Startschuss für weltweit erste hochflexible Batteriezellfertigung am KIT

© Amadeus Bramsiepe, KITKarlsruhe - Batteriezellen gewinnen als vielseitige und effiziente Energiespeicher zunehmend an Bedeutung. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde ein roboterbasiertes und modular aufgebautes, agiles Produktionssystem entwickelt, mit dem es möglich ist, bedarfsgerecht kundenindividuelle Batteriezellen in der geforderten Stückzahl zu produzieren.

Um Batteriezellen, etwa für die Elektromobilität oder Elektrowerkzeuge, künftig flexibler herstellen zu können, haben Forschende am KIT eine agile Batteriezellfertigung aufgebaut. Auf Basis einer hochflexiblen roboterbasierten Automatisierung haben sie einen Flexibilitätsgrad erreicht, der bisher nur in der manuellen Zellfertigung realisierbar war. Dies soll es Unternehmen ermöglichen, sich schneller an neue Technologien und volatile Märkte anzupassen. Außerdem kann laut KIT so ein Beitrag zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit von Deutschland als Industriestandort geleistet werden. Bund und Land förderten den Aufbau mit insgesamt knapp 19 Mio. Euro.

Flexible und ressourceneffiziente Batteriezellfertigung
Batteriezellen sind eine der zentralen Technologie für die fortschreitende Elektrifizierung der Mobilität. Für produzierende Unternehmen ist diese Schlüsseltechnologie daher von hoher strategischer und wirtschaftlicher Relevanz. Derzeit wird die Nachfrage vor allem durch kostengetriebene Massenproduktion in Asien und Nordamerika gedeckt, was auch Auswirkungen auf den Maschinen- und Anlagenbau hat.

Da in Deutschland nicht die Voraussetzungen bestehen, um in der rein kostengetriebenen Massenfertigung von Zellen und dem dazugehörigen Maschinenbau wettbewerbsfähig zu sein, haben Forschende am KIT gemeinsam mit der Firma Exyte spezielle Roboterzellen entwickelt, die eine Weltneuheit auf dem Gebiet darstellen. Sie dienen als lokale Trockenräume, auch Microenvironments genannt, zum Schutz der feuchtigkeitsempfindlichen Batteriematerialien.

Im Vergleich zu konventionellen Trockenräumen ist das zu entfeuchtende Raumvolumen deutlich kleiner. Daher bietet diese Technologie nach Einschätzung von Professor Jürgen Fleischer, Leiter des WBK Instituts für Produktionstechnik am KIT, ein besonders hohes Energieeinsparpotenzial. Vier solcher Microenvironments stellen mit ihren zugehörigen Prozessmodulen den physischen Aufbau der agilen Batteriezellfertigung in der Karlsruher Forschungsfabrik des WBK dar.

„Die Eröffnung der weltweit ersten agilen Batteriezellfertigung in der Karlsruher Forschungsfabrik zeigt, wie wir uns mit einer hochflexiblen und ressourceneffizienten Produktion vom Weltmarkt differenzieren und gezielt das margenstarke Premiumsegment und Nischenmärkte adressieren können“, so Professor Fleischer über die Neuentwicklung.

Darüber hinaus bauten die Projektbeteiligten ein virtuelles Abbild des Produktionssystems in Form eines digitalen Zwillings auf. So können die Wissenschaftler softwarebasiert Skaleneffekte durch die Vervielfachung einzelner Microenvironments untersuchen und produktionstechnische Größen wie etwa die optimale Losgröße ermitteln. Diese Simulation lässt sich auch für die Produktionsplanung der agilen Batteriezellfertigung nutzen. Die reale Anlage ist an eine Datenbank angebunden, um zukünftig alle Prozesse KI-basiert anpassen und verbessern zu können.

Forschungsprojekt AgiloBat: Enge Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie
Die Batteriezellfertigung haben die Wissenschaftler im Forschungsprojekt AgiloBat zusammen mit mittelständisch geprägten Maschinen- und Anlagenbauern entwickelt. Diese sollen so in die Lage versetzt werden, gemeinsam eine wettbewerbsfähige Anlagentechnik entlang der gesamten Prozesskette anbieten zu können. Das vom KIT eingebrachte Prozesswissen für eine flexiblere und modularere Anlagentechnik ermöglicht es den beteiligten Unternehmen zudem künftig nachhaltig Batteriezellen variantenflexibel, ressourceneffizient und automatisiert zu fertigen. Außerdem können neue Materialsysteme durch industrienahe Fertigung mit kleinen Materialmengen erprobt werden. Die entwickelte Infrastruktur ergänzt die seit 2011 am KIT aufgebaute Forschungsinfrastruktur im Bereich der Batteriezellfertigung.

Im Forschungsprojekt AgiloBat arbeiten Forschende aus sieben Instituten des KIT mit Partnern am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie zusammen. Aus dem Maschinen- und Anlagenbau sind außerdem die Coperion GmbH, Saueressig Group, Schunk Group, Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG, Siemens AG, Dehof Ingenieur + Technik und die Exyte Technology GmbH beteiligt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt mit 14,5 Mio. Euro, das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg mit 4,5 Mio. Euro.