Nachhaltige Batterien für die Automobilindustrie

Die weltweite Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge wird in den kommenden Jahren stark steigen. Um deren Herstellung an die EU-Klimaziele und den Green Deal der EU anzupassen, braucht es innovative Batteriesysteme, die mithilfe von digitalen Modellierungstechnologien entwickelt werden. Hier setzt das neue Forschungsprojekt „DigiCell“ an. „Durch die Transformation der Herstellungs- und Testprozesse von Einzelzellen und kompletten Automobilpacks mit fortschrittlicher Modellierung und maschinellem Lernen machen wir die Wertschöpfungskette der Batterien effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger“, sagt Projektkoordinator Nawfal Al-Zubaidi Smith vom Forschungsstandort der Keysight Technologies in Linz, der Teil eines multinationalen Silicon-Valley-Konzerns mit 15.000 Mitarbeiter*innen ist.

Das multidisziplinäre Forschungsteam entwickelt neue Messwerkzeuge für Materialien sowie mehrskalige digital integrierte Batteriemodelle in Verbindung mit Künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen. Durch die Zusammenarbeit mit Partner*innen aus acht europäischen Ländern erhält „DigiCell“ in den nächsten drei Jahren mehr als sechs Millionen Euro an Fördermitteln aus dem Horizon-Europe-Programm der Europäischen Union und dem Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SERI) der Schweiz.

Zwei Millionen davon fließen allein nach Oberösterreich, denn der Projektkoordinator Keysight Technologies hat seinen Forschungssitz in Linz. Zentrale Partner sind außerdem die Johannes Kepler Universität Linz (JKU, Arbeitsgruppe Nanoelektronik unter der Leitung von Georg Gramse) und die KREISEL Electric GmbH aus Rainbach im Mühlkreis. Die JKU arbeitet an Modellen und an der Aufklärung nano-skaliger Mechanismen der Energiespeicherung in Batteriezellen, KREISEL Electric an verbesserten Batteriesystemen für Anwendungen im Off-Highway- und Marinebereich. Ein weiterer österreichischer Partner ist die AIT Austrian Institute of Technology GmbH. Diese arbeitet an neuen Batteriespeichermaterialien, die ohne Lithium auskommen und stattdessen beispielsweise Natrium oder Magnesium als Energieträger nutzen.

Die KI-basierten Modelle von „DigiCell“ werden das Verhalten von Batterien unter verschiedenen Herstellungsbedingungen simulieren. Dabei können Keysight, JKU und KREISEL Electric herausfinden, wie Batterieleistung und Materialeigenschaften korrelieren. Durch das Anpassen von Produktionsparametern gemäß den Modellen kann die Qualität der Batteriekomponenten überwacht und kontrolliert werden. „Dieser neue Ansatz kombiniert Nano- bis Makromaterialien und physikalische Modellierung, um erstmals Batteriepacks bis zu einer Leistung von einem Megawatt mit neuen zu testen ‒ eine erhebliche Verbesserung gegenüber den aktuellen Batterietestmethoden“, erklärt Johannes Angerer von KREISEL Electric.

Das Projektteam wird auch einen Digitalen Zwilling des Produktionsprozesses erstellen, um Echtzeitsimulationen durchzuführen und Informationen mit tatsächlichen Produktionslinien auszutauschen. „Der neuartige Ansatz kann den Materialverbrauch erheblich reduzieren, Energie bei der Produktion einsparen und Emissionen senken und dabei die Leistung über den Batterielebenszyklus verbessern“, ist Manuel Kasper, technischer Leiter bei Keysight, überzeugt. Die Ergebnisse werden über eine webbasierte Open-Innovation-Plattform zugänglich gemacht. „Wir werden fortschrittliche Batterie- und Materialtests mit multiphysikalischer Modellierung kombinieren und in einem offenen Umgebungssystem integrieren. Auf diese Weise revolutionieren wir die EU-Wissenschaftslandschaft für Batterien, unterstützt durch KI-basierte Datenanalyse, und steigern die Wettbewerbsfähigkeit der EU im Sinne des Forschungsrahmenprogramms ‚Horizon Europe‘“, ergänzt Gerald Kada, EU Projektkoordinator bei Keysight.