29.10.2020
Wissensbausteine für Batteriezellen „Made in Germany“
Die Herstellung von Batteriezellen erfolgt in vielen Prozessschritten. Es wird gemischt, gerührt, beschichtet, gewalzt, geschnitten, gestapelt. Wie die Qualität des finalen Produkts verbessert werden und die Produktion kostengünstiger und umweltschonender ablaufen kann, daran arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei ProZell. Das Kompetenzcluster zur Batteriezellproduktion, an dem auch Ulmer Forschende beteiligt sind, wird seit 2016 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Damit die Forschungsergebnisse schnell in die industrielle Anwendung überführt werden, setzt ProZell verstärkt auf Wissenstransfer in die Industrie. In diesem Jahr fand die dritte Auflage des ProZell-Industrietags am 27. Oktober 2020 in einem digitalen Konferenzformat statt.
„Wir wollen mit der Forschung in ProZell intensiv zum BMBF-Dachkonzept ‚Forschungsfabrik Batterie‘ beitragen und eine international wettbewerbsfähige industrielle Produktion von Batteriezellen in Deutschland und Europa etablieren“, sagt Professor Arno Kwade, Sprecher des Kompetenzclusters ProZell und Leiter des Instituts für Partikeltechnik der Technischen Universität Braunschweig. „Wir demonstrieren schon heute, was im Labor- und Pilotmaßstab alles erfolgreich möglich ist. Jetzt gilt es, das Gelernte in die industrielle Nutzung zu überführen.“
Das Cluster fördert den Dialog zwischen Forschung und Wirtschaft durch die Organisation eines Industrietags, um weitere Kooperationen zu etablieren und industrielle sowie wissenschaftliche Anforderungen auszuloten. Am 27. Oktober 2020 stellten die Cluster-Mitglieder ihre Forschungsergebnisse vor. Es konnte beispielsweise gezeigt werden, dass durch dickere Elektroden in Batteriezellen eine Erhöhung der Energiedichte erreicht werden kann. Einzelne Herstellungsprozesse konnten beschleunigt werden und führen damit zu einer Senkung der Produktionskosten. Darüber hinaus wurden neue Prozesstechnologien zur Herstellung von Batterieelektroden präsentiert, die mit geringeren Mengen oder ganz ohne Lösungsmittel auskommen, Materialkosten einsparen und so den ökologischen Fußabdruck verbessern.
Das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) ist als Gemeinschaftsforschungseinrichtung über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Kompetenzcluster beteiligt.
Auch in Ulm kooperieren Forschende im Rahmen von #ProZell, um die Herstellung von Batteriematerialien zu optimieren. *red #uulm @HelmholtzUlm @DLR_de @ZSW_BW #battery https://t.co/qXM49OEAL5
— Universität Ulm (@uni_ulm) October 28, 2020
Batterieforschung per Computersimulation
Batterieforschung findet aber nicht nur im Labor, sondern auch per Computersimulation statt. In Ulm kooperiert das Institut für Stochastik der Universität mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt am Helmholtz-Institut Ulm (DLR/HIU) sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der TU Braunschweig. Mithilfe statistischer Bildanalyse und stochastischer 3D-Strukturmodellierung wird versucht, Zusammenhänge zwischen geometrischen Strukturkenngrößen auf der Mikroskala und elektrochemischen Eigenschaften der Batterieelektroden aufzuklären. Diese beeinflussen letztlich die Leistung der Zelle. Die Arbeiten basieren auf realen Elektrodenmaterialien, deren Mikrostruktur mittels hochauflösender Bildgebung zugänglich gemacht wird.
„Nach einer Aufbereitung der 3D-Bilddaten werden mit Methoden der Stochastik virtuelle Elektrodenmaterialien am Computer generiert, die den Beobachteten in statistischem Sinne ähnlich sind“, so Dr. Matthias Neumann vom Institut für Stochastik der Uni Ulm. Zusätzlich können dann auch virtuelle, aber dennoch realistische Bilddaten von Elektrodenmaterialien am Computer erzeugt werden, die sich von den bereits hergestellten Materialien zum Beispiel hinsichtlich ihrer Dicke oder Porosität unterscheiden. Diese Bilddaten werden anschließend für die simulationsbasierte Bestimmung der zugehörigen elektrochemischen Eigenschaften bereitgestellt. Die Ergebnisse der virtuellen Materialoptimierung sollen als Empfehlungen zu einer optimierten Herstellung der Batteriematerialien beitragen. Am diesjährigen Industrietag wurden insbesondere neue Ergebnisse zur Aufbereitung der Bilddaten unter Verwendung statistischer Lernverfahren wie zum Beispiel künstlicher neuronaler Netze vorgestellt.
Das Kompetenzcluster ProZell
Das lebendige ProZell-Netzwerk schafft in Zusammenarbeit mit dem BMBF, dem Kompetenznetzwerk für Lithium-Ionenbatterien (KLiB) und dem Managementkreis von ProZell erfolgreich Synergien zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Ziel ist es, die Grundlagen für eine leistungsstarke und kostengünstige Batteriezell-Produktion „Made in Germany“ zu schaffen. Netzwerk-Partner sind die TU Braunschweig, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Hochschule Landshut, die TU Berlin, die TU Clausthal, die TU Bergakademie Freiberg, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt via des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU), die Universität Ulm, die RWTH Aachen, die TU Dresden, die TU München, die WWU Münster via des MEET Batterieforschungszentrum Münster, die Fraunhofer-Gesellschaft und das Forschungszentrum Jülich via des Helmholtz-Instituts Münster.