FAiL

Kurzbeschreibung

Im Rahmen dieses Vorhabens wird die Kritikalität von Fehlerbildern in der Batterieproduktion analysiert und bewertet, wobei großformatige Batteriezellen systematisch untersucht werden. Das Skalierungslevel ist entscheidend für die Aussagekraft der Ergebnisse, da Alterungsuntersuchungen im Labormaßstab oft nur begrenzte Relevanz für industrielle Anwendungen bieten. Die Innovation umfasst Erkenntnisse für die intelligente Produktion und Qualitätssicherung von Batteriezellen sowie die Entwicklung eines neuartigen Prüfstandes zur zeitlich aufgelösten Charakterisierung von „Thermal Runaways“ mittels bildgebender Verfahren. Das Ziel besteht darin, Korrelationen zwischen Defekten und Ursachen für Zellausfälle zu identifizieren, um darauf basierend Sicherheitsvorkehrungen entwickeln zu können. Kernziel ist die Kombination einer robusten CT-Anlage zur Erkennung sicherheitskritischer Zellen und zur Untersuchung von Produktionsfehlern wie Fremdpartikeln. Diese Technologie ist derzeit nicht verfügbar, obwohl ein hoher industrieller Bedarf besteht. Zudem soll der Demonstrator für High-Speed-In-situ-Radioskopie mit einer neuen Flüssigmetall-Röntgenquelle entwickelt werden, um schnelle und sichere Analysen zu ermöglichen. Diese Lösung gewährleistet eine vollständige CT-Durchdringung der Seitenwände, was maximale Sicherheit bei möglichen Havarien bietet. Das Projekt zielt auch darauf ab, eine Lösung zur Batterieüberwachung während des Betriebs zu entwickeln, um frühzeitig mögliche Versagen zu erkennen. Aktuell fehlen jedoch systematische Untersuchungen zu Zellfehlern, um gezielte Detektionsmethoden entwickeln und validieren zu können.

Das Projekt ist in  sechs Arbeitspakete aufgeteilt:

AP 1 Projektmanagement und Transfer: In AP 1 werden die Projekttätigkeiten zur Gewährleistung der Erreichung der beschriebenen Projektziele sowie der Veröffentlichung der Projektergebnisse koordiniert. Die effiziente und zielgerichtete Projektdurchführung wird durch einen detaillierten Projektmanagementplan sichergestellt.

AP 2 Festlegung von Anforderungen und kritischen Fehlerbildern: Es wird ein umfassender Fehlerkatalog produktionsbedingter Defekte entlang der Batteriezellproduktionskette erstellt; die Fehlerbilder werden anhand Kriterien wie Material, Größe, Form und Position beschrieben. Eine Literaturrecherche ergänzt die Bewertung von Sicherheits- und Performancerelevanz sowie Machbarkeit der gezielten Einbringung, einschließlich der Übertragbarkeit auf andere Zellformate. Auf dieser Grundlage erfolgt Auswahl und Priorisierung der Fehlerbilder; die Versuchsplanung definiert Referenzsystem, Versuchsmatrix und Analyseablauf, um die statistische Aussagekraft zu maximieren. Abschließend wird ein Leitfaden zur Best Practice erstellt, der Folgeprojekte unterstützt und eine effiziente interne Bewertung der Batterieproduktion ermöglicht.

AP 3 Fehlermuster: Machbarkeitsstudien prüfen die praktikable Einbringung der Fehlerbilder gemäß der Versuchsstrategie, einschließlich Vorversuchen zu Ortsfestigkeit und Reproduzierbarkeit, Tests verschiedener Abläufe, Zwischenprodukte-Ausschleusen und manuellen Eingriffen (ggf. Anpassungen von Anlagenparametern). Die flexible PreFab-Struktur ermöglicht das Ein- und Ausschleusen an mehreren Prozesspunkten und nutzt Inline-Messtechnik zur Repräsentativität. Anschließend werden Defektzellen, Replikate und Referenzzellen schrittweise gefertigt; die Vorcharakterisierung wird auf alle Replikate angewandt und CT-Verifikation bei Partikeleinbringung erfolgt; zentrale Herausforderung bleibt die Herstellung fehlerfreier Referenzzellen.

AP 4 Entwicklung des High-Speed Radioskopie / Röntgen-CTs inkl. Schutzkammer: Konzepte für das DR/CT-System werden entwickelt und validiert, wobei baulische Gegebenheiten am Aufstellort sowie die Integration in die vorhandene Infrastruktur berücksichtigt werden; Bewegungstrajektorien und Schutzkammer werden abgestimmt, ein Lastenheft erstellt und relevante Komponenten beschafft. Der Demonstrator wird aufgebaut, Röntgenquelle und Detektor in der Bildgebungskette erprobt, der Strahlenschutz integriert und eine Schutzkammer konstruiert, gefertigt und zertifiziert, einschließlich eines FAT; parallel dazu werden Konzepte für ein InLine DR/CT-System umgesetzt, Software angepasst und eine Helix-CT-Trajektorie mit Datenraten bis zu 1000 Bildern pro Sekunde realisiert, wobei Dokumentation erstellt wird.

AP 5 Fehleranalyse: Die Vorgehensweise kombiniert Befüllung, Anschluss und Formierung/zyklische Alterung von Referenz- und Defektzellen mit bildgebenden Verfahren (Röntgen-CT und High-Speed Radioskopie), um Defekte sichtbar zu machen, deren Ursachen zu analysieren und sicherheitsrelevante Zustände zu prüfen. Gleichzeitig wird der DR/CT-Demonstrator weiterentwickelt und validiert, Schutzmaßnahmen implementiert sowie Software angepasst; zudem werden digitale Zellfehler-Diagnosemethoden etabliert, die elektrische, End-of-Line- und Zyklisierungsdaten mit CT-Bilddaten korrelieren und Defekte effizient erkennen.

AP 6 Post-mortem Untersuchungen: Gealterte Zellen werden nach Öffnung bewertet und mit Referenzmaterialien verglichen, um Post-Mortem-Untersuchungen relevanter Komponenten auszuwählen und Degradationsmechanismen aufzuklären. Die Analysen umfassen optische Bewertung, Überführung in eine Glovebox, Öffnung und Dokumentation sowie REM/EDX-Analysen von Elektroden und Separator, ICP-OES zur Bestimmung des Lithium-Gehalts und NMR-Spektroskopie zur Bestimmung von Zersetzungsprodukten des Elektrolyten. Die Ergebnisse werden mit digitalen Zellfehler-Diagnosemethoden abgeglichen, diese Methoden weiter verfeinert und Korrelationsmodelle zur Fehleridentifikation entwickelt.

Das Vorhaben trägt dazu bei, den Ausbau von Energiespeichern voranzutreiben, um Arbeitsplätze in der deutschen Batterieproduktion zu sichern und Pilotanlagen zu einer hochautomatisierten, digital gestützten Massenfertigung zu überführen. Wissenschaftlich-technisch wird der Wissenstransfer in nationale und internationale Netzwerke intensiv vorangetrieben, Ergebnisse werden veröffentlicht und in Lehre sowie KMU-Integration überführt; Folgeveränderungen und neue Modelle sollen ermöglichen, auch andere Zellchemien zu berücksichtigen. Der Demonstrator dient der Serienreife eines High-Speed-DR/CT-Systems und einer digitalen Zellfehlerdiagnose, mit Aussicht auf internationale Vermarktung und potenziellen Aufträgen; Post-Project wird eine Weiterführung am Demonstratorstandort angestrebt. Im Marktsegment CT-basierter Inspektion wird ein signifikantes Potenzial von mehreren Mrd. Euro gesehen, mit Anwendungen in Erstherstellung und Second-Life, während der wissenschaftliche Austausch durch Publikationen, Konferenzen und Weiterbildungsangebote kontinuierlich gestärkt wird.