Forschende am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickeln Methoden, um die Herstellungsprozesse in Batteriefabriken mit Hilfe von digitalen Zwillingen virtuell abzubilden. So lassen sich wichtige Parameter während der Fertigung messen, teilte das Institut mit.

Die Forschenden entwickeln Modelle für zentrale Schritte der Batteriefertigung über die ganze Produktionskette hinweg. Dazu zählen das Mischen, Beschichten oder Trocknen der Elektroden. So lassen sich Prozesse digital analysieren und optimieren, noch bevor sie in der Fabrik zur Umsetzung anstehen. Die virtuellen Abbilder sollen helfen, Fehler zu vermeiden, die sonst im Produktionsprozess auftreten.

BEST simuliert Lithium-Ionen-Batterien

Mit dem Battery and Electrochemistry Simulation Tool (BEST) stellt die Abteilung Strömungsprozesse beispielsweise eine Simulationssoftware zur Verfügung. Diese dient dazu, Lithium-Ionen-Batterien dreidimensional am Computer zu modellieren. Der Leistungsumfang sei breit gefächert. Er reiche von dem Prognostizieren der Zell-Leistung über die Optimierung von Ladestrategien bis hin zur Möglichkeit, Alterungs- und Degradationsphänomene zu untersuchen. »Mit BEST können wir vorhersagen, wie sich Batterien im Betrieb verhalten. Wir untersuchen beispielsweise, welchen Einfluss Designparameter wie die Schichtdicke der Elektroden, mit denen die Akkus spezifiziert werden, auf das Batterieverhalten haben«, erläutert der stellvertretende Abteilungsleiter Dr. Jochen Zausch.

Foam: Software zur Simulation von Sicherheitsschaum

Ebenfalls zum Portfolio gehört mit “Foam” ein Softwaretool, das im Kontext der Batterieproduktion die Ausschäumung von Batteriemodulen simuliert. Zellen in einem Batteriemodul müssen zum Schutz vor dem Überhitzen thermisch voneinander isoliert und mechanisch fixiert sein. Um dies zu erreichen, werden zylindrische Zellen häufig nebeneinander angeordnet und die Zwischenräume mit einem Schaum ausgefüllt. Dabei schäumt das flüssige Medium auf, härtet aus und bildet den Schaum, der die Zellen umschließt. »Mit Foam können wir die Ausbreitung und die Ausdehnung des Schaumes simulieren und anhand der Ergebnisse bereits im Voraus untersuchen, ob alle Bereiche erreicht werden, die gefüllt werden müssen, und ob die Schaumverteilung homogen ist«, so Zausch.

Ein weiterer Einsatzort für digitale Zwillinge bei der Batterieproduktion: In den kommenden Jahren sollen in Europa 1000 Produktionslinien für Elektrodenfolien in die Realisation gehen. Ähnliche Zahlen gelten zudem für Asien und Nordamerika. Um die Qualität inline während der Herstellung zu überwachen, lassen sich ausschließlich berührungslose Systeme eingesetzen. »Batteriefolien sind die Hauptkomponenten in Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die kontinuierliche Überwachung der Materialparameter – Schichtdicke und Leitfähigkeit der Elektroden – ist entscheidend für die Produktqualität. Um sie inline bereits während der Produktion zu überwachen, setzen wir unsere Terahertz-Messtechnik ein«, so Dr. Daniel Molter, Wissenschaftler am Fraunhofer ITWM.

Quelle: Fraunhofer ITWM | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH