Ein Labormitarbeiter vergleicht die Dispersionen aus der smarten Dispergieranlage.

Bild: Rainer Bez, Fraunhofer IPA

Digitalisierte Dispergieranlage Ausschuss in der Batteriefertigung reduzieren

20.08.2019

Die Herstellung einer Batterie, wie sie ein Elektroauto benötigt, ist ein komplexer Prozess. In einem ersten Schritt wird ein spezielles Pulvergemisch mit einem Lösemittel zu einer Paste angerührt, die dann den aktiven Teil der Batterie ausmacht. Hierbei gilt es, Verklumpungen gezielt aufzuspüren, damit der Akku nicht unbrauchbar wird.

Der Prozess der Batterieherstellung umfasst viele einzelne Arbeitsschritte. Er beginnt mit der Produktion der Elektroden, wobei eine Paste, auch Slurry genannt, auf ein Substrat, meist eine metallische Folie, aufgetragen wird.

Diese Paste ist der aktive Teil der Batterie. Sie besteht aus einem Pulvergemisch, dem neben den Kernsubstanzen wie Lithium oder Kobalt auch Bindemittel, Dispergierhilfen und leitfähige Stoffe wie Leitruß beigefügt sein können. Dieses Pulver wird mit einem Lösemittel zu der Paste angerührt.

Probleme bei der Fertigung

Eine große Herausforderung ist, dass sich beim Rühren keine Klumpen bilden dürfen. In der Batterie sind Agglomerate besonders fatal, sie machen den Akku letztlich unbrauchbar. Ein weiteres Problem: Die aktive Schicht, die Elektrode, „atmet“. Bei jedem Be- und Entladen ändert sie ihr Volumen und könnte sich deshalb vom Substrat ablösen. Die Folge wäre ein Versagen der Batteriezelle, beispielsweise durch einen Kurzschluss.

Die Gefahr droht vor allem bei hohen Energiedichten, wie sie für Elektroautos nötig sind. Die Paste muss also fest auf dem Substrat haften. „Schon bei der Dispersion muss man ein Optimum von elektrochemischen Eigenschaften und mechanischer Stabilität finden“, sagt Ivica Kolaric, der am Fraunhofer IPA die Abteilung Funktionale Materialien leitet.

Rühren, bis alles glatt ist

Eine voll digitalisierte Dispergieranlage, die in den IPA-Laboren steht, kann dabei helfen. Sie ist mit zahlreichen Sensoren bestückt, durch die sich bereits beim Rühren erkennen lässt, wie sich die Paste entwickelt.

Die Fühler messen rheologische Eigenschaften, Energieeintrag und vieles mehr. Sie spüren Verklumpungen schon beim Rühren auf und verlängern bei Bedarf den Mischprozess. Ist eine homogene Paste entstanden, sorgen sie dafür, dass die Anlage nicht zu lange läuft.

Nur ein Bruchteil der beim Mischen und Rühren eingesetzten Energie wird für das eigentliche Dispergieren verwendet. Ein Großteil der eingesetzten Energie wird als Wärme frei, ohne die Dispersion wesentlich zu verbessern. „Wir haben hier ein großes Einsparpotenzial“, sagt Kolaric.

Verstehen, was beim Dispergieren passiert

Die digitalisierte Dispergieranlage erlaubt zudem, mit neuen Materialien zu experimentieren, die aus ökologischen Gründen über kurz oder lang notwendig werden. So sollen potenziell gesundheitsschädliche, organische Lösemittel durch wasserbasierte Medien ersetzt werden, an die Stelle der knappen Rohstoffe Lithium oder Kobalt könnten leicht verfügbare Materialien treten.

Die vielen Daten aus der smarten Anlage helfen darüber hinaus, besser zu verstehen, was genau beim Dispergieren passiert. Bisher gibt es hier noch viele Fragezeichen. Das Wissen lässt sich nutzen, um die Modelle zur Prozesssimulation zu verbessern. „Dann müssen wir nicht mehr monatelang im Labor Erkenntnisse generieren, sondern können die Prozesses vorab simulieren. Das spart Zeit und Geld“, sagt Kolaric.

Nicht zuletzt unterstützen die Daten dabei, die Ausschussraten zu reduzieren. Denn in der Fabrik von morgen sind alle Geräte, die zur Batterieproduktion nötig sind, miteinander vernetzt. Dann könnte die Beschichtungsanlage, sobald sie ein Problem erkannt hat, die Dispergieranlage anweisen, länger zu rühren oder andere Parameter einzustellen. Das Ziel ist letztlich ein selbstlernendes System, das keine Eingriffe von außen erfordert.

Bildergalerie

  • Mischen im Dispergiertechnikum des Fraunhofer IPA.

    Bild: Rainer Bez, Fraunhofer IPA

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