Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen entwickelt im Verbundprojekt „InForm“ intelligente Formieranlagen zur Optimierung und zur Diagnose von Batteriezelleigenschaften. (Bild: PEM RWTH Aachen)
Der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen hat mit drei weiteren Instituten das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt InForm nach mehr als dreieinhalb Jahren erfolgreich beendet. Im Zuge des Verbundvorhabens hatten die wissenschaftlichen Akteure KI-gestützte Prozesse entwickelt, die eine deutlich frühere Optimierung und Beurteilung von Batteriezelleigenschaften als bisher erlaubt.
Mithilfe von Digitalisierung und künstlicher Intelligenz lässt sich die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien beschleunigen, wobei die Prozesskosten sinken und die Qualität steigt. Anhand von KI und physikochemischen Modellen hatten die Projektpartner zielgerichtet in den Teilschritt der Formierung eingegriffen, um positive Langzeiteffekte zu erzielen und ein sicheres Verfahren zu gewährleisten. Dabei sei die Prozesszeit durch ein Pulsformierungsprotokoll zunächst um rund 50 % und anschließend mit Unterstützung von KI um weitere 20 % reduziert worden. Dadurch habe sich gezeigt, dass sich bei verkürzten Prozesszeiten maßgeschneiderte Batterien etwa mit Blick auf verbesserte elektrische Eigenschaften oder die Lebensdauer formieren und bedarfsgerechte Prozeduren schneller entwickeln lassen. Akkus individueller und mit automatisierter Qualitätsbeurteilung herstellen zu können, ist laut PEM-Leiter Professor Achim Kampker ein Schlüsselfaktor im künftigen Wettbewerb um eine konkurrenzfähige Batterieproduktion.
Ausschuss frühzeitig erkennen
Formierung bezeichnet den letzten Produktionsschritt, der die spätere Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit der Lithium-Ionen-Batterie wesentlich mitbestimmt. Während der Formierung wird die assemblierte Batteriezelle zum ersten Mal be- und entladen. Im Zuge dessen bildet sich die für die späteren Leistungsmerkmale der Zelle entscheidende Solid-Electrolyte-Interphase-Schicht (SEI) an den Elektroden aus. Durch elektrochemische Impedanzspektroskopie hatten die Forschenden den Widerstand der SEI während der Formierung beobachtet, um dadurch auf die korrekte Ausbildung der SEI und den daraus resultierenden Lithiumverbrauch zu schließen – ein Qualitätskriterium sowohl für die Entladekapazität nach der Formierung als auch für das Langzeitverhalten. Anstatt den Produktionserfolg erst mit dem End-of-Line-Test beurteilen zu können, lässt sich die Batteriequalität ohne jegliche Prozessunterbrechung schon vorher bestimmen. So kann Ausschuss wesentlich früher im Prozess anfallen, was Zeit und Kosten spare.
Das Vorhaben war ein Begleitprojekt des von der Bundesregierung geförderten Kompetenzclusters Intelligente Batteriezellproduktion (InZePro). Zu den Partnern des RWTH-Lehrstuhls PEM zählten das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) für Elektrochemische Energiespeicherung des Karlsruher Instituts für Technologie, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und das Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme (elenia) an der TU Braunschweig.