Die Batteriezellproduktion steht vor erheblichen Herausforderungen: Neue Produktionsanlagen und selbst eingefahrene Fabriken erzeugen erhebliche Mengen an Ausschuss. Aktuelle elektrische Prüfverfahren können zwar grundlegende Funktionsparameter erfassen, geben jedoch nur begrenzt Aufschluss über sicherheitskritische Defekte im Inneren der Zellen.

Hier setzt die unabhängige Nachwuchsgruppe NADINE an: »Wir werden zerstörungsfreie Methoden weiterentwickeln, um Batteriezellen analysieren zu können. Denn innovative Qualitätssicherungsmethoden sind die Grundvoraussetzung für eine konkurrenzfähige europäische Batteriezellfertigung und für die Entwicklung sicherer, langlebiger Batterien«, erklärt Gruppenleiter Dr. Moritz Kroll, der für die Forschungsgruppe eine Förderung des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) in Höhe von rund 2,3 Millionen Euro eingeworben hat.

Eine präzisere Qualitätskontrolle hätte erhebliche ökologische und ökonomische Auswirkungen: Eine Reduzierung der Ausschussrate um nur einen Prozentpunkt in einer 10-GWh-Produktionsanlage würde nach Berechnungen des Fraunhofer ISE den jährlichen CO₂-Ausstoß um etwa 5.000 Tonnen senken und den Verbrauch kritischer Rohstoffe wie Lithium und Kobalt reduzieren. Entscheidend ist dabei nicht nur die Fehlererkennung an sich, sondern auch deren räumliche Lokalisierung und Klassifizierung in der Zelle. Diese Ortsinformation ermöglicht es, Rückschlüsse auf einzelne Fertigungsschritte und -parameter zu ziehen und die Produktion agil und zeitnah anzupassen.

Interdisziplinärer Ansatz an der Schnittstelle von Batterieforschung und Data Science

Das Forschungsprojekt kombiniert Expertise aus der Batterieforschung mit Methoden der Datenwissenschaft und Künstlichen Intelligenz und arbeitet dafür auch mit Forschenden der TU Dresden und der University of Auckland, Neuseeland, zusammen.  Im Fokus stehen vielversprechende Ansätze wie die Ultraschall-Tomographie und die Charakterisierung des Ausdehnungsverhaltens von Batteriezellen. Durch die konsequente Digitalisierung von Forschungs- und Entwicklungsprozessen können Daten über mehrere Stationen der Batterie-Wertschöpfungskette hinweg miteinander verknüpft werden. Maschinelle Lernverfahren sollen dabei helfen, neue Zusammenhänge zwischen Fertigungsparametern, Betriebsführung, Gesundheitszustand und Sicherheit zu identifizieren. Im Sinne eines FAIR-Prinzips für Datenmanagement („findable, accessible, interoperable, reusable“) werden Datensätze in einem Open-Science-Ansatz zur Verfügung gestellt.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Bewertung von Batterien für die Zweitnutzung:  Nach dem Einsatz in Elektrofahrzeugen können Batterien in stationären Energiespeichersystemen weiterverwendet werden – vorausgesetzt, ihr Zustand lässt sich zuverlässig und effizient bewerten. Die Entwicklung entsprechender Methoden kann einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft und zur Reduktion des CO₂-Fußabdrucks von Energiespeichersystemen leisten. »Das Projekt verbindet so Grundlagenforschung und konkrete Anwendungen für die Industrie in idealer Weise«, erklärt Prof. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. 

Die unabhängige fünfköpfige Nachwuchsgruppe wird im Zentrum für Elektrische Energiespeicher des Fraunhofer ISE in Freiburg untergebracht und mit der bestehenden Gruppe vereint. Das ISE gewährt Zugang zur dortigen Forschungsinfrastruktur und die Gruppe profitiert von den Möglichkeiten der Zellherstellung und Charakterisierung in einer sicheren Testumgebung. Ein Industriebeirat begleitet das Projekt und stellt den kontinuierlichen Anwendungsbezug sowie eine zeitnahe Verwertung der Ergebnisse in der deutschen Industrie sicher. Wir freuen uns sehr, mit der Nachwuchsgruppe NADINE die erfolgreiche Kooperation zwischen der Universität Freiburg und dem Fraunhofer ISE weiter zu stärken«, sagt Prof. Dr.-Ing. Frank Balle, Dekan der Technischen Fakultät. »Die Verbindung von Batterieforschung und Data Science am INATECH ist ein wichtiger Baustein für die Forschung an zukunftsfähigen und nachhaltigen Energiespeichern. Dr. Kroll bringt hervorragende Erfahrung mit, um an dieser Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung anwendungsnahe Lösungen zu entwickeln.«

Zum Förderprogramm „BattFutur – Nachwuchsgruppen Batterieforschung"

Die Förderung erfolgt im Rahmen von »BattFutur – Nachwuchsgruppen Batterieforschung«, das Teil des Dachkonzepts »Batterieforschung« des BMFTR ist. Mit dem Programm unterstützt das Ministerium junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Aufbau unabhängiger Forschungsgruppen, die an der Schnittstelle zwischen akademischer Grundlagenforschung und anwendungsorientierter Forschung arbeiten. Ziel ist es, die Innovationskraft im Bereich der Batterieforschung zu stärken und zur Etablierung einer nachhaltigen und wettbewerbsfähigen Batteriewertschöpfungskette in Deutschland beizutragen.