Kontinuierliche, lösungsmittelfreie Elektrodenherstellung mit intelligenter Qualitätssicherung und Prozessüberwachung gekoppelt mit KI

KontElPro

Durch den Einsatz von lösungsmittelfreien Herstellungsverfahren kann auf eine zeit- und energieintensive Trocknung der Elektroden verzichtet werden. Weiterhin kann die Produktion durch die Vermeidung eines Einsatzes des giftigen Lösungsmittels NMP, welches insbesondere bei der Kathodenherstellung eingesetzt wird, nachhaltiger gestaltet werden. Die eingesetzten Verfahren sind unabhängig vom verwendeten Aktivmaterial und daher auch für nicht giftige, Co oder Ni freie Elektroden einsetzbar, womit grüne, nachhaltige Zellen hergestellt werden können. Des Weiteren sollen zur Reduktion hoher Ausschussquoten (selbst bei erfahrenen Zellherstellern fallen im normalen Produktionsbetrieb ca. 5% des Elektrodenmaterials als Ausschuss an) die bestehenden und installierten Produktionsprozesse um weitere Prozesssensoren zur Bereitstellung von inline-Informationen ergänzt werden. Dadurch kann während der Produktion korrigierend eingegriffen werden. Die kontinuierlich aufgenommenen Sensor- und Prozessdaten jedes Projektpartners werden wie die elektrochemischen Messergebnisse in einer Datenbank gespeichert. Mit Hilfe der KI sollen sowohl Einzelprozesse als auch komplette Prozessketten optimiert und darüber hinaus auch gesteuert werden. Somit sind deutliche Kosteneinsparungen gegenüber konventionellen Vorgehensweisen möglich.

Die Arbeitspakete des Projekts „KontElPro“ umfassen zum einen die kontinuierliche (batchfreie) Herstellung von Elektroden/Elektrolyt durch Extrusion mit nachgeschalteter Düse und Kalander und zum anderen durch das Trockentransfer-Verfahren hergestellte lösungsmittelfreie Elektroden mit geringen Binderanteilen sowie ihre Charakterisierung. Darüber hinaus wird für Extrusion und Trockenbeschichtung ein Sensorkonzept entwickelt und darauf aufbauend ein selbstlernendes Steuerungssystem erarbeitet, realisiert und validiert. Außerdem wird eine no-SQL Datenbank programmiert, die möglichst in Echtzeit Datenströme jedes Prozesssensors speichern kann, so dass diese Daten mit weiteren off-line Analysen und elektrochemischen Ergebnissen korreliert werden können. Die Datenbank ist auch Grundlage für Track und Trace und die Sensitivitätsanalyse von Fertigungsparametern in Bezug auf Zielgrößen mit datengetriebenen KI-Methoden, zuerst im Offline- und danach im Online-Betrieb für Einzel- wie auch für die Gesamtheit der betrachteten Prozesse. Es werden digitale Zwillinge für alle Prozesse erstellt, die für die Optimierung der Prozesse eingesetzt und mit Active Learning kontinuierlich verbessert werden.

Ziel von „KontElPro“ ist es, bestehende, innovative und gut skalierbare Verfahren der lösungsmittelfreien Elektrodenfertigung (Extrusion, Trockentransfer-Verfahren) mit einer Inline-Prozesskontrolle und einer standortübergreifenden, vernetzten Datenbank zu erweitern. Eine automatisierte Datenauswertung sowie die KI-gestützte Modellierung und Optimierung der Prozesse mit digitalen Zwillingen werden helfen, die Elektrodenfertigung effizienter zu machen, die Qualität zu verbessern und Ausschuss zu reduzieren. Ziel ist es, durch Verknüpfung von Prozessparametern mit elektrochemischen Ergebnissen und durch Einsatz von KI in Verbindung mit digitalen Zwillingen die besonders qualitätskritischen Prozessschritte und -parameter zu identifizieren und Quality Gates festzulegen.

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Leitfaden zur Digitalisierung der Batteriezellproduktion

Batterl4.0

Weltweit sind derzeit zwei Megatrends zu beobachten, die sich maßgeblich auf die in Europa angesiedelte Industrie auswirken: die Einführung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in Fabriken sowie der weltweit steigende Bedarf an Batteriezellen. Die Sicherung der globalen Wettbewerbsfähigkeit Europas erfordert eine systematische Methodik zur Einführung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in die Batteriezellproduktion. Bislang fehlen allerdings Konzepte zur ganzheitlichen und schnellen Umsetzung dieser Aspekte. Ebenso ist ein Hilfsmittel zur Bewertung und Verortung bereits bestehender Technologien im Hinblick auf Digitalisierung und Industrie 4.0 nicht verfügbar. Selbiges gilt für Ansätze zur Generierung neuer Ideen und Lösungen in diesem Kontext.

Das Projekt BatterI4.0 entwickelt einen Digitalisierungsleitfaden für die Batteriezellproduktion, der eine Messbarkeit und Weiterentwicklung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in der Batteriezellproduktion ermöglicht. Die Messbarkeit erfolgt dabei durch eine Methodensammlung in Form von Werkzeugkästen, die durch Anwendungsebenen und Entwicklungsstufen beschrieben werden. Die Anwendungsebenen stellen dabei die Themenfelder, in denen Industrie 4.0 und Digitalisierung zum Einsatz kommen, dar, die Entwicklungsstufen hingegen, wie stark die Aspekte von Industrie 4.0 und Digitalisierung jeweils ausgeprägt sind. Anhand der Werkzeugkästen sollen Technologien in bestehenden Batteriezellproduktionen ganzheitlich verortet und bewertet werden können. Zudem wird durch die Arbeitsinhalte des Projekts die Entwicklung neuer Ideen in Bezug auf zukünftige Anlagengenerationen unterstützt.

Ziel des Projekts ist ein Leitfaden für die systematische Einführung von Digitalisierung und Industrie 4.0 in alle produktionstechnischen Bereiche der Batteriezellproduktion. Dieser soll Unternehmen dazu befähigen, die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Batteriezellproduktion schnell und effektiv zu steigern. Neben einer erhöhten Wettbewerbsfähigkeit resultiert daraus beispielsweise ein verbessertes Prozess- und Anlagen-Monitoring, wodurch u.a. eine Vermeidung von Ausschuss und damit zugleich eine Steigerung der Ressourceneffizienz erreicht wird.
Somit soll ein fundamentaler Beitrag zum Erhalt der Attraktivität des Produktionsstandorts Europa in Bezug auf eine neue Schlüsseltechnologie geleistet werden.

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Integration horizontaler Datenstrukturen in der Batterieproduktion

DataBatt

Durch den Einsatz von Digitalisierungsansätzen ist es möglich, flexible Anlagentechnik prozessspezifisch zu steuern, Anomalien in der Produktion zu erkennen und Produktionskosten durch Verkürzung von Einfahrprozessen und Steigerung der Gesamtanlageneffektivität (OEE) zu reduzieren. Einen wesentlichen Bestandteil bei der Anwendung solcher Digitalisierungsansätze bilden eine umfassende Datengrundlage und eine technologieübergreifend Erfassung von Daten aus den Maschinen und Anlagen innerhalb der Batteriezellproduktion. Die generierten Datenmengen ermöglichen dabei durch Methoden der Mustererkennung eine Erhöhung der Produktivität und Ausbringung der Zellproduktion. Durch eine Integration von horizontalen Datenstrukturen können Informationen prozessübergreifend nutzbar gemacht werden. Dies ist eine elementare Anforderung an die Digitalisierung der Produktion und Voraussetzung für die effiziente und nachhaltige Anwendung von Digitalisierungsansätzen wie z.B. Methoden der Mustererkennung.

Die Vision des Forschungsvorhabens besteht in einer systematischen Datenverwertung über die einzelnen Technologieketten hinaus und darin, eine standardisierte Datenbereitstellung für virtuelle Produktionssysteme zu schaffen sowie innovative Anlagentechnik durch prozessübergreifende Datenstrukturen zu befähigen. Mangelnde Standards stellen Anlagenhersteller und -betreiber bei der direkten oder indirekten Erfassung von Daten und bei der Datenaufbereitung und-speicherung vor große Herausforderungen. Durch die Bereitstellung von horizontalen Datenbanken mit entsprechender Nutzung von Inline-Sensorik können neben einzelnen Prozessen die gesamte Produktionssteuerung optimiert und die Produktqualität durch Predictive Quality erhöht werden. Dafür ist es notwendig, eine durchgängige Einbindung und Anwendung von Daten entlang der gesamten Prozesskette zu ermöglichen.

Insgesamt wird im Rahmen des Forschungsvorhabens DataBatt als übergeordnete Projektzielsetzung die Erarbeitung von Standards für integrierte Schnittstellen und horizontale Datenstrukturen angestrebt. Dabei besteht eines der Hauptziele darin, Konzepte aus der Informationstechnologie in die Produktionstechnik zu übertragen, zu erweitern und zur Anwendung zu bringen. Im Rahmen des Projekts werden Methoden zur Datenintegration und standardisierte Datenverarbeitungsprozesse entwickelt, mit denen eine Datenaggregation und -nutzung entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Batteriezellfertigung möglich wird. Die übergeordnete Datenstruktur bildet eine Klammer um die verschiedenen Aktivitäten der Cluster des Dachkonzepts Batterie des BMBF. Außerdem werden Grundlagen, Chancen und Anwendungsfelder für eine nachhaltige Batteriezellproduktion und somit ein Beitrag zur „grünen Batterie“ geschaffen.

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Granulatbasierte Einschritt-Elektrodenproduktionsanlage mit intelligenter Produktionsregelung

GranuProd

Das neuartige Produktionssystem der granulatbasierten Beschichtung integriert die Teilschritte Beschichten, Trocknen und Verdichten in einer Anlagentechnik („Einschrittanlage“) und reduziert somit deutlich Investitions- und Betriebskosten gegenüber der bislang üblichen Herstellung von Elektroden. Hohe Trocknungskosten werden durch eine deutliche Reduktion des Lösemittelanteils von mindestens 10 bzw. 25 Gew.-% für Kathoden bzw. Anoden minimiert, was zusätzlich zu einem wesentlich geringeren Global Warming Potential (GWP)/CO2-Footprint und damit zu einer höheren ökologischen Effizienz der Produktionstechnologie führt. Dabei wird bewusst ein geringer Anteil an Lösemittelrest verwendet, um eine leichtere Handhabung während der Dispergierung (Kaltextrusion) zu ermöglichen und eine definierte Porenstruktur während der Trocknung gezielter einstellen zu können. Darüber hinaus dienen im Gegensatz zu suspensionsbasierten, traditionellen Beschichtungsprozessen Granulate aus einem energieeffizienten Extruderprozess als Eingangsmaterialien. Deren Lagerstabilität ist mit mehreren Wochen im Vergleich zu wenigen Stunden der üblich eingesetzten Suspensionen deutlich größer, sodass eine zeitliche und räumliche Entkopplung der Ausgangsmaterialherstellung (bzw. der gekoppelten Geschäftsmodelle) ermöglicht wird. Hierdurch wird eine höhere Flexibilität der Produktion, bspw. hinsichtlich schwankender Auftragslage und hoher Produktvarianz, aber auch eine vollständige Entkopplung der Geschäftsfelder Material- und Elektrodenherstellung ermöglicht.

Innerhalb des Projektes „GranuProd“ werden die aus dem BMBF-Projekt „HEMkoop” entwickelten Kenntnisse zur hochviskosen Beschichtung von Granulaten im Kalanderspalt vertieft und in ein hochskaliertes Anlagensystem übersetzt. Dadurch wird das Technology Readiness Level (TRL) dieser neuartigen Beschichtungstechnik von 3 auf 5-6 erhöht. Die Trocknung der erzeugten Schichten aus Granulaten mit geringer Porosität wird unter definierten Laborbedingungen am TFT (KIT) untersucht. Der daraus resultierende Wissensgewinn wird in Kombination mit den Betriebs- und Inlinemessdaten der Anlagentechnik genutzt, um am iPAT einen intelligenten digitalen Zwilling zur Anlagenregelung zu entwickeln. Die Konzeption und die Umsetzung der Regelungsstrategie durch Ansteuerung und Verschaltung der Betriebsparameter und einer geeigneten Inline-Messsensorik unter Zuhilfenahme des entwickelten digitalen Zwillings erfolgen federführend durch das iwb.

Das Gesamtziel des Verbundprojektes ist es, eine integrierte Anlagentechnik mit eigenständiger, intelligenter Regelungsstrategie für das Produktionssystem zur „Granulatbasierten-Einschritt-Elektrodenproduktion“ zu schaffen. Die Teilziele lassen sich wie folgt unterteilen:

• Entwicklung bzw. Skalierung einer Anlagentechnik (TRL 5) zur Herstellung von Elektroden auf Basis lösungsmittelarmer Granulate
• Etablierung einer Inline-Prozesskontrolle und Umsetzung einer intelligenten Anlagenregelung in Verbindung mit einem digitalen Zwilling
• Modellhafte Beschreibung der Trocknung von lösungsmittelarm hergestellten Elektroden

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Entwicklung intelligenter Formieranlagen zur Optimierung und Diagnose von Zelleigenschaften

InForm

Die sich während der Formierung bildenden Grenzschichten (SEI und CEI) sind maßgeblich für die Performanz, Sicherheit und Langlebigkeit einer Batterie entscheidend. Die Formierung ist allerdings ein enorm zeit-, energie- und daraus folgend kostenintensiver Produktionsschritt in der Forschung wie auch in der Industrie. Da die Formierung an Zellchemie und individuelle Zellparameter gebunden ist, ist auch eine individuelle Optimierung der Formierung nötig. Diese individuelle Optimierung kann mittels einer KI realisiert werden. Diese intelligente beschleunigte Formierung kann die Anlaufzeit reduzieren, den Ausschuss an Zellen verringern, kürzere Belegzeiten zur Folge haben und insgesamt zu einer höheren Energieeffizienz, auch beim Endverbraucher, führen.

Anhand der elektrochemischen Zellcharakterisierung verschiedener Batteriegrößen werden im Projekt „InForm“ Daten generiert, mit deren Hilfe Modelle erstellt und mit einer KI verknüpft werden. Damit soll die Formierung anschließend live beeinflusst werden können, um einen möglichst optimalen und effizienten Formierprozess in kürzester Zeit zu ermöglichen. Dabei sollen auch die Formierungen verschiedener Batterietypen der Projektpartner über eine Anbindung an das Modell optimiert werden können. Die Anbindung erfolgt in enger Kooperation mit ThyssenKrupp, das die API (Application Programming Interface) entwickelt hat. Durch ein besseres KI-basiertes Verständnis der Formierung und der ablaufenden Prozesse sowie ihrer Auswirkung auf Qualitätskennwerte der hergestellten Zellen soll die Alterung der Zellen hinsichtlich Entladekapazität und Innenwiderstand verbessert und eine geringere Streubreite in der Zellqualität erzielt werden.

Das Projekt „InForm“ hat das Ziel, eine Beschleunigung des Formierprozesses und der daraus resultierenden Prozesskostensenkung bei gleichbleibender oder optimierter Qualität von Li-Ionen Zellen zu erreichen. Dabei soll während der Formierung eine homogene und hochqualitative SEI bei Formierzeiten von maximal 20h kontrolliert ausgebildet werden, während sämtliche Schädigungsmechanismen wie Li-Plating vermieden werden sollen. Des Weiteren sollen die Streubreite hinsichtlich der Zellqualität und die erreichbare Lebensdauer optimiert und elektrochemische Zelleigenschaften frühzeitig charakterisiert werden, um den Ausschuss in der Zellproduktion zu reduzieren.

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Intelligentes Mischen und Trocknen

InMiTro

Nach aktuellem Stand der Technik ist die Qualitätssicherung für die Prozesse Mischen und Trocknen unzureichend implementiert und basiert in hohem Maße auf Empirik. Durch fehlende Analysemethoden ist das Verständnis der Prozesse Mischen und Trocknen der Beschichtung sowie deren Wechselwirkung limitiert. Rückschlüsse auf den Misch- bzw. Trockenprozess sowie auf potentielle Fehlerursachen können erst durch eine elektrochemische Auswertung der Zellen nach den zeit- und kostenintensiven Produktionsprozessen gezogen werden. Auch die Einflüsse der Atmosphäre bei der Lagerung von Pulvermaterialien sind nicht ausreichend untersucht, sodass keine klaren Anforderungen an die Atmosphäre im Lagerraum bekannt sind. Um sicherzugehen, werden in der Industrie oftmals hochkonditionierte Atmosphären eingesetzt, die nur durch einen hohen Energie- und Kostenaufwand aufrechterhalten werden können.

Mit Hilfe innovativer Inline-Messmethoden und Anlagentechnik wird im Rahmen des Projektes „InMiTro“ ein Gesamtkonzept zur Qualitätssteigerung und Vertiefung des Verständnisses der Prozessschritte Pulverhandhabung, Mischen und Trocknen und ihrer Zusammenhänge erzeugt. Neben einer umfassenden Untersuchung der Umgebungsbedingungen beim Pulverhandling wird auch eine allgemeine Analysemethode zur Bestimmung der Mischqualität entwickelt, die eine Übertragbarkeit auf unterschiedliche Material- und Mischsysteme ermöglicht. Der Trocknungsprozess wird durch den Einsatz eines Infrarot-Flächenlasers erweitert, welcher den gezielten, intensiven Energieeintrag zu bestimmten Zeitpunkten während des Trocknungsprozesses ermöglicht. Zusätzlich wird ein kombinierter Nahinfrarot-Wirbelstromsensor zur Inline-Überwachung des Trocknungszustandes entwickelt.
Das Projekt konzentriert sich somit auf drei qualitäts- und kostenkritische Aspekte in der Batteriezellproduktion und zielt darauf ab, durch die Bereitstellung von Analysemethoden, Anlagentechnik und Prozessverständnis einen wesentlichen Beitrag zu einer wirtschaftlich und ökologisch nachhaltigen Batterieproduktion zu leisten.

Durch eine umfassende Untersuchung der Umgebungsbedingungen bei der Pulverhandhabung soll die Verwendung von Trockenraum- bzw. Inertgasatmosphäre bei der Materiallagerung auf ein Minimum reduziert werden. Die Qualitätssicherung durch die neuen Messmethoden und die damit mögliche Analyse garantieren eine frühzeitige Erkennung von Fehlerbildern, welche zu einer Reduzierung des Ausschusses führt. Außerdem wird ein gezieltes Steuern der Prozesse Mischen und Trocknen ermöglicht, wodurch Prozesszeit und Energieeintrag reduziert werden können und sich die Anlagen flexibel betreiben lassen. Neben den gesenkten Produktionskosten ermöglicht dies ein schnelles Reagieren auf Markt- und Technologieeinflüsse. Die entwickelten Methoden können den Zellhersteller bei der Verarbeitung verschiedener Materialien und Elektrodendesigns unterstützen, weil sich dadurch der hohe Einstellaufwand der Anlagenparameter reduziert.

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Entwicklung eines intelligenten und autonomen Pastenproduktionsverfahrens

IntelliPast

Das Forschungsprojekt „IntelliPast“ zielt darauf ab, die Produktionskosten zu senken und die Produktqualität von Batteriezellen zu erhöhen. Das Konzept setzt auf eine innovative und agile Anlagentechnik, die flexible Formate mit der Möglichkeit eines schnellen Rezepturwechsels für eine kontinuierliche Zellfertigung zulässt. Dies erfolgt vor dem Hintergrund einer nachhaltigen Produktion bei einem nur unbedingt notwendigen Rohstoffeinsatz mit dem Ziel, Rohstoffverschwendungen bzw. Pastenverluste zu minimieren. Die Prozessführungsstrategie basiert auf einem adaptiven, digitalen Konzept zur Gewährleistung einer hohen Qualität der Pasten bei höchstem Automatisierungsgrad und minimalem Energieeinsatz. Um einen Prozessbruch mit den nachfolgenden Prozessschritten zu vermeiden, stellt das kontinuierliche Mischen mittels eines Extruders eine empfehlenswerte Möglichkeit dar.

Die Mischtechnik zur Herstellung der Anoden- und Kathodenpasten ist ein wesentlicher Produktionsschritt der Batteriezellherstellung. Beim Mischen der Komponenten, im Allgemeinen bestehend aus Aktivmaterial, Leitfähigkeitskomponenten, Binder und Lösungsmittel mit eventuell weiteren Zusätzen, findet nicht nur eine Homogenisierung der Komponenten statt, sondern auch eine Strukturierung der Paste mit einem entscheidenden Einfluss auf die weitere Verarbeitung und die Qualität des Endprodukts.
Um eine hohe Gesamtanlageneffizienz sicherzustellen, wird eine Produktionssteuerung und -optimierung auf Basis eines digitalen Zwillings entwickelt, der selbst bei schwankender Auftragslage und hoher Produktvarianz eine robuste und reproduzierbare Produktion gewährleistet. Unter Einbeziehung von Grey-Box Modellen, welche aus einer Verknüpfung von parametrischen Methoden (White Box Modelle) mit datengetriebenen KI-Methoden (Black Box Modelle) entstehen, werden Prozessführungsstrategien zur Regelung des realen Prozesses bei Störfällen und Unsicherheiten entwickelt. Diese basieren auf einer laufenden Datenerfassung über eine Inline-Sensorik sowie auf der Kommunikation der Anlagen innerhalb der Prozesskette.

Das Ziel von IntelliPast ist die Etablierung eines intelligenten, autonomen und kontinuierlich arbeitenden Pastenproduktionsverfahrens mit direkter kontinuierlicher Beschickung der Beschichtungsanlage. Somit verfolgt das Projekt die Intention, die jeweiligen Stand- und Rüstzeiten gegenüber einem Standard-Batchprozess um 20 % zu reduzieren sowie eine Erhöhung der Anlagenproduktivität zu realisieren, indem die Qualitätskriterien der Pasten um 50 % weniger schwanken sollen. Zusätzlich zielt das Projekt darauf ab, eine effiziente und ressourcenschonende Prozesssteuerung zu gewährleisten, welche mit Hilfe einer zentralen Steuerungsanlage eine autonome Herstellung unterschiedlicher Pastenrezepturen vornehmen kann. Des Weiteren soll mit Hilfe von einer automatisierten Reinigungsprozedur ein schneller Rezepturwechsel ermöglicht werden, welche im Vergleich zur händischen Reinigung eines Batch-Prozesses die Reinigungszeit um 20 % reduziert.

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Intelligente Qualitätssicherung und -dokumentation für die laserbasierte zellinterne Kontaktierung

InQuZell

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden entlang einer Fertigungskette produziert, die aus einer Vielzahl an zusammenhängenden und aufeinander abgestimmten Einzelprozessen besteht. Die zellinterne Kontaktierung der gestapelten Elektroden (Hardcase-Zellen und Pouch-Zellen) erfolgt erst zu einem späten Zeitpunkt innerhalb dieser Prozesskette. Im Sinne eines nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgangs mit den eingesetzten Halbzeugen sowie einer Reduktion der Ausschusskosten ist eine stabile und prozesssichere Kontaktierung erforderlich. Aufgrund der kontinuierlichen Erweiterung der Einsatzbereiche von LIB, der Variantenvielfalt hinsichtlich der Zellformate und der stetigen Weiterentwicklungen von Batteriezellen werden geometrie- und stückzahlflexible sowie skalierbare Fertigungsverfahren benötigt. Im Forschungsvorhaben „InQuZell“ wird die laserbasierte interne Kontaktierung von LIB thematisiert. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine flexible Prozessführung sowie hohe Schweißgeschwindigkeiten aus und ermöglicht einen industriell skalierbaren Kontaktierungsprozess.

Im Rahmen des Projekts „InQuZell“ wird eine Methode zur Inline-Qualitätsüberwachung und -dokumentation für die Messung der Zwischenproduktqualität während und nach der laserbasierten Kontaktierung erarbeitet. Diese Methode leistet einen Beitrag zu einer lückenlosen Fertigungsdokumentation und trägt zu einer konstant hohen Endproduktqualität bei. Die während des Schweißprozesses erfassten Daten können genutzt werden, um Qualitätsschwankungen in der Produktion frühzeitig zu erkennen, den Ausschuss signifikant zu reduzieren und wertvolle Ressourcen einzusparen. Als zweite Säule des Projekts werden Konzepte zur kontinuierlichen Eingliederung der laserbasierten internen Kontaktierung in die bestehende Produktionskette erarbeitet, um so einen Beitrag zur hochflexiblen Batteriezellfertigung zu leisten. Ein wesentlicher Aspekt ist die Entwicklung einer automatisierten und gleichzeitig flexiblen Spannvorrichtung, welche eine definierte Spannung der Folien bei gleichzeitiger Zugänglichkeit für die erforderlichen Sensoriken ermöglicht. Zudem werden Konzepte zur kontinuierlichen Eingliederung der laserbasierten internen Kontaktierung in die bestehende Produktionskette erarbeitet.

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist eine ganzheitliche Betrachtung des laserbasierten Kontaktierungsprozesses. Dabei wird ein System zur Prozessüberwachung aufgebaut mit dem Ziel, die Nahtqualität inline zu bewerten. Weiterhin soll die Einsatzfähigkeit des betrachteten Verfahrens in einem Pilotdemonstrator mit einem hohen technologischen Reifegrad dargestellt werden. Hier wird auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens im Hinblick auf alternative Fügeverfahren evaluiert. Die gezielte Kombination eines intelligenten Qualitätssicherungssystems auf Basis ausgewählter Sensoren mit einer innovativen Anlagentechnik trägt zu einer nachhaltigen und qualitativ hochwertigen Batteriezellproduktion am Standort Deutschland bei.

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Intelligente Anlaufsteuerung zur kostenreduzierten und flexiblen Fertigung zukünftiger Batteriezellen

InTeAn

Der intelligente und flexible Anlauf von Produktionsanlagen stellt eine der wesentlichen Herausforderungen in der gegenwärtigen Fertigung von Batteriezellen dar. Während sich die Stilllegung diverser Produktionsanlagen generell als weniger problematisch erweist, gestaltet sich die erneute Inbetriebnahme der Anlagen und Systeme oft schwierig. Ziel des Projekts „InTeAn“ ist daher die Entwicklung einer Gesamtmethodik zum schnellen (Wieder-) Anlauf industrieller Fertigungsprozessketten.

Eine Vielzahl der auftretenden Komplikationen im Anlauf ist auf die unflexible und ungeregelte Anlaufsteuerung der Produktionsanlagen zurückzuführen. Diverse Unsicherheitsfaktoren wie Kundenerwartungen, Marktanforderungen, Wettbewerbssituation und die zu produzierenden Stückzahlen bedingen eine erhöhte Aufmerksamkeit, was den Anlauf der Batteriezellenfertigung u.a. für den Einsatz in der Elektromobilität angeht. Dabei stellt die Skalierbarkeit der Produktion eine wesentliche Bezugsgröße in der Produktionsplanung dar. Für den Erfolg oder Misserfolg des Produkts sind die Umsetzung der Anlaufsteuerung sowie Kosten, Qualität und Produktkomplexität maßgebend. Vor dem Hintergrund neuer, teils noch unbekannter Herausforderungen der Batteriezellproduktion kann die Anwendung eines integrierten Anlaufmanagementmodells maßgeblich dazu beitragen, den Produktionsprozess effizienter, nachhaltiger und transparenter zu gestalten.

Im Rahmen von InTeAn soll ein verbessertes Betriebsmodell bzw. eine optimale Anlaufmethodik entworfen werden, die basierend auf Methoden der künstlichen Intelligenz eine selbstlernende Anlagensteuerung (TRL 4) ermöglicht, sodass der Ausschuss im Anlauf um 10% reduziert werden kann. Das TRL der Vorgehensweise beim Wiederanlauf liegt aktuell im Bereich von 3 und soll durch das Vorhaben insgesamt auf TRL 4-5 erhöht werden. Der Fokus liegt hierbei zudem auf der Produktion von Sonderformaten. Aufbauend auf einer umfangreichen Prozessüberwachung sollen zusätzlich ML-Methoden, mit denen mögliche Parameter der Prozessstufen exploriert und schrittweise angepasst werden, zum Einsatz kommen.

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Intelligente Kalandrierung

InteKal

Die Verdichtung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien ist ein entscheidender Prozessschritt zur Erhöhung der volumetrischen Energiedichte und z.B. zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit speziell bei Kathoden. Aus diesem Grund muss dieser Teil der Fertigungskette sowohl auf Produkt- als auch auf Maschinenseite intensiver untersucht werden. Weiterhin ist die Kalandrierung aufgrund von langen Anfahrzeiten ein ausschussintensiver Prozessschritt. Durch sowohl simulationsgestützte Prädiktion von Anlagen- und Maschinenparametern als auch eine Inline-Schichtdickenmessung und Fehlererkennung soll eine Ausschussreduktion durch intelligente Regelung der Maschine erfolgen und somit eine Emissionsreduktion in der Batterieelektrodenfertigung ermöglicht werden.

Das Projekt „InteKal“ beschäftigt sich mit der Kalandrierung von Batterieelektroden, also der Verdichtung zwischen zwei gegenläufigen Walzen. Durch die Entwicklung einer automatischen Prozessüberwachung, -regelung und -steuerung entsteht eine innovative und kostenoptimierte Anlagentechnik. Essentiell für dieses Vorhaben sind die Implementierung von Inline-fähiger Messtechnik zur Schichtdickenmessung und Fehlerbilderkennung sowie eine schnelle und intelligente Verarbeitung der Messdaten. Zur weiteren Unterstützung des Projektzieles werden digitale Zwillinge auf Produkt- und Anlagenseite entwickelt, die sowohl das mechanische Verhalten während der Kalandrierung als auch elektrische und elektrochemische Produkteigenschaften abbilden können. Dies führt zu einer präzisen produkt- und anlagenoptimierten Steuerung des gesamten Produktionsschrittes.

Im Rahmen des Forschungsprojektes „InteKal“ wird durch die Abbildung des Kalandrierprozesses für verschiedene Materialien und Anlagen eine Erhöhung des TRL-Levels von 3 auf 5 angestrebt. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen durch die mit Inline-fähiger Messtechnik erhobenen Daten Modelle zur Prädiktion von Produkt- und Anlagenparametern entwickelt werden. Zusätzlich sollen durch eine innovative Anlagensteuerung eine Effizienzsteigerung, eine Erhöhung der Agilität in der Produktion sowie eine Kostenoptimierung erzielt werden. Weiterhin wird der Aspekt der „grünen Batterie“ durch die Entwicklung der digitalen Zwillinge unterstützt, indem der zukünftige materielle Versuchsaufwand durch virtuelle Untersuchungen ersetzt wird. Somit finden eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes sowie eine Ausschussreduktion statt.

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