Hohe Ausschussraten senken mit KI-Algorithmen

Sehr hohe Ausschussrate

Gezielte Digitalisierungsstrategien können Batterieherstellern helfen, den Betrieb erfolgreich zu skalieren © Mitsubishi Electric Europe

Etwa zehn Prozent der fertigen Produkte erfüllen die Mindestanforderungen nicht und enden als Schrott. In vielen Fällen kann diese Quote sogar auf 30 Prozent ansteigen. Das ist einer der Gründe, warum die Batterie meist bis zu 60 Prozent der Gesamtkosten eines Elektrofahrzeugs ausmacht. Sie ist auch aus Nachhaltigkeitsgründen inakzeptabel. Doch die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist komplex; die Ausschussquoten sind nicht auf die Nachlässigkeit oder unverantwortliches Verhalten der Hersteller zurückzuführen, vielmehr sind der Herstellungsprozess und die Durchführung herkömmlicher Qualitätskontrollmaßnahmen anspruchsvoll.

Einfluss der Beschichtungsdicke auf die Energiekapazität

Zunächst werden Bändern oder Folien aus Metall hergestellt – Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode. Die Größe dieser Bänder ist je nach Design und Spezifikationen der hergestellten Batterien verschieden, üblicherweise sind sie mehrere hundert Meter lang, an größeren Produktionsstandorten oft über einen Kilometer. Die Breite liegt bei einigen Zentimetern bis mehr als einem Meter. Um sie in Batterien umzuwandeln, werden die Bänder mit einer dünnen Schicht aus aktiven Materialaufschlämmungen beschichtet. Für die Kathode werden Lithiumkobaltoxid, Lithiumeisenphosphat oder andere Lithiummetalloxide verwendet, während die Anode mit Graphit oder Materialien auf Siliziumbasis beschichtet ist. Unabhängig von den verwendeten Materialien hat die Beschichtungsdicke 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. Allerding können zu dicke Beschichtungen die Bewegung der Lithiumionen zwischen den Elektroden behindern, was die Lade- und Entladegeschwindigkeit der Batterie verringert.

Gleichbleibende Beschichtungsdicken auf einer großen Fläche

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, insbesondere bei EV-Anwendungen, die eine schnelle Energielieferung erfordern. Wenn eine Beschichtung zu dick oder zu dünn ist, können große Abschnitte eines Bandes für die Verwendung in einem fertigen Produkt ungeeignet sein. Obwohl die ideale Dicke je nach Anforderungen des Herstellers variiert, liegen die Kathodenbeschichtungen meist im Bereich von 100 bis 200 μm, während die Anodenbeschichtungen etwas dünner sind mit 70 bis 120 μm; dies entspricht der Dicke eines menschlichen Haares. Es gilt als Herausforderung, eine gleichbleibend dünne Folie auf einer großen Fläche zu erhalten. Viele Faktoren können die Dicke des Endprodukts beeinflussen – von der Temperatur der Folie bis zur Luftfeuchtigkeit in der Anlage. Um diese komplexen, sich ständig ändernden Daten zu erfassen, kann die Implementierung geeigneter Fertigungstechnologien und Sensorik hilfreich sein.

KI-gesteuerte Lösung Melsoft Mailab

Das Prinzip der vorausschauenden Wartung kann auch die Batterieherstellung verbessern. Es lässt sich ermitteln, welche Parameter zu kontrollieren sind, um qualitativ hochwertige Zellen zu erhalten. Das erhöht den Wert funktionstüchtiger Batterien und verringert die Menge der zu verschrottenden Materialien. Mitsubishi Electric hat dieses Wissen bereits auf reale Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien angewendet. Das Team konzentrierte sich auf den Aspekt der ungleichmäßigen Schichtdicke und sammelte Daten von 127 verschiedenen Parametern, um festzustellen, welche davon zusammenhängen könnten. Mit Hilfe der KI-gesteuerten Lösung Melsoft Mailab von Mitsubishi Electric konnte herausgefunden werden, dass vier Faktoren stark mit den Schwankungen der Schichtdicke korrelieren: Spannung, Beschichtungsdruck, Übertemperatur und Abstand von der Beschichtungsöffnung. So entwickelte das Team eine Diagnoseregel zur Erkennung der Dicke. Anschließend kombinierten die Experten sie mit industrieller Automatisierungstechnik, zum Beispiel Spannungsregler, um die Parameter sorgfältig zu überwachen und zu ändern. So wird sichergestellt, dass ein möglichst großer Teil des Bandes den Qualitätsstandards entspricht.

Umsetzung einer digitalen Zukunft

Prognosen zufolge wird der weltweite Lithium-Ionen-Batteriesektor bis zum Ende des Jahrzehnts mehr als eine Viertel Billion Dollar wert sein © Mitsubishi Electric Europe

Die Einführung von Werkzeugen, Technologien und Fachwissen, die für eine digitale Fertigungslinie erforderlich sind, erfordert mehr als nur den Kauf der entsprechenden Ausrüstung. Sie muss aus zwei Blickwinkeln gleichzeitig angegangen werden – dem technischen und dem betrieblichen. Auf der technischen Seite muss ein Hersteller Zugang zu den richtigen Werkzeugen haben. Das bedeutet, dass alle Maschinen und Sensoren über eine hervorragende Konnektivität verfügen und mit Hilfe fortschrittlicher industrieller Netzwerklösungen mit einer hochwertigen Datendrehscheibe verbunden sind. Lösungen wie das CC-Link IE TSN-Netzwerk und die MELIPC-Industriecomputer können eine hochgenaue Probenahme ermöglichen, die für die Arbeit mit so komplexen und veränderlichen Materialien wie Lithium-Ionen-Batterien unerlässlich ist.

KI-gestützte Algorithmen decken Korrelationen auf

Darüber hinaus sind hervorragende Visualisierungs- und Korrelationswerkzeuge wichtig, wie sie in Mailab und der Iconics-Genesis64-Suite enthalten sind. Damit können Experten die in den Daten verborgenen Erkenntnisse freilegen; KI-gestützte Algorithmen decken Korrelationen auf, die ein Mensch niemals entdeckt hätte. Mit einem digitalen Zwillingstool wie Melsoft Gemini von Mitsubishi Electric können Hersteller eine virtuelle Nachbildung des Prozesses erstellen und alle Änderungen testen. Es ist jedoch wichtig, einen digitalen Zwilling nicht zu kompliziert zu gestalten, vor allem in den frühen Phasen der digitalen Reise eines Unternehmens. Auf betrieblicher Ebene beginnt die Digitalisierung bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit der Schaffung einer soliden betrieblichen Grundlage, die für die Nutzung des vollen Potenzials neuer Technologien unerlässlich ist.

Pilotprojekte mit klaren, messbaren Zielen sind ein strategischer Weg, um schnelle Erfolge zu erzielen, die Zustimmung der Beteiligten zu gewinnen und den Weg für eine breitere Umsetzung zu ebnen. Dieser methodische Ansatz ermöglicht die reibungslose Integration digitaler Fertigungstechnologien, verringert die Risiken und steigert die Effizienz und Qualität des Fertigungsprozesses.

Herausforderungen werden zu Chancen

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen erfordert die Ausweitung der Lithium-Ionen-Batterieproduktion eine strategische Planung sowie die Nutzung von Technologien und Daten, um die komplexen Zusammenhänge effizient zu bewältigen. Die Digitalisierung ermöglicht Echtzeit-Überwachung und -Analysen, verbessert die Entscheidungsfindung und die Produktqualität und reduziert gleichzeitig die Verschwendung. Der Übergang zu einer digitalisierten Fertigung erfordert Investitionen und ein Umdenken, verspricht aber greifbare Ergebnisse.