Damit Batterien – etwa für die Elektromobilität – sich passgenau auch in verwinkelte Räume einfügen lassen und mehr Energie speichern können, sind flexibel anpassbare Zellen notwendig. Bislang werden Lithium-Ionen-Zellen aber nach standardisierten Formaten und in starren Systemen hergestellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln nun gemeinsam mit Partnern aus der Wissenschaft ein agiles Produktionssystem, mit dem sich Batteriezellen vollständig format-, material- und stückzahlflexibel herstellen lassen. Die im Januar gestartete zweite Stufe des Projektes – AgiloBat2 – fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 14,5 Millionen Euro.
Weltweit steigt die Relevanz der Batterieforschung. Bisher weitgehend unbeachtet blieb dabei die Frage, wie sich Batterien an den verfügbaren Bauraum anpassen lassen – statt wie heute üblich umgekehrt. Eine weitere Herausforderung: Lithium-Ionen-Zellen bestehen unter anderem aus seltenen Elementen, insbesondere Kobalt und Nickel, deren Preise stark schwanken und deren Versorgungslage immer kritischer wird.
„Eine intelligente und nachhaltige Batteriezellproduktion ist entscheidend für die Mobilität der Zukunft, aber auch für Elektronik in unserem heutigen Alltag, wie etwa in Smartphones“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Im Forschungsprojekt AgiloBat2 arbeiten wir am KIT gemeinsam mit unseren Partnern aus der Wissenschaft daran, dass eine solche Produktion am Wirtschaftsstandort Deutschland möglich wird. Denn mit einem agilen Produktionssystem lassen sich Batteriezellen künftig individuell an die jeweiligen Anforderungen anpassen – und das wird viele neue Möglichkeiten eröffnen.“
Vor knapp einem Jahr startete AgiloBat1 als reine Entwicklungs- und Konzeptphase im Rahmen des vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg (MWK) geförderten Innovationscampus Mobilität der Zukunft (ICM). Seit Januar 2021 läuft das zweite, vom BMBF im Rahmen des Batterie-Kompetenzclusters Intelligente Batteriezellproduktion (InZePro) geförderte Teilprojekt AgiloBat2 und damit die Umsetzungsphase. Alle in der Umsetzung gewonnenen Erkenntnisse fließen in das Entwicklungsprojekt zurück und werden dort wieder aufgegriffen.
Zellassemblierung ein Prototyp für eine Produktionszelle
im Gesamtproduktionssystem AgiloBat. (Abbildung: wbk)
Agiles Produktionssystem entsteht in der Karlsruher Forschungsfabrik
Zunächst erstellt das Forschungsteam ein wandelbares Gesamtanlagendesign. Die Wandelbarkeit des Produktionssystems wird durch den Aufbau eines Digitalen Zwillings ermöglicht, der sowohl den Gesamtprozess, als auch Einzelprozesse digital realitätsgetreu abbildet. Somit lässt sich das System entsprechend schnell konfigurieren und mit Kennzahlen hinterlegen. Parallel dazu wird das Produktionssystem konstruiert. „Hierfür werden wir in der Karlsruher Forschungsfabrik ein agiles Produktionssystem errichten, das sich massiv von allen bisherigen Produktionssystemen im Bereich der Batteriezellfertigung unterscheidet“, sagt der Initiator und Leiter der Projekte AgiloBat1 und AgiloBat2, Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk Instituts für Produktionstechnik am KIT. „Es wird skalierbar sein, wodurch es sich von derzeitig etablierten starren Produktionslinien erheblich abgrenzt. Dadurch werden wir in der Lage sein, wirtschaftlich kleine bis mittlere Stückzahlen, verschiedene Materialien und Formate abzubilden“. Erreicht werden soll dies durch standardisierte Roboterzellen, die die Produktionsmodule aufnehmen. Dort finden dann die eigentlichen Prozessschritte statt, die unterschiedliche Formatgrößen ermöglichen und bereits während des Produktionsprozesses vielfältige Qualitätssicherungsschritte vornehmen und so Ausschuss vermeiden.
Ab dem Jahr 2022 beginnt die Erprobungsphase der modularen Anlagen. Diese endet mit einem final bewerteten agilen Produktionssystem und dem dazugehörigen Zellverbunddesign mit dem Abschluss beider Projekte Ende 2023.
Beteiligte Institute und Einbindung in Batterie-Kompetenzcluster
Gemeinsam mit dem wbk Institut für Produktionstechnik arbeiten am KIT die Institute für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS), für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM), für Thermische Verfahrenstechnik (TVT) und die Arbeitsgruppe Thin Film Technologies (TFT) sowie das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) am Forschungsprojekt AgiloBat2.
Das MWK fördert das Projekt AgiloBat1 mit 4,5 Millionen Euro. AgiloBat2 ist Teil des Kompetenzclusters Intelligente Batteriezellproduktion (InZePro). Darüber hinaus bestehen auch Anknüpfungspunkte zum Kompetenzcluster Analytik/Qualitätssicherung (AQua).
Weitere Informationen:
Zum Projekt AgiloBat1: https://www.kit.edu/kit/pi_2020_012_agilobat-batteriezellen-flexibel-produzieren.php
Zur Karlsruher Forschungsfabrik: https://www.kit.edu/kit/pi_2019_002_auf-dem-weg-zur-karlsruher-forschungsfabrik.php
Zu den Batterie-Kompetenzclustern: http://www.kit.edu/kit/pi_2020_058_kit-forscht-in-vier-neuen-batterie-kompetenzclustern.php
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