Günstige und schnellere Batterieproduktion durch Echtzeitüberwachung

Die Hochschule Landshut forscht an der Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus. Ihr Ziel: eine nachhaltige und kostengünstigere Produktion

Egal ob Smartphone, Laptop oder Elektroauto – unser modernes Alltagsleben wäre ohne leistungsfähige Lithium-Ionen-Akkus nicht denkbar. Ziel der aktuellen Forschung ist es, die Speicherleistung von Akkus zu erhöhen und gleichzeitig den Preis zu reduzieren. Eine reibungs- und fehlerlose Produktionskette spielt dabei eine entscheidende Rolle. Genau hier setzt das Forschungsprojekt OPTIBATT (Optimierte Messmethoden zur Fehlerreduktion in der Batterieproduktion) an, an dem die Hochschule Landshut maßgeblich beteiligt ist. Zusammen mit den Unternehmen Micro-Epsilon, VARTA Microbattery und LACOM forscht sie an einer Messtechnik zur Qualitätskontrolle.

Dabei arbeitet am Technologiezentrum Energie in Ruhstorf an der Rott Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger mit zwei wissenschaftlichen Mitarbeitern an der kapazitiven und optischen Vermessung bzw. Überwachung von Oberflächen und Schichtdicken, um Fehlerstellen bei Lithium-Ionen-Zellen bereits während des Produktionsprozesses zu erkennen. Das Projekt läuft noch bis Oktober 2021 und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Die gesamte Projektsumme liegt bei 1,1 Million Euro, die Projektleitung liegt bei Dr. Martin Krebs (VARTA Microbattery).

Geringer Ausschuss – hohe Wirtschaftlichkeit

Indem Fehler bereits während des Herstellungsprozesses erkannt werden, reduziert sich der Ausschuss, was wiederum die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit der Produktionsverfahren erheblich verbessert. „Bei der Produktion einer Smartphone-Zelle müssen beispielsweise zirka sechs Quadratmeter Oberfläche auf kleinste Löcher und Abweichungen untersucht werden“, erklärt Pettinger. Bisher existierte zu diesem Zweck kein zuverlässiges Kontrollverfahren im laufenden Prozess.

Vorbild aus der Automobilindustrie

Die Lösung hierfür kommt aus der Automobilindustrie. Bei der Herstellung von Karosserien gibt es bereits eine Messtechnik für die Lackinspektion. Dabei können mittels Reflexion eines Streifenmusters (Deflektometrie) kleinste Fehlerstellen auf Autolacken erkannt werden. Im Jahr 2014 wurde dieses Messprinzip in der Produktreihe reflectCONTROL von Micro-Epsilon mit dem Bayerischen Innovationspreis ausgezeichnet. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Christian Faber setzt dieses Prinzip im Projekt FlyFlect3D für spiegelnde Oberflächen ein. In OPTIBATT untersuchen die Forschenden nun die Übertragbarkeit der Deflektometrie auf die Herstellung von Elektroden. Die Technologie wird vom Beschichtungsmaschinenhersteller LACOM Microbattery in einem ersten Schritt in einer Umwickelstation erprobt und danach in die laufende Laboranlage bei VARTA integriert. Die wissenschaftliche Kontrolle und Begleitung erfolgt dabei durch Pettinger und sein Team.

Produktionsfehler sind teuer

Um bei der komplexen Batterieherstellung eine fehlerfreie Produktion zu gewährleisen, bedarf es einer engmaschigen Qualitätskontrolle während des Fertigungsprozesses. Eingangs müssen die Aktivmaterialien zu einer breiigen Paste (Slurry) angerührt werden. Davon werden in kommerziellen Anlagen pro Charge etwa 150 kg bis 3 t hergestellt. Die fertige Batterie-Slurry wird danach auf Kupfer- und Alufolie aufgetragen und getrocknet. Alleine der Materialwert dieser Paste pro Charge liegt etwa zwischen 2.000 € und 40.000 €. Fehler während dieses Prozesses lassen sich später nicht mehr korrigieren. Die fertige Batteriezelle ist somit unbrauchbar.

Immense Bedeutung für Wettbewerbsfähigkeit

„Es ist existenziell, eine hohe Qualität von den Ausgangsmaterialien bis zur fertigen Speicherzelle in der Elektroden- und Zellfertigung zu gewährleisten“, betont Pettinger. Der Aufbau einer Zellfertigung in Deutschland bzw. innerhalb der EU ist ein Ziel von immenser strategischer Bedeutung für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit. „Aktuell ist auf diesem Gebiet ein deutlicher Wissensrückstand gegenüber Asien zu verzeichnen“, so Pettinger. Durch interdisziplinäre Teamarbeit – wie im Fall von OPTIBATT – kann in Deutschland das Know-how über die gesamte Produktionskette von Lithium-Ionen-Akkus ausgebaut werden.

Über das Projekt

Das Projekt OPTIBATT läuft noch bis Oktober 2021 und wird am Technologiezentrum Energie in Ruhstorf an der Rott durchgeführt. Der Projektleiter an der Hochschule Landshut ist Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger; die Gesamtprojektleitung liegt bei Dr. Martin Krebs, VARTA Microbattery GmbH. Weitere Projektpartner sind zudem die Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG und die LACOM GmbH. Die Finanzierung des Projekts übernimmt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Foto: HAW Landshut