DiBatma-pro | Digitalisierung in der Batteriematerial- und Batteriezellenproduktion

Im Rahmen des Forschungsprojekts »DiBatma-pro« soll am Standort Augsburg eine Pilotlinie für polymere Festkörperbatterien aufgebaut werden, um den genannten Herausforderungen zu begegnen. Damit soll demonstriert werden, dass mithilfe automatisierter Prozesse und einer umfassenden digitalen Infrastruktur die Entwicklungszeiten von Batteriematerialien und neuen Zelltechnologien deutlich verkürzt werden können. Durch die digitale Abbildung der Pilotlinie können die Prozessschritte bereits im Vorfeld virtuell geplant und schnell auf neue Erkenntnisse angepasst werden.

Durch den Einsatz von Feststoffelektrolyten können einige Limitationen der aktuellen Lithium-Ionen-Batterietechnologie überwunden und darüber hinaus auch Leistungsparameter von Batterien verbessert werden. Insbesondere werden dadurch höhere Energiedichten erreicht, während der Verzicht auf flüssige Elektrolyte gleichzeitig zu geringeren Produktionskosten und erhöhter Zellsicherheit führt. Die Herstellung von polymerbasierten Festelektrolyten hat dabei gegenüber oxid- und sulfidbasierten Ansätzen den Vorteil einer besseren Prozessier- und Skalierbarkeit sowie geringere Abweichungen zu den Prozessen der konventionellen Lithium-Ionen-Batterieproduktion, was die Industrialisierung der Technologie erleichtert.

Produktionsprozesse können unter Zuhilfenahme digitaler Methoden ressourcenschonend skaliert werden. Im Rahmen der Batteriezellfertigung ermöglicht die Vernetzung von Daten der Materialsynthese, der Produktionsanlagen bis hin zu Zelltestergebnissen und Zellanalysen ein Monitoring der gesamten Prozesskette sowie eine schnelle Identifikation von Verbesserungspotenzialen.

Das primäre Alleinstellungsmerkmal des Gesamtvorhabens ist die Darstellung einer vollständig digitalisierten und teilautomatisierten Prozesskette für die Fertigung von Festkörperbatterien einschließlich des Aufbaus einer gemeinsamen Dateninfrastruktur für die Generierung und Nutzung von Prozessdaten.  Für die Umsetzung der Arbeitsziele ist die Betrachtung der gesamten Prozesskette von Bedeutung, welche ausgehend vom Mischen der Ausgangsmaterialien über das Beschichten und Kalandrieren bis hin zur Zellmontage und der anschließenden Zellformierung reicht.

Polymere Festkörperbatterien enthalten in ihrer Zusammensetzung Substanzen, die gegenüber Luft und Feuchtigkeit reaktiv sind oder einen niedrigen Flammpunkt aufweisen. Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an die Prozessatmosphäre. Um diese Technologie befähigen zu können, wurden im Rahmen des Projekts die Anlagen in enger Zusammenarbeit mit den Anlagenherstellern innerhalb innovativen Mini-Environment-Konzepten realisiert. Im Vergleich zur Prozessierung in Trockenräumen bietet diese Lösung eine größere Flexibilität hinsichtlich der Prozessatmosphäre sowie einen wesentlichen Kosten- und Ressourcenvorteil, da aufgrund der kleineren Prozessvolumina weniger Energie zur Aufrechterhaltung der konditionierten Prozessatmosphäre benötigt wird.

Das Dosieren und Mischen der Ausgangsmaterialien kann in einem Mischlabor sowohl unter Umgebungsluft, als auch unter Inertgasbedingungen durchgeführt werden. Anschließend erfolgt die Weiterverarbeitung der hergestellten Elektroden- und Elektrolytpasten in den Beschichtungs- und Kalandrieranlagen, wobei in den Mini-Environments Umgebungsluft, Inertgas sowie Trockenluft als Prozessatmosphäre gewählt werden können. Auf diese Weise ist eine ressourcenschonende Prozessierung verschiedener Elektrodenzusammensetzungen möglich, die in herkömmlichen Batterieproduktionsanlagen sowohl aus technischen, als auch aus Qualitäts- und Sicherheitsgründen nicht verarbeitet werden können. Das Spektrum möglicher Materialsysteme wird dadurch erheblich erweitert und ebnet den Weg zu innovativen Zellchemien und leistungsfähigeren Batterien.

Durch die im Rahmen von »DiBatma-pro« erarbeiteten Ergebnisse erwartet das Fraunhofer IGCV als wissenschaftliches Institut neue Impulse für die anwendungsorientierte Forschung im Bereich der Produktionstechnik für polymere Festkörperbatterien.

Die Pilotlinie befindet sich derzeit in Beschaffung und wird spätestens 2024 in den Forschungsbetrieb übergehen. Die Investitionen werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie sowie die Europäische Union gefördert.