Batterieproduktion

Battery production

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Rohstoffkreislauf

Raw material cycle

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Nutzung

Use

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Batterieproduktion

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Rohstoffkreislauf

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Nutzung

Use

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Batterieproduktion

Battery production

Wie ist eine Batteriezelle aufgebaut? Wie und wo in Europa wird sie zusammengesetzt? Und wie ist der aktuelle Stand der Forschung und Entwicklung? Dieser Abschnitt beantwortet diese und weitere Fragen rund um das Thema Batterieproduktion.

How is a battery cell structured? How and where in Europe is it assembled? And what is the current state of research and development? This section answers these and other questions about battery production.

Fertigung Batteriematerialien

Battery materials

Fertigung Batteriezelle

Battery cells

Fertigung Batteriesystem

Battery systems fabrication

Forschung & Entwicklung

Research & Development

Nachhaltigkeit

Sustainability

Wie alle Batterien haben Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zwei Elektroden: Eine Anode (Minuspol), die negative Elektronen bereitstellt, und eine Kathode (Pluspol), die diese übernimmt. Auf diesem Weg entsteht ein Stromfluss von Anode zu Kathode, der von angeschlossenen Geräten verwendet werden kann.

Like all batteries, lithium-ion batteries (LIBs) have two electrodes: an anode (negative terminal) that provides negative electrons and a cathode (positive terminal) that accepts them. This creates a current flow from anode to cathode that can be used by connected devices.

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Wie wird eine Batterie geladen?

Beim Laden wird von außen Spannung an die Batterie gelegt. So entsteht an der Anode ein Überschuss ...

Beim Laden wird von außen Spannung an die Batterie gelegt. So entsteht an der Anode ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen, Lithium-Ionen aus dem Elektrolyten können so Elektronen aufnehmen und sich als Lithium-Atome in der Anode einlagern. An der Kathode hingegen werden Elektronen entzogen und Lithium-Ionen in den Elektrolyten abgegeben. Durch den Konzentrationsunterschied (wenige Ionen an der Anode, viele an der Kathode) wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten Richtung Anode. So wird die Batterie geladen. Wenn man mit einem Elektroauto fährt oder ein Smartphone nutzt, wird die Batterie entladen. Dann läuft dieser Vorgang umgekehrt ab.

Wie wird die Kapazität einer Batterie bestimmt?

Die Kapazität einer Batteriezelle wird durch die Materialpaarung der Anode und Kathode bestimmt ...

Die Kapazität einer Batteriezelle wird durch die Materialpaarung der Anode und Kathode bestimmt. Das limitierende Element ist hierbei meistens die Kathode. Die Kapazität wird in Amperestunden (Ah) angegeben und liegt im Bereich von 6 Ah bis 120 Ah. Diese ist abhängig vom Format der Zellen. Die Spannung einer LIB definiert sich aus der Differenz der vorliegenden Potenziale an den Elektroden, da die Anode ein Potenzial von annähernd 0 V aufweist (bei Graphit) und die Kathode den Bereich von 3,7 - 4,2 V. Dadurch lassen sich letztere Spannung praktisch erreichen. Mit diesen beiden Kennzahlen – Spannung und Kapazität – kann nun die Energie (in Wh) einer einzelnen Zelle berechnet werden. Rechenbeispiel: In einer stark vereinfachten Rechnung wird die Zellspannung mit der Zellkapazität multipliziert. So erreichen Zellen mit einer Kapazität von 5 Ah und einer Spannung von 3,7 V eine Energie von 18,5 Wh.

How is a battery charged?

 

When charging, voltage is applied to the battery from outside. This creates an excess of negatively charged electrons at the anode ...

When charging, voltage is applied to the battery from outside. This creates an excess of negatively charged electrons at the anode. Lithium ions from the electrolyte can thus take up electrons and store them as lithium atoms in the anode. At the cathode, however, electrons are withdrawn and lithium ions are released into the electrolyte. Due to the difference in concentration (few ions at the anode, many at the cathode), lithium ions migrate through the electrolyte towards the anode. This charges the battery. When you drive an electric car or use a smartphone, the battery is discharged. The above process is then reversed.

How is the capacity of a battery determined?

The capacity of a battery cell is determined by the material pairing of the anode and cathode. The limiting element here is ...

The capacity of a battery cell is determined by the material pairing of the anode and cathode. The limiting element here is usually the cathode. The capacity is given in ampere hours (Ah) and ranges from 6 Ah to 120 Ah. This depends on the format of the cells. The voltage of a LIB is defined by the difference between the existing potentials at the electrodes, since the anode has a potential of approximately 0 V (for graphite) and the cathode the range of 3.7 - 4.2 V. Thus, the latter voltage can practically be achieved. With these two key figures - voltage and capacity - the energy (in Wh) of a single cell can now be calculated.

Bei der Fertigung einer Batteriezelle werden zunächst die Elektroden in mehreren Fertigungsschritten hergestellt. Anschließend werden die einzelnen Bestandteile zu einer Zelle zusammengefügt und der Elektrolyt wird eingefüllt.

When manufacturing a battery cell, first the electrodes are produced in several manufacturing steps. Then the individual components are assembled to form a cell, and the cell is filled with the electrolyte.

Mischen

Mixing

Auftragen & Trocknen

Coating and drying

Pressen

Calendering

Zellassemblierung

Cell assembly

Finishing/Formierung

Finishing/Formation

Standardmäßig besteht ein Batteriesystem für E-Fahrzeuge aus mehreren Modulen in denen mehrere Batteriezellen untergebracht sind. Durch die Unterteilung in Modulen ist eine einfachere Integration der vielen Batteriezellen im Batteriegehäuse möglich.

A standard battery system for electric vehicles consists of several modules in which several battery cells are housed. The division into modules makes it easier to integrate the many battery cells in the battery housing.

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Um in einer globalisierten Welt wettbewerbsfähig zu sein, sind Forschung und Entwicklung für die Batteriezellproduktion von zentraler Bedeutung. Welche Materialien eignen sich am besten? Wie kann die Lebensdauer einer LIB verlängert werden? Und wie kann die Sicherheit erhöht werden? Diese und weitere Fragen werden derzeit erforscht.

In order to be competitive in a globalised world, research and development are of central importance for battery cell production. Which materials are best suited? How can the lifetime of a LIB be extended? And how can safety be increased? These and other questions are currently being researched.

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Zellalterung

Unter Zellalterung versteht man den Kapazitätsverlust im Laufe des Betriebs der Zelle: Ziel ist es, ...

Unter Zellalterung versteht man den Kapazitätsverlust im Laufe des Betriebs der Zelle: Ziel ist es, die Einflüsse auf die Zelle besser zu verstehen und deren Verhalten damit abzusehen (durch beispielsweise elektrochemische Messungen während des Betriebs oder Sensoren). Hierbei ist eine enge Verzahnung mit der Charakterisierung von Nöten, um die Grundlagen zu verstehen.

 

Sicherheit

Kein neues Material wird in Serie produziert, wenn die Sicherheit in der Zelle nicht gewährleistet ist, wie z. B. ...

Kein neues Material wird in Serie produziert, wenn die Sicherheit in der Zelle nicht gewährleistet ist, wie z. B. durch Brandrisiko. Häufig werden bei Sicherheitstests externe Kräfte auf die Batteriezelle ausgeübt (z. B. der Nagelpenetrationstest), die sich dadurch selbst entlädt. Ziel ist es, hier die Auswirkungen von externen Einflüssen besser einzuschätzen und die Batteriemodule dementsprechend anzupassen, um eine maximale Sicherheit dem Endverbraucher zu gewährleisten. Wer forscht aktuell zum Thema Sicherheit?

Charakterisierung

Materialcharakterisierung Die Materialcharakterisierung ist ein wesentlicher Teil der Grundlagenforschung. Ziel ist es, die grundlegenden Mechanismen der LIB zu verstehen und ...

Materialcharakterisierung

Die Materialcharakterisierung ist ein wesentlicher Teil der Grundlagenforschung. Ziel ist es, die grundlegenden Mechanismen der LIB zu verstehen und die Zelleigenschaften zu verbessern. Zum Beispiel gilt es die Bildung und Zusammensetzung der Solid-Electrolyte Interphase (SEI) zu verstehen; obwohl diese Schutzschicht bereits seit den 70er Jahren bekannt ist, ist deren genaue Zusammensetzung sowie Bildung immer noch unklar. Hier bilden vor allem analytischen Methoden (einfache Laboranalytik, Strukturuntersuchungen mit Synchroton-/Neutronenmessungen) eine gute Möglichkeit dessen Bildung zu verstehen.

Elektrochemische Charakterisierung

Die elektrochemische Charakterisierung bildet das Grundgerüst für die gesamte Grundlagenforschung. Die Bandbreite reicht hierbei von einfachen Lade-/Entlade-Prozessen (Zyklisierung) bis zu elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), die Widerstände einzelner Phasen einer Zelle misst und so ein gutes Indiz über die Alterung der Zelle bildet.

Anwendungsnahe Forschung

Unter „Anwendungsnaher Forschung“ werden Pilotlinien oder -anlagen von Universitäten, Unternehmen und Instituten verstanden, ...

Unter „Anwendungsnaher Forschung“ werden Pilotlinien oder -anlagen von Universitäten, Unternehmen und Instituten verstanden, also klein-skalige Batterieproduktionsanlagen oder auch Minifabriken. Diese dienen der Erforschung neuer Produktionsprozesse oder der Anpassung an Rezepturen für den Beschichtungsprozess.

Cell ageing

Cell ageing is the loss of capacity which occurs over time during the operation of the cell. The aim ...

Cell ageing is the loss of capacity which occurs over time during the operation of the cell. The aim of research in this field is to better understand the influences on the cell and thus to predict its behaviour (by electrochemical measurements during operation or with the help of sensors, for example). This requires close attention to characterisation in order to understand the basic principles.

Safety

No new material will be mass-produced if safety in the cell is not guaranteed, due to fire risk ...

No new material will be mass-produced if safety in the cell is not guaranteed, due to fire risk for example. Frequently, external forces are applied to the battery cell during safety tests (e.g. the nail penetration test), which causes it to discharge itself. The aim here is to better assess the effects of external influences and to adapt the battery modules accordingly in order to ensure maximum safety for the end user.

Characterisation

Material characterisation is an essential part of basic research. The aim is...

Material characterisation
Material characterisation is an essential part of basic research. The aim is to understand the basic mechanisms of LIBs and to improve cell properties. For example, the formation and composition of solid-electrolyte interphase (SEI) has yet to be understood; although this protective layer has been observed since the 1970s, its exact composition and formation is still unclear. Analytical methods (simple laboratory analysis, structural investigations with synchrotron/neutron measurements) are a good way to understand its formation.

Electrochemical characterisation
Electrochemical characterisation forms the basic framework for all basic research. The spectrum ranges from simple charge/discharge processes (cyclisation) to electrochemical impedance spectroscopy (EIS), which measures the resistance of individual phases of a cell and thus provides a good indication of the ageing of the cell.

Application-oriented research

"Application-oriented research" refers to pilot lines or plants run by universities, companies ...

"Application-oriented research" refers to pilot lines or plants run by universities, companies and institutes, i.e. small-scale battery production plants or mini-factories. These serve to research new production processes or to adapt recipes for the coating process.

Nachhaltigkeit in der Batterieproduktion bedeutet eine sichere, umweltschonende und faire Produktion mit dem geringstmöglichen CO2-Ausstoß und unter möglichst umfassender Nutzung erneuerbarer Energien.

Sustainability in battery production means safe, environmentally friendly and fair production with the lowest possible CO2 emissions and the most extensive use of renewable energies.

Ökonomie

Economy

Soziales

Social Issues

Ökologie

Ecology

Fertigung Batteriematerialien

Battery materials

Fertigung Batteriezelle

Battery cells

Fertigung Batteriesystem

Battery systems fabrication

Forschung & Entwicklung

Research & Development

Nachhaltigkeit

Sustainability

Anoden

Anodes

LIB-Anoden bestehen bislang immer aus Kohlenstoff. Grafit eignet sich hier besonders gut, weil es den Lithium-Atomen die Möglichkeit gibt, sich in der Gitterstruktur des Materials einen festen Platz zu suchen. Das führt beispielsweise dazu, dass LIB häufiger und schneller geladen werden können als andere Batterietypen wie etwa Blei-Akkus.

Currently, LIB anodes always consist of carbon. Graphite is particularly suitable here because it allows the lithium atoms to find a permanent place in the lattice structure of the material. As a result, LIBs can be charged more often and faster than other battery types such as lead batteries.

Elektrolyt

Electrolyte

Damit sich die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode bewegen können, befindet sich zwischen den beiden Polen eine ionenleitende Flüssigkeit (Elektrolyt). Sie besteht aus einem organischen Lösungsmittel und einem Leitsalz. Der Transport der Elektronen erfolgt über die Stromableiter und den daran angeschlossenen äußeren Stromkreis. Die Ionen bewegen sich also innerhalb der Batterie, die Elektronen dagegen über den äußeren Stromkreis.

To enable the lithium ions to move from the anode to the cathode, there is an ion-conducting liquid (electrolyte) between the two poles. It consists of an organic solvent and a conducting salt. The electrons are transported via the current collectors and the external circuit connected to them. The ions therefore move inside the battery, while the electrons move through the external circuit.

Separator

Separator

Damit es in der Batterie keinen elektrischen Kurzschluss gibt, trennt ein Separator die beiden Elektroden voneinander. Das ist eine dünne Membran, die nur die Ionen durchlässt. Diese kann beispielsweise aus Kunststofffolien oder Kunstoffvlies bestehen.

To prevent an electrical short circuit in the battery, a separator separates the two electrodes from each other. This is a thin membrane that only allows the ions to pass through. This can be made of plastic film or plastic fleece, for example.

Lithium-Ionen

Lithium ions

Die Ladungsträger in der Batterie sind Lithium-Ionen, die sich zwischen Kathode und Anode hin und her bewegen. Dies geschieht durch Diffusion. Dieser Prozess funktioniert am besten in einem Temperaturfenster zwischen 10 – 60 °C. Das Metall Lithium gilt als sehr reaktionsfreudig, besonders mit Wasser. Batteriezellen müssen also stets verschlossen und abgedichtet sein, damit keine Feuchtigkeit ins Innere der Zelle eindringen kann. 

The charge carriers in the battery are lithium ions, which move back and forth between the cathode and anode. This is done by diffusion. This process works best in a temperature window between 10 and 60 °C. The metal lithium is very reactive, especially with water. Battery cells must therefore always be closed and sealed so that no moisture can penetrate the inside of the cell.

Kathoden

Cathodes

LIB-Kathoden können aus Lithium-Metalloxiden aufgebaut sein: Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) kommen hierfür aktuell am häufigsten zum Einsatz. Sie haben eine besonders hohe Energiedichte und man kann sie häufig auf- und entladen.

LIB cathodes can be made up of lithium metal oxides: lithium nickel cobalt aluminium oxide (NCA) and lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) are currently the most commonly used. They have a particularly high energy density and can be charged and discharged frequently.

Mischen

Mixing

Beim Mischen werden die Rohmaterialien für die Elektroden (Anode und Kathode) mit weiteren Substanzen wie Binder, Leitruß und Wasser (oder einer anderen flüssigen Substanz) vermengt. Ziel ist es, eine viskose Paste herzustellen, die ähnliche Fließeigenschaften wie Honig besitzt.

During mixing, the raw materials for the electrodes (anode and cathode) are mixed with other substances such as binder, conductive soot and water (or another liquid substance). The aim is to produce a viscous paste with flow properties similar to those of honey.

Auftragen und Trocknen

Coating and drying

Die homogenisierten Pasten werden dann auf hauchdünnen (6–20 Mikrometer) Metallfolien beidseitig aufgetragen; Kupfer für die Anode und Aluminium auf der Kathode. Das Rohmaterial wird mit einer Nassfilmdicke von bis zu 0,2 Millimeter aufgetragen und anschließend in Öfen getrocknet. Dabei sollte die Oberfläche keine Risse aufweisen, damit sich eine gleichmäßige Schicht auf der Metallfolie bilden kann.

The homogenised pastes are then applied to wafer-thin (6-20 microns) metal foils on both sides; copper for the anode and aluminium on the cathode. The raw material is applied with a wet film thickness of up to 0.2 millimetres and then dried in ovens. The surface should not show any cracks, so that an even layer can be formed on the metal foil.

Pressen

Calendering

Die Oberfläche der Elektroden ist – trotz der gleichmäßigen Auftragung - sehr rau und porös. Durch das Pressen wird die Struktur zusammengestaucht. Dadurch erhalten Materialien und Metallfolie einen besseren Kontakt zueinander, was die elektrische Leitfähigkeit verbessert. Zum anderen werden die Poren verkleinert und die Partikel untereinander kontaktiert.

Despite the even application, the surface of the electrodes is very rough and porous. Pressing compresses the structure. This gives the materials and the metal foil better contact with each other, which improves the electrical conductivity. On the other hand, the pores are reduced in size and the particles contact each other.

Zellassemblierung

Cell assembly

Bei diesem Schritt wird die spätere Zelle zusammengebaut. Dabei startet man mit der Anode, legt darauf eine Lage Separator und darauf eine Lage der Kathodenfolie. Diese Stapelungstechnik kann im Falle von Pouch- oder prismatischen Batteriezellen nun beliebig oft wiederholt werden, bis die gewünschte Spezifikation erreicht wurde. Bei Rundzellen wird der Stapel aus Anode, Separator und Kathode aufgerollt. Um die Elektroden von Außeneinflüssen zu sichern, werden die gestapelten Elektroden oftmals in einer dünnen Kunststofffolie „eingeschweißt".

In this step, the future cell is assembled. A layer of separator is placed on the anode, and then a layer of cathode foil on top of that. In the case of pouch or prismatic battery cells, this stacking technique can now be repeated as often as required until the desired specification is achieved. For round cells, the stack of anode, separator and cathode is rolled up. To protect the electrodes from external influences, the stacked electrodes are often "shrink-wrapped" in a thin plastic film.

Finishing/Formierung

Finishing/Formation

Bei diesem Prozessschritt wird ein Elektrolyt zu den gestapelten Elektroden hinzugegeben, welche vom Separator aufgesogen wird. Dadurch wird die Zelle erst benutzbar. Zusätzlich muss die Zelle erst ge-und entladen werden, denn innerhalb des ersten Ladevorgangs bilden sich essentielle Schutzschichten (Solid-Electrolyte-Interface (SEI), welche den Lebenszyklus der Zellen verlängern.

In this process step, an electrolyte is added to the stacked electrodes, which is absorbed by the separator. This makes the cell usable. In addition, the cell has to be charged and discharged for the first time, since during the first charging process, essential protective layers (Solid-Electrolyte-Interface (SEI)) are formed which prolong the life cycle of the cells.

Modulfertigung

Module assembly

In einem Batteriemodul werden in der Regel mehrere Batteriezellen parallel und seriell verschaltet. Die Anzahl der parallel verschalteten Zellen bestimmt dabei die Kapazität des Moduls. Die Anzahl der seriell verschalten Zellen bestimmt die Spannung des Moduls.

Rechenbeispiel: Werden in einem Modul 4 Zellen a 60 Ah parallel verschaltet, ergibt sich eine Kapazität von 240 Ah. Werden zusätzlich je 3 Zellen a 3,7 V seriell verschaltet, erhöht sich die Spannung auf 11 V. Man spricht dann von einer 4p3s (vierfach parallel, dreifach seriell) Verschaltung. Das Modul enthält also insgesamt 12 Zellen.

In a battery module, several battery cells are usually connected in parallel and serially. The number of cells connected in parallel determines the capacity of the module. The number of serially connected cells determines the voltage of the module.

Sample calculation: If 4 cells of 60 Ah each are connected in parallel in a module, the resulting capacity is 240 Ah. If 3 cells of 3.7 V each are additionally connected in series, the voltage increases to 11 V. This is then referred to as a 4p3s (quadruple parallel, triple serial) connection. The module therefore contains a total of 12 cells.

Packfertigung

Pack assembly

Das Batteriepack bezeichnet eine fertige Batterie bestehend aus mehreren Batteriemodulen. Die Unterteilung der Batterie in Module ermöglicht den Einsatz von Modulen als Baustein für verschiedene Fahrzeugtypen, da die Anzahl der Module variabel ist. Je mehr Module verbaut werden, umso höher ist später die Reichweite des Elektroautos.

Rechenbeispiel:  Aus 36 Zellmodulen (à 11 V und 240 Ah) kann durch serielle Verschaltung eine Batterie mit etwa 400 V und 240 Ah entstehen. Dies entspricht einem Bruttoenergieinhalt von 400 V x 240 Ah = 95,9 kWh.

The battery pack is a finished battery consisting of several battery modules. The subdivision of the battery into modules makes it possible to use modules as building blocks for different types of vehicles, as the number of modules is variable. The more modules are installed, the higher the range of the electric car into which they are built.

Sample calculation: 36 cell modules (11 V and 240 Ah each) can be connected in series to form a battery with about 400 V and 240 Ah. This corresponds to a gross energy content of 400V x 240 Ah = 95.9 kWh.

Batteriemanagementsystem

Battery management system

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist das zentrale Steuergerät einer Batterie. Es berechnet aus einer Vielzahl von Sensordaten, Algorithmen und gespeicherten Tabellen jederzeit den aktuellen Ladezustand, die aktuell verfügbare Leistung sowie den Gesundheitsstatus (engl. State-of-Health) der Batterie und teilt diese Informationen dem Fahrzeug mit. Das System stellt außerdem sicher, dass die Batterie nie zu tief entladen und auch nicht überladen wird. Über ein angeschlossenes Thermomanagement sorgt das BMS dafür, das die Batteriezellen nicht zu heiß und im Winter auch nicht zu kalt werden.

The battery management system (BMS) is the central control unit of a battery. It calculates the current state of charge, the currently available power and the state of health of the battery from a variety of sensor data, algorithms and stored tables and communicates this information to the vehicle at all times. The system also ensures that the battery is never overcharged or undercharged. Via a connected thermal management system, the BMS ensures that the battery cells do not become too hot and in winter not too cold.

Sensoren

Sensors

Werden Batteriezellen seriell verschaltet, muss die Spannung jeder einzelnen Zelle überwacht werden. Hierbei ist es wichtig, dass alle Zellen die gleiche Spannung bzw. den gleichen Ladezustand haben. Passiert dies nicht, könnte es in einzelnen Zellen zu einer Überladung oder zu einer Tiefentladung kommen. Das schädigt die Batteriezellen und könnte zu einem Ausfall des kompletten Batteriestrangs oder sogar zu einem Brand führen.

Um das zu verhindern, befindet sich auf jedem Modul eine Zellüberwachungseinheit (engl. Cell Supervising Electronics, Cell Management Controller, Cell Supervising Circuit). Hierbei handelt es sich um eine Elektronik mit mehreren speziellen Mikrocontrollern (ASIC = Application Specific Integrated Circuit). Diese messen die Zellspannungen, ggf. auch die Temperatur und gleichen die Ladezustände aller Zellen an. Dies ist notwendig, da sich sonst einzelne Zellen schneller abnutzen und das Modul schneller unbrauchbar werden würde. Dabei werden Zellen mit höherer Spannung über einen kleinen Widerstand auf der Elektronik entladen, bis sie die gleiche Zellspannung wie die anderen Zellen haben.

If battery cells are connected in series, the voltage of each individual cell must be monitored. Here, it is important that all cells have the same voltage or the same state of charge. If this does not happen, overcharging or deep discharge could occur in individual cells. This damages the battery cells and could lead to a failure of the entire battery string or even to a fire.

To prevent this, each module has a cell monitoring unit (cell supervising electronics, cell management controller, cell supervising circuit). This is an electronic system with several special microcontrollers (ASIC = Application Specific Integrated Circuit). These measure the cell voltages and, if necessary, also the temperature and adjust the charge states of all cells. This is necessary because otherwise, individual cells would wear out faster and the module would become unusable more quickly. Cells with a higher voltage are discharged via a small resistor on the electronics until they have the same cell voltage as the other cells.

Anoden

Anodes

Graphit ist aktuell das Anodenmaterial der Wahl. Es bestehen weitere Forschungs- und Entwicklungschancen hin zu einer erhöhten Batterielebensdauer und Schnellladefähigkeit sowie im Hinblick auf optimierte Herstellungseffizienz mit reduziertem Material- und Energieeinsatz.
Silizium gilt als vielversprechendes Material für zukünftige LIB-Anoden, weil es deren Ladekapazität erhöht. Denn Silizium kann pro Volumeneinheit mehr Lithiumatome aufnehmen als Kohlenstoff. Allerdings wird die Lebensdauer der Batterien dadurch beeinträchtigt: Silizium dehnt sich beim Laden aus und schrumpft dann wieder. Dies führt zu mechanischen Belastungen und kann Schäden verursachen. Aktuell wird an einem Herstellungsprozess geforscht, mit dem sich die Struktur haltbarer machen lässt. Das optimale Material für LIB-Anoden wäre Lithium-Metall, das die größte Energiedichte und das maximale Spannungsfenster erreicht. Aktuell gelten sie als Primärbatterien, d. h. man kann sie nur einmal benutzen, weil beim Laden und Entladen Dendriten (baum- oder strauchartige Kristallstrukturen) wachsen und dies zu einem Kurzschluss der Batterie führen kann. Diesem Phänomen können aber Festkörperelektrolyten begegnen.

 

Graphite is currently the anode material of choice. There are further research and development opportunities to increase battery life and fast charging capability, as well as in terms of optimised manufacturing efficiency with reduced material and energy use. Silicon is considered a promising future material for LIB anodes because it increases their charging capacity. This is because silicon can absorb more lithium atoms per unit volume than carbon. However, this has a negative effect on the service life of the batteries: silicon expands during charging and then shrinks again. This leads to mechanical stress and can cause damage. Research is currently being carried out into a manufacturing process with which the structure can be made more durable. The optimum material for LIB anodes would be lithium metal, which achieves the highest energy density and maximum voltage windows. Currently they are considered primary batteries, i.e. they can only be used once because dendrites (tree-like or shrub-like crystal structures) grow during charging and discharging and this can lead to a short circuit of the battery. However, solid state electrolytes can counter this phenomenon.

Elektrolyte

Electrolytes

Bei der Elektrolyt-Forschung steht im Fokus, wie die Zyklenstabilität, d. h. die Langzeitnutzung, optimiert bzw. erhöht werden kann. Dies kann beispielsweise durch die Optimierung der Zusammensetzung erreicht werden. Zudem wird die Erforschung und Entwicklung von Festkörperelektrolyten intensiviert. Diese gelten als mögliche Alternative zu herkömmlichen Elektrolyten – allerdings besitzen diese aktuell eine geringe Ionenleitfähigkeit und sind deshalb noch nicht praktikabel. Des Weiteren ist die Handhabung innerhalb einer Batteriefabrik sehr anspruchsvoll, da es sich (meist) um dünne und unflexible Keramiken handelt. Sollte die Forschung hier ein geeignetes Material finden, ist das Potenzial für eine neue Generation von LIB aber enorm.

 

In electrolyte research the focus is on how cycle stability, i.e. long-term use, can be optimised or increased. One way to achieve this is by optimising the composition. In addition, the research into and development of solid state electrolytes is being intensified. These are considered a possible alternative to conventional electrolytes; however, these currently have a low ionic conductivity and are therefore not yet practicable. Furthermore, their handling within a battery factory is very demanding, since they are (mostly) thin and inflexible ceramics. Should research find a suitable material here, the potential for a new generation of LIBs is enormous.

Kathoden

Cathodes

Die Kathoden-Forschung widmet sich neuen Kathodenmaterialien bzw. der Optimierung bestehender Kathodengenerationen. Diese bestehen aus Lithiummetalloxiden mit den Elementen Nickel, Cobalt und Mangan (NCM). Da es sich bei NCM um ein Gemisch handelt, können die Verhältnisse der Metalle variiert und durch eine Zahlenkennung dargestellt werden. Die bekanntesten Vertreter sind NCM111 (gleichmäßige Verteilung der Metalle) oder NCM622 (60 Prozent Nickel sowie jeweils 20 Prozent Mangan und Nickel). Ein Beispiel ist die Dotierung von nickelreichen Lithiummetalloxiden (NCM 622, NCM 811) mit Elementen wie Molybdän oder Wolfram. Dadurch wird die limitierende Stabilität dieser Formulierungen erhöht. Weitere Forschungsaktivitäten fokussieren den Ersatz von Kobalt mit dem Ziel, die Energiedichte des Materials sowie dessen Stabilität zu steigern. In den letzten Jahren werden zudem immer mehr Nachhaltigkeitsaspekte, wie z. B. die Substituierung von Rohstoffen, die mit hohen menschenrechtlichen, sozialen und ökologischen Risiken verbunden sein können, für die Erforschung neuer und alternativen Kathoden adressiert.

 

Cathode research is dedicated to new cathode materials and the optimisation of existing cathode generations. These consist of lithium metal oxides with the elements nickel, cobalt and manganese (NCM). Since NCM is a mixture, the proportions of the metals can be varied and represented by a number code. The best known representatives are NCM111 (even distribution of the metals) and NCM622 (60 percent nickel with 20 percent each of manganese and nickel). An example is the doping of nickel-rich lithium metal oxides (NCM 622, NCM 811) with elements such as molybdenum or tungsten. This increases the limiting stability of these formulations. Further research activities focus on the replacement of cobalt with the aim of increasing the energy density of the material and its stability. In recent years sustainability aspects, such as the substitution of raw materials which can be associated with high human rights, social and ecological risks, have been addressed through research into new and alternative cathodes.

Wie trägt die europäische Batteriezellproduktion zu einer nachhaltigen Wirtschaft bei?

How does European battery cell production contribute to a sustainable economy?

Das IPCEI Batteriezellfertigung verfolgt das Ziel, neue Arbeitsplätze in der Batteriezellproduktion sowie Wachstum durch die Entwicklung und Stärkung von hoch qualifiziertem Personal zu schaffen. Neueinstellungen, Umschulungen sowie die kontinuierliche Weiterbildung von Personal sind mögliche Maßnahmen, um den Anforderungen der nachhaltigen Batteriezellproduktion, z. B. der Entwicklung neuer Prozesse und Verfahren gerecht zu werden. Das Ziel dabei ist es auch, die sozialen Auswirkungen des Strukturwandels im Mobilitäts- und Energiesektor abzuschwächen. Durch die Fokussierung auf hochinnovative Vorhaben wird sichergestellt, dass zukunftsfähige Wertschöpfung in den aussichtsreichsten Feldern entsteht.

 

IPCEI Battery Cell Production aims to create new jobs in battery cell production as well as growth by developing and strengthening highly qualified personnel. New recruitment, retraining and continuous further training of personnel are possible measures to meet such requirements of sustainable battery cell production as the development of new processes and procedures. The aim here is also to mitigate the social impact of structural change in the mobility and energy sector. Focusing on highly innovative projects will ensure that sustainable added value is created in the most promising fields.

Wie trägt eine nachhaltige Batteriezellproduktion zu einer besseren Gesellschaft in Europa bei?

How does sustainable battery cell production contribute to a better society in Europe?

Bei der Produktion von Batterien wurden wiederholt, vor allem bei der Rohstoffgewinnung und dem Recycling, Menschenrechtsverletzungen wie z. B. Kinderarbeit dokumentiert. Um die soziale Nachhaltigkeit sicherzustellen, müssen allgemeine Menschenrechtsstandards in der gesamten Wertschöpfungskette (im In- und Ausland) sichergestellt werden.

Essentiell ist hier die Einhaltung der OECD-Leitsätze für multinationale Unternehmen als das wichtigste und umfassende internationale Instrument zur Förderung verantwortungsvollen unternehmerischen Handelns. Ganz klar: Ohne soziale Standards in der Lieferkette kann es keine nachhaltige Batterie geben. Durch eine europäische Wertschöpfungskette Batteriezellfertigung wird nicht nur die notwendige Energie- sondern auch die Verkehrswende weiter vorangebracht: Durch den Einsatz von Energiespeichersystemen können immer mehr erneuerbare Energiequellen verfügbar gemacht werden, und z. B. zum Laden von Fahrzeugen – bei gleichzeitigem Ausbau der Ladeinfrastruktur – genutzt werden. Die Batteriezellfertigung trägt damit direkt und indirekt zur Energiewende und zum Klimaschutz bei.

In the production of batteries, human rights violations such as child labour have repeatedly been documented, especially in the extraction of raw materials and recycling. To ensure social sustainability, general human rights standards must be ensured along the entire value chain (at home and abroad).

Compliance with the OECD Guidelines for Multinational Enterprises as the most important and comprehensive international instrument for promoting responsible corporate action is essential here. One thing is clear: without social standards in the supply chain there can be no sustainable battery. A European value chain for battery cell production will not only advance the necessary energy turnaround, but also the transport turnaround: by using energy storage systems, more and more renewable energy sources can be made available and used, for example, to charge vehicles (through an increasingly ubiquitous charging infrastructure). Battery cell production thus contributes directly and indirectly to energy system transformation and climate protection.

Wie trägt eine nachhaltige Batteriezellproduktion zu einer sauberen Umwelt bei?

How does sustainable battery cell production contribute to a clean environment?

Der CO2-Ausstoß der Batteriezellen, die im Rahmen des IPCEI-Projektes produziert werden, wird im Vergleich zum derzeitigen weltweiten Stand der Technik (150-200 kg CO2/kWh) erheblich reduziert. Dies gelingt beispielsweise durch die Entwicklung innovativer Verfahren, um den Energieverbrauch zu reduzieren (Binder-freie Elektroden, wasserbasierte Elektrodenherstellung, Trockenbeschichtung) oder durch die Etablierung von effizienten Produktionsprozessen, um Verluste zu vermeiden (z. B. Reduzierung des Ausschusses bei der Grafit-Produktion). Mithilfe effizienterer Recycling-Prozesse können bis zu 90 Prozent aller Rohstoffe auf der Materialebene und bis zu 75 Prozent auf der Batteriezellenebene wieder verwertbar gemacht werden. Bisher liegt die Recycling-Quote bei 50-60 Prozent. Zudem soll die Lebensdauer der Batterie um 30 Prozent erhöht werden, z. B. durch hybride Nutzungskonzepte, wodurch der CO2-Ausstoß pro kWh reduziert wird.

The CO2 emissions of the battery cells produced in the context of the IPCEI project will be significantly reduced compared to the current global state of the art (150-200 kg CO2/kWh). This can be achieved by such means as developing innovative processes to reduce energy consumption (binder-free electrodes, water-based electrode production, dry coating) or by establishing efficient production processes to avoid losses (e.g. reducing scrap in graphite production). With the help of more efficient recycling processes, up to 90 percent of all raw materials can be made reusable at the material level and up to 75 percent at the battery cell level. So far, the recycling rate is 50-60 percent. In addition, the service life of the battery is to be increased by 30 percent, through concepts such as hybrid usage, which will reduce CO2 emissions per kWh.

Rohstoffkreislauf

Raw material cycle

Welche Rohstoffe werden für eine Batteriezelle benötigt? Wie hoch ist der CO2-Ausstoß bei der Herstellung der Batteriematerialien? Und welche Rolle spielt das Recycling bei der neuen Batterie "made in Europe"? Hier finden Sie einige Antworten.

Which raw materials are needed for a battery cell? How high are the CO2 emissions during the production of the battery materials? And what role does recycling play in the new battery "made in Europe"? You will find some answers here.

Rohstoffgewinnung

Raw material extraction

Materialherstellung

Material production

Wiederverwendung/Second Life

Reuse/second life

Recycling

Recycling

Nachhaltigkeit

Sustainability

Bezogen auf die Elektrodenmaterialien sind Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und natürliches Graphit die wichtigsten Rohstoffe und die aktuell meist diskutierten. Daneben gibt es weitere Elemente, die für Batterien benötigt werden, wie z. B. Aluminium (Folien als Stromableiter, Gehäuse für Batteriepacks/module), Kunststoffe (Gehäuse, Isolierungen) oder Kupfer (Folie als Stromableiter, Verkabelung). 

As far as electrode materials are concerned, lithium, cobalt, nickel, manganese and natural graphite are the most important raw materials and the most discussed ones at present. In addition, there are other elements required for batteries, such as aluminium (for foils as current collectors, housings for battery packs/modules), plastics (for housing, insulation) and copper (for foils as current collectors, wiring).

Lithium

Lithium

Graphit

Graphite

Kobalt

Cobalt

Mangan

Manganese

Kupfer

Copper

Nickel

Nickel

Aluminium

Aluminium

Die Ansprüche an die Reinheit der Materialien für den Einsatz in Batterien sind besonders hoch. Das heißt, es muss sichergestellt werden, dass das Material mit der notwendigen Qualität in ausreichender Menge verfügbar ist.

The demands on the purity of materials for use in batteries are particularly high. This means that it must be ensured that the material of the required quality is available in sufficient quantities.

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Konzepte zur Zweitnutzung von Traktionsbatterien befinden sich momentan in der Erprobung und könnten ab ca. 2030 relevant werden – wenn mit einem nennenswerten Rücklauf ausgedienter Fahrzeugbatterien zu rechnen ist. Heute ist noch nicht absehbar, welcher Anteil dieser gebrauchten Batterien sich noch als stationäre Speichersysteme oder in anderen Anwendungen nutzen lassen wird. Dennoch ist es wichtig bereits heute die Weichen dafür zu stellen.

Concepts for the secondary use of traction batteries are currently being tested and could become relevant from around 2030, when a significant return of spent vehicle batteries can be expected. Today it is not yet clear what proportion of these used batteries will be able to be used as stationary storage systems or in other applications. Nevertheless, it is important to already set the course for this today.

Fahrzeugbetrieb

Vehicle operation

Wiederaufbereitung

Reprocessing

Second-Life Anwendung

Second life application

Das Recycling, speziell das stoffliche Recycling, ist der letzte Schritt im Kreislauf der Batteriezelle und sollte – im optimalen Fall – bei Zellen angewendet werden die nicht mehr wiederverwendet werden können. Der Recyclingprozess besteht im Grunde aus den folgenden Schritten: Sammlung und Testung (für Second Life), Zerlegung der Module, Schreddern der Batteriezellen, Rückgewinnung der Rohmaterialien und Aufreinigung der Materialien.

Recycling, especially material recycling, is the last step in the battery cell cycle and should, in the best case, be applied to cells that can no longer be reused. The recycling process basically consists of the following steps: collecting and testing (for second life), dismantling the modules, shredding the battery cells, recuperating the raw materials and purifying the materials.

Aufreinigen

Purifying the materials

Sammeln

Collecting

Zerlegen

Dismantling

Schreddern

Shredding

Rückgewinnen

Recuperating

In Europa gibt es bereits heute viele Unternehmen und Projekte, die sich mit Ideen und Techniken für einen geschlossenen Rohstoffkreislauf für Batteriezellen beschäftigen. Jedes davon trägt dazu bei, dass Batterien Schritt für Schritt nachhaltiger werden.

In Europe there are already many companies and projects that are working on ideas and techniques for a closed battery cell raw material cycle. Each of them contributes to making batteries more sustainable step by step.

Ökonomie

Economy

Soziales

Social Issues

Ökologie

Ecology

Rohstoffgewinnung

Raw material extraction

Materialherstellung

Material production

Wiederverwendung/Second Life

Reuse/second life

Recycling

Recycling

Nachhaltigkeit

Sustainability

Lithium

Lithium

Der Abbau von Lithium findet aktuell hauptsächlich außerhalb Europas (z. B. Chile, Argentinien, Australien und China) statt und beeinträchtigt die Umwelt in unterschiedlich hohem Maße, z. B. durch den Bedarf an Wasser, Land, Energie oder durch extrem lange Transportwege. Es gibt aber auch größere Vorkommen in Europa, z. B. in Serbien, Deutschland, Tschechien, Österreich, Finnland und Portugal. Lithium könnte potenziell auch aus europäischen geothermalen Energiequellen gewonnen werden, z. B. an der deutsch-französischen Grenze. Generell gilt: Ein effizienter Recyclingansatz kann dazu beitragen, die Nachfrage nach neuen Rohstoffen auf ein Minimum zu reduzieren. Hierzu gehört auch die Förderung einer innereuropäischen Lithiumproduktion nahe an der verarbeitenden Industrie. Expertinnen und Experten erwarten, dass der Bedarf an Lithium bis zum Jahr 2040 bei fast 4 Millionen Tonnen liegen wird. Die globalen Reserven liegen aktuell bei rund 17 Millionen Tonnen. Die globalen Ressourcen betragen etwa 80 Millionen Tonnen.

The mining of lithium currently takes place mainly outside Europe (e.g. Chile, Argentina, Australia and China) and affects the environment to varying degrees, through such factors as the demand for water, land, energy and extremely long transport routes. However, there are also large deposits in Europe, in countries such as Serbia, Germany, the Czech Republic, Austria, Finland and Portugal. Lithium could potentially also be obtained from European geothermal energy sources, such as ones at the German-French border. In general, an efficient recycling approach can help to minimise the demand for new raw materials. This also includes promoting intra-European lithium production close to the processing industry. Experts expect the demand for lithium to reach almost 4 million tonnes by 2040. Global reserves are currently around 17 million tonnes. Global resources amount to about 80 million tonnes.

Graphit

Natural graphite

Graphit wird in der Anode zumeist in Form einer Kombination von natürlichem und synthetischem Graphit eingesetzt, wobei die jeweiligen Anteile je nach Einsatzbereich und Leistungsanforderungen variieren. Natürlicher Graphit ist ein Bergbauprodukt und wird aktuell im Tage- und Untertagebau vorrangig in China gewonnen; assoziierte Umweltwirkungen sind meist bergbauspezifisch wie Flächenbedarf und Emissionen. Für den Einsatz in LIB bedarf natürlicher Graphit zudem einer Reihe von Prozessschritten wie Aufreinigung und Spheroidisieren, welche zum Teil mit hohen Umweltbelastungen verbunden sind und zusätzlich von China dominiert werden. Der hohe Anteil Chinas an der weltweiten Förderung und der weiteren Wertschöpfungskette für den Einsatz von natürlichem Graphit in LIB begründet u. a. die aktuelle Einschätzung als sogenannter kritischer Rohstoff. Synthetischer Graphit ist ein künstlich hergestelltes Produkt, Produktionsanlagen befinden sich sowohl in China als auch der übrigen Welt. Die Produktion ist energie- und damit kostenintensiv, jedoch verfügt synthetischer Graphit zumeist über höhere Reinheiten und einer besseren Homogenität, unabdingbare Eigenschaften für den Einsatz als Anodenmaterial in insbesondere leistungsstarken LIB.

Graphite is mostly used in the anode in the form of a combination of natural and synthetic graphite, the respective proportions varying according to the application and performance requirements. Natural graphite is a mining product and is currently extracted by open-pit and underground mining, primarily in China; associated environmental impacts are usually mining-specific, such as land requirements and emissions. For use in LIBs, natural graphite also requires a number of process steps such as purification and spheroidisation, which are partly associated with high environmental impacts and are also dominated by China. The high share of China in global production and the further value-added chain for the use of natural graphite in LIBs is one of the reasons for its current assessment as a so-called critical raw material. Synthetic graphite is an artificially manufactured product; production plants are located both in China and the rest of the world. The production is energy- and therefore cost-intensive, but synthetic graphite usually has higher purities and better homogeneity, indispensable properties for use as anode material in particularly high-performance LIBs.

Kobalt

Cobalt

Die Demokratische Republik Kongo ist der weltweit größte Kobaltproduzent. Rund 65 Prozent der weltweiten Förderung werden industriell und im artisanalen Kleinbergbau im Land gewonnen. Der langfristige globale Förderanteil des Kleinbergbaus im Kobaltsektor liegt bei rund 10 Prozent. Aufgrund der zum Teil prekären Abbau-Bedingungen im Kleinbergbau, bei dem auch Kinderarbeit vorkommt, ist dieses Element bezüglich der Nachhaltigkeit kritisch – Unternehmen sind bemüht, menschenunwürdige Förderbedingungen durch Zertifizierung auszuschließen, bzw. alternativ auch menschenwürdige, sozial- und umweltverträgliche Abbaubedingungen im Artisanal- und Kleinbergbau zu unterstützen, da dieser für viele Menschen eine wichtige Lebensgrundlage darstellt. Expertinnen und Experten der Deutschen Rohstoffagentur (DERA) erwarten, dass der Kobaltbedarf bis zum Jahr 2040, je nach Szenario, zwischen 280.000 l und 330.000 l liegen könnte.

The Democratic Republic of Congo is the world's largest producer of cobalt. Around 65 percent of the world's production is extracted industrially and in small-scale artisanal mining in the DRC. The long-term global production share of small-scale mining in the cobalt sector is around 10 percent. Due to the sometimes precarious mining conditions in small-scale mining, which also involves child labour, this element is critical with regard to sustainability. Companies are endeavouring to exclude inhumane mining conditions by means of certification, or alternatively to support humane, socially and environmentally compatible mining conditions in artisanal and small-scale mining, as this represents an important means of livelihood for many people. Experts from the German Agency for Mineral Resources (Deutsche Rohstoffagentur, DERA) expect that the demand for cobalt could reach between 280,000 tonnes and 330,000 tonnes by 2040, depending on the scenario.

Mangan

Manganese

Der Rohstoff Mangan ist nicht nur für die Stahlindustrie ein unverzichtbarer Bestandteil, sondern auch für die Elektroautoindustrie. Das Element dient in LIB dazu, die Struktur der Lithiumkathode zu stabilisieren, was sich positiv auf die Sicherheit und die Energiedichte (d. h. die mögliche Reichweite des E-Autos) auswirkt. Das meiste Mangan wird in Südafrika abgebaut, gefolgt von Australien, Gabun, Ghana und Brasilien, während die Weiterverarbeitung hauptsächlich in der Volksrepublik China stattfindet.

The raw material manganese is not only an indispensable component for the steel industry, but also for the electric car industry. In LIBs, the element serves to stabilise the structure of the lithium cathode, which has a positive effect on safety and energy density (i.e. the possible range of the electric car). Most of the manganese is mined in South Africa, followed by Australia, Gabon, Ghana and Brazil, while further processing takes place mainly in the People's Republic of China.

Kupfer

Copper

Kupfer wird vorwiegend in Südamerika (u. a. Chile, Peru) gewonnen und in Asien verhüttet (u. a. China). Mit Abstand wichtigster Halbzeughersteller ist China, gefolgt von USA und Deutschland. Kupfer wird hauptsächlich in stromleitender Funktion in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Derzeit fließt etwa 1 % des Kupferangebots in die Elektromobilität, wo Kupfer in unterschiedlichen Anteilen in Batterien, Elektromotoren und der Verkabelung Verwendung findet. Zwischen 48 % und 85 % des eingesetzten Kupfers befinden sich in der Batterie.

 

Copper is extracted primarily in South America (Chile, Peru, among others) and smelted in Asia (China, among others). By far the most important producer of semi-finished products is China, followed by the USA and Germany. Copper is used mainly for its electrical conductivity function in different areas. Currently, about 1% of copper supply is used in electric mobility, where copper is used in varying proportions in batteries, electric motors and wiring. Between 48% and 85% of the copper used is found in the battery.

Nickel

Nickel

Die Gewinnung von Nickel erfolgt überwiegend außerhalb Europas (vor allem in Indonesien und auf den Philippinen). In Europa (vor allem Russische Föderation, Finnland, Norwegen, und Großbritannien) wird aber etwa ein Drittel des weltweiten Angebots an hochreinem Nickelmetall produziert. Dies dient zum Teil auch als Vorstoff für die Herstellung von Kathodenmaterial für die Lithium-Ionen-Batterien. Im Jahr 2019 wurden für die Herstellung von Batterien lediglich 5 % des weltweiten Nickelangebots verwendet. Mehr als 70 % dieses Rohstoffs dient der Herstellung von Edelstahl. Expertinnen und Experten erwarten, dass der Bedarf an Nickel aus dem Bereich Elektromobilität im Jahr 2030 bei mehr als einer Millionen Tonnen liegt. Die globalen Reserven an Nickel liegen aktuell bei über 90 Millionen Tonnen. Dem effizienten Recycling des zukünftig stark steigenden Angebots aus dem Bereich Elektromobilität kommt eine zunehmend bedeutendere Rolle zu.

Nickel is mined largely outside Europe (mainly in Indonesia and the Philippines). However, Europe (mainly the Russian Federation, Finland, Norway and the UK) produces about one third of the world's supply of high-purity nickel metal. Some of this is used as a raw material for the production of cathode material for lithium-ion batteries. In 2019, only 5% of the global supply of nickel was used for the production of batteries. More than 70% of this raw material is used in the production of stainless steel. Experts expect the demand for nickel from the field of electric mobility to exceed 1 million tonnes in 2030. Global reserves of nickel currently exceed 90 million tonnes. The efficient recycling of the supply from the field of electric mobility, which is set to grow strongly in the future, will play an increasingly important role.

Aluminium

Aluminium

Aluminium wird über mehrere Prozessschritte aus Bauxiterz gewonnen. Die wichtigsten Förderländer von Bauxit sind Australien, China, Brasilien und Guinea, die zusammen einen Marktanteil von rund 76 % haben. Bei der Raffinadeproduktion ist die Länderkonzentration deutlich höher. Hier hat China allein einen Marktanteil von über 50 %. Gleichzeitig ist China aber auch der größte Verbraucher von Aluminium gefolgt von den USA, Japan und Deutschland. Die Produktion von Aluminium aus Bauxit ist mit einigen ökologisch kritischen Aspekten verbunden. Neben dem hohen Energiebedarf sind die bei der Produktion anfallenden Nebenprodukte wie Rotschlamm problematisch und müssen sicher deponiert werden. Aluminium hat sehr gute Recyclingeigenschaften. Rund 70 % des Alt-Aluminiums werden heute recycelt. Neben dem Recycling gewinnt sogenanntes Grünes Aluminium an Bedeutung. Durch die Verwendung von erneuerbarer Energien in der Produktionskette kann der CO2-Ausstoß deutlich reduziert werden.

Aluminium is extracted from bauxite ore in several process steps. The main bauxite extracting countries are Australia, China, Brazil and Guinea, which together have a market share of around 76%. The country concentration is significantly higher in the case of refined aluminium production. Here, China alone has a market share of over 50%. At the same time, China is also the largest consumer of aluminium, followed by the USA, Japan and Germany. The production of aluminium from bauxite is associated with some ecologically critical aspects. In addition to the high energy demand, the by-products of production, such as red sludge, are problematic and must be safely deposited in landfills. Aluminium has very good recycling properties. Around 70% of used aluminium is recycled today. In addition to recycling, so-called green aluminium is gaining in importance. By using renewable energies in the production chain, CO2 emissions can be reduced significantly.

Kathodenherstellung

Cathode production

Bei der Kathodenherstellung werden als Vormaterialien unter anderem Lithiumsalze sowie verschiedene Salze der Metalle Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt. Basierend auf diesen Vormaterialien (speziell die Metallsalze) wird ein weiteres Vormaterial hergestellt: der sogenannte Präkursor. Dieser besitzt schon eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie das Endprodukt und weist die typische Zusammensetzung von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid bereits auf; im letzten Prozessschritt wird dieser mit einer Lithiumquelle in einer Festkörpersynthese – bei erhöhten Temperaturen – behandelt. Hierbei spricht man von „Kalzinieren“. Das Endprodukt ist dann das verwendete Kathodenmaterial. Letztendlich laufen fast alle Kathodenherstellverfahren nach einem ähnlichen Schema ab und unterscheiden sich wesentlich in der Zusammensetzung der Präkursoren

The starting materials used in cathode production include lithium salts and various salts of the metals nickel, manganese and cobalt. Based on these initial materials (especially the metal salts), a further material is produced: the precursor. This already has a chemical composition similar to the end product and already has the typical composition of lithium nickel manganese cobalt oxide. In the last step of the process, the precursor is treated at elevated temperatures with a lithium source in a solid state synthesis. This is called "calcination". Its end product is the cathode material to be used. Ultimately, almost all cathode production processes follow a similar pattern, but can differ substantially in the composition of the precursors.

Anodenherstellung

Anode production

Die meistverbreitete Form von Anodenmaterialien ist Graphit, von derer zwei Arten häufig eingesetzt werden: natürliches und synthetisches Graphit. Natürliches Graphit wird vor allem in Asien abgebaut, wohingegen synthetisches Graphit lokal produziert werden kann. Bei letzterem wird als Ausgangssubstanz ein amorpher Kohlenstoff genutzt, der durch Behandlung unter hohen Temperaturen (bis zu 3000 °C) in einer speziellen Atmosphäre „graphitisiert“ wird. Während des Prozesses bilden sich die typischen Lagen aus und Verunreinigungen werden beseitigt.

The most common form of anode material is graphite, of which two types are commonly used: natural and synthetic graphite. Natural graphite is mined mainly in Asia, whereas synthetic graphite can be produced locally. For the latter, an amorphous carbon is used as the starting substance, which is "graphitised" by treatment at high temperatures (up to 3000°C) in a special atmosphere. During this process, the typical layers are formed and impurities are removed.

Elektrolytherstellung

Electrolyte production

Der Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien basiert auf organischen Lösemitteln der Carbonat-Klasse. Standardmäßig wird eine Mischung aus linearen Carbonaten und einem zyklischen Carbonat verwendet, welche als binäre oder tertiäre Mischungen angesetzt werden. Diese organischen Mischungen sind notwendig um eine gute Viskosität und Löslichkeit zu gewährleisten. Da die Ionen-Leitfähigkeit dieser Gemische zu niedrig ist, wird ein Leitsalz beigegeben, welches die Ionen-Leitfähigkeit erhöht. Diese Salze bestehen häufig aus hochflorierten Lithiumverbindungen, wie beispielsweise – das am weitverbreitetsten – Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6). Der Nachteil dieser Salze ist die Reaktion mit bereits kleinsten Rückständen von Wasser, was zu ungewünschten Nebenreaktionen führt und die Lebensdauer der Batterie negativ beeinträchtigt. Daher ist es bei der Herstellung wichtig, auf eine wasserfreie Umgebung zu achten.

The electrolyte for lithium-ion batteries is based on carbonate-class organic solvents. A mixture of linear carbonates and a cyclic carbonate is used as standard, which are prepared as binary or tertiary mixtures. These organic mixtures are necessary to ensure good viscosity and solubility. As the ionic conductivity of these mixtures is too low, a conducting salt is added to increase the ionic conductivity. These salts often consist of highly fluorinated lithium compounds, such as the most commonly used lithium hexafluorophosphate (LiPF6). The disadvantage of these salts is that they react with even the smallest residues of water, which leads to undesired side reactions and negatively affects the life span of the battery. It is therefore important to ensure a water-free environment during production.

Fahrzeugbetrieb

Vehicle operation

Batterieelektrische Fahrzeuge haben hohe Anforderungen an die Leistungs- und Energiedichte der Batterien. Gealterte Batterien, die ca. sieben bis zehn Jahre im Einsatz waren, werden diesen nicht mehr gerecht. Durch die Weiterverwendung (Second Life) in sekundären Speicheranwendungen können gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien ein zweites Leben erhalten und dadurch ihre Lebensdauer erhöhen. Dies bietet Möglichkeiten, zusätzliche Erlöse zu generieren und verbessert gleichzeitig die Ökobilanz der Batterien, da diese insgesamt deutlich länger genutzt werden können (Kaskadennutzung).

Battery electric vehicles have high demands on the power and energy density of the batteries. Aged batteries, which have been in use for about seven to ten years, no longer meet these requirements. By re-using them (second life) in secondary storage applications, used lithium-ion batteries can be given a second life, thus lengthening their service life. This offers opportunities to generate additional revenues and at the same time improves the ecological balance of the batteries, as they can be used for much longer (cascade use).

Wiederaufbereitung

Reprocessing

Die Wiederaufbereitung von Batteriezellen ist ein wesentlicher Kernpunkt der Wiederverwendung/Second-Life-Anwendungen. Derzeit gibt es noch keine geltenden Richtlinien zur Sammlung von Batteriezellen für Second-Life-Anwendungen. Die Europäische Batterierichtlinie sowie das deutsche Batteriegesetz regeln die Rücknahmepflicht der Hersteller für den Zweck der stofflichen Verwertung. Zudem ist die Rückläuferzahl derzeit noch sehr niedrig und das oftmals komplexe und vertrauliche Design der Batteriepacks in Elektroautos ist ein weiterer zu überwindender Aspekt. Derzeit gibt es – auch aufgrund der vorherrschenden Marktsituation, in der Batterien „wettbewerbsdifferenzierend“ sind – für jedes E-Auto ein eigenes Batteriepack sowie ein eigenes (meist nicht auslesbares) Batteriemanagementsystem. Dadurch ist es für Recycler schwierig, defekte Zellen (innerhalb des Packs) zu identifizieren und ggfs. auszutauschen. Dadurch sind Charakterisierungstests derzeit noch sehr teuer und langwierig – oft müssen die Packs sogar manuell zerlegt werden. Dem kann in Zukunft durch Standardisierung begegnet werden

The reprocessing of battery cells is an essential core aspect of reuse/second life applications. Currently there are no existing guidelines for the collection of battery cells for second life applications. The European Battery Directive and the German Battery Act regulate the manufacturers' obligation to take back batteries for the purpose of recycling. In addition, the number of returns is currently still very low and the often complex and confidential design of battery packs in electric cars is another aspect to be overcome. Due among other reasons to the prevailing market situation in which batteries are "competitive differentiators", at present there is a separate battery pack design for each electric car as well as a separate (and mostly non-readable) battery management system. This makes it difficult for recyclers to identify defective cells (within the pack) and replace them if necessary. This makes characterisation tests currently very expensive and lengthy; often the packs even have to be disassembled manually. This can be countered in the future by standardisation.

Second-Life-Anwendung

Second-life applications

Bei der Wiederverwendung werden bereits benutzte Batterien/Akkus, beispielsweise aus Automobilanwendungen in anderen sekundären Anwendungen erneut genutzt. Ein Beispiel ist die Zweitverwendung von Autobatterien als stationärer Speicher. Um dieses Modell wirtschaftlich tragfähig zu gestalten, müssten Second-Life-Batterien zu entsprechend niedrigen Kosten und mit noch ausreichender Restperformance vorhanden und neu integrierbar sein. Fragen der Standardisierung (Wer sammelt diese Zellen? Wie können sie sicher gelagert, transportiert und charakterisiert werden?) und Gewährleistung (zum Beispiel durch entsprechende Betreiber- und Besitzermodelle) müssen in einem wirtschaftlichen Geschäftsmodell berücksichtigt werden. Ob sich dies umsetzen lässt wird heute noch kontrovers diskutiert und erfordert weitere technoökonomische Forschung.

Reuse means that batteries/rechargeable batteries that have already been used, for example in automotive applications, are reused in other secondary applications. One example is the secondary use of car batteries as stationary storage. In order to make this model economically viable, second life batteries would have to be available and re-integratable at correspondingly low cost and with still sufficient residual performance. Questions of standardisation (Who collects these cells? How can they be stored, transported and characterised safely?) and warranty (through measures such as appropriate operator and owner models) must be taken into account in an economic business model. Whether this can be implemented is still a controversial issue today and requires further techno-economic research.

Aufreinigen der Materialien

Purifying the materials

Als nächstes wird das zerkleinerte Material erneut klassiert. Der feinere Anteil besteht anschließend überwiegend aus dem kathodischen Beschichtungsmaterial. Aus diesem können in weiteren Prozessschritten die Rohstoffe Lithium, Kobalt, Mangan und Nickel wieder zurückgewonnen werden. Das verbleibende Grobgut kann darauf hin durch eine weitere Sortierung mittels Strom bei geeigneten Luftgeschwindigkeiten in verkaufsfähige Kupfer- und Aluminiumkonzentrate getrennt werden.

Next, the shredded material is re-classified. The finer fraction then consists mainly of the cathodic coating material. From this, the raw materials lithium, cobalt, manganese and nickel can be recovered in further process steps. The remaining coarse material can then be separated into saleable copper and aluminium concentrates by further sorting using electricity at suitable air speeds.

Sammlung und Testung

Collecting and testing

Um den Rohstoffkreislauf der Batteriezellfertigung zu schließen werden im IPCEI neben der reinen mechanischen Aufbereitung Konzepte erarbeitet, wie ausgediente Batterien gesammelt und getestet werden können. Logistisch stellt das eine große Herausforderung dar genauso wie die Abnahme der erzeugten Produkte. Standardisierte Identifikationsnummern auf Batterien, intelligente Batteriemanagementsysteme, die dynamische Batteriedaten teilen, sowie Batteriesysteme, die bereits in ihrer Designphase Second-Life-Konzepte berücksichtigen, könnten in Zukunft die Zeit für Testung, Wertermittlung und Umrüstung deutlich reduzieren.

In order to close the raw material cycle of battery cell production, IPCEI is developing concepts for collecting and testing spent batteries in addition to purely mechanical processing. This is a great logistical challenge, as is the reception of the products produced. Standardised identification numbers on batteries, intelligent battery management systems that share dynamic battery data, and battery systems that already take into account second-life concepts in their design phase could in future significantly reduce the time needed for testing, valuation and conversion.

Zerlegung der Module

Dismantling the modules

Vor dem eigentlichen mechanischen Recycling muss der Batteriepack, der aus bis zu 100 Einzelzellen bestehen kann, auseinandergenommen und in seine einzelnen Zellen zerlegt werden. Meistens erfolgt dieser Schritt händisch und er kann je nach Art, Zusammensetzung und Verbindung des Batteriepacks sehr zeitaufwendig und somit kostenintensiv sein. Da es auf dem Markt viele unterschiedliche Arten von Batteriezellen gibt, ist es sehr schwierig, diesen Prozess zu automatisieren. Einheitliche Standards und das Design von recyclingfreundlichen Packs könnten dazu beitragen, diesen Prozessschritt zu vereinfachen. Mindeststandards für ein recyclingfreundliches Produkt werden regelmäßig diskutiert, stoßen aber oft auf Widerstände, da solche Standards die Entwicklungsingenieure in ihrer Freiheit einschränken würden. Die Batteriehersteller sind gesetzlich verpflichtet ihre Batterien wieder zurück zu nehmen und haben deshalb oft ein Eigeninteresse an einem Produktdesign für ein kostengünstiges Recycling.

Before the actual mechanical recycling, the battery pack, which can consist of up to 100 individual cells, must be taken apart and broken down into its individual cells. This step is usually done by hand and, depending on the type, composition and connection of the battery pack, can be very time-consuming and therefore costly. As there are many different types of battery cells on the market, it is very difficult to automate this process. Uniform standards and the design of packs that are easy to recycle could help to simplify this process step. Minimum standards for a recycling-friendly product are regularly discussed, but often meet with resistance, as such standards would restrict the freedom of development engineers. Battery manufacturers are obliged by law to take back their batteries and therefore often have a vested interest in product design for cost-effective recycling.

Schreddern der Batteriezellen

Shredding the battery cells

Wenn die Batteriezellen demontiert und vollständig entladen sind, werden sie in einem sogenannten Granulator zerkleinert. Ein Granultator ist eine Werkzeugmaschine, die die Batteriezellen bei geringem spezifischem mechanischem Energiebedarf (unter zehn Kilowattstunden pro Tonne) und idealerweise unter Luftausschluss zerschnipselt. Bei diesem Schritt werden die gewickelten Folienverbunde geöffnet und Teile der Elektrodenbeschichtung, vor allem der Anodenfolie, von den Metallfolien entfernt. Neben den festen Stoffen werden bei der Zerkleinerung auch die leicht flüchtigen Bestandteile des Elektrolyten freigesetzt. Diese Lösungsmittel müssen aus dem Prozessraum entfernt und einer Gasreinigung zugeführt werden.

When the battery cells have been dismantled and completely discharged, they are crushed in a so-called granulator. A granulator is a machine tool that shreds the battery cells at a low specific mechanical energy requirement (less than ten kilowatt hours per tonne) and ideally under exclusion of air. In this step, the wound foil laminates are opened and parts of the electrode coating, especially the anode foil, are removed from the metal foils. In addition to the solids, the volatile components of the electrolyte are also released during shredding. These solvents must be removed from the process area and fed into a gas cleaning system.

Rückgewinnung Rohmaterialien

Recuperating raw materials

Nach dem Zerkleinerungsprozess werden die festen Komponenten gesiebt und klassiert. Dabei entsteht eine Schwarzmasse, die überwiegend aus den Beschichtungsmaterialien der Elektrodenfolien und geringen Anteilen an Aluminium, Kupfer und Polyethylen besteht. Als Weiteres gibt es das sogenannte Grobgut – ein Metall-Kunststoff-Mix, der sich hauptsächlich aus den restbeschichteten Elektrodenfolien, den Separatorfolien und den Gehäusekomponenten zusammensetzt. In einem sogenannten Sichter, eine Vorrichtung zur Klassierung von Feststoffen, wird der Metall-Kunststoff-Mix anhand der unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten der Partikel in zwei Stufen in die Fraktionen Kunststoffkonzentrat, Elektrodenfoliengemisch und Gehäusematerial getrennt.

After the shredding process, the solid components are screened and classified. This produces a black mass which consists mainly of the coating materials of the electrode foils and small amounts of aluminium, copper and polyethylene. There is also the so-called coarse material - a metal-plastic mix, which mainly consists of the electrode foils with the remaining coating, the separator foils and the housing components. In a so-called separator, a device for classifying solids, the metal-plastic mix is separated into the fractions plastic concentrate, electrode foil mixture and housing material in two stages on the basis of the different sinking speeds of the particles.

Wie trägt der Rohstoffkreislauf zu einer nachhaltigen Wirtschaft bei?

How does the raw material cycle contribute to a sustainable economy?

Durch die neue europäische Wertschöpfungskette Batterien entstehen nicht nur Jobs in der Batteriezellproduktion, sondern auch in den Bereichen „Rohstoffgewinnung“, „Materialherstellung“, „Second Life“ und „Recycling“. So fordert es qualifiziertes Personal für den Bereich „Second Life“, um Batterien in ihre modularen Einheiten zu zerlegen, den Alterungszustand zu detektieren, die Module nach ihrer Güte zu klassifizieren und ihren Weiterverwendungswert zu bestimmen. Der neue Industriezweig „Recycling“ könnte insbesondere Regionen, in denen die Energiewende zu einem Strukturwandel führt – wie z. B. der besonders hart von dem Kohleausstieg getroffen Regionen – eine positive Zukunft bieten. In der Region Lausitz z. B. sehen die Forscher der Otto-Brenner-Stiftung sehr gute Voraussetzungen, um entsprechende Recyclingstätten anzusiedeln. Denn als traditionelle Energieregion verfügt die Lausitz beispielsweise schon über die in der energieintensiven Batterietechnologie erforderlichen gut ausgebauten Netzinfrastrukturen.

 

The new European value chain for batteries creates jobs not only in battery cell production, but also in the areas of "raw material extraction", "material production", "second life" and "recycling". For example, it requires qualified personnel for the "second life" sector to disassemble batteries into their modular units, detect their ageing state, classify the modules according to their quality and determine their further use value. The new industry sector "recycling" could offer a positive future especially to regions where the energy turnaround is leading to structural change - such as those regions particularly hard hit by the coal phase-out. In the Lusatia region of Germany, for example, researchers at the Otto-Brenner-Stiftung see very good conditions for establishing battery recycling sites. As a traditional energy-producing region, Lusatia already has the well-developed network infrastructure required for energy-intensive battery technology.


Wie trägt der Rohstoffkreislauf der neuen europäischen Batteriezellen zu einer besseren Gesellschaft bei?

How does the raw material cycle of new European battery cells contribute to a better society?

Durch das Recycling wird die Verwendung von Batterierohstoffen reduziert, die unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten problematisch sein können, wie z. B. Kobalt. Es verringert sich zudem die Rohstoffabhängigkeit der deutschen Hersteller. Die Nachfrage nach Lithium und Kobalt, die in der Batterie stecken, wird auf dem Weltmarkt weiter steigen. Einen eigenen Zugang zu diesen Ressourcen durch das Recycling zu erschließen, macht die heimische Produktion unabhängiger und weniger verwundbar für Preisschwankungen. Für den Bezug von Rohstoffen von internationalen Rohstoffmärkten sorgen die OECD-Due-Diligence-Leitsätze für die Einhaltung von Mindeststandards bezüglich der sozialen Nachhaltigkeit.

 

 

Recycling reduces the use of battery raw materials that can be problematic from a sustainability perspective, such as cobalt. It also reduces the dependence of German manufacturers on raw materials. The demand for lithium and cobalt, which are used in batteries, will continue to increase on the world market. Having its own access to these resources through recycling will make domestic production more independent and less vulnerable to price fluctuations. For the procurement of raw materials from international commodity markets, the OECD Due Diligence Guidelines ensure compliance with minimum standards of social sustainability.

Wie trägt der Rohstoffkreislauf der neuen europäischen Batteriezellen zu einer sauberen Umwelt bei?

How does the raw material cycle of new European battery cells contribute to a clean environment?

Der Einsatz von Batterien als Second-Life-Anwendung kann dazu beitragen, dass eine Batterie nochmal gut zehn Jahre ihre Dienste tun kann und sich somit die Lebensdauer einer Batterie – nach ihrer Einsatzzeit im Auto, mit zehn bis 15 Jahren – auf rund 25 Jahre verlängert. Diese Form der Nutzung trägt zu einer deutlichen Verbesserung der Ökobilanz von Batterien bei, da der Energie- und Ressourceneinsatz für die Batterieherstellung sich über einen viel längeren Nutzungszeitraum amortisiert. Das Recycling der Batterierohstoffe hilft zudem, Energieeinsatz und Treibhausgasemissionen aus der Rohstoffgewinnung zu vermeiden und die Ökosysteme rund um die Lagerstätten der Batterierohstoffe zu schonen (bspw. den Wasserverbrauch in Südamerika senken).

 

 

The use of batteries as a second-life application can help to ensure that a battery can continue to do its job for another ten years or so after it has been used in a car for ten to 15 years, thereby extending the life of a battery to around 25 years. This form of use contributes to a significant improvement in the ecological assessment of batteries, as the energy and resources used in battery production are amortised over a much longer period of use. The recycling of battery raw materials also helps to avoid energy consumption and greenhouse gas emissions from the extraction of raw materials and to protect the ecosystems surrounding the deposits of battery raw materials (e.g. reduce water consumption in South America).

Nutzung

Use

Wo werden Batteriezellen eingesetzt? Wie unterscheidet sich die Art der Batteriezellen für die unterschiedlichen Anwendungen? Dieser Abschnitt beantwortet diese und weitere Fragen rund um das Thema Nutzung von Batterien.

Where are battery cells used? How do the types of battery cells differ for the different applications? This section answers these and other questions about the use of batteries.

Elektrofahrzeuge

Electric vehicles

Power-Tools

Power tools

Stationäre Energiespeicher

Stationary energy storage

Klein- und Kleinstelektronik

Small and miniaturized electronics

Nachhaltigkeit

Sustainability

Im Bereich der E-Mobilität sind Batteriezellen flexibel einsetzbar und für die unterschiedlichsten Anwendungen geeignet. Am häufigsten werden Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt.

In the field of e-mobility, battery cells are flexible in their use and suitable for a wide range of applications. Lithium-ion batteries are used most frequently.

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Der Name ist Programm. Power-Tools brauchen viel Leistung. Was früher nur mit Kabel oder Verbrennungsmotor möglich war, kann dank moderner Akkus auch immer häufiger kabellos und elektrisch erfolgen. Aber welche Batterietypen sind hier verbaut und welche Eigenschaften haben Sie?

The name says it all. Power tools need a lot of power. What used to be possible only with a cable or combustion engine can now, thanks to modern batteries, increasingly be done wirelessly and electrically. But what types of batteries are installed here and what are their characteristics?

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Für die Energiewende sind stationäre Energiespeicher besonders wichtig: Sie helfen dabei, Schwankungen bei der Energieproduktion auszugleichen und sichern so eine konstante Stromversorgung.

Stationary energy storage systems are particularly important for the energy turnaround: they help to balance out fluctuations in energy production and thus ensure a constant electricity supply.

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Welche alternativen Batterietechnologien gibt es?

What alternative battery technologies are available?

Hochtemperaturbatterie

Eine weitere alternative Batterietechnologie für stationäre Anwendungen sind Hochtemperaturbatterien, die bei sehr hohen Temperaturen ...

Eine weitere alternative Batterietechnologie für stationäre Anwendungen sind Hochtemperaturbatterien, die bei sehr hohen Temperaturen (bis zu 500°C) betrieben werden. Sie werden auch Natrium-Nickelchlorid-Batterie oder ZEBRA-Batterie (englisch: Zero Emission Battery Research Activities) genannt. Sie müssen nach außen thermisch gut isoliert werden, damit möglichst wenig Wärme verloren geht. Bei stationären Anwendungen ist das kein Problem. Hochtemperaturbatterien wurden bereits in den 80er Jahren entwickelt, in Kleinserien für Spezialanwendungen produziert und konsequent verbessert. Der nun steigende Bedarf an stationären, elektrischen Energiespeichern macht diese Technologie besonders interessant, da sie mit günstigen und gut verfügbaren Rohstoffen (NaCl, Ni, Keramik) gefertigt werden kann.

Redox-Flow Batterien

Redox-Flow-Batterien sind eine weitere interessante Speichertechnologie für stationäre Anwendungen. Anders als bei klassischen Batteriezellen liegen hier ...

Redox-Flow-Batterien sind eine weitere interessante Speichertechnologie für stationäre Anwendungen. Anders als bei klassischen Batteriezellen liegen hier die Anode und Kathode als Flüssigkeit (Anolyt bzw. Katholyt) vor und werden über Pumpen in einer Reaktionseinheit zusammengebracht und in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Prozess ist auch reversibel. In der Regel ist die Energiedichte deutlich niedriger als bei festen Speichern. Deshalb fallen diese Systeme deutlich größer aus, was für stationäre Speicher in der Regel unerheblich ist. Der Vorteil hierbei: Einzelne Komponenten der Batterie können einfach ausgetauscht, gewartet oder erweitert werden. Im IPCEI werden auch diese stationären Speicher entwickelt.

High-temperature battery

Another alternative battery technology for stationary applications is high-temperature batteries that operate at ...

Another alternative battery technology for stationary applications is high-temperature batteries that operate at very high temperatures (up to 500°C). They are also called sodium nickel chloride batteries or ZEBRA batteries (Zero Emission Battery Research Activities). They must be thermally well insulated from the outside so that as little heat as possible is lost. This is no problem for stationary applications. High-temperature batteries were already developed in the 1980s, produced in small series for special applications and consistently improved. The now increasing demand for stationary electrical energy storage systems makes this technology particularly interesting, as it can be manufactured using cheap and readily available raw materials (NaCl, Ni, ceramics).

Redox flow batteries

Redox flow batteries are another interesting storage technology for stationary applications. In contrast to ...

Redox flow batteries are another interesting storage technology for stationary applications. In contrast to classical battery cells, the anode and cathode are presented here as a liquid (anolyte and catholyte) and are brought together in a reaction unit via pumps and converted into electrical energy. This process is also reversible. As a rule, the energy density is significantly lower than with solid storage. Therefore, these systems are much larger, which is usually irrelevant for stationary storage systems. The advantage here is that individual battery components can easily be replaced, maintained and expanded. These stationary storage systems are also being developed in IPCEI.

Viele elektronischen Geräte im Unterhaltungsbereich sind akkubetrieben und werden immer beliebter. Doch welche Akkus sind hier verbaut?

Many electronic devices in the entertainment sector are battery-powered, and they are becoming increasingly popular. But which batteries are installed here?

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Nachhaltigkeit in der Batterienutzung bedeutet konkret: mehr Transparenz über Herstellungsbedingungen der Batterien für die Nutzerinnen und Nutzer, um eine differenziertere Kaufentscheidung treffen zu können. Es bedeutet auch, Nachnutzungskonzepten und dem Batterierecycling durch Forschung und kluge Geschäftsmodelle zum Durchbruch zu verhelfen.

In concrete terms, sustainability in battery use means more transparency for users regarding the conditions under which batteries are manufactured, so that they can make a more differentiated purchasing decision. It also means helping post-use concepts and battery recycling to achieve a breakthrough through research and clever business models.

Ökonomie

Economy

Soziales

Social Issues

Ökologie

Ecology

Elektrofahrzeuge

Electric vehicles

Power-Tools

Power tools

Stationäre Energiespeicher

Stationary energy storage

Klein- und Kleinstelektronik

Small and miniaturized electronics

Nachhaltigkeit

Sustainability

Züge, Schiffe und Flugzeuge

Trains, ships and aeroplanes

Batterien für Großfahrzeuge haben meist sehr spezifische Anforderungen. So sind bereits erste Fähren und Züge batterieelektrisch unterwegs. Für kurze Strecken ist das durchaus eine sinnvolle Lösung. Hafenstädte werden dadurch weniger durch Verbrenngase belastet. Streckenabschnitte mit fehlenden Oberleitungen können batterieelektrisch überbrückt werden. Der Preis der Batterien spielt hierbei eine große Rolle. Auch im Flugverkehr rücken Batterien immer mehr in den Fokus, insbesondere wenn es um kurze Flüge geht. Für diesen Bereich werden Batterien mit besonders hoher Energiedichte gesucht. Große Hoffnungen werden deshalb an Lithium-Schwefel-Zellen gestellt.

Batteries for large vehicles usually have very specific requirements. The first ferry and train models running on battery power are already operating. For short distances, this is definitely a sensible solution. This way, port cities are less polluted by combustion gases. Sections of track with missing overhead lines can be bridged with battery electricity. The price of the batteries plays a major role here. Batteries are also becoming increasingly important in air traffic, especially for short flights. For this area, batteries with a particularly high energy density are being sought. Great hopes are being placed on lithium sulphur cells.

LKW und Busse

Commercial vehicles and buses

Die Elektrifizierung macht auch vor den Nutzfahrzeugen nicht Halt. Besonders elektrische Nutzfahrzeuge für den innerstädtischen Verkehr boomen. Immer mehr Städte setzten bei Neuanschaffungen auf Elektrobusse. Die Postzusteller und andere Logistikunternehmen setzen ebenfalls stark auf elektrische Antriebe. Technisch gesehen haben Nutzfahrzeuge wie Busse, Laster, Transporter oder Fahrzeuge in der Landwirtschaft und im Bauwesen ein ganz ähnliches Anforderungsprofil wie automobile Anwendungen. Der elektrische Fernverkehr mit schweren Nutzfahrzeugen steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Viele Unternehmen arbeiten an technischen Lösungen (z. B. Brennstoffzellen-Antriebe, Oberleitungen, batterieelektrische Antriebe), um auch dieses Segment klimaneutral zu gestalten. Diese sind nämlich insbesondere aus Sicht des Klimaschutzes sinnvoll: Aktuell verursachen schwere Nutzfahrzeuge 25 Prozent der CO2-Emissionen im europäischen Verkehr.

Electrification does not stop short of commercial vehicles either. Electric commercial vehicles for inner-city traffic in particular are booming. More and more cities are opting for electric buses when making new purchases. Postal services and other logistics companies are also relying heavily on electric drives. Technically speaking, commercial vehicles such as buses, trucks, vans or vehicles used in agriculture and construction have a very similar requirement profile to automotive applications. However, electric long-distance transport with heavy commercial vehicles is still in its infancy. Many companies are working on technical solutions (such as fuel cell drives, overhead lines and battery electric drives) to make this segment climate-neutral as well. These solutions are particularly beneficial from the point of view of climate protection, as heavy commercial vehicles currently account for 25 percent of CO2 emissions in European transport.

PKW

Passenger vehicles

Der Automobilmarkt gilt als Leitanwendung für LIB und wird bis 2025 sehr stark wachsen. Aktuelle Prognosen gehen von einer Wachstumsrate von 35 Prozent aus: von 200 GWh im Jahr 2018 auf 1.200 GWh im Jahr 2025. Hier wird ein starker Konkurrenzkampf erwartet; etablierte Zellhersteller werden versuchen, ihre Marktposition auszubauen. NMC/Grafit-Zelltechnologien spielen aktuell die größte Rolle in automobilen Anwendungen. Es zeichnet sich ein klarer Trend zu nickelreichen und kobaltreduzierten Technologien ab.


Rechenbeispiel: Batteriezellen für automobile Anwendungen haben eine Spannung von 3,7 V. Um auf eine Spannung von 400 V zu kommen, müssen etwa 108 Zellen hintereinander (in Reihe) geschaltet werden. Um auf einen Energieinhalt von 60 kWh für das Batteriesystem zu kommen, müsste also jede der 108 Zellen eine Kapazität von 150 Ah haben. In vielen Fällen werden auch kleinere Zellen verwendet. Diese werden dann parallel verschaltet, um auf die gewünschte Kapazität zu kommen. So kann ein Batteriesystem schnell aus 200-300 Zellen bestehen. Werden besonders kleine Zellen verwendet kann ein großes Batteriesystem auch schon mal aus über 7.000 einzelnen Zellen bestehen.

The automotive market is considered a lead application for LIBs and will grow very strongly until 2025. Current forecasts assume a growth rate of 35 percent: from 200 GWh in 2018 to 1,200 GWh in 2025. Strong competition is expected here; established cell manufacturers will try to expand their market position. NMC/graphite cell technologies currently play the largest role in automotive applications. There is a clear trend towards nickel-rich and cobalt-reduced technologies.

 

Sample calculation: battery cells for automotive applications have a voltage of 3.7 V. To reach a voltage of 400 V, about 108 cells must be connected in series. To achieve an energy content of 60 kWh for the battery system, each of the 108 cells would therefore have to have a capacity of 150 Ah. In many cases, smaller cells are also used. These are then connected in parallel to achieve the desired capacity. In this way a battery system can quickly consist of 200-300 cells. If particularly small cells are used, a large battery system can sometimes consist of over 7,000 individual cells.

E-Bikes, Scooter, Roller

E-bikes, scooters, motor scooters

Elektrifizierte Kleinfahrzeuge wie Roller, E-Bikes und Motorräder sind europaweit auf dem Vormarsch. Im Jahr 2019 wurden deutschlandweit über 1 Millionen E-Bikes abgesetzt, sieben Mal mehr als noch vor zehn Jahren. Und der Trend hält an. Fahrradhersteller erweitern ihr Segment, egal ob Cityrad, Mountainbike oder Lastenrad: Immer mehr Fahrräder werden mit Elektroantrieb angeboten. Gründe sie zu nutzen gibt es viele: Sie sind zum einen sehr sprintstark in der Stadt, haben niedrige Unterhaltungskosten und gelten als sehr wartungsarm. Auch vor Motorrädern macht die Elektrifizierung nicht Halt. So kam in Amerika 2006 das erste voll-elektrische Motorrad auf den Markt. Die Batterien unterscheiden sich dabei technisch kaum von denen für automobile Anwendungen.

Electrified small vehicles such as scooters, e-bikes and motorbikes are on the advance throughout Europe. In 2019, over 1 million e-bikes were sold throughout Germany, seven times more than ten years ago. And this trend is continuing. Bicycle manufacturers are expanding their segment; be it city bikes, mountain bikes or cargo bikes, more and more bikes are being offered with an electric drive. There are many reasons to use them: they are very strong sprinters in the city, have low maintenance costs and are considered to be very low-maintenance. Electrification has not stopped short of motorbikes either. In 2006, the first fully electric motorbike came onto the market in the United States. Technically, the batteries hardly differ from those for automotive applications.

Werkzeuge

Tools

Auch bei den Werkzeugen geht der Trend zum Akku. Waren früher Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) in kabellosen Werkzeugen verbaut, so sind es aktuell immer mehr Lithium-Ionen-Akkus. Bei der elektrischen Leistung, also der Energieausspeisung pro Zeiteinheit, können diese mittlerweile gut mit NiMH-Batterien mithalten. Und dies bei deutlich niedrigerem Gewicht: Denn die Energiedichte von LIB ist deutlich höher. Das ist ein echter Vorteil, gerade bei längerem Arbeiten auf einer Baustelle. Übrigens: Einige große Hersteller haben sich vor Kurzem zusammengeschlossen, um einen Standard-Akku zu entwickeln, der in allen Geräten gleichermaßen passen soll. So wird der Markt an Ersatzakkus übersichtlicher und so die Kosten gesenkt.

The trend in tools is also towards rechargeable batteries. Whereas nickel-metal hydride (NiMH) batteries used to be used in cordless tools, lithium-ion batteries are now increasingly becoming the norm. In terms of electrical power, i.e. the energy output per unit of time, these can now keep up well with NiMH batteries. And this at a significantly lower weight, because the energy density of LIBs is significantly higher. This is a real advantage, especially for long jobs on a construction site. By the way, a number of major manufacturers have recently joined forces to develop a standard battery intended to fit equally well in all devices. This makes the market for replacement batteries more transparent and thus reduces costs.

Haushalt

Household

Auch im Haushalt werden kabellose Haushaltshelfer immer beliebter. Ob Staubsauger, Rührgeräte oder Milchaufschäumer: Die kleinen Helfer im Haushalt sind kaum noch wegzudenken. Gerade die kleineren Geräte können oft an einem USB-Port geladen werden. Das spart zusätzliche Ladekabel. Häufig finden sich in diesen Geräten Lithium-Ionen-Zellen vom Typ 18650. Dieses Format wird weltweit am häufigsten hergestellt und ist deshalb auch besonders günstig.

Wireless household helpers are also becoming increasingly popular. Whether hoovers, mixers or milk frothers, it's hard to imagine a household without these little helpers. The smaller devices in particular can often be charged on a USB port. This saves additional charging cables. Type 18650 lithium-ion cells are often found in these devices. This format is the most commonly produced worldwide and is therefore particularly inexpensive.

Gartenbau

Gardening

Auch im Gartenbaubereich werden akkubetriebene Geräte immer beliebter, wie z. B. Rasenmäher, Säge oder Laubbläser. Die elektrischen und kabellosen Assistenten sind nicht nur äußerst praktisch, sondern auch besonders leise. Das schont die Nerven der Nachbarn. Häufig finden sich in diesen Geräten Lithium-Ionen-Zellen vom Typ 18650. Dieses Format wird weltweit am häufigsten hergestellt und ist deshalb auch besonders günstig. Ob es sich dabei um eine Zelle mit besonders viel Leistung, besonders viel Energie oder um eine ausbalancierte Zelle handelt, lässt sich von außen nicht erkennen. Hierfür muss man schon ins Innere der Zelle blicken.

Battery-powered equipment such as lawnmowers, saws and leaf blowers are also becoming increasingly popular in the gardening sector. These electric and cordless assistants are not only extremely practical, but also particularly quiet. This makes it easy on the nerves of the neighbours. Type 18650 lithium-ion cells are often found in these devices. This format is the most commonly produced worldwide and is therefore also particularly inexpensive. It is not possible to tell from the outside of a cell whether it is one with particularly high performance, particularly high energy or a balanced cell. For this you have to look into the inside of the cell.

Baumaschinen

Construction machines

Selbst große Baumaschinen könnten in Zukunft noch häufiger elektrisch unterwegs sein. Die immer weiter fallenden Akkupreise machen auch akkubetriebene, elektrische Baumaschinen möglich. Hier sind Kombinationen aus Brennstoffzelle, Akku und Elektromotor möglich. Der Vorteil liegt auf der Hand: Emissionen wie Schall und Abgase werden reduziert. Die Wohnqualität in den Städten steigt. Die Akkus für die Baumaschinen sind nah verwandt mit den Akkus aus dem PKW und dem Bus-Bereich.

Even large construction machines could be on the move electrically more often in the future. The ever-falling battery prices also make battery-operated, electric construction machines possible. Here, combinations of fuel cell, battery and electric motor are possible. The advantages are obvious: emissions such as noise and exhaust gases are reduced. The quality of living in cities increases. Batteries for construction machinery are closely related to those used in cars and buses.

Einsatzgebiete

Areas of application

Die Einsatzgebiete für stationäre Energiespeichersysteme sind vielfältig. Energieversorgungsunternehmen nutzen sie, um das schwankende Stromangebot aus Wind und Sonne auszugleichen. Für Micro-Grids und Insellösungen werden sie häufig in Kombination mit erneuerbaren Energien eingesetzt, um Dieselgeneratoren zu ersetzen. Private Haushalte und Unternehmen nutzen stationäre Batterien, um sich unabhängig von Energieversorgern zu machen oder den Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Strom zu erhöhen und damit ihre Energiekosten zu optimieren. Energiespeicher in Mobilfunkmasten sichern das Handynetz gegen Stromausfälle ab.

The areas of application for stationary energy storage systems are manifold. Energy supply companies use them to compensate for the fluctuating power supply from wind and sun. For micro grids and island solutions, they are often used in combination with renewable energies to replace diesel generators. Private households and companies use stationary batteries to make themselves independent of energy suppliers or to increase their own consumption of self-generated electricity and thus optimise their energy costs. Energy storage devices in mobile phone masts secure the mobile phone network against power failures.

Batteriezellen für stationäre Energiespeicher

Battery cells for stationary energy storage

Die Batteriezellen für stationäre Energiespeicher haben andere Ansprüche als bspw. für Elektrofahrzeuge. Bei letzterem sind die Zellen oftmals auf Maximierung der Energiedichte (sprich möglichst viel Energie auf ein möglichst kleines Volumen) im Fokus. Hingegen ist dies bei stationären Speichern nicht notwendig, da diese tendenziell keinen Platzlimitierungen unterliegen. Es werden Zellen auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien verwendet (häufig Lithium-Eisenphosphat- oder Lithiumtitanat-Zellen aufgrund der erhöhten Sicherheit). Außerdem ist die Integration eines Batteriemanagementsystems simpler gestaltet, da keine gesondert differenzierten Lade-/Entladeprofile beachtet werden müssen. Ausrangierte Batterien aus Elektrofahrzeugen, die nicht mehr genug Energiedichte und Leistung für das elektrische Fahren bereitstellen, können in sogenannten Second-Life-Anwendungen für eine zweite Lebensphase ertüchtigt werden. Dafür werden die Batterien aus den Fahrzeugen ausgebaut und für stationäre Anwendungen fit gemacht. Das verlängert die Nutzungsdauer der E-Auto-Batterien und schont so die Umwelt.

The battery cells for stationary energy storage have different requirements from those for electric vehicles. In the latter case, the cells often focus on maximising energy density (i.e. concentrating as much energy as possible in the smallest possible volume), whereas this is not necessary in stationary storage systems, as these tend not to be subject to space limitations. Cells based on lithium-ion batteries are used (often lithium iron phosphate or lithium titanate cells due to their high safety levels). In addition, the integration of a battery management system is simpler, as no separately differentiated charge/discharge profiles have to be observed. Discarded batteries from electric vehicles, which no longer provide enough energy density and power for electric driving, can be upgraded for a second phase of life in so-called second-life applications. For this purpose, the batteries are removed from the vehicles and made fit for stationary applications. This extends the service life of the electric car batteries and thus protects the environment.

Tablet & Smartphone

Tablet & Smartphone

Die Elektronikindustrie war lange Zeit der Treiber für die Entwicklung immer besserer Lithium-Ionen-Akkus. Die ersten Akkus wurden in Japan für tragbare Camcorder entwickelt. Die kurzen Lebenszyklen der Elektronikprodukte erleichterten den Markteintritt der neuartigen Akkus, die vor allem auf immer höherer Energiedichte entwickelt wurden. So zählen auch heute noch die Handyakkus zu den Akkus mit der höchsten Energiedichte. Ein Nachteil bleibt hierbei allerdings die kurze Lebensdauer. Deshalb sind diese Akkus nicht für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet. Übrigens: Der Drang nach immer höheren Energiedichten kann auch in einer Katastrophe enden. So waren Hersteller bereits mehrfach gezwungen, ihre Geräte wieder zurückzurufen, da ein sicherer Betrieb nicht gewährleistet werden konnte. In Smartphones und Tablets finden sich häufig Zellen im sogenannten Pouch-Format. Der Vorteil: Die Zellen werden nur in einer dünn beschichteten Alufolie eingeschweißt. Das spart Gewicht. Gleichzeitig bleibt man bei der Form flexibel und kann den Akku der Bauform des Smartphones oder Tablets anpassen. Akkus für den Einsatz in der (tragbaren) Klein- und Kleinstelektronik basieren größtenteils auf Lithium-Cobalt-Oxid-Basis (LCO) mit einer Grafit-Silizium-Anode, weil sie eine hohe Energiedichte aufweisen. Die oftmals limitierende Nutzungsdauer dieser Geräte – die Zykleninstabilität von LCO – kann hierbei vernachlässigt werden.

The electronics industry has long been the driver for the development of ever better lithium-ion batteries. The first batteries were developed in Japan for portable camcorders. The short lifecycles of the electronic products facilitated the market entry of the new types of batteries, which were developed mainly for ever higher energy density. Today, mobile phone batteries are still among the batteries with the highest energy density. However, their short life cycle remains a disadvantage and is the reason why these batteries are not suitable for use in electric vehicles. Incidentally, the urge for ever higher energy densities can also end in a catastrophe. Manufacturers have already been forced several times to recall their devices as safe operation could not be guaranteed. Smartphones and tablets often contain cells in the so-called pouch format. Their advantage is that the cells are sealed only in a thinly coated aluminium foil. This saves weight. At the same time, the shape remains flexible and the battery can be adapted to the design of the smartphone or tablet. Batteries for use in (portable) small and very small electronics are mostly based on lithium cobalt oxide (LCO) with a graphite silicon anode, because these have a high energy density. The often limiting service life of these devices - the cycle instability of LCO - can be disregarded here.

Laptop

Laptop

Anders als in Smartphones befinden sich in Laptops häufig sechs bis acht Lithium-Ionen-Zellen im Format 18650. Diese Zellen haben eine Spannung von 3,7 V und z. B. eine Kapazität von 2400 mAh. Die Zellen werden in Serie miteinander verschaltet, um die für den Laptop nötige Spannung zu erzeugen. Für eine Spannung von 14,8 V sind also vier Zellen hintereinander (sprich „in Serie“) nötig. Soll zusätzlich die Kapazität des Akkus erhöht werden, müssen zusätzlich Zellen nebeneinander (sprich „parallel“) verschaltet werden. Für einen Akku mit 14,8 V und eine Kapazität von 4.800 mAh werden dann vier Zellen in Serie geschaltet und nochmal vier Zellen dazu parallel. Man spricht dann von einer 4s2p-Verschaltung. Es werden also acht Zellen insgesamt benötigt. Eine Elektronik überwacht Temperatur und Ladezustand der Zellen. Ein Spannungskonverter sorgt für eine gleichmäßige Spannung des gesamten Akkupakets.

Akkus für den Einsatz in der (tragbaren) Klein- und Kleinstelektronik basieren größtenteils auf Lithium-Cobalt-Oxid-Basis (LCO) mit einer Grafit-Silizium-Anode, weil sie eine hohe Energiedichte aufweisen. Die oftmals limitierte Nutzungsdauer dieser Geräte – die Zykleninstabilität von LCO – kann hierbei vernachlässigt werden.

Unlike smartphones, laptops often contain six to eight lithium-ion cells in the 18650 format, which have a voltage of 3.7 V and a capacity in the range of 1,800 to around 3,500 mAh. The cells are connected in series to generate the voltage required for the laptop. A voltage of 14.8 V therefore requires 4 cells in series. If the capacity of the battery is also to be increased, additional cells must be connected next to each other (i.e. "in parallel"). For a battery with 14.8 V and a capacity of 4,800 mAh, four cells of 2,400 mAh capacity each are then connected in series and another four cells in parallel. This is called a 4s2p connection, for which eight cells are needed in total. An electronic system monitors the temperature and state of charge of the cells. A voltage converter ensures that the voltage of the entire battery pack is uniform.

Batteries for use in (portable) small and very small electronics are mostly based on lithium cobalt oxide (LCO) with a graphite silicon anode, because these have a high energy density. The often limited service life of these devices - the cycle instability of LCO - can be disregarded here.

Smartwatch & Kopfhörer

Smartwatch & headphones

Auch in den Kleinstanwendungen finden sich Lithium-Ionen-Zellen, ob in Kopfhörern, Smartwatches oder Action-Cams. In den kleinsten Geräten finden sich Lithium-Ionen-Zellen vom Format Knopfzelle, da in diesen Geräten in der Regel nur sehr wenig Platz ist. Lithium-Ionen-Zellen bieten derzeit eine der höchsten Energiedichten und werden deshalb auch in Kleinstgeräten verbaut. Da diese Geräte zum Teil sehr dicht am oder sogar im Körper (z. B. Kopfhörer) getragen werden, muss ein besonderes Augenmerk auf die Sicherheit und Qualität gelegt werden. Ein deutsches Unternehmen und IPCEI Partner ist hier führend auf dem Weltmarkt.

Lithium-ion cells can also be found in the smallest applications, such as headphones, smartwatches or action cams. In the smallest devices, lithium-ion cells of the button cell format can be found, as there is usually very little space in these devices. Lithium-ion cells currently offer among the highest energy densities and are therefore installed in the smallest applications, such as in headphones, smartwatches or action cams. As there is usually very little space in these devices the button cell format is being used. Special attention must be paid to safety and quality, since these devices are sometimes worn very close to or even inside the body (e.g. earphones). A German company and IPCEI participant is the world market leader in this field.

Wie trägt die Nutzung europäischer Batteriezellen zu einer nachhaltigen Wirtschaft bei?

How does the use of European battery cells contribute to a sustainable economy?

Die Herstellung von Batterien „made in Europe“ im Rahmen eines vielfältigen und eng vernetzten europäischen „Batterie-Ökosystems“ ermöglicht die Unabhängigkeit von Importen und verringert die Abhängigkeit von einer kleinen Zahl von Zulieferern. Auch mittelständische Unternehmen, die wegen der geringen Abnahmemengen zunehmend Schwierigkeiten haben, sich am Weltmarkt zu fairen Konditionen mit Zellen zu versorgen, können in Zukunft durch europäische Anbieter bedient werden. Dies unterstützt die Elektrifizierung auch jenseits des Leitmarkts der Elektromobilität, da auch kleinere Hersteller innovative, auf Batterien basierte Produkte auf den Markt bringen können.

The production of batteries "made in Europe" as part of a diverse and closely interlinked European "battery ecosystem" creates independence from imports and reduces dependence on a small number of suppliers. Medium-sized enterprises, which are finding it increasingly difficult to obtain supplies of cells on the world market on fair terms because of the small quantities purchased, can in future be served by European suppliers. This will support electrification beyond the lead market of electric mobility, as smaller manufacturers can also bring innovative battery-based products to market.

Wie trägt die Nutzung europäischer Batteriezellen zu besseren Arbeitsbedingungen in Europa bei?

How does the use of European battery cells contribute to better working conditions in Europe?

Ziel ist die Transparenz der Lieferketten in der europäischen Batteriezellproduktion, insbesondere hinsichtlich sozialer Nachhaltigkeit. Dazu zählen beispielsweise die Einhaltung menschenwürdiger Arbeitsbedingungen bei der Gewinnung von Batterierohstoffen, das Verbot von Kinderarbeit sowie die strikte Vermeidung von Gesundheits- und Sicherheitsrisiken. Teilnehmer des IPCEI werden dafür eng mit der Global Battery Alliance zusammenarbeiten, um die Entwicklung eines Qualitätssiegels für die Verbraucherinnen und Verbraucher voranzubringen. Gerade in der Automobilindustrie sind mittelfristig viele Arbeitsplätze in Europa im Bereich der Verbrennungstechnologien bedroht. Der Aufbau einer Batteriewertschöpfungskette schafft an anderer Stelle viele neue und hochwertige Stellen und schafft so neue Perspektiven für Arbeitnehmer.

The aim is to achieve transparency in the supply chains in European battery cell production, particularly as far as social sustainability is concerned. This includes, for example, the observance of humane working conditions in the extraction of battery raw materials, the prohibition of child labour and the strict avoidance of health and safety risks. The IPCEI participants will work closely with the Global Battery Alliance to promote the development of a quality label for consumers. In the European automotive industry, many jobs in the field of combustion technologies are threatened with disappearance in the medium term. The establishment of a battery value chain will create many new and high-quality jobs elsewhere, thus creating new prospects for workers.

Wie trägt die Nutzung europäischer Batteriezellen zu einer sauberen Umwelt bei?

How does the use of European battery cells contribute to a clean environment?

Unser Ziel ist es, dass Batterien „made in Europe“ künftig die innovativsten und nachhaltigsten im internationalen Vergleich sind. Vor diesem Hintergrund soll die CO2-Bilanz von Batterien verbessert, Recycling und Nachnutzung vorangebracht und Rohstoffe sparsamer eingesetzt werden. Hierbei können ordnungsrechtliche Maßnahmen unterstützen. Die EU-Kommission hat angekündigt, in naher Zukunft Nachhaltigkeitsanforderungen für Batterien festzulegen, die die Produktion und das Recycling betreffen. Künftige Regeln könnten zum Beispiel auch verpflichtende Informationen zum CO2-Fußabdruck (z. B. bezüglich des bei der Produktion verwendeten Strommixes) enthalten. Die Einführung solcher Metriken für die Nachhaltigkeit ermöglicht es Verbrauchern, Batterien miteinander zu vergleichen und sich bewusst für eine nachhaltige Batterie zu entscheiden. Damit die Nutzung von Batterien in Europa zukünftig so nachhaltig wie möglich erfolgt, wird in den Batterie-IPCEIs auch das Thema Recycling intensiv behandelt, um eine umweltschonende Wiederverwendung der Rohstoffe in Europa und damit eine echte Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen.

Our aim is to ensure that batteries "made in Europe" will be the most innovative and sustainable in the future in an international comparison. Against this background, we want to improve the CO2 balance of batteries, promote recycling and reuse and use raw materials more economically. Regulatory measures can support this. The EU Commission has announced that in the near future it will set sustainability requirements for batteries that affect production and recycling. Future rules could, for example, include mandatory information on the CO2 footprint (e.g. on the electricity mix used in production). The introduction of such sustainability metrics will allow consumers to compare batteries and make a conscious choice for a sustainable battery. To ensure that the use of batteries in Europe is as sustainable as possible in the future, the battery IPCEIs will also deal intensively with the issue of recycling in order to enable the environmentally friendly reuse of raw materials in Europe and thus a true recycling economy.

IPCEI

Europäisches Ökosystem Batteriezellfertigung
European battery cell production ecosystem

IPCEI-Projekte
IPCEI Projects
IPCEI on Batteries
IPCEI on Batteries
Workstream #A
Workstream #A
Workstream #B
Workstream #B
Workstream #C
Workstream #C
Workstream #D
Workstream #D
EuBatIn
EuBatIn
Workstream 1
Workstream 1
Workstream 2
Workstream 2
Workstream 3
Workstream 3
Workstream 4
Workstream 4
Batterieproduktion
Battery Production
Fertigung Batteriematerialien
Production of battery materials
Anoden
Anodes
Kathoden
Cathodes
Elektrolyte
Elektrolytes
Separatoren
Separators
Fertigung Batteriezelle
Manufacturing battery cell
Pressen
Pressing
Zellassemblierung
Cell assembly
Finishing/Formierung
Finishing/Formation
Fertigung Batteriesystem
Battery system production
Modul- und Packfertigung
Module and pack production
Batteriemanagementsysteme und Sensoren
Battery management systems and sensors
Forschung und Entwicklung
Research and Development
Materialforschung
Materials research
Zellalterung
Cell aging
Sicherheit
Security
Charakterisierung
Characterisation
Anwendungsnahe Forschung
Application-oriented research
Nachhaltigkeit
Sustainability
Nutzung
Use
Elektrofahrzeuge
Electric vehicles
PKW
Cars
LKW und Busse
Trucks and buses
Züge, Schiffe und Flugzeuge
Trains, ships and aircrafts
E-Bikes, Scooter, Roller
E-bikes and scooters
Power-Tools (Elektrowerkzeuge)
Power tools
Stationäre Energiespeicher
Stationary energy storage
Klein- und Kleinstelektronik
Small and miniature electronics
Nachhaltigkeit
Sustainability
Rohstoffkreislauf
Raw Material Cycle
Rohstoffgewinnung
Raw material extraction
Materialherstellung
Material production
Wiederverwendung/Second Life/Refurbishing
Reuse/Second Life/Refurbishing
Recycling
Recycling
Nachhaltigkeit
Sustainability
BASF SE
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Unternehmensprofil
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Projektbeschreibung
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Partner
Partners
Kontakt
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BASF schafft Chemie für eine nachhaltige Zukunft. 2020 erzielte BASF einen Umsatz von 59 Milliarden Euro. Der BASF-Unternehmensbereich Catalysts verantwortet neben den Batteriematerialen auch unser weltweit führendes Portfolio von Umwelt- und Prozesskatalysatoren.

2020 gab BASF weltweit über 2 Milliarden Euro für Forschung und Entwicklung aus. Die BASF-Technologieplattform Process Research & Chemical Engineering entwickelt neue Technologien und Prozesse nicht nur für die Batterieforschung, sondern für die ganze Breite chemischer Prozesse.

 

Bildnachweise:

Logo © BASF SE

BASF creates chemistry for a sustainable future. In 2020, BASF generated sales of 59 billion euros. In addition to battery materials, BASF's Catalysts division is also responsible for our world-leading portfolio of environmental and process catalysts.

In 2020, BASF spent more than 2 billion euros on research and development worldwide. BASF technology platform Process Research & Chemical Engineering develops new technologies and processes not only for battery research, but also for the very wide range of chemical processes.

 

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E-Mobilität in Europa benötigt eine lokal integrierte, wirtschaftliche Batterie-Wertschöpfungskette, die Batterien mit hoher Leistung und Nachhaltigkeit liefern kann. BASF plant eine neue Produktionsanlage für die Herstellung von Kathodenmaterialien (CAM) in Schwarzheide, DE, die nach innovativen Produktionsverfahren Kathodenmaterialien der neuesten und nächsten Generation herstellen kann. Das Projekt beinhaltet weiterhin intensive Forschungsaktivitäten für spezifische Produkteigenschaften und eine effiziente Recycling-Technologie in Ludwigshafen. Darüber hinaus plant BASF eine neue Anlage zur Herstellung von Vorprodukten (PCAM) in Harjavalta, Finnland.

E-mobility in Europe requires a locally integrated, cost-effective battery value chain that can deliver high-performance and sustainable batteries. BASF is planning a new plant for the production of cathode active materials (CAM) in Schwarzheide, Germany, which can produce cathode active materials of the latest and next generation according to innovative production processes. The project also includes intensive research activities for specific product properties and efficient recycling technology. Moreover, BASF is planning a new plant for the production of precursors (PCAM) in Harjavalta, Finland.

ACI systems GmbH
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Cellforce Group GmbH
Cellforce Group GmbH
InoBat Auto j.s.a.
InoBat Auto j.s.a.
VARTA Micro Production GmbH
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VARTA Microbattery GmbH
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Sarah Engeßer
Sarah Engeßer
BASF SE
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29200
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Harjavalta
Harjavalta
Finnland
Finland
VARTA Micro Production GmbH
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Die VARTA AG produziert und vermarktet ein umfassendes Batterie-Portfolio von Mikrobatterien, Haushaltsbatterien, Energiespeichersystemen bis zu kundenspezifischen Batterielösungen für eine Vielzahl von Anwendungen. Als Muttergesellschaft der Gruppe ist sie in den Geschäftssegmenten „Microbatteries & Solutions“ und „Household Batteries“ tätig.

Das Segment „Microbatteries & Solutions“ fokussiert sich auf das OEM-Geschäft für Mikrobatterien sowie auf das Lithium-Ionen-Batteriepack-Geschäft.

Durch intensive Forschung und Entwicklung setzt VARTA mit den Tochtergesellschaften VARTA Microbattery GmbH und VARTA Micro Production GmbH die weltweiten Maßstäbe im Mikrobatterienbereich und ist anerkannter Innovationsführer in den wichtigen Wachstumsmärkten der Lithium-Ionen-Technologie sowie bei primären Hörgerätebatterien.

Der VARTA AG Konzern beschäftigt derzeit nahezu 4.000 Mitarbeiter. Mit fünf Produktions- und Fertigungsstätten in Europa und Asien sowie Vertriebszentren in Asien, Europa und den USA sind die operativen Tochtergesellschaften der VARTA AG derzeit in über 75 Ländern weltweit tätig.

 

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Logo © VARTA Microbattery GmbH

VARTA AG produces and markets an extensive battery portfolio from microbatteries, household batteries, energy storage systems to customer-specific battery solutions for a wide range of applications. As the group’s parent company, it operates in the business segments ‘Microbatteries & Solutions’ and ‘Household Batteries’.

The Microbatteries & Solutions segment focuses on the OEM business for