Sim4Pro – Digitalisierungsplattform - Simulation für die Batteriezellproduktion

Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien besteht aus einzelnen, gekoppelten Prozessschritten. Die Kopplung dieser Schritte führt zu komplexen Wechselwirkungen zwischen den betrachteten Parametern (Prozess-Struktur-Eigenschaften). In jedem Fertigungsschritt entstehen Produktionsunsicherheiten, welche sich entlang der Prozesskette fortpflanzen und schlussendlich die elektrochemischen Eigenschaften beeinflussen.

Kurzfassung

Der Fokus in Sim4Pro liegt auf...

• den Interaktionen zwischen den Prozessschritten und der Fortpflanzung von Prozessparameterschwankungen
  • Analyse der Verteilung von Strukturparametern und Batteriezelleigenschaften
• der Abbildung der Benetzung des Porenvolumens bei gegebenen Prozessparametern
  • Untersuchung des Einflusses variierender Prozessparameter und zwischen Prozessen

Somit können wissensbasierte Optimierungen der Toleranzen im gesamten Herstellungsprozess vorgenommen werde.

Projektdetails

Die Herstellung von Lithium-Ionen Batterien besteht aus einzelnen, gekoppelten Prozessschritten. Die Kopplung dieser Schritte führt zu komplexen Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Ebenen der betrachteten Parameter (Prozess-Struktur-Eigenschaften). Die Prozessparameter der einzelnen Fertigungsschritte haben einen Einfluss auf die entstehenden Strukturen innerhalb der Batterie. Diese Strukturen beeinflussen maßgeblich die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie. Gleichzeitig entstehen in jedem Fertigungsschritt Produktionsunsicherheiten, welche sich entlang der Prozesskette fortpflanzen und die elektrochemischen Eigenschaften beeinflussen. Dies hat einen Einfluss auf die Qualität und die Kosten der Batteriezelle.

Im Rahmen des Vorgängerprojektes Sim2Pro wurde die Untersuchung der Elektrodenproduktion mit Hilfe von drei gekoppelten Prozessmodellen für das Beschichten, Trocknen und Kalandrieren exemplarisch betrachtet. Dadurch konnte der Einfluss von Schwankungen relevanter Prozessparameter im Fertigungsprozess auf die Strukturparameter untersucht werden und die Fortpflanzung und Veränderung durch die verschiedenen Prozessschritte analysiert werden. Die ermittelten verteilten Strukturparameter wurden an das Batteriemodell übergeben und die Streuung der elektrochemischen Eigenschaften wurde bestimmt. Es zeigt sich, dass Schwankungen bzw. Toleranzgrenzen in unterschiedlichen Prozessschritten einen verschieden starken Einfluss auf die Streuung der Eigenschaften haben.

Im Rahmen der Digitalisierungsplattform soll die unter Sim2Pro entstandene Plattform zur Simulation in der Batteriezellproduktion erweitert werden. Der Fokus wird darauf gelegt neue und detailliertere Prozessmodelle für die verfahrenstechnischen und fertigungstechnischen Prozesse einzubinden und die Kopplung zwischen der Prozesskettensimulation und der Batteriezellsimulation zu verbessern. Durch die engere Verknüpfung der Modellteile wird der Einsatz von mathematischen Methoden zur robusten Optimierung und Sensitivitätsanalyse ermöglicht. Dies ermöglicht es eine wissensbasierte Optimierung der Toleranzen im gesamtheitlichen Fertigungsprozess vorzunehmen. Darüber hinaus soll in der Digitalisierungsplattform eine Schnittstelle zum ProZell Kosten- und Ökobilanzmodell entstehen, um ökonomische und ökologische Fragestellungen beantworten zu können.

Danksagung

Der Dank des iwb gilt dem Bundesministeriums für Bildung und Forschung und dem Projektträger Jülich für die Förderung dieses Forschungsprojektes.