Batterieherstellung der Zukunft – mithilfe von KI

Neues Projekt an der Hochschule Landshut entwickelt selbstlernende Methode
für die Herstellung von Batterien und will damit Deutschland im weltweiten
Wettbewerb stärken

Batterien gelten als Schlüsseltechnologie für Elektroautos, Handys oder
Energiespeicher. Wir benötigen sie, um die geforderte Energiewende
umzusetzen, den Klimawandel zu bekämpfen und die Digitalisierung
voranzutreiben. Die Nachfrage an Batterien steigt daher stetig, wie auch
ihre Produktion. Allerdings kommen die meisten Batterien immer noch aus
Asien. Um die Zellfertigung in Deutschland und Europa voranzubringen,
braucht es neue Technologien für die Massenproduktion. Im neuen
Forschungsprojekt IntelliSpin setzt die Hochschule Landshut gemeinsam mit
der Technischen Universität München genau hier an. Unter der Leitung von
Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger vom Technologiezentrum Energie in Ruhstorf
a. d. Rott forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an einer
neuen Technologie, die mittels Elektrospinning und Künstlicher Intelligenz
die Herstellung von Batterien flexibler gestaltet und Kosten reduziert.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Vorhaben im
Rahmen des Clusters „Intelligente Zellproduktion“ mit insgesamt 888.000
Euro.

Wettbewerbsvorteile für Deutschland

Die Idee des Forscherteams ist, mithilfe von Elektrospinning bisher nicht-
laminierbare Elektroden laminierbar zu machen und damit die Flexibilität
in der Fertigung zu erhöhen. Pettinger ist sich sicher: „Wenn wir es
schaffen, diese Technologie zu automatisieren und in die Prozesse der
Industrie 4.0 zu integrieren, dann stärkt das den Wettbewerb von
Unternehmen gegenüber großindustriellen Anlagen enorm. Damit unterstützen
wir die Industrie, Investitionsentscheidungen zugunsten von
Produktionsanlagen in Deutschland und Europa zu tätigen.“

Nanofasern als Lösung

Beim Laminieren werden abwechselnd positive und negative Elektroden mit
dazwischen liegenden Separatoren übereinander geschichtet und im Anschluss
daran mit einer Folie versiegelt. Aufgrund ihrer dünnen und leichten
Bauweise sind laminierte Zellen flexibel in der Formgebung, liefern jedoch
trotzdem viel Strom. Elektrodenrezepturen, die auf Wasser basieren und
daher sehr umweltverträglich sind, können bis jetzt nicht laminiert
werden. Das will das Projektteam nun ändern, indem es auf diese Elektroden
eine hauchdünne Schicht eines Spezial-Polymers aufträgt. „Dies geschieht
mithilfe von automatisiertem Elektrospinning“, so der Landshuter
Professor, „dabei werden chemische Materialien in feinste Fasern mit
Durchmessern von wenigen Mikro- oder Nanometern versponnen.“ Die
Forschenden sprühen dazu eine chemische Lösung in ein elektrisches Feld.
Die Lösung wird von der Gegenelektrode angezogen und beschleunigt. Während
dieses Prozesses verdunstet das Lösungsmittel und es bilden sich
Nanofasern, die bis zu 1.000 Mal dünner als ein menschliches Haar sind und
sich wie eine Art Vlies ablagern. Dabei kann das Team auf Ergebnisse aus
dem Vorprojekt SpinnAp an der Hochschule Landshuter aufbauen.

Intelligente Vernetzung von Fertigungslinien

Unter Einsatz von Künstlicher Intelligenz vernetzen und optimieren die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieses Verfahren schließlich mit
einer bestehenden Fertigungslinie. „Unser Ziel ist am Ende eine
vollständig vernetzte Fertigungslinie. Sie befähigt die
Batteriehersteller, Ausschussraten zu reduzieren, die Qualität und
Lebensdauer der Zellen zu verbessern und die Produktion zu
flexibilisieren“, so Pettinger.

Enge Zusammenarbeit der Batterie-Experten

Der Leiter des Technologiezentrums Energie (TZE) freut sich, dass er
hierfür die Technische Universität München (TUM) als Kooperationspartnerin
gewinnen konnte: „Im Projekt IntelliSpin kombinieren die Hochschule
Landshut und die Technische Universität München ihre Kernkompetenzen in
der Batterieproduktion.“ So zählt die teilautomatische Herstellung von
Lithium-Ionen-Zellen zur Hauptexpertise des TZE, das über ein exzellent
ausgestattetes Batterielabor mit Elektrospinning-Anlage verfügt. Das
Landshuter Team rüstet dieses nun um und übernimmt die Zellfertigung sowie
die elektrochemische Charakterisierung. Das Institut für Werkzeugmaschinen
und Betriebswirtschaft der TUM erarbeitet hingegen die Steuerungskonzepte
des automatischen Elektrospinnings und übernimmt die Analysen von
Prozessen sowie die Entwicklung der KI-Modelle.

Über das Projekt
Das Projekt IntelliSpin läuft voraussichtlich bis 31.Dezember 2023 und
wird am Technologiezentrum Energie (TZE) in Ruhstorf an der Rott
durchgeführt. Die Gesamtprojektleitung übernimmt Prof. Dr. Karl-Heinz
Pettinger von der Hochschule Landshut. Projektpartnerin ist die Technische
Universität München. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung
fördert das Vorhaben mit insgesamt 888.000 Euro.