Digitalisierung optimiert Batteriezellenfertigung

Lithium-Ionen-Batterien sind ein Wachstumsmarkt. Schätzungen der Unternehmensberatung McKinsey zufolge werden im Jahr 2040 allein in Europa 80 Gigafactories benötigt, um elektrisch angetriebene Pkw, Busse und Lkw auszustatten. Die Herstellung der Zellen – im Falle eines Pkws mit zylindrischen Zellen benötigt man pro Batterie aktuell 7000 bis 10.000 Stück – ist nicht nur energie-, sondern auch ressourcenintensiv: Die Zellen enthalten neben Lithium auch Nickel, Mangan und Cobalt, Graphit, Polymere und Elektrolyte.

Die Autoren des „Handbook on Smart Cell Manufacturing“ am Fraunhofer IPA haben ausgerechnet, dass bereits der Betrieb von 40 Gigafactories ein Energieäquivalent von sieben Atomkraftwerken erfordert. Dabei ist die Energie für die Gewinnung der Rohstoffe und der Transport zu den Fabriken noch nicht berücksichtigt. Um die Produktion effizient und nachhaltig zu gestalten, müsse die Batteriezellenfertigung deshalb unbedingt optimiert werden. Denn die sei heute zum großen Teil immer noch auf einem Stand der Automobilindustrie in den 1960er Jahren und funktioniere nach der Trial-and-Error-Methode. Das sei nicht nur ineffizient, sondern auch langwierig und mit dem Verbrauch von Energie und Ressourcen verbunden.

Ausschuss vermeiden, Energie sparen

So fallen bei der Produktion von Batteriezellen bisher sechs bis 16 Prozent Ausschuss an, der zu sortieren, abzutransportieren und zu entsorgen ist. Das Autorenteam ist davon überzeugt, dass die Digitalisierung der Schlüssel zu einer ressourcenschonenden und energieeffizienten Produktion von Batteriezellen ist. Durch digitalisierte Produktionssteuerung lassen sich nicht nur die Fertigungsprozesse beschleunigen und an Kundenwünsche anpassen, sondern auch Qualitätsmängel frühzeitig aufspüren.

Die während der Produktion gesammelten Daten lassen sich anschließend nutzen, um für jede Zelle einen Steckbrief zu erstellen, der sie ein ganzes Produktleben lang begleitet. Ein solcher Steckbrief würde beispielsweise die Informationen enthalten, aus welchen Materialien die Zelle gefertigt ist, aus welchen Substanzen die Elektroden bestehen und wie viel Elektrolyt zugegeben wurde – speziell hierfür hat das Fraunhofer IPA einen intelligenten Werkstück-Träger entwickelt, der beispielsweise das Gewicht digital bestimmt.

Digitale Steckbriefe helfen sparen

Tatsächlich würde ein solcher digitaler Steckbrief, abrufbar über einen QR-Code auf der Oberfläche der Zelle, helfen, diese effizienter zu nutzen. Die Lebensdauer der fertigen Akkus hängt ab von der Kapazität der Einzelzellen – je geringer die Unterschiede, desto länger lebt die Batterie. Wenn Hersteller von Akkus dank digitaler Steckbriefe die Kapazitäten jeder Einzelzelle kennen, können sie diese gezielt auswählen und zu hochwertigen Akkus verbinden. Im laufenden Betrieb würde der Steckbrief dem Batteriemanagementsystem helfen, den Ladeprozess so zu steuern, dass die einzelnen Zellen möglichst gut ausgelastet werden. Die Informationen vom Batteriemanagementsystem wiederum, das auch die Performance der Zellen ermittelt, wäre hilfreich für Recycler, die die leistungsfähigsten Zellen für eine Second-Life-Verwendung aussortieren wollen. Der Rest ließe sich sortenrein zerlegen und einer neuen Nutzung zuführen.