Innovation potentials and courses for action in the production of lithium-ion battery cells in Europe

In the context of achieving overall climate neutrality, the lithium-ion battery cell (LIB) represents a strategically essential product especially within the automotive industry - demand is expected to rise sharply in the upcoming years. Along with the increasing demand, market requirements for the LIB are changing, especially for mobile applications. Yet, currently achievable performance parameters such as energy density are not sufficient to meet these requirements in the long term. Furthermore, procurement prices and resource consumption in production are still on an unsatisfactory high level. To act successful as cell manufacturer in this environment and under these challenges, existing and widespread production processes should be optimized in addition to further improvements of the product itself. A variety of technologies exist for such manufacturing optimizations with implications on upstream and downstream process steps. Thus, depending on the deployed innovation, established technology chains of the manufacturing process must be adapted. In this paper, relevant technological innovations are identified and described as so-called innovation potentials. The wet-chemical LIB process serves as a baseline for the analysis since it is currently established in most existing Gigafactories. Based on the innovation potentials identified, specific existing or currently developed solution options from the German mechanical and plant engineering sector are presented as best practices. Derived from the future requirements, the paper shows design options for potential technology chains in an optimized LIB production process. For the most promising technology chains, corresponding implications are detailed and consecutive courses of action for cell manufacturers and machinery manufacturers in Europe are identified.

Im Kontext der Klimaneutralität stellt die Lithium-Ionen-Batteriezelle (LIB) insbesondere in der Automobilindustrie ein strategisch essenzielles Produkt dar - prognostiziert wird eine stark erhöhte Nachfrage in den kommenden Jahren. Dies geht einher mit sich wandelnden Anforderungen an die LIB, insbesondere im Bereich mobiler Anwendungen. Langfristig sind derzeit realisierbare Leistungsparameter wie z.B. die Energiedichte für die Erfüllung dieser Anforderungen jedoch nicht ausreichend. Gleichzeitig sind Beschaffungspreise und Ressourcenverbräuche in der Produktion weiterhin auf einem zu hohen Niveau. Um als Produzent in diesem Spannungsfeld und unter diesen Herausforderungen erfolgreich zu sein, können neben produktseitigen Verbesserungen bestehende und verbreitete Produktionsprozesse optimiert werden. Für eine solche Optimierung existieren vielfältige Technologien mit Implikationen auf vor- und nachgelagerte Prozessschritte. Somit müssen je nach eingesetzter technologischer Innovation bestehende Technologieketten im Produktionsprozess adaptiert werden. Im vorliegenden Beitrag werden technologische Innovationen in Form von Innovationspotenzialen identifiziert und exemplarisch beschrieben. Als Ausgangspunkt der Analyse dient der nasschemische LIB-Produktionsprozess, wie er derzeit in einer Vielzahl bestehender Gigafactories eingesetzt wird. Basierend auf den identifizierten Innovationspotenzialen werden konkrete bestehende bzw. in der Entwicklung befindliche Lösungsoptionen des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus als Best Practices aufgezeigt. Ergebnis des Beitrags stellen somit Gestaltungsoptionen für Technologieketten zur Realisierung eines optimierten LIB-Produktionsprozesses, ausgeleitet aus den zukünftigen Anforderungsprofilen, dar. Für die relevantesten Technologieketten werden die damit einhergehenden Implikationen detailliert und letztendlich konsekutive Handlungsoptionen für Zellfertiger und Maschinen- und Anlagenbauer in Europa ausgewiesen.