Künstliche Intelligenz zur umweltfreundlichen Herstellung von Batteriezellen

Die Herstellungsprozesse von Batteriezellen sollen mithilfe Künstlicher Intelligenz optimiert werden. Daran arbeitet das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in einem Forschungsverbund, der sich zum Ziel gesetzt hat, die Verfahren zur Produktionvon Batterieelektroden umweltfreundlich, wirtschaftlich und lösungsmittelfreizu gestalten. Zu dem Verbund gehören neben dem ZSW das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM sowie das Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS.

Das Projekt unter dem Namen „KontElPro“ (Kontinuierliche Elektro-denproduktion) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Teil desForschungsclusters „Intelligente Zellpro-duktion“ (InZePro) mit insgesamt rund 1,8 Millionen Euro gefördert. Weltweit steigt die Nachfrage nach Batterien. Sie sind eine Schlüssel-technologie –beispielsweise für die Elektromobilität. Doch bisher kommen hierfür die meisten Batterien aus Asien und nur wenige werden in Deutschland produziert. Um das zu ändern, hat das Bundesforschungsministerium begonnen, die Förderung der Batterieforschung neu auszurichten. Die Forschungsaktivitäten des ZSW mit seinen Verbundpartnern sind ein wichtiger Meilenstein für eine Batterieproduktion in Deutschland und Europa mit smarten, umweltschonenden sowie platz-und ressourcensparenden Elektrodenherstellungsverfahren.

Neues umweltverträgliches Fertigungsprinzip

Bisher werden Batterieelektroden und -zellen überwiegend in Asien gefertigt. Dabei wird eine Elektrodenpaste auf eine dünne Metallfolie aufgetragen und anschließend das toxische Lösungsmittel der Paste in einem langen Trockenofen energieintensiv abgezogen. Im Projekt „KontElPro“steht dagegen die lösungsmittelfreie Elektrodenfertigung durch Extrusion und anschließendem Trockentransferverfahren im Mittelpunkt. Dabei kommen keine toxischen Substanzen zum Einsatz und energieintensive Trocknungsverfahren sind ebenfalls nicht Bestandteil der Prozesskette.

Dies ist ein Gewinn für Umwelt und Gesundheit. Künstliche Intelligenz (KI) ist die Grundlage für die Optimierung des neuen Herstellungsverfahrens. Durch die KI-gestützte Prozessleittechnik werden zusätzlich Zeit, Energie und Kosten eingespart. Die Künstliche Intelligenz ermöglicht somit zukünftig einen kostengünstigen und umweltfreundlichen Herstellungsprozess von Elektroden für Batteriezellen.

Das ZSW in Stuttgart wird dabei die selbstlernende KI zur Optimierung und Regelung der Einzelprozesse und des Gesamtfertigungsprozesses in der Elektrodenherstellungfür Batteriezellenentwickeln. „Das ZSW forscht und arbeitet seit mehr als 20 Jahren im Bereich KI und Maschinellem Lernen. Hier können wir unsere Methodenkompetenz und unser Know-howfürnochmehr Nachhaltigkeitin der Energiewende einbringen“, erklärt Maike Schmidt, Leiterin des Fachgebiets Systemanalyse am ZSW. Das Fraunhofer IFAM arbeitet in diesem Projekt an der Überwachung und Steuerung der Extrusionsprozesse zur kontinuierlichen Produktion von Batteriekomponenten. Die Trockentransferverfahren für lösungs-mittelfreie Batterieelektroden entwickelt das Fraunhofer IWS, das auch den Prozess mit Funktionen zur Überwachung und Steuerung ausrüstet.

Das Fraunhofer ICT entwickelt und programmierteine Datenbank zur Erfassung der Prozessdaten und stellt die Schnittstellen zur KI-Entwicklung bereit. Gleichzeitig sollen die etablierten Prozesse um eine KI-basierte Inline-Prozesskontrolle und eine standortübergreifende, vernetzte Datenbank erweitert werden. Ziel ist es, Daten automatisiert auszuwerten und die Prozesse KI-gestützt zu modellieren, zu optimieren, zu steuern und zu überwachen. Bei Abweichungen greift die KI direkt in die Prozesssteuerung ein und regelt diese nach, um über den gesamten Prozessver-lauf eine homogene und optimale Elektrodenqualität zu gewährleisten. „Mit neuesten KI-Methoden könnenwir alle wichtigen Einflussfaktoren auf die Qualität der Elektroden schon während der Fertigung erfassen, bewerten,regeln und damit eine gleichbleibende hohe Qualität der Elektroden über die gesamte Prozessdauer sicherstellen“ erläutert Anton Kaifel, Teamleiter des Bereichs KI und Maschinelles Lernen am ZSW.

Bild oben: Assemblierung von Batteriezellen am ZSW. Foto: ZSW