Weniger Schrott für die Energiewende

Jonas Witt | Die Erfinder des Jahres von Siemens | Newcomer

Ein Blick auf die Batterieherstellung

A man in a black shirt leans over a laptop with

Lithium-Ionen-Batterien haben eine Aluminiumkathode (- Pol) und eine Kupferanode (+ Pol). Während der Herstellung werden dünne Schichten aus aktiven Materialien — z. B. Lithiumkobaltoxid oder Lithiumeisenphosphat — auf lange Kupfer- oder Aluminiumfolienstreifen aufgebracht. Diese langen Elektrodenstreifen werden in kleine Segmente geschnitten, zusammengefügt und um einzelne Batteriezellen gewickelt oder gestapelt. „Die Beschichtung der Metallfolien ist ein kritischer Prozessschritt. Die aktiven Schichten müssen über die gesamte Breite der Folie eine gleichmäßige Dicke haben „, sagt Jonas. „Fehler hier sind die Hauptursache für defekte Batteriezellen. Die beiden Erfindungen, die ausgezeichnet werden, helfen uns, diesen Produktionsschritt besser zu verstehen und zu verbessern.“

Ein Muster wie ein Fingerabdruck

Je genauer die Ursache eines Fehlers ermittelt werden kann, desto einfacher ist es, Lösungen zu entwickeln — und dieses Prinzip gilt auch für die Batterieherstellung. Jonas und sein Team suchten nach einer Möglichkeit, eine Verbindung zwischen einer bestimmten Batteriezelle und den Abschnitten von Kupfer-/Aluminiumfolienstreifen herzustellen, aus denen sie hergestellt wurden. „In der Vergangenheit wurden Produktionsdaten langen Materialstreifen zugewiesen“, erklärt Jonas. „Unser neues Verfahren ist präziser und nicht invasiv. Wir haben herausgefunden, dass das Oberflächenmuster des Materials für einzelne Beschichtungssegmente einzigartig ist, ähnlich einem Fingerabdruck. Jegliche Unterschiede in den Mustern der verschiedenen Segmente sind so eindeutig, dass wir für eine bestimmte Batteriezelle nachverfolgen können, aus welchen Foliensegmenten sie hergestellt wurden, wann sie hergestellt wurden und welche Einstellungen verwendet wurden. Mit diesem Wissen haben wir nicht nur die alten Markierungen überflüssig gemacht, wir sind auch in der Lage, genauer als je zuvor zu analysieren, wann und warum so viel oder so wenig Abfall produziert wurde.“

Hands use scissors to cut a dark, flexible material with a red laser line on it, for battery component fabrication.

Von den Experten lernen

A man with a serious expression is standing in front of a white wall, wearing a black shirt and a black jacket.

Die präzise Kalibrierung der Produktionsmaschinen ist ein Schlüsselfaktor. „Maschinenbediener müssen in der Regel eine mehrmonatige Schulung absolvieren, um ein gutes Gefühl für die optimale Einstellung der Prozessparameter zu entwickeln“, sagt Jonas. „Oft werden große Mengen an Schrott produziert, weil sie etwas übersehen haben.“ Deshalb haben Jonas und sein Team ein KI-Modell mit dem Inspektionsverhalten eines hochqualifizierten Maschinenbedieners trainiert, um ein System zu entwickeln, das Empfehlungen für eine optimale Konfiguration im laufenden Betrieb gibt. „Basierend auf den Betriebsdaten erkennt ein gut trainiertes KI-Modell viel schneller, wenn wir zu weit vom Optimum abweichen“, bestätigt Jonas. „Unser Ziel für die nahe Zukunft ist es, den Beschichtungsprozess vollautomatisch steuern zu können, sodass wir die Ausschussrate für Batteriezellen um etwa zehn Prozent reduzieren können. Wir haben bereits kommerzielle Lizenzen erhalten.“