Schneller zu leistungsstärkeren Batterien

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Die Batteriefabrik der Zukunft arbeitet zunehmend digital: Simulationen
begleiten die Entwicklung neuer Zellen, zudem überwachen intelligente
Sensoren die Produktion in Echtzeit. Forschende am Fraunhofer-Institut für
Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickeln Methoden, die
Herstellungsprozesse virtuell abbilden und wichtige Parameter während der
Fertigung messen. Ihre Lösungen für stabilere Produktionsprozesse und
leistungsfähigere Batterien präsentieren die Expertinnen und Experten auf
der Battery Show Europe 2026.

Die Nachfrage nach Batterien für Elektroautos und Energiespeicher wächst
rasant. Damit ihre Herstellung zuverlässig und effizient funktioniert,
setzt das Fraunhofer ITWM auf digitale Simulationstools und innovative
Messsysteme. Die Forschenden entwickeln Modelle für zentrale Schritte der
Batteriefertigung über die ganze Produktionskette hinweg – etwa für das
Mischen, Beschichten oder Trocknen der Elektroden. So lassen sich Prozesse
digital analysieren und optimieren, noch bevor sie in der Fabrik umgesetzt
werden. Die virtuellen Abbilder helfen, Fehler zu vermeiden, die sonst im
Produktionsprozess auftreten. Ausschüsse lassen sich reduzieren.

Mit dem Battery and Electrochemistry Simulation Tool BEST stellt die
Abteilung Strömungsprozesse beispielsweise eine Simulationssoftware zur
Verfügung, mit der sich Lithium-Ionen-Batterien dreidimensional am
Computer modellieren lassen – von Elektrodenmikrostrukturen bis zum
Verhalten kompletter Zellen. Der Leistungsumfang von BEST ist breit
gefächert, er reicht von dem Prognostizieren der Zell-Leistung über die
Optimierung von Ladestrategien bis hin zur Möglichkeit, Alterungs- und
Degradationsphänomene zu untersuchen. »Mit BEST können wir vorhersagen,
wie sich Batterien im Betrieb verhalten, Zelleigenschaften werden durch
physikalisch basierte Simulationen an virtuellen Kopien von realen
Batterien prognostiziert. Wir untersuchen beispielsweise, welchen Einfluss
Designparameter wie die Schichtdicke der Elektroden, mit denen die Akkus
spezifiziert werden, auf das Batterieverhalten haben«, erläutert der
stellvertretende Abteilungsleiter Dr. Jochen Zausch. »Weitere
Einflussfaktoren wie Materialeigenschaften und Einsatzszenarien
berücksichtigen wir ebenfalls.« BEST ist mit anderen Software-Tools
kombinierbar und zudem als Bestandteil des Moduls BatteryDict der GeoDict-
Software des Fraunhofer ITWM-Spin-offs Math2Market verfügbar. Künftig
sollen auch Simulationen über eine Web-Plattform in der Fraunhofer-Cloud
möglich sein, ohne BEST direkt installieren zu müssen.

Ebenfalls zum Portfolio gehört mit FOAM ein Softwaretool, das im Kontext
der Batterieproduktion die Ausschäumung von Batteriemodulen simuliert.
Zellen in einem Batteriemodul müssen zum Schutz vor dem Überhitzen
thermisch voneinander isoliert und mechanisch fixiert sein. Um dies zu
erreichen, werden zylindrische Zellen häufig nebeneinander angeordnet und
die Zwischenräume mit einem Schaum ausgefüllt. Dabei schäumt das flüssige
Medium auf, härtet aus und bildet den Schaum, der die Zellen umschließt.
»Mit FOAM können wir die Ausbreitung und die Ausdehnung des Schaumes
simulieren und anhand der Ergebnisse bereits im Voraus untersuchen, ob
alle Bereiche erreicht werden, die gefüllt werden müssen, und ob die
Schaumverteilung homogen ist«, so Zausch.

Nachdem der Ausschäumprozess bei der Herstellung einer realen Batterie
abgeschlossen ist, muss die Lage der Zellen kontrolliert werden, um
sicherzustellen, dass sich die Zellpositionen während des Aushärtens nicht
geändert haben. Befinden sich die Zellen in der gewünschten Position? Ist
die Dicke der Schicht, die die Zellen bedeckt, homogen? Hier kommt die
Terahertz-Messtechnik des Fraunhofer ITWM für eine präzise
Qualitätskontrolle ins Spiel. Sie nutzt elektromagnetische Strahlung im
Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarot, um Materialien
kontaktlos und zerstörungsfrei zu prüfen.

Inline-Dickenmessung von Beschichtungen auf Batteriefolien

In den kommenden Jahren sollen in Europa 1000 Produktionslinien für
Elektrodenfolien gebaut werden, ähnliche Zahlen gelten für Asien und
Nordamerika. Um die Qualität inline während der Herstellung zu überwachen,
können ausschließlich berührungslose Systeme eingesetzt werden. Daher
haben Forschende der Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung ihre
Expertise in der Terahertz-Messtechnik zur Inline-Beschichtungskontrolle
von Batteriefolien ausgeweitet. »Batteriefolien sind die Hauptkomponenten
in Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die kontinuierliche Überwachung der
Materialparameter – Schichtdicke und Leitfähigkeit der Elektroden – ist
entscheidend für die Produktqualität. Um sie inline bereits während der
Produktion zu überwachen, setzen wir unsere Terahertz-Messtechnik ein«, so
Dr. Daniel Molter, Wissenschaftler am Fraunhofer ITWM. Die Messungen
werden inline an ein- und mehrlagigen Beschichtungen von Anoden- und
Kathodenfolien an verschiedenen Stellen im Nass- oder Trockenprozess
durchgeführt – immer berührungslos, zerstörungsfrei und ohne die
Notwendigkeit von Strahlenschutzmaßnahmen.

Ihre digitalen Simulationstools für die Produktion und das Design von
Batteriezellen sowie das innovative Inline-Schichtdickenmesssystem für
Anoden- und Kathodenfolien präsentieren die Forschenden des Fraunhofer
ITWM auf der Battery Show Europe in Stuttgart vom 9. bis 11. Juni 2026 am
Stand der Fraunhofer-Allianz Batterien (Halle 1, Stand A47).