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Batteriezellen

Umweltfreundliche Batteriezellen mittels KI

Mit diesem Extruder können Materialien ohne Zugabe von toxischen Lösungsmitteln vermischt und verdichtet werden. Foto: Fraunhofer IFAM

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt „KontEIPro“ mit 1,8 Mio. Euro. Die Herstellungsprozesse von Batteriezellen sollen mithilfe Künstlicher Intelligenz optimiert werden.

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 Millionen Euro gefördert. Weltweit steigt die Nachfrage nach Batterien. Sie sind eine Schlüsseltechnologie, beispielsweise für die Elektromobilität. Doch bisher kommen hierfür die meisten Batterien aus Asien, nur wenige werden in Deutschland produziert. Um das zu ändern, hat das Bundesforschungsministerium begonnen, die Förderung der Batterieforschung neu auszurichten.

Das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) arbeitet in einem Forschungsbund an einem Verfahren zur Produktion von Batterieelektroden. Diese sollen umweltfreundlich, wirtschaftlich und lösungsmittelfrei sein. 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.

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. Das Herstellungsverfahren in Asien beinhaltet ein toxisches Lösungsmittel, welches als eine Elektrodenpaste auf eine dünne Metallfolie aufgetragen wird. Anschließend wird das Lösungsmittel der Paste in einem langen Trockenofen energieintensiv abgezogen. Im Projekt „KontEIPro“ 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.

KI als Grundlage für Prozessoptimierung

Die Künstliche Intelligenz ist dabei die Grundlage für die Optimierung des neuen Herstellungsverfahrens. Durch die KI-gestützte Prozessleittechnik werden zusätzlich Zeit, Energie und Kosten eingespart. 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. 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.

Gleichzeitig sollen die etablierten Prozesse um eine KI-basierte 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.

Quelle: ZSW / Delia Roscher

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