EV-Batteriezellen 44 Millionen € für die intelligente Produktion

Von Gerd Kucera

Um in der E-Mobilität voranzukommen, ist insbesondere in der Batterieherstellung noch viel Forschungsarbeit zu leisten. Denn bisher kommen laut BMBF die meisten Batterien aus Asien, während nicht eine einzige Batteriezelle der heutigen E-Autos in Deutschland produziert werde. Daher sei es wichtig, exzellente Forschung und Produktion zusammenzubringen. Digitalisierung und Industrie 4.0 sollen helfen.

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Das Bild zeigt die Optimierung des Kalandrierprozesses (Einstellung der Eigenschaften von Batterieelektroden) mit den Methoden des Maschinellen Lernens.
Das Bild zeigt die Optimierung des Kalandrierprozesses (Einstellung der Eigenschaften von Batterieelektroden) mit den Methoden des Maschinellen Lernens.
(Bild: Markus Breig, KIT)

Schnell, kostengünstig, wandlungsfähig und mit hoher Produktqualität, das sind die Anforderungen an die künftige Herstellung von Batteriezellen. Das Batterie-Kompetenzcluster Intelligente Batteriezellproduktion (InZePro) wird vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert. Es hat zum Ziel, Produktionssysteme ganzheitlich zu optimieren und sie flexibler hinsichtlich Menge, Format, Material und eingesetzter Technologie zu machen. Gelingen könne dies etwa durch prozessübergreifende, datengetriebene Optimierungsansätze sowie Industrie-4.0-Lösungen.

44 Mio. € Forschungsförderung in der Produktion

Batteriezellen müssen am Standort Deutschland künftig in Klein-, Mittel- und Großserie für verschiedene Anwendungen und Märkte wirtschaftlich herstellbar sein, um den Anforderungen gerecht zu werden. Zudem gilt es, innovative Ansätze zu entwickeln, so das KIT, um die Produktivität zu steigern und zugleich die Produktionskosten zu senken. Hier setzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt rund 44 Mio. € geförderte Kompetenzcluster zur Intelligenten Batteriezellproduktion (InZePro) an.

Die an InZePro beteiligten Forschungsprojekte haben erste Ergebnisse erarbeitet, meldet das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Schwerpunkte lagen dabei auf agiler Anlagentechnik, auf der Digitalisierung einzelner Produktionsschritte und des gesamten Produktionssystems sowie auf virtuellen Produktionssystemen und KI in der Produktion.

Digitalisierung und Industrie 4.0 für die Zellenherstellung

Als Handreichung zur Digitalisierung in der Batteriezellfertigung wurden „Werkzeugkästen“ zu den Themenfeldern Maschinen- und Anlagentechnik, Prozesstechnik, Planung, Steuerung und Logistik sowie Qualitätsmanagement erstellt. Diese sollen die vorhandenen technischen und organisatorischen Ansätze von Industrie 4.0 in der Batteriezellfertigung bewerten und weiterentwickeln. Ziel ist es, die systematische Umsetzung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Batteriezellfertigung zu beschleunigen: Unternehmen sollen damit künftig die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Batteriezellproduktion schnell und effizient steigern. Zum Abschluss des Projekts sollen die Ergebnisse in einem Leitfaden zusammengefasst und veröffentlicht werden.

Digitaler Zwilling und Maschinelles Lernen

Zudem wurde gezeigt, dass sich beispielsweise mit einem digitalen Zwilling verschiedene Zukunftsszenarien und deren Auswirkungen auf ein flexibles Batterieproduktionssystem untersuchen und bewerten lassen. Der digitale Zwilling könne hierbei als eine Art betriebsbegleitende Simulation zur Planung und Steuerung verstanden werden.

Auch ein Tracking- und Tracing-Konzept mit verschiedenen Markierungstechnologien von Elektroden wurde erarbeitet. Es trägt dazu bei, dass die Batteriebestandteile über die ganze Prozesskette hinweg zurückverfolgbar sind. Darüber hinaus wurden Ansätze zur Datenstrukturierung und zum Maschinellen Lernen in verschiedenen Projekten entwickelt. Beispielsweise werden Anlagen derart ausgestattet, dass sie Abläufe und Muster im Produktionsprozess erkennen und auf Fehler eigenständig reagieren können.

Qualitätssicherung der Zellenfertigung

Die Ergebnisse werden von einem Management-Kreis begutachtet, der die Projekte begleitet und die enge Zusammenarbeit von Forschung und Industrie gewährleistet.

„Durch die aktive Zusammenarbeit in den Projekten decken wir sämtliche Prozessschritte der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion ab“, sagt Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk Instituts für Produktionstechnik am KIT und Vorsitzender des Clusters InZePro. „So wollen wir dafür sorgen, dass produzierende Unternehmen, etwa in der Automobilindustrie, ihre Produktivität auch bei schwankender Auftragslage und hoher Produktvarianz steigern, zugleich die Kosten reduzieren und die Produktqualität erhöhen können.“

Im Kompetenzcluster InZePro arbeiten etwa 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 28 deutschen Forschungseinrichtungen. Beteiligt sind vier Institute des KIT, vier Institute der TU Braunschweig, drei Institute der RWTH Aachen, zwei Institute der TU München, die Universität Bayreuth, die Hochschule Landshut, die TH Aschaffenburg, das Helmholtz-Institut Ulm, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg und zehn Institute der Fraunhofer Gesellschaft. Das Cluster wird noch bis 2023 gefördert.

Flexible Zellformen statt Standard-Formate

Damit Batterien, etwa für die Elektromobilität, sich auch in verwinkelte Räume einpassen lassen, sind flexible Zellen notwendig. Bislang werden Lithium-Ionen-Zellen aber nach standardisierten Formaten und in starren Systemen hergestellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie entwickeln gemeinsam mit Partnern aus der Wissenschaft ein agiles Produktionssystem, mit dem sich Batteriezellen vollständig format-, material- und stückzahlflexibel herstellen lassen. Im Januar 2021 startete die zweite Stufe des Projektes AgiloBat2, das das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit insgesamt 14,5 Mio. € fördert.

Trotz weltweit steigender Relevanz der Batterieforschung bliebe laut KIT bisher eine Frage weitgehend unbeachtet: Wie lassen sich Batterien an den verfügbaren Bauraum anpassen? Eine weitere Herausforderung: Lithium-Ionen-Zellen bestehen unter anderem aus seltenen Elementen, insbesondere Kobalt und Nickel, deren Preise stark schwanken und deren Versorgungslage immer kritischer wird.

„Eine intelligente und nachhaltige Batteriezellproduktion ist entscheidend für die Mobilität der Zukunft, aber auch für Elektronik in unserem heutigen Alltag, etwa in Smartphones“, verdeutlichte der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka im Frühjahr 2021: „Im Forschungsprojekt AgiloBat2 arbeiten wir am KIT gemeinsam mit unseren Partnern aus der Wissenschaft daran, dass eine solche Produktion am Wirtschaftsstandort Deutschland möglich wird. Denn mit einem agilen Produktionssystem lassen sich Batteriezellen künftig individuell an die jeweiligen Anforderungen anpassen – und das wird viele neue Möglichkeiten eröffnen.“

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