Text: Susanne Höcht, Bilder: Susanne Höcht, Andreas Heddergott / TUM
Die Batterieproduktion ist ein Feld im Wandel – technologisch anspruchsvoll, wirtschaftlich relevant und gesellschaftlich hochaktuell. Sophie Grabmann forscht an einem Baustein dieses Wandels: dem Laserstrahlschweißen zur zellinternen Kontaktierung von Batteriezellen. „Es geht um ein alternatives Fügungsverfahren, das in die Batterieproduktion integriert werden soll“, erklärt sie. Ziel ihrer Promotionsarbeit war es, die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Produktqualität besser zu verstehen – und so die Prozesssicherheit zu erhöhen.
Ihr Weg in dieses Forschungsfeld begann mit einem Studium des Chemieingenieurwesens an der Technischen Universität München. Im Master wechselte sie in den Maschinenbau – ein Schritt, der ihr den Zugang zu einem interdisziplinären Umfeld eröffnete. „Mich hat das Zusammenspiel verschiedener Fachrichtungen gereizt“, sagt sie. „In der Batterieproduktion arbeiten Fachleute aus der Materialwissenschaft, Elektrochemie, Elektrotechnik und dem Maschinenbau eng zusammen – das macht das Feld besonders spannend.“
Heute leitet Sophie eine Forschungsgruppe am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften. Dort wird die gesamte Prozesskette der Zellfertigung abgebildet – vom Pulver bis zur fertigen und umfassend getesteten Pouch-Zelle. Besonders im Fokus stehen neue Prozesse, die Skalierbarkeit von neuen Materialien und die Frage, wie sich Forschungsergebnisse aus dem Labor in die industrielle Anwendung übertragen lassen.
Innovationen, Materialien, Formate – Batterieproduktion im Wandel
Die Batterieproduktion hat in den letzten Jahren einen enormen Wandel durchlaufen. „Vor zehn Jahren war das Thema noch nicht so präsent“, sagt die wissenschaftliche Mitarbeiterin. „Heute begegnen uns Batterien überall – in Elektroautos, Heimspeichern, in der öffentlichen Debatte.“ Besonders die Zellproduktion, auf die sich ihre Forschung konzentriert, hat stark an Bedeutung gewonnen. Neue Zellformate, Materialien und Fertigungstechniken verändern die Produktion von Batterien rasant.
Ein Beispiel ist die sogenannte Prälithiierung von Anoden – ein Verfahren, bei dem überschüssiges Lithium eingebracht wird, um den initialen Kapazitätsverlust auszugleichen. „Die Idee funktioniert im Prinzip gut“, sagt Sophie. „Aber die große Frage ist: In welchem Prozessschritt bringt man das Lithium ein? Wann ist es sicher? Wann wirtschaftlich sinnvoll?“
Zwischen Qualität und Kosten – ein Balanceakt
Die Batterieproduktion ist ein komplexes Feld. Die Materialien sind teuer, die Prozesse qualitätskritisch, die Anforderungen hoch. „Wenn ich spät in der Prozesskette einen Fehler mache, ist der Ausschuss extrem teuer“, erklärt die Abteilungsleiterin am iwb. „Deshalb ist Produktionsqualität das A und O.“ Gleichzeitig müssen die Produktionskosten gesenkt werden. Das ist ein Zielkonflikt, der die Branche herausfordert. Hinzu kommen Fragen der Skalierung: „Was im Labor funktioniert, lässt sich nicht immer eins zu eins in die Industrie übertragen.“
Auch die Ausbildung von Fachkräften ist ein Thema. „Wir brauchen Menschen, die sich mit dieser Technik auskennen“, betont Sophie. „Und wir müssen das, was wir hier entwickeln, in die Industrie bringen.“
Kreislaufwirtschaft und spezifischer Einsatz von Batterien
Nachhaltigkeit spielt in der Forschung des iwb eine zunehmend wichtige Rolle. „Wir versuchen, kritische Materialien zu reduzieren, Energie zu sparen – zum Beispiel durch Trockenbeschichtung“, erklärt sie. Doch sie denkt weiter: „Langfristig müssen wir Batterieproduktion als Kreislauf denken. Noch stehen wir am Anfang, aber es wird nicht mehr lange dauern, bis es klare Konzepte und sogar Pflichten gibt, was mit Batterien nach ihrer Nutzung passiert.“
Für die nächsten fünf bis zehn Jahre erwartet sie ein starkes Wachstum und eine zunehmende Diversifizierung. „Zellchemien werden spezifischer auf Anwendungen zugeschnitten – ob für LKWs, Autos oder Heimspeicher“, denkt die wissenschaftliche Mitarbeiterin.
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Sophie Grabmann
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften