al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • arbeitern in den Gruppen Battery Components, Battery Engineering und Battery Production vor- angetrieben. Durch eine Vielzahl nationaler und internationaler Industrieprojekte in Unterneh- men aller Wertschöpfungsstufen sowie zentraler Positionen in namhaften Forschungsprojekten konnte das PEM weitreichende Expertise in dem Feld der Batterieproduktion und der Batterieaus- legung aufbauen . Im Folgenden werden werden diese Fokusthemen im Detail anhand von kon- kreten Projekten beispielhaft beschrieben. Die starke produktionstechnische Ausrichtung des Lehrstuhls zeigt sich in der eigenen Pilot- linie zur Batteriezellproduktion (siehe Anlage A), deren Fokus auf die Optimierung von Ein- zelprozessschritten gelegt wurde. Diese ist Teil des eLABs, welches eine offene Infrastruktur zur produktionstechnischen Erforschung der Elekt- romobilitätskomponenten bietet. Übergeordnet beschäftigt sich das Gesamtvorhaben FAB4LIB mit der Erforschung der Maßnahmen zur Stei- gerung der Material- und Prozesseffizienz in der Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung entlang der Wertschöpfungskette. Die gewonnenen Erkennt- nisse sollen unmittelbar nach der Durchführung des Forschungsprojektes in die Industrialisierung und den anschließenden Aufbau einer deutschen Zellfertigung münden. Die erlangten Effizienzstei- gerungsmaßnahmen sollen dem Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil gegenüber etablierten Zellherstellern ermöglichen. Insbesondere die langfristige Steigerung der Versorgungssicher- heit mit Batteriezellen für die deutsche Wirtschaft steht im Fokus. Da die Beschichtung und Trock- nung bezogen auf die Fertigungskosten einen der wesentlichen Kostenanteile belegt, wurde in dem Projekt ExLalib die technische und insbe- sondere energie- und materialeffiziente Optimie- rung des konventionellen Produktionsprozesses von Lithium-Ionen-Batteriezellen durch die Nut- zung der Extrusions- und Lasertrocknungstech- nologien adressiert. Ein weiteres Potential wird in dem Projekt lnTreS mithilfe von innovativen Trägermaterialien zur Optimierung der Stromab- leiter von elektrischen Speichern analysiert. Ziel ist es, mit weniger Material die gleiche Funktion innerhalb einer Lithium-Ionen-Batteriezelle zu er- zielen. Neben der Beschichtung und Trocknung stellt die Zellfinalisierung, insbesondere die For- mierung und Reifung , einen wesentlichen Teil der Investitionskosten dar. So konnten in dem Projekt OptiZeiiForm die Einflüsse einer Parameterva- riation bei der Formierung und Reifung in Form von Umgebungsbedingungen wie der Temperatur und einer mechanischen Belastung , als auch der elektrischen Variation in Form von G-Raten und Formierungsstrategien untersucht werden. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen eine wesentli- che Kostenersparnis und werden aktuell in einer umgerüsteten Formierungsanlage validiert. Wei- tere bereits abgeschlossene Projekte haben sich mit der Qualitätssicherung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien (QuasiBat II), der Gestal- tung einer durchgängigen Produktionsstruktur für die Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen (ProliBat), der Entwicklung eines durchgängigen Ladungsträgerkonzepts in der Batteriefertigung (LakoBat) und der sicheren, robusten und nach- haltigen Produktion batterieelektrischer Fahr- zeuge (eProduction) beschäftigt. ln dem Groß- forschungsprojekt Anlauffabrik I und II ist darüber hinaus das Ziel , die Produzierbarkeil von Elek- trofahrzeugen zu erforschen und Anlaufzeiten zu reduzieren. Unter serienähnlichen Bedingungen werden Produktionsprozesse auf die Probe ge- stellt und die Massenproduktfähigkeit einzelner Komponenten oder Fahrzeuge realisiert. Die Entwicklung von Fabrikkonzepten ist ein weiterer Themenschwerpunkt am PEM . Ele- mentar für die Entwicklung und Umsetzung von Fabrikkonzepten ist neben dem notwendigen Know-How die praktische Erfahrung mit solchen Großprojekten. Das PEM unterstützt seit Projekt- beginn ein ähnliches Vorhaben in Großbritanni- en. Das United Kingdom Battery lndustrialisation Centre (UKBIC) verfolgt einen ähnlichen Ansatz wie die geplante FFB und stellt zukünftig aktu- ellste Fertigungstechnologien für die Erforschung von Produkt- und Prozessinnovationen im indus- triellen Maßstab bereit. Das PEM unterstützt die- ses Vorhaben seit Projektbeginn intensiv. Von der Anlagen- und Prozessspezifikation über die Er- stellung von Ausschreibungsunterlagen bis hin zu Besuchen bei internationalen Zulieferem aus dem Bereich Maschinen- und Anlagenbau begleitete das PEM die Planungsphase für das Produktions- equipment der Zell-, Modul- und Packfertigung. Hierdurch konnten großes Erfahrungswissen und

lll u.. u.. .!!! 't:J ...::I ....!!! Vl ns lll .!!!. ns Q) ·;:: ....Vl :I 't:J c: 't:J c: :I Cl c: :I ~ (.) I!! 0 u.. _;.: .~ iii E Q) .:li: ... :ns ....E Qj ~ gute Beziehungen zu den Key-Piayern in der Bat- terieindustrie aufgebaut werden. Parallel zu der Prozessplanung unterstützte das PEM ebenfalls bei der Layoutgestaltung, der Planung der benö- tigten Infrastruktur (z. B. Kühlwasserversorgung, Versorgung mit Prozessgasen sowie bei der Fest- legung der Produktionsumgebungsbedingungen in Bezug auf Rein- und Trockenräume). Aktuell befindet sich UKBIC im Aufbau. Erste Maschi- nen- und Anlagen werden in der Mitte des Jahres 2019 ausgeliefert. Auch hier unterstützt das PEM bei der Planung einer einheitlichen Qualitätsstra- tegie für die Abnahme, Inbetriebnahme und den Betrieb des Produktionsequipments. Durch die intensive Zusammenarbeit vor Ort sammelt das PEM kontinuierlich Erfahrungswissen für den Aufbau einer Batteriezellfabrik. Durch den Start- up Charakter von UKBIC konnte das PEM eben- falls den Aufbau der Organisationsstruktur für den n<:>l'Or't::>n Betrieb der Einrichtun lten. Q) Q "; • Die Automatisierung und Digitalisierung stellt für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau die aktuell wohl größte Herausforderung dar, um auf dem Markt auch in Zukunft wettbewerbsfähig zu bleiben. Das PEM konnte in dem Forschungs- 2 projekt cyberKMU cyber-physische Systeme von KMU den Grundstein für eine zukünftige Digita- lisierung legen. Cyber Physical Systems (CPS) sind wesentliche Technologiebausteine zur Um- setzung von Industrie 4.0. Mit Hilfe einer On- line-Piattform können CPS identifiziert werden, um damit die Schwachstellen der Produktion zu beheben und diese darüber hinaus effizienter zu gestalten. Auch im Bereich "Zirkuläre Wertschöpfung", hier speziell im Bereich Re-Manufacturing, ist das PEM hervorragend aufgestellt. Den Grundstein legte hierfür das Projekt BatteReMan, in dem die Ressourceneffizienz in der Lithium-Ionen-Batte- rieproduktion über alle Phasen im Lebenszyklus durch ein geeignetes Re-Manufacturingkonzept nachhaltig gesteigert werden soll. Bestehen- de Batteriepacks werden dafür hinsichtlich ihrer Re-Manufacturingfähigkeit und der resultieren- den Kosten analysiert. Daraus werden Best-Prac- tice-Ansätze abgeleitet. Entwickelte, innovative Batteriepacks und Batteriemodule werden ent- sprechend optimiert und im Anschluss in einem Prototyp umgesetzt. Ein Fahrzeug der Street- Scooter GmbH dient hierbei als Entwicklungs- träger. Die Reverse-Logistik und Demontage der jeweiligen Komponenten im Re-Manufacturing- prozess erfolgt im Anschluss. Module, Zellen und übrige Komponenten werden mit teils neuen Komponenten zu einem wiederverwerteten Bat- teriepack aufgebaut. Bei der Auslegung von Batteriemodulen und Batteriepacks setzt das PEM einen klaren Fo- kus auf die dafür notwendige Prozess- und Mon- tagetechnik, um das Produkt zu einem mög- lichst kostengünstigen Zielpreis zu realisieren. Insbesondere bei dem Großforschungsprojekt LiVe besteht die übergeordnete Zielsetzung in der Modularisierung des Antriebsstranges, ins- besondere des Batteriesystems, zur optimalen Bedienung unterschiedlicher Kundenbedarfe unter Berücksichtigung einer kostenorientierten Auslegung und Integration. Die Erforschung von modularen Strukturen abgeleitet aus Kunden- anforderungen, die Integration der Module in ein Gesamtfah sowie die Validierun der im Exzellent Battery Cluster MEET Hi-EnD II ausgelegt. Im Bereich der Poly- mer-, Gelpolymer- und auch Hybridelektrolyte in Kombination mit Festelektrolyten sind neue und vielversprechende Ansätze erkennbar. Die Entwicklung geeigneter Verfahren und Prozes- se, die die industrielle Anwendung dieser Mate- rialien, sowie den sicheren Einsatz metallischer Anodenwerkstoffen ermöglichen, sind entschei- dend, um eine Industrialisierung zu befähigen. Sehr aktuell wird in dem Projekt lnnoCase ver-

al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al stärkt mit großformatigen und innovativen Ge- häusekonzepten für Lithium-Ionen-Batterien gearbeitet. Ziel ist es, Vorteile herkömmlicher Gehäusetypen zu vereinen , produktionstechni- sche Vorteile zu ermöglichen und eine höhere Energiedichte zu erreichen . ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • CO N Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe - ISEA, RWTH Aachen University ISEA besteht aus drei Lehrstühlen , welche ge- meinsam die Forschung und Entwicklung in den Bereichen erneuerbare Energien und Elek- trifizierung von Mobilität vorantreiben: Lehr- stuhl für Leistungselektronik und elektrische Antriebe (LEA), Prof. Rik W. Oe Doncker, Lehr- stuhl Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik (ESS), Prof. Dirk Uwe Sauer, Lehrstuhl für Alterungsprozesse und Le- bensdauerprognose von Batterien (ALB), Prof. Egbert Figgemeier, Teil des Hl MS . Diese breite Aufstellung der Forschungsthemen in der Leis- tungselektronik (LEA), Materialforschung (ALB) und Systemintegration und Modeliierung (ESS) erlaubt eine ganzheitliche Erforschung von generell Elektromobilitätsantriebskonzepten und der Batterietechnik im Speziellen. Hierbei forscht das ISEA seit mehreren Jahrzehnten mit über 120 Wissenschaftlern/innen und Ingenieu- ren im Bereich Elektromobilität mit einem durch- schnittlichen Jahresbudget von über 10 Mio. € (Drittmittel). Der Erfolg dieses interdisziplinären Ansatzes wird durch die Bewilligung großer Forschungsprojekte belegt, wie zum Beispiel den Aufbau einer Elektrofahrzeug-Plattform auf Basis eines Audi R8 (BMBF ePerformance, heute Grundlage für den Audi eTron) oder den Aufbau und die wissenschaftliche Betreuung eines 5 MW I 5 MWh Netzspeichers als Leucht- turmprojekt (BMWI M5BAT), welcher im Rah- men der Forschung wettbewerblieh am Markt für Primärregelleistung betrieben wird . Weiter- hin werden innerhalb der gesamten RWTH ko- operativ echtzeitfähige Simulationsmodelle für elektrische Hybridfahrzeuge entwickelt (NRW DUETT). Innerhalb der Batterieaktivitäten des Instituts wer- den vor allem Ansätze untersucht, wie Grundla- genwissen in konkrete Anwendungen übertragen werden kann. Hierbei erfolgen grundlegende Ma- terialuntersuchungen für zukünftige Batterietech- nologien und die Überprüfung auf Eignung für die Anwendung in industriellen Maßstäben. Hier findet Materialerforschung in großen Verbund- projekten statt, wie zum Beispiel im Rahmen der ExcellentBattery Initiative in NRW (BMBF Meet HiEnD II , NRW GrEEn) mit Beteilung des FZJ und der WWU Münster. Das generierte Wissen wird auch in Simulationen zur Alterungsvorhersa- ge übertragen und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht über offene Modellierungswebseiten, mittels welcher Unternehmen Batteriepacklayout betreiben können (www.openbat.de ). Auch die Kombination von Batterietechnologie und Brenn- stoffzellen in z. B. Zügen ist eine Kernkompetenz des Instituts (BMWI X-EMU). Das ISEA ist international für die Verknüpfung von Grundlagenforschung und einem starken Anwen- dungsbezug bekannt. Die Entwicklung von elekt- rischen Wandlern, Batteriemodulen und Modellie- rungssoftware wird häufig durch Prototypenbau begleitet (bei Simulationen zum Beispiel ein Hard- ware-in-the-Loop Prüfstand). Hierzu gehören der Aufbau von Prototypenmodulen und die zugehö- rige Batteriesteuerung. Beides wird im Rahmen des Elektromobilitätslabors NRW (eLAB) an der RWTH untersucht. ln diesem eigens errichteten Gebäude wird zusammen mit kleinen und mittel- ständischen Unternehmen an optimierten Lösun- gen für Batteriesysteme und deren Komponenten gearbeitet und es stehen Anlagen für Prototyping zur Verfügung. Das Konzept der Forschung und Entwicklung vor allem im Bereich der Alterung und Zuverläs- sigkeit elektrochemischer Energiespeicher und Leistungselektronik wurde 2016 durch den Wis- senschaftsrat im Rahmen eines Artikel 91 b-An- trages als sehr positiv bewertet, so dass Mittel des Bundes und des Landes NRW für den Bau eines neuen Forschungszentrums akquiriert werden konnten. Im methodenorientierten For- schungszentrum CARL (s.o.) werden die drei Forschungsebenen Alterung, Zuverlässigkeit und Lebensdauerprognose interdisziplinär und interfakultativ miteinander verknüpft. Auch hier ist die starke Zusammenarbeit der Forschungs- landschaft NRW als deutliche Stärke bewertet

al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E worden. Die Methoden und Verfahren , welche entwickelt werden sollen, dienen als ideale Ausgangspunkte , um in einer Forschungsfabrik Batterie neuartige Materialien und Konzepte auf ein industrielles Level zu skalieren . Hier- 2 bei wird auf 5.000 m ein neues Gebäude im Herzen des Campus der Universität errichtet. Die Grundsteinlegung ist für 2019 geplant. ln dieses neue Forschungszentrum werden auch die Expertisen der Universität Münster im Rah- men des Hl MS , sowie des FZJ im Rahmen der "Jülich Aachen Research Alliance" (JARA) eingebracht. Das Ziel ist es , neue Materialien oder Produktionsverfahren von Materialien und Zellen auf ihre Eignung in der Anwendung ins- besondere in Bezug auf Lebensdauer und Si- cherheit in kurzer Zeit zu charakterisieren. Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • cn N "Die Landesregierung hat in den letzten 10 Jahren rund 100 Mio. € in die Projektförderung und den Aufbau strategischer Forschungsinfrastruk- turen im Kernbereich der Batterie- forschung investiert." Das vorhandene Wissen bringt das Institut auch in die gesellschaftlich-politischen Diskussionen ein, um Politik und Gesellschaft mit fundierten Informationen über die Chancen und Risiken der Energie- und Mobilitätswende in ihrer Entschei- dungstindung zu unterstützen. Dass die Expertise des ISEA den Zeitgeist trifft, ist auch an den Karrierewegen der Nachwuchs- wissenschaftler zu sehen . Mehr als acht ausge- zeichnete Doktoranden des LEA und ESS wurden als Professoren in ganz Deutschland berufen. Obwohl als Institut der Ingenieurwissenschaft sehr umsetzungsorientiert ausgerichtet, ist auch eine hohe wissenschaftliche Anschlussfähigkeit der Forschung gegeben . Das zeigt sich unter anderem an der hohen Zahl von Publikationen und Zitationen (h-lndexGoogleScholar 66, Prof. De Doncker; h-lndexGoogleScholar 51 , Prof. Sauer). Weiterhin ist das ISEA in die leitende wis- senschaftliche Organisation von großen wissen- schaftlichen Konferenzen involviert. Die "Annual International Renewable Energy Storage Con- ference (IRES)" und "Advanced Battery Techno- logies for Automobiles" mit jeweils mehr als 500 Teilnehmern jährlich zählen zu den größten inter- nationalen Konferenzen in Deutschland in ihren jeweiligen Feldern . Die zweite Konferenz wird in Zusammenarbeit mit dem MEET organisiert. DieArbeit des Instituts erfolgt oft eng in der Zusam- menarbeit mit Industrie (ca. 40% der generierten Drittmittel kommen aus direkter lndustriebeauf- tragung , 90% aller Drittmittel in Kooperationspro- jekten mit der Industrie). So kann eine möglichst effiziente Übertragung des Standes der Technik in die Industrie gewährleistet werden . Zusätzlich sind aus dem Institut mehrere Ausgründungen er- folgt. Eng mit der Batterie verbunden sind die Bat- terieingenieure GmbH , die Dienstleistungen rund um das Thema Batterietesting, Qualifizierung, Modeliierung und Beratung anbietet, die ebus- plan GmbH, die Elektrifizierungsstrategien für den öffentlichen Nahverkehr mit Elektrobussen entwickelt, oder die Safion GmbH, die innovative Lösungen für Batteriemanagementsysteme für höchste Zuverlässigkeit und Lebensdauerbestim- mungen in Fahrzeugen anbietet. ln den Vorlesungen zur Batterietechnik des Insti- tuts werden jedes Jahr über 500 Studierende ver- schiedener Fachrichtungen mit den Grundlagen zur Batteriesystemtechnik ausgebildet. Zudem absolvieren jedes Jahr mehr als 60 Studierende ihre Bachelor und Masterarbeiten und werden je- des Jahr rund zehn Mitarbeiterinnen und Mitar- beiter in dem Feld promoviert. Damit ist das ISEA das ausbildungsstärkste Institut in Deutschland für den Bereich Batteriesystemtechnik und trägt ganz wesentlich auch dazu bei, dass die Industrie in Deutschland auf qualifizierten Nachwuchs bau- en und damit diese Geschäftsfelder entwickeln kann . Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling - IME RWTH Aachen University Das IME unter Leitung von Prof. Bernd Friedrich deckt den Themenkreis "circular economy" an der RWTH Aachen wie auch im EIT RawMateri- als für NRW ab. Hierzu erfolgte durch das nord- rhein-westfälische Wissenschaftsministerium in den Jahren 2015 bis 2018 eine erhebliche Auf-

al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E bauförderung mit der Verpflichtung, diesen Be- reich langfristig abzusichern. Der Teilbereich Batterie/WEEE-Recycling macht seit über 20 Jahren über alle Batteriesysteme hinweg einen Kern der Forschungsarbeit am IME aus. Neben über 20 national und international geförderten Projekten arbeitet das Institut insbesondere mit den diversen KMU dieser Branche zusammen, sowohl an der Schnittstelle Aufbereitung/Mate- rialrückgewinnung, als auch in Bereichen des Produktionsaudits, der Effizienzabsicherung wie des "ecological footprints". Die nachhaltige Pro- zessentwicklung einschließlich des Scale-Ups bis in den Tonnenmaßstab ist Kern des Batterie- recycling-Teams. Das Institut ist sehr gut vernetzt und hat diverse Kooperationen, z. B. mit der FH Münster und dem MEET. Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • 0 M "NRW- eine der europaweit leistungs- fähigsten Bildungs- und Forschungs- landschaften: An 70 Hochschulen wird ein Viertel des akademischen Nachwuchses in Deutschland aus- gebildet. Von 760.000 Studierenden allein 285.000 im MINT-Bereich." Im Rahmen des Projektes "Nachhaltige Mobili- tätskonzepte auf Basis von Elektromobilität und Stadtwerkeinfrastrukturen", gefördert durch das BMVI, wurden Veränderungen aufgezeigt, die sich für Fahrzeugbatterievertreiber, Werkstätten, Sammelstellen, Recyclingunternehmen und die Städte durch einen Technologiewechsel hin zur Elektromobilität aus Sicht der End-of-Life-Pro- blematik ergeben. Dabei wurden nicht nur Re- cyclingkonzepte erarbeitet, sondern auch Zweit- nutzungskonzepte samt Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile. Die Entwicklung eines reststoffminimierten und prozessstufenarmen Recyclingprozesses war Ziel des Projektes "Rückgewinnung der Roh- stoffe aus Li-Ionen-Akkumulatoren" (BMBF). Die metallischen Wertkomponenten (Co, Cu , Al , Fe, Li) und das hochwertige Leitsalz aus Lithium-Io- nen-Batterien wurden in eine Form überführt, die den erneuten Einsatz für die Herstellung von Bat- teriematerialien ermöglicht. Zu den innovativen Kernprozessen des Verfahrenskonzeptes zäh- len die quasi-isotherme Vakuumdestillation von Elektrolyten (temperaturempfindliches Leitsalz!) bei gleichzeitiger Deaktivierung der Lithium-Io- nen-Zelle, die Zerkleinerung der Batterien und anschließende Sortierung in ein kohlenstoffhal- tiges Co-Li-Konzentrat sowie Konzentrate von Kupfer und Aluminium. Das Kobalt-Lithium-Kon- zentrat kann bis zum metallischen Lithium auf- gearbeitet werden . Im Rahmen des Projektes "Demonstrationsanla- ge für ein kostenneutrales, ressourceneffizientes Processing ausgedienter Li-Ionen-Batterien der Elektromobilität" (BMU) wurden unter anderem Konzepte mit integrierten Demonstrationsanla- gen zur Steigerung der wirtschaftlichen Akzep- tanz und Wettbewerbsfähigkeit durch Kosten- reduktion realisiert. Anteilig gehören hierzu auch die bisher hohen Entsorgungskosten der Batteriemodule, die bereits in heute verkauften Elektrofahrzeugen entsprechend der erweiterten Produktverantwortung der Automobilhersteller einkalkuliert werden müssen. Ziel des Projektes war für die, im Unterschied zu heute industriell zur Verfügung stehenden und in Entwicklung befindlichen Recyclingverfahren erstmalig ein kostengünstiges Processing mit einer maximier- ten Rückgewinnung der werthaltigen Batteriein- haltsstoffe zu verbinden . NanoEnergieTechnikZentrum - NETZ der Universität Duisburg-Essen (UDE) NETZ unter der Leitung von PD Dr. habil. Hartmut Wiggers arbeitet u. a. auf dem Gebiet der Gas- phasensynthese von Materialien vom Labor- bis in den Technikumsmaßstab. Der Fokus liegt so- wohl auf der Aufklärung grundlegender Fragestel- lungen von Partikelentstehung und-wachstumals auch hinsichtlich des "Designs" neuer Materia- lien und Herstellungsprozesse. Am NETZ stehen dazu eine Kombination an Syntheseanlagen vom Labor- bis in den Pilotmaßstab zur Verfügung, die sowohl sicherheitstechnisch als auch bezüglich der erzielbaren Reinheilen den Anforderungen an Industrieprozesse genügen . Die Übertragung in den Industriemaßstab wurde in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen bereits erfolgreich ge- zeigt und ist Gegenstand aktueller Kooperationen

al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: im Kontext von Batteriematerialien. Auf Basis des an der UDE gewonnenen Verständnisses wurde 2017 die Firma HSWmaterials als Spin-off ge- gründet, die ebenfalls aktuell spezifische Prozes- se für die Herstellung von Batteriematerialien ent- wickelt. Ein weiterer Schwerpunkt der laufenden Arbeiten am NETZ ist die Funktionalisierung und Verarbeitung der primären Aktivmaterialien zu einsetzbaren Stand-alone- und Drop-in-Materia- lien für die Batterieforschung und -entwicklung. 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • Weiterhin fokussiert sich das NETZ auf die Her- stellung und Verarbeitung von Silizium-basierten Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Dabei ist es gelungen, die Prozesstechnik so weit zu entwickeln , dass aktuell mit einem nam- haften Spezialchemie-Hersteller aus NRW die großtechnische Umsetzung erforscht wird . Als nanoskalige Kathodenmaterialien wurden erfolg- reich Lithium-Eisenphosphate sowie Lithium-Ei- sen-Mangan-Phosphate hergestellt, die sich durch gute Kapazitäten und hervorragende Hoch- stromfähigkeit auszeichneten. ..... M Die FFB bietet ideale Voraussetzungen , die be- reits guten Qualitäten der bisher an der UDE her- stellbaren Aktivmaterialien weiter zu verbessern und gemeinsam mit den dort beteiligten Gruppen zu qualifizieren. Für entsprechende Untersuchun- gen können Chargen von mehreren Kilogramm Aktivmaterial bereitgestellt und in Kooperation mit den Partnern weiterentwickelt werden . Weitere ausgewählte Forschungseinrichtungen in NRW Das Fraunhofer Institut für Produktionstech- nologie (I PT) in Aachen arbeitet auf einem breiten Anwendungsspektrum in der Produktionstechnik. Das Themenfeld Energiespeicher, hier speziell Li- thium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren wird von der Elektrodenfertigung über die Anwen- dung unterschiedlicher Rolle-zu-Rolle-Verfahren bis hin zu Entwicklung und Aufbau vollständiger, industriell einsatzfähiger Sondermaschinen be- arbeitet. Das Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen hat sich auf die Lasertechnik speziali- siert und arbeitet neben der sehr starken Ausprä- gung im metallischen 3D-Druck sehr stark an der Lasertechnik in der Batterieproduktion. Hierbei werden Themen von der Elektrodenseparierung und -kontaktierung bis hin zur Zellkontaktierung adressiert . An der UDE ist das Center Automotive Re- search (CAR) angesiedelt, welches mit seinen sechs Lehrstühlen und rund 100 Mitarbeitern die folgenden Schwerpunkte im Bereich dynami- schen bis disruptiven Wandels in der Automobil- branche bearbeitet: ökonomische Zusammen- hänge in der Automobilindustrie, Mechatronik, Energietransport und Energiespeicherung , Em- bedded Systems in der Informatik, Verbrennung und Gasdynamik sowie Erforschung verteilter Systeme und deren Sicherheit. Das Institut für Energiesysteme und Energie- wirtschaft der Hochschule Ruhr-West in Bott- rap beschäftigt sich mit den Grundlagen der Energietechnik und Energiesysteme und hier im speziellen mit Energieeffizienz und erneuerbaren Energien sowie der intelligenten Mobilität, Mobili- tätskonzepten und der Elektromobilität Am Westfälischen Energieinstitut der Westfä- lischen Hochschule in Gelsenkirchen werden neuartige Zellkonzepte auf Basis der hydrauli- schen Verpressung entwickelt. Diese Systeme bieten Vorteile sowohl bei der Kühlung als auch bei druckdynamischen Anwendungen . Im Bereich der Grundlagenforschung ist auch der Lehrstuhl "Eiektroanalytik und Sensorik" an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) mit rund 35 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, hier speziell die Arbeiten im Bereich der Elektrochemischen Scan-Mikroskopie (SECM), hervorzuheben . Ebenfalls an der RUß angesiedelt ist die For- schungsgruppe für Elektrochemie & Nanoskalige Materialien, welche mit einem Team aus rund 25 Mitarbeiter im Bereich Elektrochemie und nano- skaligen Materialien forscht. Das Max-Pianck-lnstitut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf hat Erfahrungen im Bereich der Grundlagenforschung zu Lithium-Ionen-Bat- terien . Hier stehen unter anderem Silizium-ba- sierte Anoden im Fokus. Mit Hilfe von Nanodräh- ten aus Gold und Silizium als Modellsystem wird

al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • N M das Legierungsverhalten mit Lithium mit Hilfe der Hochenergie-Synchrotron-Quelle PETRA3 studiert und so wichtige Grundlagen für die Op- timierung und Nutzung Silizium-basierter Anoden gelegt. Am Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicher- heits- und Energietechnik (UMSICHT) in Ober- hausen werden Themen zur nachhaltigen Ener- gie- und Rohstoffwirtschaft erarbeitet. Zu den Kompetenzfeldern gehören u. a. elektrochemi- sche und chemische Energiespeicher. Bei den elektrochemischen Energiespeichern stehen die Batterieentwicklung und -fertigung im Fokus. Kern der Forschung sind bipolar aufgebaute Bat- teriespeicher. Ferner werden Batteriesysteme, das Stackdesign und auch optimierte Materialien entwickelt. ln der Region Ostwestfalen-Lippe hat sich ein Hotspot der Industrie 4.0 und Automatisierung etabliert. Beispielhaft sind hier die Universität Bielefeld , Universität Paderborn, die Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe, das Fraunho- fer-lnstitut für Entwurfstechnik und Mechatronik (IEM) und das Fraunhofer-lnstitut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) zu nennen. Die Stärke dieser Region in den Indus- triethemen der Zukunft spiegelt sich auch im Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnolo- gie (CITEC) samt integrierter Graduiertenschu- le, dem Technologienetzwerk "it's OWL", in dem über 200 Firmen , Forschungseinrichtungen und Organisationen für intelligente Produktionsver- fahren zusammenarbeiten und der SmartFactory- OWLwider. 3.2 Innovation und Mut: Global Player und Hidden Champions prägen Europas größte Industrie- nation Die facettenreiche Industrielandschaft NRW ist Garant für das Gelingen der FFB. Ein starker, hochinnovativer Mittelstand mit vielen , exzel- lenten Zulieferem für die Automobilindustrie gehört ebenso dazu wie der Maschinen- und Anlagenbau als Grundlage für jede Produktion . Weltweit operierende Unternehmen aus den Bereichen Energie, Chemie, Handel , Logis- tik und viele weitere Branchen sind potentiel- le Nutzer und Nachfrager für das Konzept der FFB . Technische Lösungen aus NRW sind welt- weit gefragt. Dabei kann das Land auf etablier- te Weltmarken ebenso wie auf zahlreiche , jun- ge, innovative Unternehmen bauen , die Ideen, Konzepte und Forschungsergebnisse der FFB schnell und zielgerichtet in Produkte und Pro- duktionsverfahren umsetzen . Dazu zählt auch, aber sicher nicht nur das Marktsegment der elektrifizierten Mobilitätslösungen. Von Anfang an sollen auch nachhaltige Lösun- gen im Fokus der Forschung stehen, die den gesamten Lebenszyklus der Batterie-(zellen) im Blick hat. Deshalb wollen und werden auch leistungsfähige kompetente Recyclingunter- nehmen die Potenziale der FFB nutzen , sodass in NRW eine wirtschaftliche , konkurrenzfähige und nachhaltige FFB für ganz Deutschland rea- lisiert werden kann . NRW- industrielles Kernland der Bundesrepublik Das Land NRW stellt mit einem Anteil von 21 % an der gesamten Wirtschaftsleistung der Bun- desrepublik Deutschland im Jahr 2018 einen entscheidenden Wachstumsmotor für die Ent- wicklungen im Themenfeld der Batteriepro- duktion dar. Insbesondere der außerordentlich dominante Mittelstand trägt zur Stärkung der lo- kalen Batterieproduktion bei. So haben entlang des gesamten Wertschöpfungskreislaufs indus- trielle Partner aus allen relevanten Themenge- bieten und Branchen, explizit dem Maschinen- und Anlagenbau , Digitalisierungsunternehmen, Dienstleister, Recyclingunternehmen , Energie- lieferanten , Automobilhersteller und anderen Lithium-Ionen-Batteriezellen-Abnehmern sowie Komponentenlieferanten die große Bedeutung der FFB für sich und das Land NRW bekräftigt, ihr Interesse an einer aktiven Unterstützung die- ses Vorhabens sowie ihre Mitwirkung bekundet und dies mit aussagekräftigen LOis untermauert. Damit kann der vollständige Wertschöpfungs- kreislauf in NRW realisiert werden . Dies bildet eine hervorragende Basis für deutschlandweite Aktivitäten rund um die FFB.

al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E Schlüssel zur Unterstützung des Aufbaus und des Betriebs einer FFB ist die Innovationskraft der jeweiligen Region. Hierzu ist es erforder- lich sowohl innerhalb relevanter Branchen als auch branchenübergreifend die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten und den Wis- sens- und Technologietransfer und damit die Nutzung von Innovationen auszubauen. Sy- nergien durch die Vernetzung klassischer In- dustrie, des Mittelstandes, der Hochschulen und der innovativen Start-ups, die intensive Kooperationen von Wissenschaft und For- schung mit der Wirtschaft sowie der inter- und transdisziplinäre Austausch kreativer Köpfe setzen darüber hinaus vielfältige Impulse für neue Innovationen entlang der Wertschöp- fungskette "Batterie" frei. Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • M M Vor diesem Hintergrund kommen den F&E-An- strengungen im Bereich der Batterieforschung und Produktionsforschung besondere Bedeu- tung zu. Für NRW lassen sich insgesamt rd. 1 2.800 Personen als F&E-Personal in den ein- schlägigen Branchen der wertschöpfungsket- te "Batterie" identifizieren. Demnach entfallen 14% des deutschlandweit relevanten F&E-Per- e sonals auf NRW. Bei Betrachtung der internen F&E-Aufwendungen mit Bezug auf das Thema "Batterie" entfallen rd. 370 Mio. € auf Unter- 1 nehmen aus NRW • 1 Quelle: Eigene Berechnun g, basieren d auf der Wissenschaftsstati sti k des Stifterverbands, Annahme des Anteil s des batteriereleva nten F&E-Per- sonals (1- 10 Prozent I als Vollzeitäquiva lente) in den WZ 20 , 22-29 nach Einschätzung relevanter Branchenvertreter. Vorreiter im Bereich der Elektromobilität durch innovative Start-ups Im Land NRW wurde eine Infrastruktur aus dem universitären und industriellen Umfeld geschaf- fen , welches es neuen Ideen ermöglicht, trotz eines sehr volatilen Marktes und großer etablier- ter Konkurrenz, den Markt zu erschließen. Be- zogen auf die Automobilindustrie konnten hier- bei neben den etablierten Herstellern wie Ford in Köln und Daimler mit einem Werk in Düssel- dorf insbesondere durch Newcomer wie Street- Scooter (LOI) und die e.GO Mobile AG (LOI) zwei Erfolgsgeschichten aus dem Land NRW im Bereich der elektrifizierten Fahrzeugherstel- ler geschrieben werden . Dies ist im Besonderen interessant bei der Langzeitbetrachtung der Bat- • Ab 1OOOkg Nutzlast Bis 999kg Nutzlast Neuzulassungen des Streetscooter der Deutschen Post 7.000 6.000 5.000 · .... .. .... ...... .. . ······· 4.000 · 3.000 2.000 1.000 0 2010 2011 2012 €)(!)0 @Statista_com Quelle: Kraftfahrtbundesamt 2013 2014 2015 2016 2017 statista § Abbildung 3.2.A: Bestand der E-LKWs in Deutschland im Vergleich zu clen Neuzulassungen des Streetscooters (Quelle: Kraftfahrtbundesamt)

lll u.. u.. .!!! 't:J ...::I ....!!! Vl ns lll .!!!. ns Q) ·;:: ....Vl :I 't:J c: 't:J c: :I Cl c: :I ~ (.) I!! 0 u.. teriezellen. Hervorgerufen durch die Elektromo- bilität wurde durch die ansässigen neuen Player ein großer Vorsprung hinsichtlich der Elektrifizie- rung von verschiedenen Mobilitätslösungen er- arbeitet. Im Fall der Nutzfahrzeuge steigt die An- zahl der elektrisch betriebenen Lastkraftwagen bereits seit dem Jahr 2012 rapide an. Vor allem in der Klasse bis 999 Kilogramm haben E-LKW ihren perfekten Einsatzort gefunden. Vergleicht man den Bestand mit den jährlichen Neuzu- lassungen des StreetScooters der Deutschen Post, wird der Erfolg des ehemaligen Start-ups der RWTH Aachen in NRW besonders deutlich (siehe Abb. 3.2.A). _;.: .~ iii E Q) .:li: ... :ns ....E Qj ~ Q) Q "; • Für die Produktion der StreetScooter wurden ein Werk in Aachen und eines in Düren errich- tet, die beide zusammen einen Output von ins- gesamt 20.000 Fahrzeugen im Jahr ermögli- chen. Das neue Werk umfasst ein Gelände von 78.000 Quadratmeter. Das vorhandene Know- how im Bereich der Produktionsplanung am Standort Aachen hat wesentlich dazu beigetra- gen, die Fahrzeuge in dieser hohen Geschwin- digkeit produktionstechnisch mehr als wettbe- werbsfähig zu den großen Automobilmarken zu positionieren. Dieses wertvolle Wissen wurde in der Folge für die Entwicklung und Umsetzung des elek- trifizierten Personenkraftwagens des Start-ups e.GO Mobile AG genutzt. Zu dem Unterneh- merischen Portfolio zählen verschiedene Mo- bilitätskonzepte, von elektrifizierten Karts über Elektroautos bis hin zu autonomen elektrifi- Kieinbussen. Auf dem RWTH Aachen icht nur von dem Vorreiter- projekt StreetScooter, sie nutzen auch das ein- zigartige Netzwerk des RWTH Aachen Campus mit seinen Forschungseinrichtungen und ca. 360 Technologieunternehmen. ln agilen Teams wird an verschiedenen kostengünstigen und kundenorientierten Elektrofahrzeugen für den Kurzstreckenverkehr gearbeitet. Aktuell be- findet sich das eigens dafür aufgebaute e.GO Werk in Aachen nach abgeschlossener Anlauf- phase in der Produktionsphase des e.GO Life. ln Summe konnte damit der e.GO Life von der Produktentwicklung über die Produktionspla- nung und Umsetzung bis zur Anlaufphase in- nerhalb von vier Jahren in ein konkurrenzfähi- ges Serienprodukt umgewandelt werden . Damit kann der Standort NRW bereits zwei Er- folgsgeschichten in dem Bereich der digitalen und aufwandsarmen E-Fahrzeug-Produktion - insbesondere in der Automobilindustrie - vor- weisen, die durch die exzellente Produktionstech- nik aus NRW ermöglicht wurden. Dieses Wissen stellt ein USP des NRW-Konsortiums dar und er- möglicht es, die FFB am Standort NRW zu einer weiteren Erfolgsgeschichte Deutschlands zu machen. Darüber hinaus ist in Zusammenarbeit mit den Partnern, hier speziell auch der Bundes- anstalt für Materialprüfung (LOI), welche die Zellen dem entsprechend notwendigen Zertifi- zierungsprozess unterziehen kann, vorstellbar, eine Integration und Untersuchung der Batterie- zellen in unterschiedlichen Prototypen zu ermög- lichen. Dazu zählen neben stationären Speichern zum Ausgleich von Peak-Leistun n an Lade- säulen OP.ISOI,P.IS1i/IIP.I Die Anwendung und Prüfung von alternati- ven Zelldesigns sowie neuen Technologien (Zell- format, Zellchemie, Zelltechnologie, etc.) und die aufwandsarme Überführung in die Serie stellen damit konkrete Ziele der Zusammenarbeit dar. Hierdurch wird ein potentieller Wettbewerbsvor- teil gegenüber der Konkurrenz erwartet. Neben den Endanwendern sind des Weiteren die Batteriemodul- und Batteriepackhersteller für eine wettbewerbsfähige und sich amortisie- rende FFB notwendig. Hierbei können Ideen aus der Forschungsfertigung direkt in die Aus- legung der Batteriemodule und -packs gespie- gelt werden. Bedingt durch montagegerechte Auslegungen und produktspezifische Prämis- sen können Vorgaben aus der Montage direkt in der FFB adressiert und so ein industriena- hes Produkt entwickelt und optimiert werden. Durch die enge Zusammenarbeit der Akteure am Markt kann frühzeitig auf Restriktionen rund um die Auslegung der Batteriezelle reagiert werden. Hier spielen neben den technischen Anforderungen - vorgegeben durch die Auto- mobilhersteller - auch ein montageoptimiertes Produktdesign wesentlich zur Wettbewerbs-

al LL. LL. .!!! 'tl - ... :::I .!!! t/) ns al ~ ns Cl> ·;: u; ::I 'tl c: 'tl c: ::I Cl c: ::I .r:: (.) ~ 0 LL. _;.: .!:! iii E Cl> ~ ... :ns ....E Q; ;: Cl> c ,.; • L() M fähigkeit eines Batteriesystementwicklers bei. Der Standort NRW kann auf verschiedene Bat- terieengineering Unternehmen wie Voltabox (LOI), Futavis GmbH (LOI) und AVL Schrick (LOI), als auch Batteriemontageplanungsunter- nehmen wie Benteler International AG (LOI) setzen . Nur durch eine gemeinsame Entwick- lung geeigneter Lösungen kann am Ende ein wettbewerbsfähiges Produkt erzeugt werden . Hierbei ist der unvoreingenommene Blick auf den Use-Case und die Risikobereitschaft, neue Wege zu gehen , wie es erfolgreich mit Street- Scooter und e.GO Mobile AG gemacht wird , eine wertvolle Kompetenz des NRW Standorts. Ein diversifizierter Absatzmarkt, der nicht nur durch die Automobilindustrie geprägt ist Ein elementarer Baustein einer erfolgreichen Batteriezellfertigung sind die Abnehmerstruk- turen der Batteriezellen. Hierbei wird häufig vernachlässigt, dass neben der Automobil- industrie auch die lntralogistik, Power- und Garten-Tools , E-Bikes, Energy Storage Sys- tems ("stationäre Speicher") sowie die Medizin- technik potentielle Abnehmer darstellen . Auch die Untersuchung der Batteriezellen in konkre- ten Use-Cases kann mit Hilfe von strategischen Partnern aus dem Land NRW ermöglicht wer- den. Die Integration der Abnehmer in die FFB birgt aufgrund von verschiedenen Faktoren ein hohes Potential. Durch die hohen Abhängigkei- ten von asiatischen Zellherstellern ist es aktuell nicht möglich, Einfluss auf die Zellauslegung zu nehmen , insbesondere, weil die deutschen Abnehmer nicht das notwendige Know-how besitzen. Ein Wissenstransfer von der FFB zu potentiellen deutschen Endanwendern der Lithium-Ionen-Batteriezellen befähigt damit diese zu einer potentiellen Einflussnahme auf die Zellauslegung und -produktion . So werden die Endanwender befähigt, eigene Batterie- zelldesigns zu entwickeln und im Rahmen der FFB die Vorteile des eigenen Designs gegen- über der Konkurrenz zu validieren. Dies stellt aktuell bezogen auf die Wettbewerbsfähigkeit am Markt eine große Chance der Endanwen- der dar. NRW zeichnet sich durch sehr starkes Know-how im Automobilmarkt der elektrifizier- ten Fahrzeuge aus. Der Markt der Kraftwagen und Kraftwagenteile (Nace-Code 29) ist in NRW geprägt durch rund 237 Unternehmen (ca. 18 % NRW-Anteil am dt. Markt) und beschäftigt rund 83.000 Mitarbeiter (ca. 10 %). Etablierte Fahrzeughersteller wie Daimler in Düsseldorf und Ford in Köln haben ihre Produktionsstandorte in NRW errichtet. Er- gänzt um die Zulieferunternehmen sind in NRW insgesamt 800 Unternehmen mit über 200.000 Beschäftigten tätig . Ergänzend sind fast ein Drit- tel aller deutschen Zuliefererbetriebe in NRW angesiedelt (z. B. Benteler und Hella). Neben etablierten Herstellern sind die neuen Player im Elektroautomarkt zu nennen (StreetScooter und e.GO Mobile AG , s.o.). Die Elektroindustrie in NRW ist mit rund 1.100 Unternehmen und fast 160.000 Beschäftigten der drittgrößte lndustriearbeitgeber. 2018 wurde ein Umsatz von über 37 Mrd. € erzielt. Lithium- Ionen-Batterien werden in der Elektroindustrie in vielen Bereichen eingesetzt. Stationäre Speichersysteme sind elementar für die Stabilisierung und Speicherung sowie die störungsfreie Einspeisung von erneuerbaren Energien in die Netze. Die Speichersysteme sind überall unabdingbar, wo eine unterbrechungs- freie Stromversorgung, erforderlich ist. Das sind u. a. auch Krankenhäuser, Rechenzentren , Tele- kommunikations- und Mobilfunkstationen . Auch empfindliche digitale Systeme sind auf eine un- terbrechungsfreie Stromversorgung angewiesen . Mit fortschreitender Digitalisierung wächst auch die Bedeutung für Speichersysteme in diesem Bereich. Die wichtigsten nordrhein-wesfälischen Akteure sind die Unternehmen Schneider Elec- tric, Weidmüller, Phoenix Contact und Eaton. Auch für gebäudenah erzeugten Strom (PV-An- lagen, Wärmepumpen etc.) sind Pufferspeicher notwendig. Darüber hinaus sind weite Bereiche in der Gebäudeautomation und Gebäudeinstallation auf stationäre Speichersysteme angewiesen. Die nordrhein-westfälischen Hersteller dieser Produk- te generieren rund die Hälfte des bundesweiten Umsatzes in diesem Bereich. Beispielhaft zu nen- nen sind Schneider-Eiectric, Phoenix Contact, Weidmüller, BuschJäger/ABB sowie zahlreiche Mittelständler.