Im Forschungsprojekt „IntelliSpin“ entwickelt die Hochschule Landshut gemeinsam mit der TU München eine selbstlernende Methode für die Herstellung von Batterien. Unter der Leitung von Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger vom Technologiezentrum Energie in Ruhstorf an der Rott forschen die Wissenschaftler an einer neuen Technologie, die mittels Elektrospinning und Künstlicher Intelligenz die Herstellung von Batterien flexibler und kostengünstiger gestalten soll.
Die Idee des Teams ist, mithilfe von Elektrospinning bisher nicht-laminierbare Elektroden laminierbar zu machen und damit die Flexibilität in der Fertigung zu erhöhen. Pettinger ist sich sicher: „Wenn wir es schaffen, diese Technologie zu automatisieren und in die Prozesse der Industrie 4.0 zu integrieren, dann stärkt das den Wettbewerb von Unternehmen gegenüber großindustriellen Anlagen enorm. Damit unterstützen wir die Industrie, Investitionsentscheidungen zugunsten von Produktionsanlagen in Deutschland und Europa zu tätigen.“
Nanofasern als Lösung
Beim Laminieren werden abwechselnd positive und negative Elektroden mit dazwischenliegenden Separatoren übereinander geschichtet und im Anschluss daran mit einer Folie versiegelt. Aufgrund ihrer dünnen und leichten Bauweise sind laminierte Zellen flexibel in der Formgebung, liefern jedoch trotzdem viel Strom.
Elektrodenrezepturen, die auf Wasser basieren und daher sehr umweltverträglich sind, können bis jetzt allerdings nicht laminiert werden. Das will das Projektteam nun ändern, indem es auf diese Elektroden eine hauchdünne Schicht eines Spezialpolymers aufträgt. „Dies geschieht mithilfe von automatisiertem Elektrospinning“, erklärt Pettinger. „Dabei werden chemische Materialien in feinste Fasern mit Durchmessern von wenigen Mikro- oder Nanometern versponnen.“
Die Forschenden sprühen dazu eine chemische Lösung in ein elektrisches Feld. Die Lösung wird von der Gegenelektrode angezogen und beschleunigt. Während dieses Prozesses verdunstet das Lösungsmittel und es bilden sich Nanofasern, die bis zu 1.000-mal dünner sind als ein menschliches Haar und sich wie eine Art Vlies ablagern. Das Team greift bei dem Verfahren auf Ergebnisse aus dem Vorprojekt „SpinnAp“ an der Hochschule Landshut zurück.
Mit Fertigungslinie vernetzt
Unter Einsatz von Künstlicher Intelligenz wollen die Wissenschaftler ihr Verfahren schließlich mit einer bestehenden Fertigungslinie vernetzen und optimieren. „Unser Ziel ist am Ende eine vollständig vernetzte Fertigungslinie“, sagt Pettinger. „Sie befähigt die Batteriehersteller, Ausschussraten zu reduzieren, die Qualität und Lebensdauer der Zellen zu verbessern und die Produktion zu flexibilisieren.“
Der Leiter des Technologiezentrums Energie freut sich, dass er hierfür die TU München als Kooperationspartner gewinnen konnte: „Im Projekt ,IntelliSpin‘ kombinieren die Hochschule Landshut und die TU München ihre Kernkompetenzen in der Batterieproduktion.“ So zählt die teilautomatische Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen zur Hauptexpertise des TZE, das auch über ein Batterielabor mit Elektrospinning-Anlage verfügt. Dieses rüstet das Landshuter Team nun um und übernimmt die Zellfertigung sowie die elektrochemische Charakterisierung.
Das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswirtschaft der TU München hingegen erarbeitet die Steuerungskonzepte des automatischen Elektrospinnings. Zudem übernimmt es die Analysen von Prozessen sowie die Entwicklung der KI-Modelle.
Das Projekt „IntelliSpin“ läuft voraussichtlich bis 31. Dezember 2023. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMWi) im Rahmen des Clusters „Intelligente Zellproduktion“ mit insgesamt 888.000 Euro.
