Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICTKontinuierliche, lösungsmittelfreie Elektrodenherstellung mit intelligenter Qualitätssicherung und Prozessüberwachung gekoppelt mit KI
Die Herstellung von Batterieelektroden erfolgt industriell häufig über nasschemische Beschichtungsprozesse. Diese benötigen große Mengen an Lösungsmitteln, energieintensive Trocknungsschritte und aufwendige Anlagen zur Lösemittelrückgewinnung. Lösungsmittelfreie Verfahren wie Extrusion und Trockentransfer bieten daher ein hohes Potenzial, Elektroden ressourcenschonender, energieeffizienter und flexibler herzustellen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Prozessstabilität, Qualitätssicherung und Rückverfolgbarkeit, insbesondere wenn neue Materialsysteme und skalierbare Fertigungsrouten in Richtung industrieller Anwendung übertragen werden sollen.
Ziel des Projekts KontElPro war es, innovative und gut skalierbare Verfahren der lösungsmittelfreien Elektrodenfertigung mit einer KI-basierten Inline-Prozesskontrolle und einer standortübergreifenden, vernetzten Datenbank zu kombinieren. Dafür wurden die Prozessschritte Trockenmischung, Extrusion und DRYtraec®-Trockentransfer systematisch untersucht, mit zusätzlicher Sensorik ausgestattet und die entstehenden Prozess-, Analyse- und elektrochemischen Daten digital zusammengeführt. Auf dieser Datengrundlage wurden digitale Zwillinge und Machine-Learning-Methoden eingesetzt, um qualitätskritische Prozessparameter zu identifizieren, Quality Gates abzuleiten und geeignete Prozessfenster für die Elektrodenfertigung vorzuschlagen.
Im Projekt wurden am Fraunhofer IFAM lösungsmittelfreie Kathodengranulate auf Basis von Lithiumeisenphosphat (LFP), Leitruß und PTFE-Binder hergestellt und über Extrusionsprozesse weiterverarbeitet. Am Fraunhofer IWS wurden die Materialien im DRYtraec®-Trockentransferverfahren zu Elektroden verarbeitet. Dazu wurde der Versuchskalander um zentrale Messgrößen wie Walzenspalt, Walzenkraft, Drehmoment, Drehzahl und Schichtdicke erweitert. Dadurch konnten Prozess- und Qualitätsdaten während der Herstellung zeitaufgelöst erfasst und für die spätere Modellierung nutzbar gemacht werden.
Die Aufgabe des Fraunhofer ICT bestand insbesondere im Aufbau und in der Weiterentwicklung der digitalen Dateninfrastruktur. Hierfür wurde eine standortübergreifende Datenbank entwickelt, in der Prozessparameter, Sensordaten, Material- und Analysedaten sowie elektrochemische Prüfergebnisse strukturiert gespeichert, synchronisiert und für Auswertungen verfügbar gemacht werden. Ergänzend wurden Werkzeuge zur Visualisierung, KPI-Berechnung und Datenaufbereitung umgesetzt, um die Datenbasis für KI-Modelle und digitale Zwillinge nutzbar zu machen.
Durch die Verknüpfung von Prozessparametern mit elektrochemischen Ergebnissen konnten besonders relevante Einflussgrößen entlang der Prozesskette identifiziert werden. Die gewonnenen Daten dienten unter anderem dazu, geeignete Knet-, Extrusions- und Beschichtungsparameter vorzuschlagen und die kontinuierliche Prozessführung vorzubereiten. Damit leistet KontElPro einen Beitrag zur Digitalisierung der Batteriezellproduktion und zur Übertragung lösungsmittelfreier Elektrodenfertigung in robuste, qualitätsgesicherte Prozesse.
Ziele und Aufgaben des Fraunhofer ICT
Die Batteriegruppe am Fraunhofer ICT entwickelte im Projekt die Datenbank- und Auswerteumgebung für die standortübergreifende Erfassung und Nutzung der Prozess- und Analysedaten. Dabei wurden insbesondere folgende Arbeitsschwerpunkte verfolgt:
- Auslegung, Planung und Installation einer vernetzten Datenbankinfrastruktur
- Programmierung von SQL- und NoSQL-Datenbanken für heterogene Prozess- und Messdaten
- Entwicklung von Auswerte- und Visualisierungswerkzeugen inklusive KPI-Berechnung
- Strukturierte Aufbereitung der Daten für KI-Modelle und digitale Zwillinge
- Unterstützung der KI-gestützten Prozessüberwachung und Prozessoptimierung
- Verknüpfung von Prozess-, Sensor-, Material- und elektrochemischen Daten zur Ableitung qualitätskritischer Parameter