KI-Projekt der RWTH Aachen ermöglicht effizientere Batterieproduktion
Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen hat mit drei weiteren national führenden Instituten das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt „InForm“ nach mehr als dreieinhalb Jahren 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.
„Mit Hilfe von Digitalisierung und künstlicher Intelligenz lässt sich die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien beschleunigen, wobei die Prozesskosten sinken und die Qualität steigt“, erklärt PEM-Leiter Professor Achim Kampker.
Prozesszeit um rund 70 % verkürzt
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 es möglich ist, bei verkürzten Prozesszeiten maßgeschneiderte Batterien etwa mit Blick auf verbesserte elektrische Eigenschaften oder die Lebensdauer zu formieren und bedarfsgerechte Prozeduren beschleunigt zu entwickeln.
„Akkus individueller und mit automatisierter Qualitätsbeurteilung herstellen zu können, ist ein Schlüsselfaktor im künftigen Wettbewerb um eine konkurrenzfähige Batterieproduktion“, sagt Kampker.
Die „Formierung“
Als „Formierung“ wird der letzte Produktionsschritt bezeichnet, der die spätere Leistung, die Sicherheit und die Langlebigkeit der Lithium-Ionen-Batterie wesentlich mitbestimmt. Während dieses Prozesses 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“ (SEI)-Schicht an den Elektroden aus. Durch elektrochemische Impedanzspektroskopie hatten die Forschenden den Widerstand der SEI während der Formierung beobachtet.
„Dadurch lässt sich auf die korrekte Ausbildung der SEI und den daraus resultierenden Lithiumverbrauch schließen – ein Qualitätskriterium sowohl für die Entladekapazität nach der Formierung als auch für das Langzeitverhalten“, sagt PEMs Projektverantwortlicher Tobias Robben: „Anstatt den Produktionserfolg erst mit dem ‚End of Line‘-Test beurteilen zu können, ist es also möglich, die Batteriequalität ohne jegliche Prozessunterbrechung schon vorher zu bestimmen.“
Auf diese Weise könne Ausschuss wesentlich früher im Prozess anfallen, was erheblich Zeit und Kosten spare.
Renommierte Partner
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.
Weitere Informationen zu „InForm“ gibt es hier.
Über PEM
Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen wurde 2014 von „StreetScooter“-Miterfinder Professor Achim Kampker gegründet, der neben seiner Expertise für Komponenten und Konzepte der Elektromobilität in Lehre und Forschung auch über langjährige Erfahrung im Management von Start-ups und etablierten Unternehmen verfügt. In zahlreichen Forschungsgruppen widmet sich das PEM-Team sämtlichen Aspekten der Entwicklung, der Herstellung und dem Recycling von Batteriesystemen, Elektromotoren, Wasserstofftechnologien und ihrer jeweiligen Komponenten sowie ihrer Integration vor allem in schwere Nutzfahrzeuge.
Am Hauptsitz im deutsch-niederländischen Gewerbepark Avantis sowie im Elektromobilitätslabor auf dem „RWTH Aachen Campus“ und in einer Elektro-Lkw-Forschungswerkstatt im Aachener Osten sind insgesamt 76 Forschende, 31 nichtwissenschaftliche Mitarbeitende und rund 120 studentische Hilfskräfte beschäftigt. Das PEM-Team ist in der Lehre sowie in national und international geförderten Forschungsprojekten und in der Zusammenarbeit mit renommierten Industriepartnern aktiv. Der Fokus liegt dabei stets auf Nachhaltigkeit und Kostenreduktion – mit dem Ziel einer lückenlosen „Innovation Chain“ von der Grundlagenforschung bis hin zur Großserienherstellung im näheren Umfeld. In diesem Zusammenhang bietet der Lehrstuhl PEM den Nährboden für teilweise auch miteinander vernetzte Unternehmensausgründungen und Mobilitätsprodukte.
