Zellforschung Künstliche Intelligenz zur umweltfreundlichen Herstellung von Batteriezellen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Herstellungsprozesse von Batteriezellen sollen mithilfe Künstlicher Intelligenz optimiert werden. Daran arbeitet das ZSW in einem Forschungsverbund.

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Mit diesem Extruder können Materialien ohne Zugabe von toxischen Lösungsmitteln vermischt und verdichtet werden. Er ist ein Teil der Prozesskette für die Herstellung von Batterien.
Mit diesem Extruder können Materialien ohne Zugabe von toxischen Lösungsmitteln vermischt und verdichtet werden. Er ist ein Teil der Prozesskette für die Herstellung von Batterien.
(Bild: Fraunhofer IFAM)

Der Forschungsverbund um das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat sich zum Ziel gesetzt, die Verfahren zur Produktion von Batterieelektroden umweltfreundlich, wirtschaftlich und lösungsmittelfrei zu gestalten. Zu dem Verbund gehören neben dem ZSW das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM sowie das Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS.

Kontinuierliche Elektrodenproduktion

Das Projekt unter dem Namen „KontElPro“ (Kontinuierliche Elektrodenproduktion) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Teil des Forschungsclusters „Intelligente Zellproduktion“ (InZePro) mit insgesamt rund 1,8 Mio. € gefördert. Weltweit steigt die Nachfrage nach Batterien. Sie sind eine Schlüsseltechnologie – beispielsweise für die Elektromobilität. Doch bisher kommen hierfür die meisten Batterien aus Asien und nur wenige werden in Deutschland produziert. Um das zu ändern, hat das Bundesforschungsministerium begonnen, die Förderung der Batterieforschung neu auszurichten.

Meilenstein für die Batterieproduktion

Die Forschungsaktivitäten des ZSW mit seinen Verbundpartnern sind ein wichtiger Meilenstein für eine Batterieproduktion in Deutschland und Europa mit smarten, umweltschonenden sowie platz- und ressourcensparenden Elektrodenherstellungsverfahren. Bisher werden Batterieelektroden und -zellen überwiegend in Asien gefertigt. Dabei wird eine Elektrodenpaste auf eine dünne Metallfolie aufgetragen und anschließend das toxische Lösungsmittel der Paste in einem langen Trockenofen energieintensiv abgezogen. Im Projekt „KontElPro“ steht dagegen die lösungsmittelfreie Elektrodenfertigung durch Extrusion und anschließendem Trockentransferverfahren im Mittelpunkt. Dabei kommen keine toxischen Substanzen zum Einsatz und energieintensive Trocknungsverfahren sind ebenfalls nicht Bestandteil der Prozesskette. Dies ist ein Gewinn für Umwelt und Gesundheit.

KI als Grundlage zur Optimierung

Künstliche Intelligenz (KI) ist die Grundlage für die Optimierung des neuen Herstellungsverfahrens. Durch die KI-gestützte Prozessleittechnik werden zusätzlich Zeit, Energie und Kosten eingespart. Die Künstliche Intelligenz ermöglicht somit zukünftig einen kostengünstigen und umweltfreundlichen Herstellungsprozess von Elektroden für Batteriezellen.

Selbstlernende KI

Das ZSW in Stuttgart wird dabei die selbstlernende KI zur Optimierung und Regelung der Einzelprozesse und des Gesamtfertigungsprozesses in der Elektrodenherstellung für Batteriezellen entwickeln. „Das ZSW forscht und arbeitet seit mehr als 20 Jahren im Bereich KI und Maschinellem Lernen. Hier können wir unsere Methodenkompetenz und unser Know-how für noch mehr Nachhaltigkeit in der Energiewende einbringen“, erklärt Maike Schmidt, Leiterin des Fachgebiets Systemanalyse am ZSW.

Überwachung und Steuerung der Extrusionsprozesse

Das Fraunhofer IFAM arbeitet in diesem Projekt an der Überwachung und Steuerung der Extrusionsprozesse zur kontinuierlichen Produktion von Batteriekomponenten. Die Trockentransferverfahren für lösungsmittelfreie Batterieelektroden entwickelt das Fraunhofer IWS, das auch den Prozess mit Funktionen zur Überwachung und Steuerung ausrüstet. Das Fraunhofer ICT entwickelt und programmiert eine Datenbank zur Erfassung der Prozessdaten und stellt die Schnittstellen zur KI-Entwicklung bereit.

Assemblierung von Batteriezellen am ZSW.
Assemblierung von Batteriezellen am ZSW.
(Bild: ZSW)

KI-basierende Inline-Prozesskontrolle

Gleichzeitig sollen die etablierten Prozesse um eine KI-basierende Inline-Prozesskontrolle und eine standortübergreifende, vernetzte Datenbank erweitert werden. Ziel ist es, Daten automatisiert auszuwerten und die Prozesse KI-gestützt zu modellieren, zu optimieren, zu steuern und zu überwachen. Bei Abweichungen greift die KI direkt in die Prozesssteuerung ein und regelt diese nach, um über den gesamten Prozessverlauf eine homogene und optimale Elektrodenqualität zu gewährleisten. „Mit neuesten KI-Methoden können wir alle wichtigen Einflussfaktoren auf die Qualität der Elektroden schon während der Fertigung erfassen, bewerten, regeln und damit eine gleichbleibende hohe Qualität der Elektroden über die gesamte Prozessdauer sicherstellen“ erläutert Anton Kaifel, Teamleiter des Bereichs KI und Maschinelles Lernen am ZSW.

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