Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Batterieproduktion
Auf die Antriebsbatterie entfällt ein entscheidender Teil der Wertschöpfung bei der Produktion von Elektroautos. Die Batteriezelle als Schlüsseltechnologie ist hierfür von zentraler Bedeutung. Wirtschaftliche Notwendigkeit und politisches Ziel ist es, Batteriezellen in Zukunft auch in Europa und Deutschland zu produzieren. Wesentliche Voraussetzung hierfür ist die Planung und der Aufbau klimafreundlicher Giga-Factories zur Produktion hochqualitativer Batteriezellen. Die durchgängige Digitalisierung der Wertschöpfungskette soll hierbei die entscheidenden Wettbewerbsvorteile bringen und als Alleinstellungsmerkmal etabliert werden. Am Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion werden hierzu die Methoden und Werkzeuge entwickelt und im Rahmen einer Laborlinie umfangreich getestet und erprobt.
Die Wertschöpfungskette in der Batteriezellenproduktion durchgängig zu digitalisieren, gehört zu den Aufgaben des Zentrums für Digitalisierte Batteriezellenproduktion (ZDB). Dabei unterstützt das Forschungsangebot die Qualifizierung und Skalierung von bestehenden (Li-Ionen) und zukünftigen Batteriezellkonzepten und Fertigungsverfahren. Im Vordergrund steht immer die Stabilisierung und Steigerung der Produktqualität unter Berücksichtigung von strengen ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen. Um diese zu erreichen, optimiert das ZDB einzelne Produktionsprozesse, ganze verkettete Produktionslinien sowie die übergeordnete Prozess- und Gebäudeinfrastruktur. Im Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion des Fraunhofer IPA soll in Zukunft die gesamte Fertigungskette der Lithium-Ionen-Batteriezellenproduktion aufgebaut und digitalisiert werden.
Leistungen und Kompetenzen
Unser Dienstleistungsportfolio umfasst die Beratung sowie Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in folgenden Bereichen:
Planung – Fabrik- und Energiesystemplanung
- Gestaltung und Bewertung resilienter Produktionsnetzwerke und Supply Chains
- Planung wertstromorientierter, wandlungsfähiger und energieeffizienter Fabriken
- Konzeption klimafreundlicher Energieversorgungskonzepte für Produktionsstandorte
- Auslegung von bedarfsgerechter Rein-, Sauber- und Trockenraumtechnik
- Auslegung energieeffizienter Anlagen für die Prozess- und Fabrikinfrastruktur
- Gestaltung von Minienvironments für die Batteriezellenproduktion
- Entwicklung von Handhabungs- und Logistiklösungen für Rein- und Trockenräume
- Entwicklung automatisierter Montagelösung für die Batteriefertigung (Modul, Pack)
Produktion – Elektrodenfertigung, Zellassemblierung und Formierung
- Dispergieren und Analysieren von Slurrys, Pasten und Tinten
- Nass- und Trockenbeschichtung von Aktivmaterialien (Anode und Kathode)
- Entwicklung von Automatisierungslösungen für die Assemblierung von Batteriezellen
- Untersuchung von Laserschweißverfahren zur Kontaktierung von Batteriezellen
- Erforschung bedarfsgerechter Verfahren zur Elektrolytbefüllung von Batteriezellen
- Entwicklung zeiteffizienter Formierprogramme für die Batteriezellenfertigung
- Herstellung kundenspezifischer Batteriezellprototypen und -kleinserien auf der Laborlinie
Digitalisierung – IT-Architekturen, Modellbildung und Serviceentwicklung
IT-Architekturen, Datenakquisition und Handling
- Konzeption und Plug-and-Play-Integration von modernen Sensorlösungen
- Nachvernetzung von Einzelprozessen und Prozessketten inkl. Edge Datenverarbeitung
- Analyse und Redesign bestehender Unternehmens-IT-Architekturen
- Entwicklung serviceorientierter Architekturen für cyberphysische Produktionssysteme
- Gestaltung serviceorientierter Architekturen zur Big-Data-Akquisition und -Verarbeitung
- Entwicklung Middleware basierter Integrationslösungen zur Orchestrierung von IT-Diensten
Traceability
- Entwicklung von Traceabilitylösungen für die Elektrodenfertigung über Fingerprintsensorik
- Entwicklung von Traceabilitylösungen für die Zellassemblierung über intelligente Werkstückträger
Modellbildung, Simulation und Optimierung
- Konzeption und Entwicklung Digitaler Zwillinge auf Basis kombinierter Modellierungsansätze
- Entwicklung von Multiskalen- und Multiphysics-Simulation für die Batteriezellenproduktion
- Modellbasierte Optimierung von Einzelprozessen und Prozessketten der Batteriezellenproduktion
Serviceentwicklung, Informationsrückkopplung und -nutzung
- Gestaltung von Services zur digitalisierten Produktionsplanung und -steuerung
- Entwicklung von Services für das modellbasierte Qualitätsmanagement
- Entwicklung von Services für das modellbasierte Wartungs- und Instandhaltungsmanagement
- Analyse und modellbasierte Identifikation von Störquellen in verketteten Produktionssystemen
- Entwicklung von Oberflächen und Front Ends zur Entscheidungsunterstützung von Mitarbeitern
End of Life – Batteriedemontage und Nachnutzung
- Modellbasierte Bewertung alternativer Kreislaufstrategien für Batterien
(Repair, Reuse, Repurpose, Remanufacturing, Recycling) - Modellierung und Simulation von Demontagefabriken
- Konzeption von Sicherheitstechnik für Batteriedemontage und -recycling
- Messtechnische Analyse von Rückläuferbatteriemodulen und -zellen
- Konzeption und Integration von Sensortechnik zur zuverlässigen Bauteildetektion
- Entwicklung von flexiblen Automatisierungslösungen zur Demontage von Batteriesystemen
- Entwicklung von Trennverfahren zur Demontage von Batteriesystemen
- Analyse und chemische Charakterisierung von Zellrecyclat aus Rückläuferbatteriesystemen
- Modellbasierte Bewertung alternativer Kreislaufstrategien für Batterien
Ausstattung
Unsere Laborausstattung bildet große Teile der Wertschöpfungskette einer Batteriezellenproduktion ab. Wir unterstützen Sie gerne von der Prozessentwicklung und –optimierung, mit Hilfe unserer Werkzeuge der Digitalisierung, bis zur Charakterisierung und (Post-Mortem)Analyse unterschiedlicher Batteriesysteme.
Zukünftig steht darüber hinaus eine Pilotlinie zur Assemblierung von Rundzellen an unserem Institut zur Verfügung um kundenindividuelle Rundzellen prototypisch zu fertigen.
Planung von Batteriezell-, Batterie- und Batterierecyclingfabriken
- Gestaltung wertstromorientierter und wandlungsfähiger Fabriken mit Lager- und Logistikkonzept
- Auslegung von Rein- und Trockenräumen
- Entwicklung standortspezifischer Energieversorgungskonzepte
Simulationswerkzeuge
- Siemens Plant Simulation, AnyLogic (Prozess- und Supplychain Simulation)
- EQUA IDA ICE (Gebäudesimulation), Top Energy (Energieversorgungskonzepte)
DemontagefabrikMischen von Slurries für Batterieelektroden
- Herstellung und Charakterisierung kundenspezifischer Dispergierungen für Kathoden- und Anodenslurries
Ausstattung
- Disolver SEM-HS-3 (Durchsatz 10 Liter/Batch)
- Mischer Filmix FM 56 (Durchsatz 11 Liter/h)
- Inline-Charakterisierung: Partikelgrößenmessung OPUS via Ultraschalldämpfung, Viskositätsmessung L-Vis 510 via Messung des dynamischen Flüssigkeitsdrucks (Durchsatz 11 Liter/h).
- Übertragung der Messwerte in Echtzeit an Cloud-Dienste zur Prozessüberwachung und Qualitätsbewertung
- Pastenherstellung
Mischen von SlurriesBeschichtung von Batterieelektroden (nass/trocken)
- Herstellung und Charakterisierung von trockenen Funktionsmaterialmischungen
- Herstellung von lösemittelfreien Anoden und Kathoden im Labormaßstab
TrockenbeschichtungAusstattung
- Nassbeschichtungscoater
- Beschichtungsbreiten: 150 mm (max.), Beschichtungsgeschwindigkeit: (1 m/min.)
- Besonderheiten: Rollenaufnahme 3‘‘, 6‘‘, Software zur Experimentaldatenaufnahme und –analyse
- Trockenbeschichtungscoater
- Beschichtungsbreite: 200 mm (max.), Beschichtungsgeschwindigkeit: 0,5 - 20 m/min.
- Besonderheit: Rollenaufnahme 3‘‘, 12‘‘, Inlinekalender bis 220 °C, Inline Infraroteinheit
- Single-Sheet-Fertigung
- Beschichtungsbreite: 150 mm (max.), Tischkalander bis 170 °C, Heißpresse bis 400 °C
- Elektrodenbeschichtung
- Trockenbeschichtung
Beschichtung von BatterieelektrodenKontaktierung von Ableitersystemen für Batteriezellen
- Entwicklung und Test von Fügeverfahren zur Kontaktierung von von Ableitersystemen
- Prüfung der Verbindungsqualität (mechanisch, elektrisch)
Ausstattung
- Laserschweißanlage (2 kW Faserlaser - Trumpf Laser TruCell3000)
- Ultraschall-Schweißanlage (Branson)
- Anlage zur Plasma Vorbehandlung von Elektroden und Ableitern
Kontaktierung von AbleitersystemenAssemblierung von Batteriezellen
- Entwicklung und Qualifizierung von Assemblierprozessen in Mini-Environment-Umgebungen
- Entwicklung intelligenter Transport- und Werkstückträgersysteme
Ausstattung
- Assemblierlinie für Rundzellen Durchsatz (bis zu 300 Stk./Tag max. – in Q3/2021)
Wickel fügen, Kathode schweißen, Becher sicken, Elektrolyt befüllen,
Deckel anschweißen, Zelle bördeln, Zelle reinigen - Intelligenter Werkstückträger (skalierbar) (20 Zellen pro Träger)
Flyer zur Assemblierung von zylindrischen Lithium-Ionen-Batteriezellen
Assemblierung von BatteriezellenFormierung und Charakterisierung von Batteriezellen
- Charakterisierung von Batteriezellen mittels Zyklus- und Lagertest
- Entwicklung kundenspezifischer Formierzyklen
Ausstattung
- Zelltester (50 Kanäle, Strombereich: 1mA – 10 A, Genauigkeit: +/- 400nA – +/- 4mA)
- Klimaschränke (Temperaturbereich: -30°C - 100° C)
- Charakterisierung von Batterien und Superkondensatoren
Formierung und Charakterisierung von BatteriezellenDigitalisierung der Prozesskette in der Batteriezellenproduktion
- Lösungen zur Datenerfassung von Maschinen, Anlagen und Sensoren
- Nachvernetzung heterogener Maschinen- und Anlagenparks
- Aufbau konsistenter Datenpools und KI-gestützte Datenauswertung
- Entwicklung von Software zur Planung und Nachverfolgung von Versuchen und Produktionsläufen
- Planung von Softwarelösungen zur Informationsnutzung im Produktionsumfeld
Ausstattung
- Datenschnittstelle StationConnector, Manufacturing Service Bus (MSB)
- Hochleistungsrechner für Data Mining und Machine Learning
- Emulationsplattform zur Virtuellen Inbetriebnahme von Anlagen und Fertigungslinien
Digitalisierung der Prozesskette in der BatteriezellenproduktionDigitalisierung des Qualitäts- und Instandhaltungswesen in der Batteriezellenproduktion
- Entwicklung von Prozess-Produktmodellen zur Prädiktion der Produktqualität von Zwischen- und Endprodukten
- Entwicklung von Modellen zur vorausschauenden Planung von Wartungs- und Instandhaltungszeitpunkte
Ausstattung
- Modellbildung: ComSol, Matlab/Simulink
- Statistische Datenanalyse: Minitab, R, Python
Qualitätsmodell ElektrodenfertigungDemontage von Batteriesystemen und -modulen
- Analyse von Automatisierungspotentialen
- Entwicklung von Demontagesystemen (Bauteilidentifikation, Greifertechnik, trennende und lösende Demontageverfahren, variantenflexible Einricht- und Steuerungsprogrammierung)
Ausstattung
- Demontagezelle für Batteriedummies
- Flexible Greifersysteme und Demontagewerkzeuge
Analyse und Charakterisierung von Batteriezellen
- Entwicklung von Aufbauten zur Öffnung von Batteriezellen unter Inertgasatmosphäre
- Analyse von Batteriezellen und Batteriezellkomponenten
- Analyse von Materialzusammensetzungen und Oberflächencharakteristika
- Identifikation und Bewertung von Degradationseffekten und Alterungsmechanismen (Post-Mortem-Analysen)
- Vollständige geometrische Erfassung von Batteriezellen
Ausstattung
- Lichtmikroskopie, Lasermikroskopie, Rasterelektrodenmikroskopie (REM)
- Infrarotspektroskopie (IR)
- Röntgendiffraktometrie (XRD)
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
Analyse von Zellkomponenten
