Forschung // Energiespeicher

SmartPro – Key to Smart Products!

Um Energie, die zum Beispiel aus regenerativen Quellen stammt, zur späteren Nutzung speichern zu können, benötigt man Energiespeichertechnologien, beispielsweise effiziente Batterien. Durch die gestiegenen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit mobiler elektronischer Geräte und elektrifizierter Fahrzeuge hinsichtlich Laufzeit und Reichweite ist der aktuelle Bedarf an wieder aufladbaren Batterien mit erhöhter Energiedichte zusätzlich gestiegen und die Forschung von besonders hoher wirtschaftlicher wie gesellschaftlicher Relevanz.

In den Impulsprojekten LiMaProMet (2017-2021) und Smart-BAT (2021-2025) wird daran gearbeitet, die Energiedichte und Qualität von Batterien zu verbessern sowie ihre Kosten zu senken.

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Smart-BAT

// Projektlaufzeit: 01.03.2021 bis 28.02.2025

 

Projektleitung

Prof. Dr. Timo Sörgel
Oberflächentechnik
Tel.: +49 (0) 7361 576-2468
timo.soergel@hs-aalen.de

 

Projektpartner

Hochschule Aalen
Unternehmen
  • Carl Zeiss IMT
  • Carl Zeiss Microscopy GmbH
  • IoLiTec
  • Kessler & Co. GmbH & Co. KG
  • VARTA Microbattery GmbH
  • Volkswagen AG
  • Wieland-Werke AG
Weitere Forschungsinstitutionen
  • Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie (fem)

  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Angewandte Materialien Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM)

Transferakteure

e-mobil BW GmbH

Smart-BAT

Neue Materialkonzepte, innovative Prozesstechnologien und Bewertungstools für zukünftige Lithium-basierte Batteriesysteme

Energiespeicher − unter diesen insbesondere wiederaufladbare Batterien (Akkumulatoren) − sind für die Energiewende unabdingbar. Dabei kommen sie nicht nur in der Elektromobilität zum Einsatz, sondern spielen auch eine wichtige Rolle im Konsumerbereich und in der Medizintechnik. Dadurch steigen auch die Anforderungen an solche Batterien, die immer mehr leisten, höhere Energiedichte und Qualität sowie Lebensdauer besitzen und idealerweise möglichst günstig sein sollen. Mit der Erfüllung dieser Anforderungen beschäftigt sich das Impulsprojekt Smart-BAT in drei Teilprojekten.

Zum einen wird das Ziel verfolgt, die Energiedichte von Feststoffbatterien zu erhöhen. Dazu werden Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften betrachtet und innovative Fertigungsprozesse erarbeitet.

Parallel wird die Erforschung neuer Elektrodenstrukturen und Fertigungsprozesse vorangetrieben, um smarte Batteriekonzepte zu entwickeln. Hier liegt der Fokus auf dreidimensionalen Stromsammlern aus hochporösem Aluminiumschaum, die mittels galvanischer Abscheidung hergestellt werden.

Außerdem werden intelligente Methoden zur Qualitätssicherung entwickelt, die auf Machine Learning basieren. Denn zur Digitalisierung industrieller Prozesse sind Werkzeuge für die Bewertung der Qualität entscheidend.

LiMaProMet

Smarte Materialsysteme, intelligente Fertigungsprozesse und Qualitäts­methoden für Lithium-basierte Batterien

Der Bedarf an wieder aufladbaren Batterien mit erhöhter Energiedichte, Sicherheit und Lebensdauer ist aufgrund der gestiegenen Anforderungen an mobile Anwendungen sehr hoch. Im Fokus stehen Reichweite, Laufzeit, Ladedauer und Sicherheit für Elektromobilität und Portable Electronics. Die in der Energiewende angestrebte vermehrte Nutzung regenerativer Energien erfordert kostengünstige Energiespeicher mit langer Lebensdauer.

Smarte Batteriematerialien, Fertigungsprozesse und Qualitätsbewertungsmethoden sind Schlüssel für eine ressourceneffiziente Mobilität und Energieversorgung. Daher zielte das Impulsprojekt LiMaProMet auf die Entwicklung intelligenter Lithium-basierter Speichertechnologien bis zur Marktreife.

LiMaProMet

// Projektlaufzeit: 01.03.2017 bis 31.08.2021

 

Projektleitung

Prof. Dr. Timo Sörgel
Oberflächentechnik
Tel.: +49 (0) 7361 576-2468
timo.soergel@hs-aalen.de

 

Projektpartner

Hochschule Aalen
Unternehmen
  • Carl Zeiss Microscopy GmbH
  • CCT GmbH
  • Kessler & Co. GmbH & Co. KG
  • Outlast Europe GmbH
  • VARTA Microbattery GmbH
Weitere Forschungsinstitutionen
  • Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie (fem)

  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Angewandte Materialien Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM)

  • Universität Ulm – Institut für Elektrochemie

Transferakteure
  • e-mobil BW GmbH

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Explorative Projekte

Um die Forschung an effizienteren Batterien noch zu vertiefen, wurde in explorativen Projekten zum Beispiel untersucht, wie Fertigungsprozesse mit Hilfe Künstlicher Intelligenz überwacht und verbessert werden können.

PreMo-LiB // 01.03.2019 – 31.08.2020

Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen als Wegbereiter zur Verbesserung der Prozessqualität in der Batterie-Massenproduktion

Hochqualitative Lithium-Ionen Batterien mit langer Lebensdauer werden zukünftig in vielen Industrieprodukten benötigt, z. B. in E-Autos, Smartphones oder Elektrowerkzeugen. Im Projekt PreMo-LiB hat die Hochschule Aalen in Kooperation mit der Varta Microbattery GmbH innovative produktionsbegleitende Verfahren zur Lebensdauerprognose und -verbesserung mittels moderner selbstlernender Softwarealgorithmen untersucht (Maschinelles Lernen, Künstliche Intelligenz).

Häufig zeigt sich erst im späteren Einsatz, ob eine Lithium-Ionen Batterie den Kundenanforderungen genügt. Denn eine produktionsbegleitende Qualitätsprognose ist aufgrund der komplexen physikalischen Wirkzusammenhänge innerhalb der Batterie nur sehr eingeschränkt möglich und bisher nicht tauglich für die Massenproduktion.

Im Projekt PreMo-LiB wurden daher maschinelle Lernverfahren eingesetzt, mit denen kostengünstig und praktikabel die Qualität und Lebensdauer der Batterie produktionsbegleitend prognostiziert werden können. Das qualitätssichernde Verfahren arbeitet zerstörungsfrei und ist für die Massenproduktion hochqualitativer Lithium-Ionen Batterien skalierbar.

  • Projektleitung

    Prof. Dr. Ricardo Büttner, Wirtschaftsinformatik

  • Projektpartner

    VARTA Microbattery GmbH

DiMa // 01.10.2019 – 30.09.2020

Digitalisierungspotenziale der Materialforschung in SmartPro

Das Explorative Projekt DiMa wurde in vier Teilprojekten durchgeführt, deren Anwendungsschwerpunkt sich jeweils an einem Impulsprojekt orientierte. Dabei wurde die Methodenkompetenz von Machine Learning (ML) – Experten mit der Expertise in den weiteren Forschungsbereichen von SmartPro zusammengeführt. So konnten in interdisziplinären Ansätzen neue Forschungsinhalte zur passgenauen Weiterentwicklung von ML-Methoden für SmartPro generiert werden. Die Teilprojekte waren jeweils einem Impulsprojekt zugeordnet und dienten als Ausgangpunkt für die Entwicklung des querschnittlich angelegten Impulsprojekts BEYOND mit dem Schwerpunkt Machine Learning.

DigitEL (zugeordnet dem Impulsprojekt LiMaProMet) beschäftigte sich mit der Nutzung von Machine Learning bei der Analyse von Mikrostrukturen von Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren bezüglich der Vorhersage von Leistungsparametern. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Prognose der Stromratenfähigkeit.

SmartPro // FH-Impuls:
Starke Fachhochschulen – Impuls für die Region

Die Hochschule Aalen hat sich mit SmartPro bundesweit in der Spitzengruppe der Fachhochschulen positioniert. Sie wird als eine von zehn Hochschulen in der Fördermaßnahme FH-Impuls des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit rund 10 Millionen Euro für gut acht Jahre bis 2025 gefördert. Kernziele sind der nachhaltige Ausbau des regionalen Transfer- und Kooperationsnetzwerks, die Stärkung der Forschung und Innovationskraft. SmartPro leistet Beiträge zu gesellschaftlichen Herausforderungen wie Klimaschutz, Mobilität und Digitalisierung.