Digitaler Zwilling: Fraunhofer ITWM simuliert Batteriezellen und Produktionsprozesse
Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM bringt digitale Simulationen und Terahertz-Messtechnik in die Batteriefertigung. Das geht aus einer Mitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft vom 4. Juni hervor. Die Verfahren bilden Produktionsschritte virtuell ab und messen wichtige Parameter direkt während der Fertigung. So sollen Hersteller neue Zellgenerationen schneller entwickeln und Ausschuss in der Produktion verringern.
Simulationen für Zellen, Elektroden und Batteriemodule
Das Fraunhofer ITWM entwickelt Modelle für zentrale Arbeitsschritte der Batterieproduktion. Dazu gehören das Mischen, Beschichten und Trocknen von Elektroden. Die Prozesse können virtuell geprüft werden, bevor sie in der Fertigung laufen. Hersteller erhalten damit frühere Hinweise auf mögliche Fehlerquellen und können Produktionsparameter gezielter anpassen.
Für die Simulation von Lithium-Ionen-Batterien nutzt das Institut unter anderem das Battery and Electrochemistry Simulation Tool BEST. Die Software bildet Elektrodenmikrostrukturen und komplette Zellen dreidimensional ab. Laut Fraunhofer ermöglicht das Tool Prognosen zur Zellleistung, die Optimierung von Ladestrategien sowie Untersuchungen zu Alterung und Degradation. Mit der Simulationssoftware FOAM bildet das Fraunhofer ITWM zudem das Ausschäumen von Batteriemodulen digital ab. Die Simulation zeigt, wie sich Schaummaterial zwischen zylindrischen Zellen ausbreitet und ob die Schaumverteilung homogen ausfällt.
Dr. Jochen Zausch, stellvertretender Abteilungsleiter am Fraunhofer ITWM, erklärte: „Mit BEST können wir vorhersagen, wie sich Batterien im Betrieb verhalten, Zelleigenschaften werden durch physikalisch basierte Simulationen an virtuellen Kopien von realen Batterien prognostiziert. Wir untersuchen beispielsweise, welchen Einfluss Designparameter wie die Schichtdicke der Elektroden, mit denen die Akkus spezifiziert werden, auf das Batterieverhalten haben.“
Terahertz-Messtechnik für die Inline-Kontrolle von Elektrodenfolien
Für die Inline-Beschichtungskontrolle von Anoden- und Kathodenfolien nutzt das Fraunhofer ITWM Terahertz-Messtechnik. Das Verfahren prüft Materialien kontaktlos und zerstörungsfrei mit elektromagnetischer Strahlung zwischen Mikrowellen und Infrarot. In der Batteriefertigung soll es Beschichtungen auf Anoden- und Kathodenfolien während des Nass- oder Trockenprozesses messen.
Der Bedarf an solchen Inline-Systemen wächst mit dem Ausbau der Batterieproduktion. Laut Fraunhofer ITWM sollen in den kommenden Jahren in Europa rund 1000 Produktionslinien für Elektrodenfolien entstehen. Für Asien und Nordamerika nennt das Institut ähnliche Größenordnungen. Berührungslose Messsysteme sollen dabei Schichtdicke und Leitfähigkeit der Elektroden überwachen, ohne den laufenden Prozess zu unterbrechen.
Dr. Daniel Molter, Wissenschaftler am Fraunhofer ITWM, erklärte: „Batteriefolien sind die Hauptkomponenten in Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die kontinuierliche Überwachung der Materialparameter – Schichtdicke und Leitfähigkeit der Elektroden – ist entscheidend für die Produktqualität. Um sie inline bereits während der Produktion zu überwachen, setzen wir unsere Terahertz-Messtechnik ein.“
Das Fraunhofer ITWM präsentiert die Simulationstools und das Inline-Schichtdickenmesssystem vom 9. bis 11. Juni auf der Battery Show Europe.