Im Batterie-Kompetenzcluster "AQua" optimiert das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Massenfertigung hochwertiger Lithium-Ionen-Batterien mit automatischer Fehlererkennung.

 

Batterien „Made in Germany“ sollen bald zur Weltspitze gehören. Ermöglichen sollen das unter anderem fortschrittliche Ansätze zur Qualitätssicherung und Analytik bei der Produktion, die jetzt am KIT entwickelt und erprobt werden. Die Arbeit im Batterieforschungscluster "AQua" (Analytik/Qualitätssicherung) verläuft im Rahmen der „Forschungsfabrik Batterie“ des Bundesforschungsministeriums. 

Maximale Qualität zum minimalen Preis – das wollen Forschende in einer neuen Forschungsplattform erzielen, die am KIT als Teil des Batterie-Kompetenzclusters Aqua gestartet ist. Dafür betrachten sie zunächst jeden Produktionsschritt, von den Ausgangsmaterialien bis zur fertigen Zelle, um mögliche Fehlerquellen zu identifizieren. Anschließend soll der Umgang mit Fehlern bei laufender Produktion so optimiert und automatisiert werden, dass am Ende eine gleichbleibend hohe Qualität gewährleistet werden kann.

„Bei der Produktion muss jeder Schritt sitzen. Alles ist aufeinander abgestimmt und jeder Fehler kann sich auf die spätere Performance der Zellen auswirken“, sagt Professor Helmut Ehrenberg vom Institut für Angewandte Materialien (IAM-ESS) des KIT, der die Forschungsarbeiten koordiniert.

Um kritische Fehler im Produktionsprozess möglichst früh zu erkennen, arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem nach dem Prinzip der Failure Mode and Effects Analysis (FMEA). „Dabei bringen wir Fehler gezielt und kontrolliert ein, um den Zusammenhang zwischen einer Störung und den Auswirkungen auf die Zellen präzise zu quantifizieren“, erklärt Lea de Biasi, eine der Forscherinnen im Projekt.

Wenn man nun spezifische Leistungskriterien als Qualitätsziele definiere, könne man für alle relevanten Prozessschritte Toleranzgrenzen festlegen. Diese kommen dann direkt im Produktionsprozess zum Einsatz. Dazu entwickelt Aqua auch Methoden, mit denen sich kritische Einflussgrößen – etwa die Homogenität der Elektrodenbeschichtung in Echtzeit erfassen lassen. Bei der automatischen Fehlererkennung werden Zwischenprodukte unmittelbar nach dem jeweiligen Prozessschritt maschinell geprüft und fehlerhafte Stücke aussortiert.

Ergänzt wird die neue Forschungsplattform durch ein Begleitprojekt, das am KIT Michael Selzer vom Institut für Angewandte Materialien – Computational Materials Science (IAM-CMS) koordiniert. Hier geht es unter anderem um den Austausch der Plattform mit den anderen Batterie-Kompetenzclustern der „Forschungsfabrik Batterie“ sowie um Kooperationen mit der Industrie.

Im Mittelpunkt steht aber der Aufbau einer Dateninfrastruktur: „Bei den Experimenten und großskaligen Simulationen im Aqua-Projekt gewinnen wir große Mengen an Daten, die durch spezifische Datenanalyseverfahren über standardisierte Workflows ausgewertet werden müssen“, sagt Selzer. „Mit der Dateninfrastruktur schaffen wir einen nachhaltigen Zugang zu diesen Forschungsdaten und Analysewerkzeugen.“