Daten- und Sensoren-basierte Manufaktur von Batteriezellen

Im Verbundvorhaben „Daten- und Sensoren-basierte Manufaktur von Batteriezellen“ (DORSMAN) wird untersucht, wie die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ressourcenschonender und schneller erfolgen kann. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMBF) gefördert (FKZ: 03XP0633A). Neben Siemens als Koordinator sind die BioLogic Science Instruments GmbH, das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) an der Technische Universität München und das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) an der RWTH Aachen University beteiligt. Übergeordnetes Ziel ist es, mittels innovativer Sensorik und Digitalisierung die Batterieproduktion zu beschleunigen.

Batterien sind notwendig, damit die Energie- und Mobilitätswende gelingt. Jedoch ist der Produktionsprozess langwierig, die Ausschussrate hoch, die Qualität der Batterien variiert und kann nur mit aufwendigen Messverfahren zuverlässig festgestellt werden. Insbesondere die letzte Phase im Herstellungsprozess, die Zellfinalisierung, nimmt viel Zeit in Anspruch. Die Finalisierung umfasst mehrere Prozessschritte. Die Benetzung, bei der sich der Elektrolyt in der Batterie verteilt, die Formierung, bei der die Batterie erstmals ge- und entladen wird und die Messung der Selbstentladung sind besonders zeitintensiv. Dies kommt zustande, da der Prozessfortschritt mit den derzeit zur Verfügung stehenden Mitteln nicht überwacht werden kann und daher pauschale Pausenzeiten notwendig sind.

DORSMAN adressiert genau diesen Aspekt des Produktionsprozesses. Es werden neuartige Sensoren in die Produktionsanlage integriert, die tiefere Einblicke in die elektrochemischen Prozesse in der Zelle ermöglichen. Darüber hinaus sollen Messverfahren zur Bestimmung der Selbstentladerate weiterentwickelt werden. Nach derzeitigem Stand der Technik dauern diese Messungen mehrere Tage bis Wochen. Erforscht wird, wie mit geeigneter Messtechnik und Datenauswertung die Messdauer reduziert werden kann.

Bisher wurden die Sensoren und Messverfahren nur auf Labormaßstab demonstriert. Im Rahmen von DORSMAN sollen in Kooperation zwischen Forschungsinstituten und der Industrie die hier erzielten Ergebnisse in industrielle Anwendung gebracht werden. Für die Produktionsanlage wird eine digitale Infrastruktur aufgebaut, die Grundlage einer onlinefähigen Regelung der Prozesse anhand der Messdaten erlaubt. Die Projektpartner implementieren die entwickelten Lösungen in einer Pilotanlag, in der sie getestet werden. Danach werden in mehreren Produktionskampagnen Batterien produziert und anhand der aufgenommenen Messwerte Anpassungen am Produktionsprozess vorgenommen. Bei erfolgreicher Umsetzung wird es möglich sein, die Sensorik und Messvorrichtungen in industriellen Fertigungsanlagen zu integrieren.