Lithium-Ionen-Batterien benötigen nicht nur teure Rohstoffe, sondern durchlaufen auch einen sehr komplexen Produktionsprozess – mit bislang leider ziemlich hohem Ausschuss. Ein Ansatz, diesen zu reduzieren, liegt in der Implementierung digitaler Technologien zur Erfassung und Verarbeitung der riesigen Datenmengen, die in der Fertigung anfallen.
Steigende Nachfrage
Man kann nur schätzen, wie dramatisch der Sektor der Lithium-Ionen-Batterien in den kommenden zehn Jahren wachsen wird. Die steigende Nachfrage aus dem Sektor der Elektrofahrzeuge hat bereits dazu beigetragen, dass der Weltmarkt von rund 40Mrd.US$ im Jahr 2018 auf mehr als 60Mrd.US$ im Jahr 2022 gewachsen ist. Und das ist noch lange nicht das Ende, denn der Wachstumstrend wird sich voraussichtlich noch beschleunigen. Prognosen zufolge wird der Markt bis zum Ende des Jahrzehnts auf mehr als eine Viertel Billion Dollar entwickeln. Damit wird nicht nur der Wettbewerb stark zunehmen. Auch die für die Herstellung verwendeten Rohstoffe – etwa Lithium, Kobalt oder Nickel – werden noch knapper und teurer werden. Es wird erwartet, dass der Gesamtbedarf zwischen 2020 und 2040 um das 30-fache steigen wird.
Es ist also keine Frage, dass die Produktion der Batterien so effizient wie möglich gestaltet werden muss. Bisher sind die Ausschussraten sehr hoch. Etwa zehn Prozent der fertigen Produkte erfüllen die Mindestanforderungen nicht und enden als Schrott. In einigen Fällen liegt die Quote sogar bei 30 Prozent. Das ist mit der Grund, warum die die Batterie bis zu 60 Prozent der Gesamtkosten eines Elektrofahrzeugs ausmacht.. Man muss aber fairerweise sagen, das diese Quoten nicht auf unverantwortliches Verhalten der Hersteller zurückzuführen sind. Vielmehr liegt es daran, dass der anspruchsvolle Produktionsprozess herkömmliche Qualitätskontrollen extrem erschwert.
Komplexe Herstellung
Die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien beginnt mit der Herstellung von Bändern (oder Folien) aus Metall – Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode. Deren Größe kann je nach Design und Spezifikationen der Batterien variieren: In der Regel sind sie mehrere hundert Meter lang – an größeren Produktionsstandorten sogar oft über einen Kilometer – und zwischen einigen Zentimetern und über einem Meter breit. Um sie in Batterien umzuwandeln, werden die Bänder mit einer dünnen Schicht aus aktiven Materialaufschlämmungen beschichtet. Für die Kathode werden in der Regel Materialien wie Lithiumkobaltoxid, Lithiumeisenphosphat oder andere Lithiummetalloxide verwendet, während die Anode mit Graphit oder Materialien auf Siliziumbasis beschichtet ist.
Unabhängig von den verwendeten Materialien hat die Dicke dieser Beschichtungen einen großen Einfluss auf die Energiekapazität und die Ionentransporteffizienz der fertigen Batterie. Dickere Beschichtungen können mehr aktives Material speichern, was die Gesamtenergiespeicherkapazität der Batterie erhöhen kann. Dieser Vorteil ist jedoch mit einem Nachteil verbunden. Zu dicke Beschichtungen können die Bewegung der Lithiumionen zwischen den Elektroden behindern, was die Lade- und Entladegeschwindigkeit der Batterie verringert. Dieses Gleichgewicht zwischen der Dicke für eine erhöhte Energiespeicherung und der Notwendigkeit eines effizienten Ionentransports ist von entscheidender Bedeutung. Es wirkt sich direkt auf die Leistung der Batterie aus. Ist die Beschichtung zu dick oder zu dünn, können große Abschnitte eines Bandes für die Verwendung in einem fertigen Produkt ungeeignet sein.
Obwohl die ideale Dicke je nach den genauen Anforderungen des Herstellers variiert, liegen Kathodenbeschichtungen in der Regel im Bereich von 100 bis 200µm, bei Anodenbeschichtungen sind es sogar nur rund 70 bis 120µm. Das entspricht in etwa der Dicke eines menschlichen Haares. Eine gleichbleibend dünne Folie ist also eine echte Herausforderung. Dutzende von Faktoren können die Dicke des Endprodukts beeinflussen, von der Temperatur der Folie bis zur Luftfeuchtigkeit in der Anlage. Solche sich ständig ändernden Faktoren permanent zu erfassen, ist für herkömmliche Fertigungseinrichtungen fast unmöglich. Genau hier kommt die richtige Implementierung digitaler Produktionstechnik ins Spiel.
Von Rohdaten zu Ergebnissen
Moderne Fertigungsstraßen sind mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, die eine enorme Datenmenge erzeugen. Wenn diese Daten effektiv analysiert werden, können sie zu erheblichen Verbesserungen im Fertigungsprozess führen – etwa mit Konzepten für vorausschauende Wartung. So lässt sich dann vorhersagen, wann eine Maschine gewartet werden muss, weil der Antrieb etwas mehr Strom als üblich zieht oder die Amplitude der Schwingungen zunimmt. Hersteller können sich mit dem Problem befassen, bevor es zu Ausfällen oder Ausschuss führt. Das gilt auch bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Zudem lässt sich herausfinden, welche Faktoren mit der Zellqualität korrelieren und wie diese kontrolliert werden müssen, um qualitativ hochwertige Zellen zu produzieren. Mitsubishi Electric hat sein Knowhow bereits auf reale Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien angewendet – mit beeindruckenden Ergebnissen. Um das Problem der ungleichmäßigen Schichtdicke zu lösen wurden Daten von 127 verschiedenen Parametern gesammelt und analysiert, um festzustellen, welche davon zusammenhängen.
