Elektromobilität und damit auch mobile Speichertechnologien werden immer wichtiger. Auch stationäre Speicher, zum Beispiel für die Integration von erneuerbaren Energien im Rahmen von Smart Grids, gewinnen an Bedeutung. Eine Herausforderung der steigenden Nachfrage ist deren wirtschaftliche und ökologische Herstellung. Die Battery LabFactory (BLB) an der Technischen Universität Braunschweig analysiert deshalb im Forschungsprojekt DaLion 4.0 die Prozesse und Einflussfaktoren bei der Herstellung von Batteriezellen.
Die Herstellung von Batterien – insbesondere der Batteriezellen – ist energie- und kostenintensiv. Voraussetzung für eine umweltverträgliche und kosteneffiziente Batterieproduktion ist es, dass die Wechselwirkungen zwischen den Batterierohstoffen und -materialien, den Produktionsprozessen und den Umgebungsbedingungen einer Batteriezellfabrik im Detail verstanden werden.
Schematische Darstellung der Batteriezellproduktion und Ansatzpunkte des Projektes. Grafik: Sebastian Thiede, Artem Turetskyy, Jacob Wessel/ IWF TU Braunschweig
In den letzten drei Jahren haben Wissenschaftler*innen der BLB die gesamte Produktionsprozesskette – vom Material bis zur fertigen Zelle – auf Basis umfangreicher Datenerfassung analysiert und modelliert. Während der einzelnen Herstellungsschritte wurden die Produktionsdaten systematisch erfasst und in einem dafür entwickelten Data Warehouse gespeichert. Der Einsatz von Data-Mining-Algorithmen kombiniert mit Simulationen ermöglichte eine umfassende Analyse der Daten und eine Bewertung der Prozesse zur Herstellung von Batteriezellen.
So konnten zum Beispiel über die gesamte Prozesskette die wichtigsten Einflüsse auf Batteriezelleigenschaften wie Kapazität, Schnellladefähigkeit und Lebensdauer identifiziert werden. Auf diese Weise können die Wissenschaftler*innen künftig Produktgestaltung und Produktionsparameter mit Blick auf technisch-wirtschaftliche und ökologische Zielgrößen ausrichten. „Aufbauend auf den Ergebnissen von DaLion konnten wir ein tiefergehendes Verständnis über die Wechselwirkungen in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien gewinnen“, sagt Professor Arno Kwade vom Institut für Partikeltechnik (IPAT) an der TU Braunschweig.
Data-Mining als Basis cyber-physischer Systeme in der Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen
Ziel des Folgeprojekts DaLion 4.0 ist neben einer noch tiefergehenden Analyse der Batterieproduktion vor allem die Überführung der Erkenntnisse in Technologien, Methoden und Werkzeuge für eine intelligente Batteriezellproduktion. „Mit dem Projekt DaLion 4.0 haben wir die Chance, Industrie 4.0-Ansätze für die Batteriezellproduktion zu erschließen und in Lösungen für die Planung und den Betrieb von Batteriefabriken zu überführen“, sagt Professor Christoph Herrmann vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) an der TU Braunschweig. Dazu entwickeln die am Projekt Beteiligten den Ansatz cyber-physischer Produktionssysteme weiter und integrieren diesen in die Produktion von Batteriezellen. Dieser umfasst die Entwicklung von virtuellen Modellen, zum Beispiel auf Basis von selbstlernenden Machine-Learning-Verfahren, und deren Verknüpfung mit Echtzeitdaten zur verbesserten Regelung der Batterieproduktion.
Weitere Schwerpunkte liegen in der Entwicklung und Validierung neuer Konzepte für das „Tracking and Tracing“ (Rückverfolgen) von Batteriezellen sowie von modellunterstützten In-line-Messstellen zur Beurteilung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit der Batteriezellen bereits während der Produktion.
An DaLion 4.0 ist die TU Braunschweig mit sechs Instituten aus den Bereichen Maschinenbau, Elektrotechnik und Chemie beteiligt. Das Projektkonsortium umfasst darüber hinaus mehrere Industriepartner sowie weitere assoziierte Partner. Das Projekt wird durch das BMWi von Januar 2019 bis Dezember 2021 mit 4,4 Mio. EUR gefördert und vom Projektträger Jülich betreut. Teilnehmer TU Braunschweig:
- Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF, Prof. Herrmann und Prof. Dröder)
- Institut für Partikeltechnik (iPAT, Prof. Arno Kwade)
- Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs, Prof. Klaus Dilger)
- Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik (InES, Prof. Ulrike Krewer)
- Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen (elenia, Prof. Michael Kurrat)
- Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie (IÖNC, Prof. Uwe Schröder)
Das vorangegangene Projekt DaLion 2.0 wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) von Dezember 2015 bis November 2018 mit 3,1 Mio. EUR gefördert.
Weitere Artikel zum Thema „Batterieforschung“
