Die Batteriefabrik der Zukunft arbeitet zunehmend digital: Simulationen begleiten die Entwicklung neuer Zellen, zudem überwachen intelligente Sensoren die Produktion in Echtzeit. Forscher am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickeln Methoden, die Herstellungsprozesse virtuell abbilden und wichtige Parameter während der Fertigung messen.
Die Nachfrage nach Batterien für Elektroautos und Energiespeicher wächst rasant. Damit ihre Herstellung zuverlässig und effizient funktioniert, setzt das Fraunhofer ITWM auf digitale Simulationstools und innovative Messsysteme. Die Forscher entwickeln Modelle für zentrale Schritte der Batteriefertigung über die ganze Produktionskette hinweg – etwa für das Mischen, Beschichten oder Trocknen der Elektroden. So lassen sich Prozesse digital analysieren und optimieren, noch bevor sie in der Fabrik umgesetzt werden. Die virtuellen Abbilder helfen, Fehler zu vermeiden, die sonst im Produktionsprozess auftreten. Ausschüsse lassen sich reduzieren.
Lithium-Ionen-Batterien dreidimensional am Computer modellieren
Mit dem Battery and Electrochemistry Simulation Tool BEST stellt die Abteilung Strömungsprozesse beispielsweise eine Simulationssoftware zur Verfügung, mit der sich Lithium-Ionen-Batterien dreidimensional am Computer modellieren lassen – von Elektrodenmikrostrukturen bis zum Verhalten kompletter Zellen. Der Leistungsumfang von BEST ist breit gefächert, er reicht von dem Prognostizieren der Zell-Leistung über die Optimierung von Ladestrategien bis hin zur Möglichkeit, Alterungs- und Degradationsphänomene zu untersuchen. BEST ist mit anderen Software-Tools kombinierbar und zudem als Bestandteil des Moduls BatteryDict der GeoDict-Software des Fraunhofer ITWM-Spin-offs Math2Market verfügbar. Künftig sollen auch Simulationen über eine Web-Plattform in der Fraunhofer-Cloud möglich sein, ohne BEST direkt installieren zu müssen. Ebenfalls zum Portfolio gehört mit FOAM ein Softwaretool, das im Kontext der Batteriepro-duktion die Ausschäumung von Batteriemodulen simuliert. Zellen in einem Batteriemodul müssen zum Schutz vor dem Überhitzen thermisch voneinander isoliert und mechanisch fixiert sein. Um dies zu erreichen, werden zylindrische Zellen häufig nebeneinander angeordnet und die Zwischenräume mit einem Schaum ausgefüllt. Dabei schäumt das flüssige Medium auf, härtet aus und bildet den Schaum, der die Zellen umschließt.
Nachdem der Ausschäumprozess bei der Herstellung einer realen Batterie abgeschlossen ist, muss die Lage der Zellen kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass sich die Zellpositionen während des Aushärtens nicht geändert haben. Befinden sich die Zellen in der gewünschten Position? Ist die Dicke der Schicht, die die Zellen bedeckt, homogen? Hier kommt die Terahertz-Messtechnik des Fraunhofer ITWM für eine präzise Qualitätskontrolle ins Spiel. Sie nutzt elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarot, um Materialien kontaktlos und zerstörungsfrei zu prüfen.
Inline-Dickenmessung von Beschichtungen auf Batteriefolien
In den kommenden Jahren sollen in Europa 1000 Produktionslinien für Elektrodenfolien gebaut werden, ähnliche Zahlen gelten für Asien und Nordamerika. Um die Qualität inline während der Herstellung zu überwachen, können ausschließlich berührungslose Systeme einge-setzt werden. Daher haben Forscher der Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung ihre Expertise in der Terahertz-Messtechnik zur Inline-Beschichtungskontrolle von Batteriefolien ausgeweitet. Die Messungen werden inline an ein- und mehrlagigen Beschichtungen von Anoden- und Kathodenfolien an verschiedenen Stellen im Nass- oder Trockenprozess durchgeführt – immer berührungslos, zerstörungsfrei und ohne die Notwendigkeit von Strahlenschutzmaßnahmen.
