Technologie

Mit Volldampf ins Batteriezeitalter

30.03.2021 - Digitalisierung der gesamten Produktion sorgt für leistungsfähige und umweltschonende Batteriezellen.

Smartphone, Gabelstapler, Elektroauto – effektive Energiespeicher sind unerlässlich, um von fossilen Energieträgern auf sauberen Strom umsteigen zu können. Das Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktions­technik und Automatisierung IPA hat nun zusammen mit Partnern ein Projekt gestartet, das die Produktion von Batterie­zellen kostengünstiger machen und deren Qualität verbessern soll. 
 

Das Ziel ist eine vollautomatische Produktion, die nicht nur fehlerhafte Werkstücke erkennt, sondern auch die Ursache dafür – und ohne Eingriff eines Menschen unverzüglich gegensteuert. Das ist nur möglich, wenn die gesamte Prozesskette digitalisiert ist und Sensoren zahllose Daten sammeln. In dieser Zukunftsfabrik wird alles erfasst: von den Einstellungen aller Maschinen über die Dicke der aufgetragenen Beschichtung bis zu Raum­temperatur und Luft­feuchtigkeit. Um im Datendschungel sinnvolle Zusammenhänge zu finden, braucht man künstliche Intelligenz. Sie ermittelt, bei welchen Einstellungen und Parametern mit welchem Ergebnis zu rechnen ist.

DigiBattPro4.0 steht für digitalisierte Batterie­zellen­produktion mit Industrie-4.0-Technologien. Das Ziel des Projekts lässt sich freilich nicht im Labor erreichen. Für belastbare Ergebnisse braucht es eine reale Fertigung mit hohen Stückzahlen. Das ermöglicht der baden-württem­bergische Batterie­konzern Varta, der täglich zehntausende Batterien produziert. Hier werden die Fraunhofer-Experten zunächst alle Maschinen vernetzen und ein Computer­modell erstellen. Der gesamte Produktions­prozess läuft dann nicht nur real ab, sondern auch virtuell. Das Modell soll zeigen, wie die Prozessgrößen die Produkt­eigenschaften beeinflussen, wo sich also Verbesserungen erreichen lassen – die Vorstufe zur selbst­regelnden Fabrikation.

Was in der Bestands­produktions­linie gelingt, soll im nächsten Schritt auf Lithium-Ionen-Batterien übertragen werden, wie sie etwa in Elektroautos stecken. Die Standardzellen sind zylinder­förmig und messen 70 Millimeter in der Höhe und 21 Millimeter im Durchmesser. Experten sprechen vom 21700-Format. Das Projekt soll am Ende seiner Laufzeit die Voraussetzungen schaffen, um solche Zellen vollautomatisch mit Hilfe selbstregelnder störungsfreier Prozesse zu fertigen und damit Durchlauf­zeiten zu verkürzen und Ausschuss zu reduzieren.

Die Zellen sollen auch durch neue Materialien leistungsfähiger und der Herstellungs­prozess umweltschonender werden: Ein wässriges Kathoden­material ersetzt das umwelt­schädliche Lösungsmittel, außerdem erhöht ein angereicherter Nickel­anteil die Energiedichte.

Die Verknüpfung von Digitalisierung und Material­entwicklung, an der neben dem Fraunhofer-Institut und Varta auch das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW beteiligt ist, gewähr­leistet rasche Ergebnisse. Das Projekt ist am 1. März angelaufen und soll vier Jahre laufen. „Langfristig werden die entwickelten Digitalisierungs­lösungen die Wirtschaftlichkeit der Batteriezellen¬produktion fördern und den Produktions­standort Deutschland sichern“, ist IPA-Institutsleiter Alexander Sauer überzeugt.

Fh.-IPA / DE
 

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