Digitale Methoden zur Entwicklung leistungsfähigerer Batterien
Die Batteriefertigung der Zukunft ist zunehmend digitalisiert. Simulationen unterstützen die Entwicklung neuer Zelltypen, während intelligente Sensoren die Produktion in Echtzeit überwachen. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM erarbeiten Verfahren, die Herstellungsprozesse virtuell abbilden und wichtige Parameter während der Fertigung erfassen. Diese Ansätze zielen darauf ab, Produktionsprozesse zu stabilisieren und Batterien mit höherer Leistungsfähigkeit zu erzeugen. Die Ergebnisse werden auf der Battery Show Europe 2026 vorgestellt.
Wachsender Bedarf an Batterien und digitale Prozessoptimierung
Die Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeicher steigt stark an. Um eine zuverlässige und effiziente Produktion sicherzustellen, nutzt das Fraunhofer ITWM digitale Simulationstools und innovative Messverfahren. Die Forschenden entwickeln Modelle für zentrale Fertigungsschritte entlang der gesamten Produktionskette, beispielsweise für das Mischen, Beschichten und Trocknen der Elektroden. Durch die digitale Analyse und Optimierung dieser Prozesse können Fehler frühzeitig erkannt und Ausschuss reduziert werden, noch bevor die Umsetzung in der Fabrik erfolgt.
Simulationssoftware BEST für umfassende Batteriemodellierung
Das Battery and Electrochemistry Simulation Tool (BEST) erlaubt die dreidimensionale Modellierung von Lithium-Ionen-Batterien am Computer – von der Mikrostruktur der Elektroden bis zum Verhalten kompletter Zellen. Die Software prognostiziert Zellleistungen, optimiert Ladestrategien und untersucht Alterungs- sowie Degradationsprozesse. Dr. Jochen Zausch, stellvertretender Abteilungsleiter, erklärt: „Mit BEST können wir das Betriebsverhalten von Batterien vorhersagen und analysieren, wie Designparameter wie die Schichtdicke der Elektroden die Zellperformance beeinflussen.“ Zusätzlich werden Materialeigenschaften und Nutzungsszenarien berücksichtigt. BEST ist mit weiteren Softwarelösungen kombinierbar und Bestandteil des Moduls BatteryDict der GeoDict-Software des Fraunhofer-Spin-offs Math2Market. Künftig soll die Nutzung auch über eine Web-Plattform in der Fraunhofer-Cloud möglich sein, ohne lokale Installation.
Simulation des Ausschäumprozesses mit FOAM
Ein weiteres Softwaretool, FOAM, simuliert die Ausschäumung von Batteriemodulen. Zur thermischen Isolierung und mechanischen Fixierung der Zellen werden zylindrische Zellen nebeneinander angeordnet und die Zwischenräume mit Schaum gefüllt. FOAM ermöglicht die Simulation der Ausbreitung und Volumenzunahme des Schaums, um vorab zu prüfen, ob alle erforderlichen Bereiche gleichmäßig gefüllt werden. Dies trägt zur Qualitätssicherung des Ausschäumprozesses bei.
Terahertz-Messtechnik für präzise Qualitätskontrolle
Nach Abschluss des Ausschäumens ist eine Kontrolle der Zellpositionen notwendig, um sicherzustellen, dass sich diese während des Aushärtens nicht verschoben haben und die Schaumverteilung homogen ist. Hierfür wird die Terahertz-Messtechnik eingesetzt, die elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarot nutzt. Diese Methode ermöglicht eine zerstörungsfreie, kontaktlose Prüfung der Materialien und gewährleistet eine präzise Qualitätskontrolle.
Inline-Dickenmessung bei der Elektrodenfertigung
Europa plant den Aufbau von etwa 1000 Produktionslinien für Elektrodenfolien, ähnlich hohe Zahlen sind in Asien und Nordamerika zu erwarten. Zur Qualitätsüberwachung während der Fertigung sind berührungslose Messsysteme erforderlich. Die Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung am Fraunhofer ITWM hat ihre Expertise in der Terahertz-Messtechnik auf die Inline-Kontrolle von Beschichtungen auf Batteriefolien ausgeweitet. Dr. Daniel Molter erläutert: „Die kontinuierliche Überwachung von Schichtdicke und Leitfähigkeit der Anoden- und Kathodenfolien ist essenziell für die Produktqualität. Unsere Terahertz-Messtechnik ermöglicht eine berührungslose, zerstörungsfreie Inline-Messung an verschiedenen Stellen im Nass- oder Trockenprozess, ohne Strahlenschutzmaßnahmen.“
Präsentation auf der Battery Show Europe 2026
Die digitalen Simulationswerkzeuge für Produktion und Design von Batteriezellen sowie das innovative Inline-Schichtdickenmesssystem werden vom Fraunhofer ITWM auf der Battery Show Europe in Stuttgart vom 9. bis 11. Juni 2026 vorgestellt (Halle 1, Stand A47, Fraunhofer-Allianz Batterien).
