KI aus der Halbleiterfertigung beschleunigt Aufbau der Batteriefertigung

Voltaiq und PDF Solutions arbeiten zusammen, um durch die Integration der Enterprise Battery Intelligence-Plattform von Voltaiq in die Exensio-Plattform für Prozesskontrolle und Fertigungsanalyse von PDF Solutions, bei der Batterieherstellung neue Effizienz und Optimierungsmaßstäbe zu setzen. Das reduziert die Risiken durch Lieferengpässe, reduziert den Ressourcenverbrauch und beschleunigt vor allem den aufwändigen Anlaufprozess einer neuen Batteriefertigung. Die Lösung verbessert die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für Investoren und fördert so den schnelleren Umstieg auf E-Antriebe durch eine schnellere Verfügbarkeit von Batterien. Die Unternehmen bringen Batteriekompetenz und Fertigungskompetenz aus der Halbleiterproduktion zusammen und schaffen so eine Softwareplattform, die die Fertigungsprozesse zur Batterieherstellung optimiert.

Die Batterieindustrie ist im Eiltempo dabei, neue Produktionskapazitäten zu schaffen, da das Marktwachstum bei E-Fahrzeugen frühere Markterwartungen weit übertrifft. Nur ein Tesla Model S enthält beispielsweise insgesamt 7104 Zellen. Das hat bereits zu Lieferengpässe bei Batteriezellen geführt. Als Reaktion darauf haben Unternehmen aus dem gesamten Batterie-Ökosystem mit dem Bau neuer Fabriken begonnen – darunter Zellhersteller und Autohersteller – auch als Joint-Ventures. Doch alle diese Projekte sehen sich mit langen Anlaufzeiten bis eine Fertigung wirtschaftlich läuft und unausgereiften Lieferketten sowie dem Fachkräftemangel konfrontiert. Eine typische Gigafactory wird deshalb voraussichtlich mehrere Jahre und Milliardeninvestitionen benötigen, bevor sie die Rentabilität erreicht.

Wie KI und ML die Batterien verstehen

Die integrierte Lösung von PDF Solutions und Voltaiq kombiniert die Exensio-Plattform für Prozesskontrolle und Fertigungsanalyse von PDF Solutions mit der Enterprise-Battery-Intelligence-Plattform von Voltaiq, damit Anwender die Batteriequalität bereits zu einem früheren Zeitpunkt im Produktionsprozess vollständig charakterisieren und diese Merkmale mit wichtigen Fertigungsparametern zur Kontrolle und Verbesserung verknüpfen können.

Die Kombination aus künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) bietet Analysen für die Herstellung und Charakterisierung von Batterien, um die Produktionsanläufe zu beschleunigen und den Gesamtertrag sowie die Effizienz der Massenproduktion zu verbessern. Die Exensio-Plattform ist eine Daten- und Analyseplattform für die Halbleiterindustrie. Sie verwaltet mehr als 40.000 Prozess-, Test- und Montagetools in Fabriken und schult mehr als 15.000 Ingenieure weltweit.

Da im Batterie-Herstellungsprozess die Einzelkomponenten betrachtet werden, ist bei der Produktion zum Beispiel die Maßeinheit für Qualität im Autosektor, Parts per Million, bereits viel zu grob. Parts per Trillion wird bei der Halbleiter-Fertigung angelegt, denn der hochkomplexe, höchst akkurate Prozess, der keine Verunreinigung oder Temperatur- sowie Ablaufschwankungen verträgt, ähnelt vielmehr den Anforderungen aus der Halbleiterindustrie.

PDF Solutions liefert den Analyse- und Steuerungsprozess. Voltaiq liefert die Daten zu den Materialen, Konstruktion, Eigenschaften, Leistung, Einsatzqualität und -dauer, also alles was die Batterie von der Materialgewinnung bis zum Einsatz im Fahrzeug definiert. Dadurch wird der Fertigungsprozess einer Batterie erstmals dokumentiert und transparent, auch für spätere Nachfragen.

Auch wenn die Industrie heute weltweit Batteriefabriken projektiert und baut, die Fertigung birgt noch viele Geheimnisse. Beispiel: Obwohl alle Batteriezellen theoretisch identisch sind, so verlassen Zellen die Fabrikhallen mit geringerer und mit höherer Kapazität. Auch die Selbstentladungsraten unterscheiden sich. Gründe dafür sind Fertigungstoleranzen oder chemische Effekte.

Hierfür steht nun eine IT Plattform-Lösung zur Verfügung.  Geht heute eine Batteriefertigung an den Start, so existieren genügend Beispiele, wo in den ersten Jahren nach Produktionsbeginn die Schwankungen außerhalb hinnehmbarer Toleranzen liegen. Deshalb können Investoren erst nach einigen Jahren mit einem Ertrag rechnen. Mit der Lösung von Voltaiq und PDF Solutions stellt sich schon viel kürzer ein Fertigungsoptimum ein. Das erspart dem Produzenten Haftungsrisiken, Aufwendungen für Rückrufe oder sogar Ausschuss.

Durch eine transparente Fertigung bzw. digitalen Zwilling lässt sich der Ressourcen- und Energieeinsatz verbessern. Man kann auf ein Prinzip zurückgreifen, das die Autozulieferer gern für ihre anspruchsvollen Kunden verwenden, die immer neueste Entwicklungen schnell umgesetzt sehen wollen. Fertigung und Entwicklung arbeiten zusammen, wobei die Vorgänge in der Fertigung ständig überprüft werden. So fließen Änderungen an der Materialzusammensetzung, Konstruktion und Herstellungsprozesse kontrolliert in die Serie ein. Damit vergeht weniger Zeit, bis Ideen in Serie gehen. Das kann in diesem Zusammenhang auch für CO₂- und energieoptimierte Verfahren und Materialien gelten. Insofern unterstützt die Voltaiq-PDF-Solutions-Plattform die Bemühungen, schneller eine grüne Batterie zu realisieren.

Plattform verbessert das Batterie-Recycling

Die Plattform verbessert die Recycling-Situation auf zweifache Weise: Die Batterie bleibt länger im Einsatz, bevor sie wieder in ihre Ausgangsstoffe zerlegt wird. Sie kommt später zum Recycling, weil sich ihre Leistungs- und Qualitätsdaten bis zu ihrem „Geburtsprozess” im Werk zurückverfolgen lassen. Mit Voltaiq bekommt der Anwender verlässliche Daten über den Zustand und die verbleibende Lebensdauer und auch die E-Autohersteller oder -betreiber können über ihren Zweiteinsatz nach einem ersten Batterieleben entscheiden. Heute schenken Verbraucher gebrauchten Batterien oder Akkus wenig Vertrauen. Sie finden darum keine oder weniger Käufer. Steigt das Vertrauen, bleiben Batterien länger im Gebrauch. Diese Veränderung in der Verbrauchereinstellung ist wichtig, denn der Fortschritt in der Batterietechnologie verspricht steigende Leistung und Lebensdauer. Davon muss der Konsument auch einen Vorteil haben.

Transparente Batteriefertigung

Eine transparente Fertigung kann einen wichtigen Beitrag leisten, wie sich Batterien kontinuierlich umweltfreundlicher konstruieren lassen. Änderungen können so schnell in die Serie einfließen, weil jeder Produktionsschritt bekannt ist und sich überwachen lässt. Eine Batterie bzw. Batteriezelle ist also keine Blackbox, die im Markt zu Enttäuschungen führt. Bevor eine Veränderung zur Auslieferung an den Anwender kommt, liefert die Plattform aus dem Fertigungsprozess wichtige Qualitätsmerkmale und reduziert damit Marktrisiken und die Markteinführungszeit in einer Art und Weise, wie es heute in den Werken noch nicht möglich ist. (na)

Der Beitrag beruht auf Material von Voltaiq