Batterietechnik Schneller zu leistungsstärkeren Batterien

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Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

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Forschende am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickeln digitale Lösungen für die Batteriefertigung, die Produktionsprozesse virtuell abbilden und in Echtzeit überwachen. Ziel sind stabilere Prozesse und leistungsfähigere Zellen. 

Die Batteriefabrik der Zukunft arbeitet zunehmend digital. Simulationen begleiten die Entwicklung neuer Zellen, intelligente Sensoren überwachen die Produktion in Echtzeit. Forschende am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickeln Methoden, die Herstellungsprozesse virtuell abbilden und wichtige Parameter während der Fertigung messen.

Die Nachfrage nach Batterien für Elektroautos und Energiespeicher wächst rasant. Damit ihre Herstellung zuverlässig und effizient funktioniert, setzt das Fraunhofer ITWM auf digitale Simulationstools und innovative Messsysteme. Die Forschenden entwickeln Modelle für zentrale Schritte der Batteriefertigung über die ganze Produktionskette hinweg – etwa für das Mischen, Beschichten oder Trocknen der Elektroden. So lassen sich Prozesse digital analysieren und optimieren, noch bevor sie in der Fabrik umgesetzt werden. Die virtuellen Abbilder helfen, Fehler zu vermeiden, die sonst im Produktionsprozess auftreten. Ausschüsse lassen sich reduzieren.

3D-Simulation von Lithium-Ionen-Batterien

Mit dem Battery and Electrochemistry Simulation Tool Best stellt die Abteilung Strömungsprozesse beispielsweise eine Simulationssoftware zur Verfügung, mit der sich Lithium-Ionen-Batterien dreidimensional am Computer modellieren lassen – von Elektrodenmikrostrukturen bis zum Verhalten kompletter Zellen. Der Leistungsumfang von Best ist breit gefächert, er reicht von dem Prognostizieren der Zell-Leistung über die Optimierung von Ladestrategien bis hin zur Möglichkeit, Alterungs- und Degradationsphänomene zu untersuchen.

Mit Best können wir vorhersagen, wie sich Batterien im Betrieb verhalten, Zelleigenschaften werden durch physikalisch basierte Simulationen an virtuellen Kopien von realen Batterien prognostiziert.

Dr. Jochen Zausch, stellv. Abteilungsleiter, Fraunhofer ITWM

„Wir untersuchen beispielsweise, welchen Einfluss Designparameter wie die Schichtdicke der Elektroden, mit denen die Akkus spezifiziert werden, auf das Batterieverhalten haben", erläutert Zausch. „Weitere Einflussfaktoren wie Materialeigenschaften und Einsatzszenarien berücksichtigen wir ebenfalls." Best ist mit anderen Software-Tools kombinierbar und zudem als Bestandteil des Moduls BatteryDict der GeoDict-Software des Fraunhofer ITWM-Spin-offs Math2Market verfügbar. Künftig sollen auch Simulationen über eine Web-Plattform in der Fraunhofer-Cloud möglich sein, ohne Best direkt installieren zu müssen.

Ausschäumprozesse simulieren und Qualität sichern

Ebenfalls zum Portfolio gehört mit Foam ein Softwaretool, das im Kontext der Batterieproduktion die Ausschäumung von Batteriemodulen simuliert. Zellen in einem Batteriemodul müssen zum Schutz vor dem Überhitzen thermisch voneinander isoliert und mechanisch fixiert sein. Um dies zu erreichen, werden zylindrische Zellen häufig nebeneinander angeordnet und die Zwischenräume mit einem Schaum ausgefüllt. Dabei schäumt das flüssige Medium auf, härtet aus und bildet den Schaum, der die Zellen umschließt. „Mit Foam können wir die Ausbreitung und die Ausdehnung des Schaumes simulieren und anhand der Ergebnisse bereits im Voraus untersuchen, ob alle Bereiche erreicht werden, die gefüllt werden müssen, und ob die Schaumverteilung homogen ist“, so Zausch.

Nachdem der Ausschäumprozess bei der Herstellung einer realen Batterie abgeschlossen ist, muss die Lage der Zellen kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass sich die Zellpositionen während des Aushärtens nicht geändert haben und die Schichtdicke homogen ist. Hier kommt die Terahertz-Messtechnik des Fraunhofer ITWM für eine präzise Qualitätskontrolle ins Spiel. Sie nutzt elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarot, um Materialien kontaktlos und zerstörungsfrei zu prüfen.

Inline-Dickenmessung von Beschichtungen auf Batteriefolien

In den kommenden Jahren sollen in Europa 1000 Produktionslinien für Elektrodenfolien gebaut werden, ähnliche Zahlen gelten für Asien und Nordamerika. Um die Qualität inline während der Herstellung zu überwachen, können ausschließlich berührungslose Systeme eingesetzt werden. Daher haben Forschende der Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung ihre Expertise in der Terahertz-Messtechnik zur Inline-Beschichtungskontrolle von Batteriefolien ausgeweitet. „Batteriefolien sind die Hauptkomponenten in Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die kontinuierliche Überwachung der Materialparameter – Schichtdicke und Leitfähigkeit der Elektroden – ist entscheidend für die Produktqualität. Um sie inline bereits während der Produktion zu überwachen, setzen wir unsere Terahertz-Messtechnik ein", so Dr. Daniel Molter, Wissenschaftler am Fraunhofer ITWM. Die Messungen werden inline an ein- und mehrlagigen Beschichtungen von Anoden- und Kathodenfolien an verschiedenen Stellen im Nass- oder Trockenprozess durchgeführt – immer berührungslos, zerstörungsfrei und ohne die Notwendigkeit von Strahlenschutzmaßnahmen.

Ihre Lösungen für stabilere Produktionsprozesse und leistungsfähigere Batterien präsentieren die Expertinnen und Experten auf der Battery Show Europe in Stuttgart vom 9. bis 11. Juni 2026 am Stand der Fraunhofer-Allianz Batterien (Halle 1, Stand A47).

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