InForm
PEM entwickelt intelligente Formieranlagen für Lithium-Ionen-Batterien
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. Gemeinsam mit drei weiteren national führenden Instituten verfolgt PEM das Ziel, durch Einsatz von künstlicher Intelligenz und Digitalisierung die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien zu beschleunigen sowie die Prozesskosten zu senken und die Qualität zu steigern.
Formierung maßgeschneiderter Batterien
Erreicht werden soll das Ziel mit Hilfe von zwei intelligenten Optimierungskreisläufen. Dabei wollen die Projektpartner mittels künstlicher Intelligenz und physikochemischer Modelle aktiv in die Formierung eingreifen, um positive Langzeiteffekte zu erzielen und einen sicheren Prozess zu gewährleisten. Auf diesem Wege soll gezeigt werden, dass es möglich ist, bei verkürzten Prozesszeiten maßgeschneiderte Batterien etwa mit Blick auf verbesserte elektrische Eigenschaften oder die Lebensdauer zu formieren und bedarfsgerechte Formierungsprozeduren beschleunigt zu entwickeln.
Zeitaufwendig und kostenintensiv
Maßgeschneiderte Batterien mit automatisierter Qualitätsbeurteilung gelten als Schlüssel zu einer intelligenten und hochproduktiven Formierung für eine konkurrenzfähige Batterieproduktion. Als „Formierung“ wird der letzte Produktionsschritt bezeichnet, der maßgeblich über die spätere Leistung, die Sicherheit und die Langlebigkeit der Lithium-Ionen-Batterie entscheidet. Dabei wird die assemblierte Batteriezelle zum ersten Mal be- und entladen. Dieser programmierte Formierungszyklus wird einmal oder mehrmals durchlaufen. In diesem Zuge bildet sich die für die späteren Leistungsmerkmale der Zelle entscheidende SEI-Schicht an den Elektroden aus. Anschließend reift die Zelle mehrere Tage oder Wochen. Erst danach lässt sich abschließend bestimmen, ob die Zelle die gewünschte Güte hinsichtlich ihrer Leistungsdaten aufweist. Die Formierung gilt indes als äußert zeitintensiv, und die Investitionskosten für die „Formiertürme“ als entsprechende Lagerkapazitäten sind sehr hoch.
Qualitätsbestimmung zum frühestmöglichen Zeitpunkt
Bislang lässt sich der Erfolg der Zellassemblierung und Formierung erst nach dem „End of Line“-Test im Anschluss an die Formierung oder sogar erst nach der Reifung beurteilen. Im Projekt „InForm“ soll die Qualität jedoch schon vorher bestimmt werden – mit Hilfe von Online-Messtechnik und künstlicher Intelligenz, die während der Formierung Zellparameter aufnimmt. Auf diese Weise soll Ausschuss wesentlich früher im Prozess anfallen, was wiederum Kosten und Zeit spart. Dazu soll neben der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS-Messung) künftig auch ein Ultraschall-Verfahren zum Einsatz kommen. Die Ultraschallmessung an Batteriezellen befindet sich derzeit noch in einem frühen Forschungsstadium und könnte daher wichtige Impulse liefern.
Das Vorhaben ist ein Begleitprojekt des vom Bund geförderten Kompetenzclusters „Intelligente Batteriezellproduktion“ (InZePro).
Das Projekt
„InForm“: Funktionsintegration der Formierung und Qualitätsbeurteilung von Lithium-Ionen-Batterien mittels modellbasierter Methoden und künstlicher Intelligenz
Forschungsziele
- Gestaltung intelligenter Batterieformationsanlagen
- Beschleunigung, Prozesskostensenkung und Qualitätssteigerung von Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von künstlicher Intelligenz und Digitalisierung in der Produktion
- Entwicklung zweier intelligenter Optimierungskreisläufe
Forschungs- und Projektpartner
Helmholtz-Institut Ulm (HIU) für Elektrochemische Energiespeicherung (Karlsruher Institut für Technologie) (Projektkoordinator)
PEM der RWTH Aachen
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme (elenia) (TU Braunschweig)
Laufzeit
- 01.03.2021 bis 29.02.2024
Projektträger
Förderkennzeichen
- 03XP0363B
Zuwendungsgeber