Wissen ist Macht

Aug 18, 2023

Big Data treibt nachhaltige Innovationen in der LIB-Herstellung voran, erklärt Klaus Petersen

Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIB) stehen im Mittelpunkt globaler Elektrifizierungsstrategien und tragen dazu bei, ehrgeizige Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen. Um der schnell wachsenden Nachfrage nach diesen Produkten gerecht zu werden, müssen Hersteller von LIB-Zellen ihre Produktion steigern und qualitativ hochwertige Produkte mit begrenztem ökologischen Fußabdruck und kurzen Vorlaufzeiten liefern. Diese Ziele lassen sich durch den Einsatz datengesteuerter, automatisierter Lösungen immer leichter erreichen. Die Herstellung von LIB-Zellen kann durch die Nutzung von Big Data die Produktivität und den Durchsatz schnell steigern und gleichzeitig ihre Umweltauswirkungen verbessern.

Die Zahl der Elektrofahrzeuge (EVs) steigt rasant, wobei die Gesamtzahl der Elektroautos auf den Straßen der Welt im Jahr 2021 einen Höchststand von 16,5 Millionen erreicht. Im selben Jahr erreichten die Verkäufe neuer Elektrofahrzeuge einen neuen Rekord von 6,6 Millionen, was fast 10 % der weltweiten Autoverkäufe ausmacht.

Der Übergang vom traditionellen verbrennungsbetriebenen Straßentransport zu Elektrofahrzeugen wird durch die Kundennachfrage sowie ehrgeizige Fahrzeugeffizienz- und CO2-Standards unterstützt. Tatsächlich gelten diese Transportmittel in den meisten führenden Elektrofahrzeugmärkten als Schlüssel zur Erreichung der Dekarbonisierungsziele, da der Einsatz von Elektrofahrzeugen bis 2025 zur Verdrängung von 1,6 Millionen Barrel Öl pro Tag führen kann (Zwei- und Dreiräder ausgenommen). ). Es wird erwartet, dass dieser Wert bis 2030 4,6 mb/d erreichen wird.

Die derzeit günstige Marktlage bedeutet, dass sich für LIB-Hersteller im Transportsektor wertvolle Chancen ergeben, da diese elektrochemischen Zellen eine Schlüsselrolle beim Übergang zu einer nachhaltigeren Mobilität spielen. Genauer gesagt wird geschätzt, dass die jährliche weltweite Kapazität, die durch Batterien für Elektrofahrzeuge abgedeckt wird, von heute etwa 340 GWh auf mehr als 3.500 GWh pro Jahr bis 2030 ansteigen wird.

Das Herzstück von Elektrofahrzeugen sind Lithium-Ionen-Batteriepakete, bei denen eine Reihe von Zellen in einem Rahmen zu einem Modul zusammengefügt werden, das mit wichtigen Systemen wie Steuerung, Schutz und Kühlung ausgestattet ist. Daher handelt es sich hierbei um die Basistechnologie für den Antrieb von Transportmitteln der nächsten Generation.

LIB-Zellen wiederum bestehen aus Metallfolienschichten, die mit einer feinen Schicht aus aktivem, leitfähigem Material beschichtet sind. Diese beiden Komponenten bilden die Schlüsselelemente der Batterie, die Anode und die Kathode, die durch einen porösen Film und Elektrolyte getrennt sind. Typischerweise ist es notwendig, mehrere Schichten von Anoden und Kathoden zu kombinieren, die in einer zylindrischen oder prismatischen Form angeordnet sind, um den Batterien die für die Anwendung erforderliche Form zu geben.

Das Herzstück von Elektrofahrzeugen sind Lithium-Ionen-Batteriepakete, bei denen mehrere Zellen in einem Rahmen zu einem Modul zusammengefügt werden.

Diese Struktur wird durch Beschichten der Metallfolie und Kalandrieren erreicht, ein komplexer und präziser Prozess, der Trocknungs- und Walzschritte umfasst. Anschließend erfolgt das Schlitzen des Materials, bei dem die Folie in Streifen geschnitten wird. Abschließend werden sie je nach Batterieformat zugeschnitten, gestapelt oder gewickelt und anschließend den letzten Prozessschritten zugeführt, bevor sie einer End-of-Line-Prüfung unterzogen werden.

Die Lieferung von Produkten von gleichbleibender und hoher Qualität ist der Schlüssel zum Hochfahren der Produktion, da diese von entscheidender Bedeutung sind, um sicherzustellen, dass die richtige Kapazität, Spannung und der richtige Widerstand bereitgestellt werden, was letztendlich die Batterieleistung und -sicherheit bestimmt. Da bei der Herstellung von LIB-Zellen so viele kritische Phasen involviert sind, müssen Unternehmen in robuste, widerstandsfähige und zukunftsorientierte Produktionsanlagen investieren, wenn sie in der Lage sein wollen, den rasant steigenden Marktanforderungen von heute und morgen gerecht zu werden und gleichzeitig ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren.

Bei kontinuierlichen Produktionsprozessen von LIB-Zellen kann dies eine Herausforderung darstellen. Erstens ist es notwendig, empfindliche, dünne Folienmaterialien mit hoher Geschwindigkeit zu handhaben, ohne dabei an Genauigkeit und Präzision einzubüßen. Da die Energiedichte von Batterien weiter steigen muss, können die verwendeten Folien je nach gewählter Technologie sogar dünner und damit schwieriger zu verarbeiten sein. Das bedeutet, dass Hersteller solide Lösungen für eine optimale Spannung finden müssen. Zweitens kommt es in den verschiedenen Verarbeitungsstufen zu Ungenauigkeiten und Verunreinigungen, und die konventionelle Qualitätskontrolle kann zu hohen Ausschussraten führen. Diese Aspekte können sich letztendlich auf Produktivität und Effizienz auswirken.

Zusätzlich zu diesen Problemen sollten LIB-Zellenhersteller weitere wichtige Aspekte berücksichtigen. Da beispielsweise die von der Industrie benötigten Metalle knapp und teuer sind und kohlenstoffintensive Abbauprozesse erfordern, ist es für die Hersteller von entscheidender Bedeutung, eine optimale Ressourcennutzung für eine effiziente LIB-Produktion sicherzustellen. Auf diese Weise können sie ihre Kosten und Umweltauswirkungen minimieren und gleichzeitig ihre Rentabilität und ihren ROI steigern.

Eine weitere Herausforderung, der sich Hersteller proaktiv stellen sollten, ist die Bewältigung möglicher Batterieleistungsprobleme. Um die Freigabe minderwertiger Produkte zu vermeiden, ist es wichtig, Systeme zur Materialverfolgung und -verfolgung nutzen zu können, um die Ursachenanalyse schnell durchzuführen und etwaige Verarbeitungsprobleme in der Fertigung zu beheben.

Datengesteuerte Qualitätssicherungsstrategien eignen sich gut, um Unternehmen bei der Entwicklung optimierter Produktionsumgebungen zu unterstützen. Durch die rechtzeitige Erkennung von Anomalien sowie die Erkennung und Vermeidung von Qualitätsmängeln, insbesondere in den frühen Prozessschritten, tragen sie dazu bei, größere Probleme später in der Produktionslinie zu vermeiden. Dies wiederum kann das Volumen nicht spezifikationsgerechter und suboptimaler LIB-Zellen reduzieren und gleichzeitig den Material- und Energieverbrauch verbessern. Darüber hinaus bilden datengesteuerte Ansätze den Kern von Track-and-Trace-Strategien, da sie selbst in kontinuierlichen Prozessen, die sehr komplex sind, genaue Erkenntnisse liefern können.

Unternehmen sollten daher in Automatisierungsgeräte investieren, die wichtige Daten zu Prozessen, Geräten und verwendeten Materialien generieren können. Diese sollten dann analysiert oder ausgewertet werden, um Vorhersagemodelle zu erstellen, mit denen die Parameter identifiziert werden können, die die Produktqualität, den optimalen Betrieb und die Anlagenleistung bestimmen.

Die Datenverarbeitungsleistung der heutigen Technologie auf Basis künstlicher Intelligenz (KI) ist beispiellos. Es ist so weit fortgeschritten, dass herkömmliche, auf Experten basierende Methoden nicht einmal mithalten können. Tatsächlich können sie große Zahlenmengen durchsuchen, Schlüsselmuster, Inliner und Outliner identifizieren sowie mehrere Datensätze interpolieren, um Vorhersagealgorithmen für verschiedene Prozesse zu generieren. Darüber hinaus ist es möglich, übergreifende Modelle zu entwickeln, die alle verschiedenen Schritte und Vermögenswerte der gesamten Produktionskette von LIB-Zellen berücksichtigen, um wichtige Hinweise auf die Qualität des Endprodukts zu liefern.

Sobald dieses Wissen generiert ist, können LIB-Unternehmen diese Erkenntnisse nutzen, um ihre Aktivitäten in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Darüber hinaus können sie durch die Verwendung von Zeitstempeln und Markierungen zur Identifizierung von Filmabschnitten die Nachverfolgung erleichtern, was letztendlich die Serialisierung, Problemlösung und Ursachenermittlung unterstützt.

Dank all dieser Aspekte können datengesteuerte LIB-Hersteller von erheblichen Effizienz- und Kosteneinsparungen profitieren, was die Rentabilität und Nachhaltigkeit steigern kann. Beispielsweise kann eine nicht datenorientierte 10-GWh-Produktionslinie 70 %, 10 %, 5 % und 5 % der Zellen produzieren, die jeweils 100 %, 90 %, 80 % und 70 % Kapazität mit 10 % bieten Produkte, die verschrottet werden müssen. Wenn man die mit jeder einzelnen Zelle verbundenen Gesamtkosten berücksichtigt, können die ökologischen und finanziellen Auswirkungen erheblich sein, wenn eine intelligente Fertigung diese Fähigkeiten auch nur um einen einzigen Prozentpunkt verbessern kann. Tatsächlich führt jedes 1 % vermiedene Ausschuss in einer 10-GWh-Linie, die einen Umsatz von 90 €/kWh Batteriekapazität generiert, zu Einsparungen in Höhe von 9 Millionen €.

Es gibt weitere Möglichkeiten, die in Betracht gezogen werden sollten, da die Einführung intelligenter, datengesteuerter LIB-Zellenfabriken zu einer kontinuierlichen Optimierung der Herstellungsprozesse führt. Die entwickelten Vorhersagemodelle können neue Daten nutzen, die regelmäßig von automatisierten Geräten generiert werden, um ihre Prognosen zu verfeinern und immer genauere Erkenntnisse zur Verbesserung von Abläufen, Produkten und Anlagen zu liefern. Dadurch können Hersteller diese als Teil kontinuierlicher Verbesserungsstrategien nutzen, die langfristig zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit beitragen können.

Unternehmen, die ihre Produktionslinien für LIB-Zellen weiterentwickeln möchten, können nun eine Reihe bewährter, fortschrittlicher Lösungen nutzen. Ein Paradebeispiel ist Mitsubishi Electric, das einen innovativen Zeilenscan-Balken auf den Markt brachte, um die Oberfläche von in Bearbeitung befindlichen Materialien in Echtzeit zu prüfen. Das Instrument ist mit der Kontaktbildsensor-Technologie (CIS) ausgestattet, um eine hochauflösende Rückmeldung über den Oberflächenzustand des beschichteten Stromkollektors zu liefern. Durch die Verarbeitung der dabei generierten Daten können Unternehmen ein wichtiges Tool nutzen, um die Qualität von LIB-Zellen mit extrem hoher Auflösung und Genauigkeit zu bestimmen und so letztendlich die Qualität des Endprodukts zu verbessern.

Klaus Petersen ist dabeiMitsubishi Electric Europa