Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat in Ulm eine Pilotlinie für neue Batteriematerialien in den Vollbetrieb genommen. Die Powder-Up!-Anlage ist laut ZSW die erste derartige unabhängige Linie in Deutschland. Sie soll Materialien unter realen Bedingungen vom Labormaßstab auf Chargen von bis zu 100 Kilogramm skalieren. Mit mehr als 135 Anlagen und Geräten deckt sie die gesamte Prozesskette von der Synthese bis zur Analyse und Qualitätssicherung ab. Eine digitale Prozessführung und hochautomatisierte Analytik soll Entwicklungszyklen beschleunigen und Daten für KI-Anwendungen liefern.

Erste Skalierungserfolge bei Kathodenmaterialien für Batteriespeicher

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

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

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

Schnellere Forschung durch parallele Testung

Die Pilotlinie umfasst rund 2.400 Quadratmeter Nutzfläche. Speziell entwickelte Apparate ermöglichen die Entwicklung von Syntheserouten im High-Throughput-Verfahren, bei dem viele Varianten parallel getestet und schnell optimiert werden können. Die Materialcharakterisierung erfolgt mit hochmodernen Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), fokussiertem Ionenstrahlabtrag mit Rasterelektronenmikroskopie zur hochauflösenden Analyse (FIB-SEM), energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX), Raman-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und Röntgenpulverdiffraktion (XRD). All diese Methoden ermöglichen eine detaillierte Analyse von Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften der Materialien.

Die elektrochemische Prüfung erfolgt in Knopfzellen, die man ebenfalls am ZSW herstellt und im hauseigenen Batterietestzentrum validiert. Alle Daten aus der Synthese und der Testung erfassen die Wissenschaftler:innen digital und integrieren sie in die weitere Materialentwicklung. Dadurch sollen sich Entwicklungszyklen deutlich beschleunigen und Ergebnisse gezielt optimieren lassen.

Die Pilotanlage Powder-Up! erhielt Fördermittel des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und des Landes Baden-Württemberg. Das Land hat das Gebäude mit rund 10 Millionen Euro finanziert, während der Bund die Anlagentechnik sowie die notwendige Infrastruktur mit rund 24 Millionen Euro unterstützt hat. Das Projekt startete im Anfang 2022. Nach Beschaffung, Bau und Installation erfolgte die Inbetriebnahme der Anlage drei Jahre später im März 2025. Nun steht im Vollbetrieb die Anlage auch der Industrie und der wissenschaftlichen Gemeinschaft für Kooperationsprojekte zur Verfügung.

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