Die Nachfrage nach Batterien für Elektroautos und Energiespeicher wächst. Um eine möglichst zuverlässige und effiziente Herstellung zu unterstützen, setzt das Fraunhofer ITWM auf digitale Simulationstools und neuartige Messsysteme. Die Forschenden entwickeln Modelle für zentrale Schritte der Batteriefertigung für die gesamte Produktionskette – 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 sollen helfen, Fehler zu vermeiden, die sonst im Produktionsprozess auftreten. Ausschuss lässt sich reduzieren.
Batterien 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. Das Tool unterstützt beim Prognostizieren der Zellleistung, der Optimierung von Ladestrategien sowie bei der Untersuchung von Alterungs- und Degradationsphänomenen. „Mit Best können wir vorhersagen, wie sich Batterien im Betrieb verhalten, Zelleigenschaften werden durch physikalisch basierte Simulationen an virtuellen Kopien von realen Batterien prognostiziert. Wir untersuchen beispielsweise, welchen Einfluss Designparameter wie die Schichtdicke der Elektroden, mit denen die Akkus spezifiziert werden, auf das Batterieverhalten haben“, erläutert der stellvertretende Abteilungsleiter Dr. Jochen Zausch. „Weitere Einflussfaktoren wie Materialeigenschaften und Einsatzszenarien berücksichtigen wir ebenfalls.“ Best lässt sich mit anderen Tools kombinieren und ist 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. In der industriellen Bildverarbeitung stellen PC-basierte Systeme oft eine technische Hürde dar. Die Trennung von Bildaufnahme und Datenverarbeitung führt häufig zu Latenzen, erhöhtem Platzbedarf und einem komplexen Wartungsaufwand. Besonders in schnellen Produktionslinien erschwert die Synchronisation zwischen Sensor und externem Rechner eine stabile Prozesskontrolle. ‣ weiterlesen
Präzise 2D-Inspektion mit nativer Edge-Intelligenz
Ebenfalls zum Portfolio gehört mit FOAM eine Software, die im Kontext der Batterieproduktion die Ausschäumung von Batteriemodulen simuliert. Laut Fraunhofer ITWM müssen Zellen in einem Batteriemodul 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. „Mit FOAM können wir die Ausbreitung und die Ausdehnung des Schaumes simulieren und anhand der Ergebnisse bereits im Voraus untersuchen, ob alle Bereiche erreicht werden, die gefüllt werden müssen, und ob die Schaumverteilung homogen ist“, so Zausch.
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. Dabei unterstützt die Terahertz-Messtechnik des Fraunhofer ITWM. Sie nutzt elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarot, um Materialien kontaktlos und zerstörungsfrei zu prüfen.
Inline-Dickenmessung von Beschichtungen auf Batteriefolien
Wie die Forschenden mitteilen, sollen in den kommenden Jahren in Europa 1.000 Produktionslinien für Elektrodenfolien gebaut werden, ähnliche Zahlen gelten für Asien und Nordamerika. Um die Qualität inline während der Herstellung zu überwachen, können den Forschenden zufolge ausschließlich berührungslose Systeme eingesetzt werden. Daher hat die Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung ihre Expertise in der Terahertz-Messtechnik zur Inline-Beschichtungskontrolle von Batteriefolien ausgeweitet. „Batteriefolien sind die Hauptkomponenten in Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die kontinuierliche Überwachung der Materialparameter – Schichtdicke und Leitfähigkeit der Elektroden – ist entscheidend für die Produktqualität. Um sie inline bereits während der Produktion zu überwachen, setzen wir unsere Terahertz-Messtechnik ein“, sagt Dr. Daniel Molter, Wissenschaftler am Fraunhofer ITWM. Die Messungen werden inline an ein- und mehrlagigen Beschichtungen von Anoden- und Kathodenfolien an verschiedenen Stellen im Nass- oder Trockenprozess durchgeführt – berührungslos, zerstörungsfrei und ohne die Notwendigkeit von Strahlenschutzmaßnahmen.
