Sicheres Zusammenbauen von Batteriezellen

Die Bat­terie ist das Kern­stück jedes Elek­troau­tos.  Sie soll kom­pakt und möglichst leis­tungsstark sein – und vor allem sich­er. Das stellt große Anforderun­gen an die Pro­duk­tion. Wie die in Zukun­ft ausse­hen kön­nte, zeigen Forscherin­nen und Forsch­er vom Fraun­hofer IPA im Zen­trum für Dig­i­tal­isierte Bat­teriezel­len­pro­duk­tion (ZDB).
Ein mod­ernes Bat­ter­iesys­tem kop­pelt mehrere Bat­teriemod­ule, in denen eine Vielzahl von Bat­teriezellen ver­baut sind. Je nach Her­steller weisen diese Zellen ein unter­schiedlich­es For­mat auf. Die Pilotan­lage im ZDB am Fraun­hofer-Insti­tut für Pro­duk­tion­stech­nik und Automa­tisierung IPA in Stuttgart ist auf zylin­drische Zell­for­mate ausgelegt.
Im Innern ein­er Bat­teriezelle befind­en sich die Elek­tro­den. Sie beste­hen aus hauchdün­nen beschichteten Folien, die zusam­men mit einem Sep­a­ra­tor zu einem Wick­el aufgerollt wer­den. Schon ein klein­er Defekt oder ein Staubko­rn, das ins Innere gelangt, kann die Leis­tungs­fähigkeit erhe­blich schwächen oder gar zu einem Kurz­schluss und damit zu einem Brand führen. Am Fraun­hofer IPA ent­stand daher, unter­stützt durch die Förderung des Lan­des Baden-Würt­tem­berg, ein Labor mit beson­deren Rein- und Trock­en­raumbe­din­gun­gen. Es ist mit ein­er Anla­gen­tech­nik aus­ges­tat­tet, die eine voll­ständi­ge Mon­tage von Bat­teriezellen ermöglicht.
Das Beson­dere daran ist die Dig­i­tal­isierung und Ver­net­zung aller Prozesss­chritte. Damit ste­ht den Forscherin­nen und Forsch­ern eine europaweit einzi­gar­tige Fer­ti­gungslin­ie zur Ver­fü­gung, mit der sie sowohl poten­zielle Zell­her­steller als auch Maschi­nen- und Anla­gen­bauer bei der Entwick­lung und Automa­tisierung von Prozessen sowie der Opti­mierung der Mon­tage hin­sichtlich Zuver­läs­sigkeit und Durch­satz unter­stützen kön­nen. Das Spek­trum reicht dabei von der Analyse und Unter­suchung kri­tis­ch­er Prozesss­chritte über die Anwen­dung dig­i­taler Werkzeuge bis hin zum Prototypenbau.

Prozessüberwachung für eine optimale Lösung

Rund ein Dutzend Arbeitss­chritte sind nötig, bis eine Zelle ein­satzbere­it ist und jed­er dieser Schritte ist entschei­dend für deren Qual­ität und für die des gesamten Bat­ter­iesys­tems. Am Anfang ste­ht die Beschich­tung der pos­i­tiv­en und neg­a­tiv­en Elek­trode, die anschließend zusam­men mit einem Sep­a­ra­tor zu einem Wick­el, der soge­nan­nten »Jel­ly Roll«, aufgerollt wer­den. Dann fol­gt der Zusam­men­bau, die soge­nan­nte Assem­blierung. Dazu muss die Jel­ly Roll hoch­präzise und möglichst ohne Berührung der Becher­wand geführt wer­den. Anschließend wird über eine durch das mit­tige Loch des Wick­els einge­führte Sta­belek­trode der Wick­el mit dem Becher­bo­den ver­schweißt. Um zu ver­hin­dern, dass sich der Wick­el ver­schiebt oder löst, wird an ein­er definierten Stelle eine in der Form und Tiefe bes­timmte Sicke eingear­beit­et, eine ringför­mige Vertiefung.
Der dann fol­gende Arbeitss­chritt, das Ein­füllen des flüs­si­gen Elek­trolyts, ist beson­ders heikel und erfordert eine Umge­bung ohne Sauer­stoff und mit möglichst geringer Feuchtigkeit. Die notwendi­gen Geräte ste­hen deshalb in ein­er her­metisch abgeschlosse­nen Box, ein­er soge­nan­nten »Glove­box«, in der man von außen mit eingear­beit­eten Hand­schuhen hantieren kann.

»Bei dem unter Argon-Atmo­sphäre ablaufend­en Prozess muss eine definierte Menge des flüs­si­gen Elek­trolyts hoch­präzise und ohne überzu­laufen einge­füllt wer­den, weil das Ein­fluss auf die Leis­tungs­fähigkeit und Lebens­dauer der Zelle hat.«
— Matthias Burgard

Das ist umso schwieriger, als die Flüs­sigkeit nur langsam ein­sick­ert, weil die Poren­räume eng sind. Schließlich wird noch ein Deck­elele­ment mit definiert­er Fügekraft ein­gelegt, das durch ein Umfor­men der Becherkante fix­iert wird und damit die Zelle ver­schließt. Durch die angestrebte Zuver­läs­sigkeit der Prozesse sollte sich an der Außen­seite kein sicher­heit­skri­tis­ches Elek­trolyt befind­en, trotz­dem wird die mon­tierte Zelle vor der Fer­tig­stel­lung noch gere­inigt. Abschließend erfol­gt noch die Umhül­lung mit einem Schutzschlauch und das Beschriften.

Wissen aus in der Cloud zusammenlaufenden Produktionsdaten – neues Wissen entsteht

Um den Auss­chuss zu min­imieren und die Qual­ität zu erhöhen, haben Forscherin­nen und Forsch­er um Flo­ri­an Maier und Ozan Yesi­lyurt vom Fraun­hofer IPA den gesamten Pro­duk­tion­sprozess dig­i­tal­isiert und ver­net­zt. Die Pro­duk­tion wird gewis­ser­maßen gläsern. Dafür sam­meln zahlre­iche Sen­soren an allen Geräten Dat­en, die in Echtzeit in der Cloud zusam­men­laufen. Am Fraun­hofer IPA entwick­elte Trace­abil­i­ty-Tech­nolo­gien ermöglichen es, dass die gesam­melten Dat­en den pro­duzierten Bat­teriezellen zuge­ord­net wer­den kön­nen. Der Clou: Jede einzelne Bat­teriezelle, die hergestellt wird, ste­ht als Dig­i­taler Zwill­ing für Date­n­analy­sen und das Trainieren ein­er Kün­stlichen Intel­li­genz bere­it. So lässt sich zurück­ver­fol­gen, unter welchen Bedin­gun­gen sie gefer­tigt wurde und wie sie in Rela­tion zur erre­icht­en Pro­duk­tqual­ität ste­ht. Forscherin­nen wie Soumya Singh orchestri­eren diese Dat­en und nutzen sie zur Entwick­lung von Ser­vices mit Überwachungs‑, Analyse- und Vorher­sage­fähigkeit­en. Damit wird es möglich, den Pro­duk­tion­s­ablauf immer weit­er zu opti­mieren und Fehlerquellen schneller als bish­er zu beseitigen.
Darüber hin­aus helfen die in der Pro­duk­tion erhobe­nen Dat­en auch dabei bessere Vorher­sage­mod­elle für das Alterungsver­hal­ten der Bat­teriezellen bei der Nutzung zu erar­beit­en, weit­ere Ein­satzmöglichkeit­en für gebrauchte Bat­teriezellen zu bew­erten und die Effizienz von Recy­clingver­fahren zu verbessern. Weit­ere Ansätze, die Bat­teriepro­duk­tion zu dig­i­tal­isieren und datengetrieben zu opti­mieren, fassen die beteiligten Wis­senschaftler derzeit im Buch »Hand­book on Smart Bat­tery Cell Man­u­fac­tur­ing« zusam­men. Es soll noch dieses Jahr erscheinen.