Die Partnerschaft baut auf einer internationalen Forschungszusammenarbeit zur Entwicklung flexibler und skalierbarer Technologien für die nachhaltige Herstellung fortschrittlicher Batteriematerialien auf. Im Rahmen dieser Kooperation besuchten Vertreterinnen und Vertreter von AETC das AIT, um ein weiteres kommerzielles Projekt zu initiieren. Ziel ist der Aufbau einer resilienten und verantwortungsvollen Lieferkette für Batteriematerialien.
Konkret arbeitet AETC gemeinsam mit seinen Partnern derzeit am Aufbau einer vollständig inländischen Graphit-Lieferkette in den Vereinigten Staaten. Am Produktionsstandort in Illinois stellt das Unternehmen sowohl sphärisches Graphit als Anodenaktivmaterial als auch ein nicht-sphärisches graphitisches Koppelprodukt für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien her.
Ein zentraler Aspekt und zugleich eine wissenschaftliche Neuerung dieses Ansatzes ist die von AETC entwickelte „Inverted Flow Sheet“-Technologie. Diese ermöglicht es, in einem einzigen Produktionsdurchlauf sowohl sphärisches Graphit für Anoden als auch nicht-sphärische Additive für Kathoden herzustellen. Dadurch nähert sich die Ausbeute der Graphitverarbeitung 100 % an. Im Gegensatz dazu erzeugen die derzeit vorherrschenden Verfahren in Südostasien ausschließlich sphärisches Graphit und erreichen aktuell lediglich Ausbeuten von 35 bis 50 Gewichtsprozent.
Dieser deutliche Unterschied bei der Prozessausbeute könnte dazu führen, dass Graphit künftig zu wettbewerbsfähigen Kosten auch in den USA oder in Europa produziert werden kann. Damit ließen sich Abhängigkeiten in der Lieferkette deutlich reduzieren und zugleich umweltfreundlichere Verarbeitungstechnologien etablieren. Auf diese Weise könnten globale Klimaauswirkungen durch unverantwortliche Produktionspraktiken verringert sowie Transparenz und Planbarkeit in der Lieferkette von Lithium-Ionen-Batterien verbessert werden. Da all dies zu Kosten möglich wäre, die mit dem heutigen Weltmarkt vergleichbar sind, eröffnet sich ein attraktives kommerzielles Potenzial.
Ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil ergibt sich daraus, dass sowohl das Hauptprodukt als auch das Koppelprodukt gleichzeitig in derselben Batterie eingesetzt werden können. Das könnte die Kosten für die Graphitherstellung in den USA oder in der EU senken – trotz höherer Arbeitskosten im Vergleich zu Südostasien. Die erhöhte Ausbeute an nutzbaren Batteriematerialien könnte diese Mehrkosten ausgleichen und so eine wettbewerbsfähige inländische Produktion ermöglichen.
Zwar gibt es in den USA Organisationen, die die Leistungsfähigkeit von sphärischem Graphit in Batterieanoden qualifizieren können, doch leitfähiger Kohlenstoff macht nur einen kleinen Anteil an der gesamten Materialliste einer Batterie aus. Deshalb ist es schwierig, dessen Vorteile gegenüber etablierten Referenzmaterialien innerhalb der USA wirtschaftlich zu bewerten. Vor diesem Hintergrund war die Zusammenarbeit mit dem AIT für AETC ein naheliegender Schritt.
Ein spezialisiertes Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des AIT arbeitete zunächst mit einer Labormaßstabs-Beschichtungsanlage, um optimale Elektrodenrezepturen zu definieren. Anschließend wurden diese Formulierungen auf eine Forschungs-Pilotbeschichtungsanlage übertragen, auf der batteriefähige Elektroden hergestellt und in Pouch-Zellen mit mehr als 5 Ah integriert wurden.
Das AIT verfügt über eine hochmoderne Batteriefertigungslinie einschließlich Trockenraum-Infrastruktur, in der Pouch-Zellen mit bis zu 10 Ah produziert werden können. Solche Zellformate sind für ein breites Anwendungsspektrum repräsentativ – von Bausteinen in Lithium-Ionen-Batteriemodulen für Elektrofahrzeuge bis hin zu Energiespeichersystemen für erneuerbare Kraftwerke, die Energie aus Sonne und Wind zwischenspeichern. Die Qualifizierung der Leistungsfähigkeit des AETC-Graphits in diesen größeren Zellformaten ist für die zweite Phase dieses Projekts vorgesehen, deren Start in naher Zukunft geplant ist.
Neben der Möglichkeit, in den USA produzierten Graphit sowohl in Kathoden als auch in Anoden von Lithium-Ionen-Batterien einzusetzen, konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am AIT die Leistungsfähigkeit der Materialien von AETC sowohl in nichtwässrigen als auch in wässrigen Bindersystemen nachweisen.
Derzeit kommen in den USA hergestellten Lithium-Ionen-Batterien überwiegend klassische nichtwässrige Binder zum Einsatz. Deren Verarbeitung ist jedoch mit der Verwendung toxischer organischer Lösungsmittel verbunden, die mit zusätzlichem Aufwand zurückgewonnen werden müssen. Die US Environmental Protection Agency (EPA) stuft solche organischen Lösungsmittel als unangemessenes Gesundheitsrisiko ein und empfiehlt, ihren Einsatz in der Produktion zu begrenzen. Die im Projekt durchgeführten Validierungstests werden daher für die weiteren Schritte in Richtung Skalierung und Kommerzialisierung der AETC-„Inverted Flow Sheet“-Technologie von großem Nutzen sein.
Anna Doninger, Manager of Government Relations bei AETC, erklärt: „Wir freuen uns sehr darüber, dass mesophase Kohlenstoffvorprodukte, die in den USA von einem unserer vertrauenswürdigen Partner und Rohstofflieferanten erzeugt werden, mithilfe der Inverted-Flowsheet-Technologie von AETC zu batteriefähigem synthetischem Graphit verarbeitet werden können – sowohl für Anodenaktivmaterialien als auch für leitfähigkeitssteigernde Additive in der Kathode innerhalb desselben Batteriesystems. Besonders freut uns, dass unsere Partnerschaft mit dem AIT mehrere messbare Ergebnisse hervorgebracht hat, die insbesondere die Entwicklung des spezialisierten EV-Mobilitätssektors in den USA voranbringen könnten. Wir freuen uns auf die nächsten Entwicklungs- und Qualifizierungsstufen gemeinsam mit den Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftlern sowie Batterieingenieurinnen und -ingenieuren des AIT und darauf, zu sehen, wohin uns diese Zusammenarbeit künftig führen wird.“
Damian Cupid, thematischer Koordinator für Batteriematerialien und Charakterisierung am AIT, ergänzt: „Auch wir freuen uns sehr über diese wichtige transatlantische Zusammenarbeit mit AETC, die uns neue Einblicke in die globale Lieferkette von Batteriematerialien eröffnet. Die Qualifizierung und Erprobung innovativer Materialien, die von Industriepartnern entwickelt werden, ist ein faszinierendes Arbeitsfeld. Die gemeinsam mit AETC erzielten Ergebnisse sind von großer Bedeutung, da sie zeigen, dass wettbewerbsfähige Technologien entwickelt werden können, mit denen kohlenstoffbasierte Materialien aus nicht-konventionellen Quellen in Liefernetzwerke integriert werden können. Dadurch lassen sich Unabhängigkeit und Autonomie gegenüber geopolitischen Schwankungen stärken.“
AETC ist ein etabliertes Unternehmen mit Sitz im Großraum Chicago im US-Bundesstaat Illinois. Das Unternehmen ist eines von nur drei US-amerikanischen Unternehmen, die Graphit für Lithium-Ionen-Batterien herstellen, und eines von lediglich zwei Unternehmen in den USA, die Batteriegraphit vollständig end-to-end produzieren. AETC ist zugelassener Graphitlieferant für mehrere führende Automobilunternehmen und Anbieter spezialisierter Batteriesysteme. Das neue Werk in Wheeling, Illinois, verfügt über eine Nennkapazität von 250 Tonnen pro Jahr batteriefähigem Graphit; bis 2030 ist ein Ausbau auf 7.500 Tonnen pro Jahr geplant.
Das AIT Austrian Institute of Technology ist Österreichs größte Research and Technology Organisation (RTO) und ein international bedeutender Akteur in zahlreichen Forschungsfeldern. Damit ist das AIT ein führender Entwicklungspartner für die Industrie. Die Competence Unit „Battery Technologies“ im Center for Transport Technologies deckt ein breites Spektrum entlang der gesamten Batteriewertschöpfungskette ab, mit einem besonderen Fokus auf die Verbesserung der Batteriezellproduktion. Darüber hinaus entwickelt die Einheit neue Generationen von Batterietechnologien und -konzepten, indem sie Materialforschung, Zelldesign, nachhaltige Fertigung und Produktionshochskalierung miteinander verbindet.