Hochleistungsbatteriezellen für E-Fahrzeuge, erneuerbare Energiespeicher und zahlreiche weitere Technologien auf Gebieten wie Robotik, Medtech, Luft- und Raumfahrt.

Soweit die Theorie, denn diesen Plänen stehen aktuell noch einige Hürden im Weg, die es zu umschiffen gilt. So gibt es derzeit noch großen Nachholbedarf bei der Produktion leistungsstarker Batteriezellen. Nur schätzungsweise 70 bis 90 Prozent der gesamten Zellproduktion kommen tatsächlich zum Einsatz, der Rest weist oftmals Mängel auf, sodass er nicht genutzt werden kann. Eine Vielzahl der produzierten Batterien fallen außerdem durch, wenn sie beim Automobilhersteller oder Integrator auf ihre Einsatztauglichkeit getestet werden. Unternehmen in der Batterieproduktion sind also gefordert, nachhaltiger zu produzieren und Ausschuss zu vermeiden. Gleichzeitig müssen stetig wachsende Qualitätsanforderungen erfüllt und dem Kosten- sowie Wettbewerbsdruck begegnet werden. Darüber hinaus gilt es, Antworten auf den Fachkräftemangel zu finden und die Innovationsstärke auszubauen. Zu den veränderten Anforderungen der Anwender und Verbraucher gehören diesbezüglich der Ruf nach flexibleren Formaten für immer neue Produkte und Anwendungen. Zugleich wünschen sie eine höhere Kapazität, bessere Qualität, mehr Sicherheit und eine längere Lebensdauer, beziehungsweise im Bereich der E-Mobilität längere Fahrten, ohne aufladen zu müssen.

Nicht alle Batterien und Produktionsprozesse können diese Anforderungen gleich gut erfüllen. Eine wichtige Frage lautet daher: Welcher Batterietypus bietet welche Vorteile und eignet sich für welchen Einsatz? Bei den weit verbreiteten zylindrischen und prismatischen Zellen werden die aktiven Schichten um die innere Elektrode gewickelt. Im Gegensatz dazu werden bei Lithium-Ionen-Pouch-Zellen die gestapelten Schichten von einer flexiblen, meist aus Aluminium bestehenden Außenhülle eingeschlossen. Dies maximiert die Produktionskosten im Vergleich zu den anderen beiden Batterietypen. In allen anderen Bereichen punkten Pouch-Batterien jedoch deutlich. So lassen sie sich durch ihre dünne und flache Bauart problemlos in die verschiedensten Technologien und Modelle einbauen. Pouch-Batterien zeichnen sich aber auch durch eine besonders gute Hitzeabführung und einen geringen Temperaturanstieg bei schneller Ladung oder Entladung aus. Zylindrische oder prismatische Batteriezellen können hingegen sehr heiß werden. Trotz der aktuell höheren Produktionskosten sind Pouch-Batterien in Sachen Verlässlichkeit, Hitzeresistenz und insbesondere Flexibilität für den Einsatz in vielen unterschiedlichen Szenarien am besten geeignet.

Aktuelle Zahlen des VDMA untermauern die erfolgreiche Entwicklung dieses Marktsegments: Bis 2028 soll der Pouch-Bereich bei 1.000 GWh liegen. 2017 waren es erst 100 GWh. Um derartig leistungsstarke Batterien herstellen zu können, sind enorme Fabriken vonnöten. So gehen Experten davon aus, dass allein für 4 GWh Pouch-Zellenkapazität 35 Fertigungslinien notwendig sind. Künstliche Intelligenz im Zusammenspiel mit smarter Robotik und Kameratechnologie kann hierbei Schützenhilfe leisten. Dies beginnt bei Predictive Maintenance-Funktionen für die effiziente vorausschauende Wartung von Maschinen, wird in Zukunft aber auch weitere Bereiche fortschrittlicher Prozessautomatisierung betreffen.

Europäische Anbieter wollen sich in der Batteriezellenproduktion aktuell von den großen Playern aus Asien mit besserer Qualität, effizienterer Produktion sowie optimierter Nutzung von Ressourcen hervortun. Omrons Ziel ist es, hierbei mehr als zehn Prozent des Materialüberschusses einzusparen. Im Zuge der fortschreitenden E-Mobilisierung müssen aktuell vermehrt fortschrittliche Batterietechnologien entwickelt werden, um so die Zuverlässigkeit, die Sicherheit und den Betrieb verschiedener Fahrzeugtypen zu erhöhen. Lithium-Ionen-Pouch-Batterien erfüllen einige der wichtigsten aktuellen Anforderungen in Industrie und Automobilbranche. Allerdings gestaltet sich die Herstellung der Pouch-Zellen auch komplexer und viel anspruchsvoller. Dies wiederum stellt besondere Anforderungen an Produktionsansatz und -technologie. Unternehmen konzentrieren sich diesbezüglich zunehmend auf durch Künstliche Intelligenz unterstützte Produktionsprozesse, um Maschineneffizienz und Null-Fehler-Produktion zu optimieren und zu stärken.

Das i-Automation!-Konzept von Omron kombiniert künstliche Intelligenz, Sensorik, Steuerung, Sicherheit und Robotik in einer Automatisierungsplattform zur Entwicklung einer umfassenden Anwendungslösung, die die zuverlässige, nachhaltige und qualitativ hochwertige Produktion von Pouch-Batterien unterstützt. Künstliche Intelligenz erfüllt diesbezüglich alle Kundenanforderungen an Produktqualität und Effizienz. Fertigungslinien lassen sich deutlich schneller und flexibler als zuvor an veränderte Anforderungen anpassen, was essenziell ist, da die E-Mobilität einem steten Wandel unterworfen ist – Batterien müssen dieser Entwicklung Rechnung tragen. Darüber hinaus unterstützt Omron seine Kunden durch eigenständig funktionierende, komplett in die Linie integrierte Lösungen zur Inspektion von Batteriezellen, aber auch bereits bei der Elektrodenfertigung und letztlich bei der Herstellung von Batteriemodulen. Omrons Automatisierungslösung optimiert ebenso die Leck- und Vakuummessung sowie die durchgehende Rückverfolgbarkeit über die Lebenszeit der Zelle hinweg bei der Pouch-Batterieherstellung.

Fazit: Um innovativ, flexibel und zukunftsorientiert agieren zu können, benötigen Batterieproduzenten und Unternehmen, die mit Batterien arbeiten, einen verlässlichen Partner, der sie mit leistungsstarker Technologie und fundierter Beratung aus einer Hand unterstützen kann. Es ist eine leistungsstarke, ganzheitliche und auf künstlicher Intelligenz basierende Anwendung vonnöten, die Hersteller unterstützt, Ausschuss zu vermeiden. Ratsam ist in diesem Zusammenhang auch ein intelligentes Warehouse-System, unterstützt von mobiler Robotik, das die Prozesseffizienz steigert und überflüssigen Aufwand reduziert. Zugleich sollte die Batteriezellenqualität, sprich Kapazität und Lebensdauer, nachhaltig durch eine Produktions- und Lifecycle-Kontrolllösung abgedeckt sein, die von der Herstellung über den Gebrauch bis zum Recycling alle Schritte berücksichtigt und von einem In-Line-Inspektionssystem flankiert wird. Finden diese Aspekte Beachtung, gehen Unternehmen einen wichtigen Schritt in Richtung nachhaltige Fabrik und Batterieproduktion der Zukunft.

Die Omron Corporation ist eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich der Industrieautomatisierung und stützt sich vor allem auf die drei Kerntechnologien Sensorik, Steuerung und künstliche Intelligenz. Das Leistungsspektrum von Omron reicht von elektronischen Komponenten über die Industrieautomatisierung bis hin zu Elektronikteilen für die Automobilbranche, sozialen Infrastruktursystemen sowie Gesundheits- und Umwelttechnologien. Omron wurde 1933 gegründet und beschäftigt derzeit über 360.000 Mitarbeiter weltweit, die daran arbeiten, Produkte und Dienstleistungen in 120 Ländern und Regionen zur Verfügung zu stellen. In der Industrieautomatisierung übernimmt Omron sowohl mit innovativen Technologien und Produkten als auch mit einem umfassenden Kundensupport eine Vorreiterrolle auf dem Markt. Gemeinsam arbeiten wir für eine bessere Gesellschaft.