Kwaliteitsoffensief voor betere batterijen

Met nieuwe methoden van AQua kan de kwaliteit van de elektrodecoating automatisch worden gecontroleerd. (Foto: Irina Westermann, KIT)

Fabricage van een elektrodenstapel in het laboratorium. Semi-geautomatiseerde productielijnen zorgen voor flexibele productie. (Foto: Markus Breig, KIT)

Krachtig, uithoudingsvermogen en betrouwbaar: Met deze eigenschappen en een gunstige prijs zouden batterijen 'Made in Germany' binnenkort tot de wereldtop kunnen behoren. Onder andere geavanceerde benaderingen voor kwaliteitsborging en analytiek tijdens de productie, die nu ontwikkeld en getest worden aan het Karlsruher Institut für Technologie (KIT), moeten dit mogelijk maken. Het werk in het batterijonderzoekscluster AQua verloopt in nauwe samenwerking met onderzoeks partners binnen de door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geïnitieerde 'Forschungsfabrik Batterie'.

Een hoge kwaliteit bij zo laag mogelijke kosten garanderen – dat is het doel van wetenschappers binnen een nieuw onderzoeksplatform dat aan het KIT is gestart als onderdeel van het batterij-competentiecluster AQua (staat voor: Analytik/Qualitätssicherung). Hiervoor bekijken ze eerst elke productiestap, van de grondstoffen tot de uiteindelijke cel, om mogelijke foutenbronnen te identificeren. Vervolgens moet de omgang met fouten tijdens de lopende productie zo worden geoptimaliseerd en geautomatiseerd dat uiteindelijk een consequent hoge kwaliteit gewaarborgd kan worden. "Bij de productie moet elke stap kloppen. Alles is op elkaar afgestemd en elke fout kan de latere prestaties van de cellen beïnvloeden," zegt professor Helmut Ehrenberg van het Institut für Angewandte Materialien (IAM-ESS) van het KIT, die het onderzoek coördineert. "De prestaties van analytiek en kwaliteitsborging hebben daarom een doorslaggevende invloed op de kwaliteit, veiligheid en kosten van een cel." De oplossingen worden ontwikkeld met methoden van geïntegreerde fabricagecontrole en geïmplementeerd in de gehele procesketen.

Onderzoek naar automatische foutdetectie

Om kritische fouten in het productieproces zo vroeg mogelijk te herkennen en correct te interpreteren, werken de wetenschappers in de AQua-projecten onder andere volgens het principe van Failure Mode and Effects Analysis (FMEA). "Daarbij brengen we fouten doelgericht en gecontroleerd in om de relatie tussen een storing en de gevolgen voor de cellen nauwkeurig te kwantificeren," legt Dr. Lea de Biasi uit, een van de onderzoekers in het project. "Wanneer we nu specifieke prestatiecriteria als kwaliteitsdoelen definiëren, kunnen we toleranties voor alle relevante processtappen vaststellen." Deze worden vervolgens direct in het productieproces toegepast. Daarnaast ontwikkelt AQua methoden waarmee kritische invloeden – zoals de homogeniteit van de elektrodencoating of het restvochtgehalte van de componenten aan het begin van de celbouw – in realtime kunnen worden gemeten. Bij de automatische foutdetectie worden tussenproducten onmiddellijk na elke processtap machinaal gecontroleerd en defecte stukken uitgesorteerd. "Daarbij zijn ook conclusies over de oorzaken van fouten mogelijk," zegt de Biasi. "Zo kunnen we processtoringen vroegtijdig verhelpen en verdere kosten door afval voorkomen."

Data-infrastructuur voor snelle onderzoeksresultaten

De nieuwe onderzoeksplatform wordt aangevuld door een begeleidend project, dat aan het KIT wordt gecoördineerd door Dr. Michael Selzer van het Institut für Angewandte Materialien – Computational Materials Science (IAM-CMS). Hier gaat het onder andere om de uitwisseling van het platform met de andere batterij-competentieclusters van de 'Forschungsfabrik Batterie' en om samenwerkingen met de industrie. Maar centraal staat de opbouw van een data-infrastructuur: "Bij de experimenten en grootschalige simulaties in het AQua-project verzamelen we grote hoeveelheden data, die via specifieke data-analyseprocedures moeten worden geëvalueerd via gestandaardiseerde workflows," zegt Selzer. "Met de data-infrastructuur creëren we een duurzame toegang tot deze onderzoeksgegevens en analysetools." Dit is een belangrijke bijdrage aan kwaliteitsborging en ook aan de onderzoeksversnelling op het gebied van batterijproductie, benadrukt professorin Britta Nestler van het IAM-CMS, die het project als expert in microstructuursimulatie aanzienlijk ondersteunt. "We willen in AQua een allesomvattend en procesoverstijgend begrip ontwikkelen van hoe de interactie tussen materialen, fabricageprocessen en elektrochemische bijzonderheden de structuren en eigenschappen van de batterij beïnvloedt."