Forschung an der Batterie-Produktion 4.0 Schnell ladbar wie Supercaps, hohe Kapazität wie Akkus

Mit den PowerCaps wurde ein Hybrid-Speicher konzipiert, der die Vorteile von Akku und Kondensator kombiniert.
Mit den PowerCaps wurde ein Hybrid-Speicher konzipiert, der die Vorteile von Akku und Kondensator kombiniert.

Sie sollen sich in Sekundenschnelle aufladen lassen, über eine große Kapazität verfügen und bis zu zwölf Jahre funktionieren – die PowerCaps. Fraunhofer-Forscher wollen die neuen Akkus nun reif für die Serienfertigung und natürlich für Industrie 4.0 machen.

Wenn der Akku eines Elektroautos leer ist, muss eine längere Pause eingelegt werden, bis er wieder vollgeladen ist. Anders verhält sich das bei Kondensatoren: Sie laden sich in Sekundenschnelle auf, haben allerdings das Manko, dass sie nur wenig Energie speichern können.

Wie lassen sich nun die Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus mit denen von Superkondensatoren vereinen? Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart haben im Projekt FastStorageBW II gemeinsam mit Kollegen des Batterieherstellers Varta und anderen Partnern an der Entwicklung eines leistungsstarken Hybridspeichers gearbeitet: Nach Angaben der Wissenschaftler haben die so genannten PowerCaps eine ähnlich hohe spezifische Kapazität wie Bleibatterien, eine hohe Lebensdauer von zehn bis zwölf Jahren und lassen sich fast so schnell aufladen wie ein Superkondensator – also innerhalb weniger Sekunden.

Außerdem können sie bis zu einer Temperatur von 85 °C eingesetzt werden. Sie überstehen hundertmal mehr Ladezyklen als konventionelle Batteriesysteme und halten ihre Ladung über mehrere Wochen ohne nennenswerte Verluste durch Selbstentladung.

Unternehmerrisiko senken

Fokus der Forscher vom Fraunhofer IPA ist die Produktionstechnik. So wollen sie den Batterieherstellern nun ermöglichen, einen Zwischenschritt zwischen Laborfertigung und Großserienfertigung zu realisieren, also eine Art Kleinserienproduktion. Dadurch sinkt das Unternehmerrisiko, da nicht sofort eine komplette Fertigung aufgebaut werden muss.

Ziel ist es, mit der Kleinserienproduktion die Prozesse zu optimieren und die Produktion auf Industrie 4.0 auszulegen, noch bevor in die Großserienfertigung übergegangen wird. Die Ramp-up-Zeit, das heißt die Zeit, die zum Hochfahren der Produktionslinie benötigt wird, soll dadurch um mehr als 50 % sinken.

Für die Kleinserienproduktion kombinieren die Wissenschaftler verschiedene Produktionsabfolgen in sinnvoller Reihenfolge. Jedoch sind dabei nicht alle Anlagen miteinander verbunden, zumindest was die Hardware betrifft. Es ist menschliche Mitarbeit nötig, um die Chargen von einer Maschine zur nächsten zu bringen.

Grund dafür ist, dass es nicht darum geht, möglichst viele Produkte in möglichst wenig Zeit herzustellen, sondern darum, ein umfassendes Verständnis für den Prozess zu entwickeln. Beispielsweise muss geklärt werden, ob die gewünschte Qualität reproduzierbar ist. Deshalb sind die Anlagen möglichst flexibel ausgelegt und lassen sich für verschiedene Produktionsvarianten nutzen.

Bezüglich der Software sind die Anlagen hingegen sehr wohl miteinander vernetzt. Zudem sind die Anlagen mit zahlreichen Sensoren bestückt. Auf diese Weise wissen die Prozess-Cluster, welche Daten für die jeweiligen Prozessschritte erfasst werden. Sie kommunizieren miteinander und speichern die Ergebnisse in einer Cloud. Somit kann einfacher analysiert werden, welche Faktoren die Produktqualität beeinflussen, wie es um die Industrie-4.0-Fähigkeit bestellt ist und ob dir richtigen Sensoren ausgewählt wurden.

Darüber hinaus werden am Fraunhofer IPA Geschäftsmodelle zur Vermarktung der Batteriezellen entwickelt, die Rohstofflage analysiert und das spätere Recycling der PowerCaps optimiert.

Das Projekt FastStorageBW II wird vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg gefördert.