Oplossingen voor digitalisering en materiaalkunde voor de batterijproductie

Batterijcelproductie bij Varta. © VARTA Microbattery GmbH

Smartphone, vorkheftruck, elektrische auto – efficiënte energieopslagmiddelen zijn onmisbaar om over te schakelen van fossiele energiebronnen naar schone stroom. Het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA in Stuttgart heeft samen met partners een project gestart dat de productie van batterijcellen goedkoper moet maken en de kwaliteit ervan moet verbeteren.

Het doel is een volledig geautomatiseerde productie die niet alleen defecte onderdelen herkent, maar ook de oorzaak ervan – en zonder ingrijpen van een mens onmiddellijk corrigeert. Dit is alleen mogelijk als de hele procesketen gedigitaliseerd is en sensoren talloze gegevens verzamelen. In deze toekomstfabriek wordt alles vastgelegd: van de instellingen van alle machines tot de dikte van de aangebrachte coating, tot kamertemperatuur en luchtvochtigheid. Om zinvolle verbanden te vinden in de gegevensjungle, is kunstmatige intelligentie nodig. Deze bepaalt bij welke instellingen en parameters welk resultaat te verwachten is.

Digitaliseringsconcepten voor de batterijproductie

DigiBattPro4.0 staat voor gedigitaliseerde productie van batterijcellen met Industrie 4.0-technologieën. Het doel van het project kan natuurlijk niet in het lab worden bereikt. Voor betrouwbare resultaten is een echte productie met hoge aantallen nodig. Dit wordt mogelijk gemaakt door de batterijproducent Varta uit Baden-Württemberg, die dagelijks tienduizenden batterijen produceert. Hier zullen de Fraunhofer-experts eerst alle machines verbinden en een computermodel maken. Het hele productieproces wordt dan niet alleen in de werkelijkheid uitgevoerd, maar ook virtueel. Het model moet laten zien hoe de procesparameters de producteigenschappen beïnvloeden, waar verbeteringen mogelijk zijn – de voorloper van zelfregulerende fabricage.

Zelflerende productieprocesaanpassing

Wat in de bestaande productielijn lukt, moet in de volgende stap worden overgedragen op lithium-ionbatterijen, zoals die bijvoorbeeld in elektrische auto’s worden gebruikt. De standaardcellen zijn cilindrisch en meten 70 millimeter in hoogte en 21 millimeter in diameter. Experts spreken van het 21700-formaat. Aan het einde van de looptijd van het project moet de basis worden gelegd voor het volledig automatische fabricage van dergelijke cellen met behulp van zelfregulerende, storingsvrije processen, waardoor doorlooptijden worden verkort en afval wordt verminderd.

Ontwikkeling van milieuvriendelijke, krachtige materialen

De cellen moeten ook door nieuwe materialen krachtiger worden en het productieproces milieuvriendelijker. Een waterig kathodemateriaal vervangt het milieuschadelijke oplosmiddel, bovendien verhoogt een verrijkt nikkelgehalte de energiedichtheid.

Technologische soevereiniteit waarborgen en concurrentiekracht behouden

De koppeling van digitalisering en materiaalkunde, waaraan naast het Fraunhofer-instituut en Varta ook het Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW is betrokken, garandeert snelle resultaten. Het project is op 1 maart gestart en duurt vier jaar. »Op lange termijn zullen de ontwikkelde digitaliseringsoplossingen de economische haalbaarheid van de batterijproductie stimuleren en de productielocatie Duitsland veiligstellen«, is IPA-directeur Professor Alexander Sauer ervan overtuigd.

Feitenoverzicht

Projectnaam: DigibattPro4.0 – Gedigitaliseerde productie van batterijcellen 4.0
Programma: Van materiaal tot innovatie
Projectbeheerder: Jülich (PtJ)
Projectduur: 1-3-2021 tot 28-2-2025
Subsidiegever: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF
Subsidiebijdrage: 30 miljoen euro
Subsidiekennnummer: 03XP0374C
Partners: Fraunhofer IPA, VARTA Consumer Batteries GmbH & Co. KGaA, VARTA Microbattery GmbH, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Ulm