Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rühren mit Köpfchen - Digitalisierte Dispergieranlage für die Batteriefertigung

14.08.2019

Die Daten aus einer smarten Dispergieranlage verbessern nicht nur die Dispersion, die zur Fertigung von Batteriezellen gebraucht wird; die Daten helfen vor allem dabei, den Ausschuss an Batterien erheblich zu reduzieren.

Die Herstellung einer Batterie, wie sie ein Elektroauto benötigt, ist ein komplexer Prozess, der viele einzelne Arbeitsschritte umfasst. Er beginnt mit der Produktion der Elektroden, wobei eine Paste – Experten sprechen von Slurry – auf ein Substrat, meist eine metallische Folie, aufgetragen wird. Die Paste ist der aktive Teil der Batterie.


Ein Labormitarbeiter vergleicht die Dispersionen.

Quelle: Fraunhofer IPA


Mischen im Dispergiertechnikum des Fraunhofer IPA.

Quelle: Fraunhofer IPA

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 einer Paste oder Slurry angerührt.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisieren IPA bringt für diesen ersten Schritt der Batteriefertigung jahrzehntelange Erfahrung mit.

Entscheidend für die Qualität der Batterie
Eine große Herausforderung ist dabei, dass sich beim Rühren keine Klumpen bilden. In der Batterie sind Agglomerate besonders fatal, denn sie machen den Akku letztlich unbrauchbar. Ein weiteres Problem kommt dazu: 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 das Auto 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.

Energie sparen

Eine voll digitalisierte Dispergieranlage, die in den IPA-Laboren steht, hilft dabei. Sie ist mit zahlreichen Sensoren bestückt, sodass man bereits beim Rühren erkennt, wie sich die Paste entwickelt. Die Fühler messen rheologische Eigenschaften, Energieeintrag und vieles mehr. Sie spüren jede Verklumpung 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.

Experimentieren und Simulieren

Mit der digitalisierten Dispergieranlage lassen sich nicht nur herkömmliche Pasten herstellen, die Experten können auch mit neuen Materialien experimentieren, wie sie aus ökologischen Gründen über kurz oder lang notwendig werden. So sollen potenziell gesundheitsschädliche organische Lösemittel durch wasserbasierte Medien ersetzt werden. Und an die Stelle der knappen Rohstoffe Lithium oder Kobalt, die zum Teil unter fragwürden Bedingungen gewonnen werden, könnten leicht verfügbare Materialien treten.

Mehr noch: Die vielen Daten aus der smarten Anlage helfen dabei, 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.

Ausschuss reduzieren

Und die Daten helfen dabei, die Ausschussraten erheblich 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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Ivica Kolaric
Telefon +49 711 970-3729 | ivica.kolaric@ipa.fraunhofer.de
Dominik Nemec
Telefon +49 711 970-3668 | dominik.nemec@ipa.fraunhofer.de

Jörg Walz | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Besser klettern mit virtuellem Mentor
25.02.2020 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Fit für die industrielle Fertigung? Aluminium-Batterien im Fokus des Verbundvorhabens „ProBaSol“ an der TU Freiberg
21.02.2020 | Technische Universität Bergakademie Freiberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Im Focus: High-pressure scientists in Bayreuth discover promising material for information technology

Researchers at the University of Bayreuth have discovered an unusual material: When cooled down to two degrees Celsius, its crystal structure and electronic properties change abruptly and significantly. In this new state, the distances between iron atoms can be tailored with the help of light beams. This opens up intriguing possibilities for application in the field of information technology. The scientists have presented their discovery in the journal "Angewandte Chemie - International Edition". The new findings are the result of close cooperation with partnering facilities in Augsburg, Dresden, Hamburg, and Moscow.

The material is an unusual form of iron oxide with the formula Fe₅O₆. The researchers produced it at a pressure of 15 gigapascals in a high-pressure laboratory...

Im Focus: From China to the South Pole: Joining forces to solve the neutrino mass puzzle

Study by Mainz physicists indicates that the next generation of neutrino experiments may well find the answer to one of the most pressing issues in neutrino physics

Among the most exciting challenges in modern physics is the identification of the neutrino mass ordering. Physicists from the Cluster of Excellence PRISMA+ at...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

Genomforschung für den Artenschutz - Internationale Fachtagung in Frankfurt

25.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

IGF macht's möglich: Lemgoer Forschungsteam entwickelt neues Verfahren zur Abwehr von Noroviren auf Obst und Gemüse

26.02.2020 | Biowissenschaften Chemie

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Neue Wege im Kampf gegen die Parkinson-Krankheit: HZDR-Forscher entwickeln Radiotracer für die Differentialdiagnostik

26.02.2020 | Interdisziplinäre Forschung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics