Technologien der Batteriefertigung gemeinsam optimieren

Lithium-Ionen-Batterien kommen in immer mehr Produkten zum Einsatz – sei es in Mobiltelefonen, Power Tools, Elektrofahrzeugen oder in großen stationären Energiespeichern. Die steigende Nachfrage macht schlankere Produktionstechniken in der Batteriezellfertigung notwendig.

Forschende am Institut für Materialforschung der Hochschule Aalen (IMFAA) setzen in der Batterieforschung in einem frisch gestarteten Projekt auf modernste 3D-Analysemethoden und maschinelles Lernen. An den Bildschirmen des Elektronenrastermikroskops sind Kathodenbestandteile und -beschichtungen sowie Graphitpartikel für Batterien zu sehen,

Foto: Hochschule Aalen/Thomas Klink

Forschung und Innovation im Bereich der Batteriefertigung resultieren zugleich in nachhaltigerer Mobilität und Energie. Sie führen zu mehr Arbeitsplätzen und somit zu einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit für Europa. Forschende an der Hochschule Aalen sind nun Teil eines deutschlandweiten Projekts, das die Prozessschritte der Fertigung einer Batteriezelle optimieren möchte. Dafür setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf hochmoderne 3D-Analysemethoden und maschinelles Lernen.

Auf dem globalen Markt wettbewerbsfähig werden

„Die Fertigungsprozesse schließen aktuell starke, prozessübergreifende Wechselwirkungen mit ein, die wir noch nicht richtig verstehen“, erläutert Andreas Kopp, Doktorand am Institut für Materialforschung (IMFAA) an der Hochschule Aalen. Diese unbekannten Wirkzusammenhänge stellten für den deutschen Produktionsstandort nach wie vor ein echtes Hemmnis dar, Batteriezellen für den internationalen Markt effizient und wirtschaftlich in hohen Stückzahlen fertigen zu können.

Ein Team an der Hochschule (HS) Aalen erforscht deshalb derzeit gemeinsam mit einem Konsortium aus wichtigen Akteuren aus der Wissenschaft (dazu gehören das Karlsruher Institut für Technologie Institut für Produktionstechnik KIT, die Technische Universität Berlin sowie das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb) und aus der Industrie (Jonas & Redmann Automationstechnik, Carl Zeiss Industrielle Messtechnik, Custom Cells Itzehoe, BST, J. Schmalz sowie Siemens AG) die Prozessschritte der Zellstapelbildung. Kopp erläutert: „Jede Li-Ionen-Zelle besteht aus einer negativen und einer positiven Elektrode. Zwischen den Elektroden befinden sich zum einen der ionenleitende Elektrolyt, der den notwendigen Ladungsaustausch ermöglicht, und der Separator, der die elektrische Trennung der Elektroden gewährleistet. Die einzelnen Komponenten kann man sich wie dünne Folien vorstellen, die zum Bau einer Zelle gestapelt oder gewickelt werden.“

Forschungsprojekt analysiert KI-unterstützt die Zellstapelung

Im gerade frisch gestarteten Projekt „ProMoBatt“ (Prozessmodellierung zur Optimierung der Batteriezellfertigung) wird eben dieser Prozessschritt der Zellstapelbildung analysiert und systematisch optimiert. „Wir wollen uns unter anderem genau anschauen, wie die Stapel aufeinander liegen, ob und wie beispielsweise ein Versatz entsteht“, erklärt Kopp. Dazu setzen die Forschenden aus Aalen zerstörungsfreie mikroskopische Methoden ein, um ins Innere der Zellen blicken zu können: Zunächst ermöglichen 3D-Computertomographieaufnahmen eine hochauflösende, räumliche Analyse der Stapelqualität, der Mikrostruktur und beispielsweise der Elektrodenposition. Danach kommt Machine Learning zum Einsatz: „Die künstliche Intelligenz hilft uns dabei, die Daten auszuwerten und bisher eventuell unbekannte Wirkzusammenhänge zu erkennen.“

Bis zum Ende des (bis Februar 2026 terminierten) Projekts wollen die Forschenden innovative, technische Lösungen für die Bereiche der Materialbahnführung, der Greif- und Handhabungstechnik sowie der Qualitätssicherung gefunden und in einem Anlagen-Setup konkret umgesetzt haben. Unterstützt wird das Vorhaben an der HS Aalen mit rund 305.000 Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Für das Projekt verantwortlich sind Dr. Timo Bernthaler und Prof. Dr. Gerhard Schneider aus dem Leitungsteam des IMFAA.

Auch E-Autos stehen im Fokus eines Forschungsprojektes

Ein weiteres Projekt an der Hochschule Aalen: aktuell zählen Elektroautos zu einer stark wachsenden Kategorie in der Automobilbranche. Allerdings bringt die hohe Nachfrage nach Elektromobilität auch große Herausforderungen mit sich. Denn auch in diesem Segment ist eine große Menge an Batterien vonnöten. Damit diese Energiespeicher möglichst langlebig, kosten- und ressourceneffizient herstellbar sind, müssen sie in der Entwicklungsphase sowie zur Qualitätssicherung langwierige und energieaufwendige Lebensdauertests durchlaufen. Forschende an der HS Aalen entwickeln derzeit gemeinsam mit dem Unternehmen PTS-Prüftechnik aus Waldstetten ein Verfahren, das Zellalterungsversuche mit Mikroskopiebildern und Machine Learning-Methoden verbindet. Dieses Verfahren könnte künftig die aufwendigen Zelltests nicht nur ersetzen, sondern sogar bessere Lebensdauerprognosen liefern und dadurch insgesamt Kosten und Energie im Herstellungsprozess von Batteriesystemen reduzieren.

Im frisch gestarteten Projekt „Kombi-Lite“ geht es darum, die Qualitätssicherung in der Batterietechnologie weiterzuentwickeln, um so langfristig die Kosten für das Zelltesting zu senken und die Zellauswahl zu verbessern. Dabei sollen spezifische Informationen über die Fertigungsqualität der Batterien und die verwendeten Materialien gewonnen und diese mit Zellalterungsversuchen kombiniert werden. Daten aus Alterungsversuchen werden dazu mit Mikroskopiebildern kombiniert. Daraus lässt sich erkennen, wie sich die Mikrostrukturen der Batteriezellen im Laufe der Zeit verändern und die Batteriezellen im Inneren altern. Bisher werde beides noch nicht kombiniert, so das Forscherteam.

Die gewonnenen Bilder und Erkenntnisse aus den enormen Datenmengen werden anschließend vom Machine Learning-Team des IMFAA analysiert. Künstliche Intelligenz hilft dabei, Zusammenhänge besser zu erkennen und zu verstehen. Das interdisziplinäre Zusammenführen dieser drei Methoden in einem Projekt ist ein neuartiger Ansatz. Das Projekt wird mit rund 200.000 Euro aus der „Invest BW Innovationsförderung – Digitalisierung und künstliche Intelligenz“ gefördert.

Wer an der Hochschule Aalen studiert, kann sich sicher sein, dass er sein Studium an einer der zehn besten Hochschulen des Landes absolviert.

Foto: Hochschule Aalen/Jan Walford

Forschen an einer der begehrtesten Hochschulen

Laut StudyCheck.de gehört die Hochschule Aalen erneut zu den zehn beliebtesten Hochschulen Deutschlands. Im Ranking des unabhängigen Bewertungsportals nimmt sie unter den Hochschulen für angewandte Wissenschaften Baden-Württembergs den vierten Platz ein. In ihren Bewertungen betonen die Studierenden die hohe Qualität der Lehre, die Praxisnähe der Studienangebote sowie den guten Kontakt zu den Lehrenden der Hochschule. Auch bei der Digitalisierung liegt die Hochschule Aalen ganz vorne: Beim „Digital Readiness Ranking“ erreicht sie den vierten Platz deutschlandweit und den ersten Platz in Baden-Württemberg.

Die Rankings des unabhängigen Bewertungsportals StudyCheck.de für 2023 beruhen auf rund 80.000 Bewertungen von Studierenden, die im vergangenen Jahr abgegeben wurden. „Punkten“ konnten neben den Lehrinhalten und Lehrenden vor allem auch die Praxisnähe des Studiums sowie die gute Ausstattung der Labore. Eine Übersicht der beliebtesten Hochschulen und Universitäten gibt es hier: https://www.studycheck.de/hochschulranking