Entwicklung eines intelligenten und autonomen Pastenproduktionsverfahrens

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.