Ermöglicht eine ehrgeizige Batterieproduktion im großen Maßstab

Es wird prognostiziert, dass sich die Batterieindustrie bis zum Ende des Jahrzehnts verzehnfachen wird. Dieses Wachstum wird durch die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) angetrieben, vor allem für den elektrifizierten Transport und die Energiespeicherung. Die hohe Marktnachfrage und die zunehmend unterstützende Regierungspolitik vieler Länder führen zu einem harten Wettbewerb zwischen Start-ups, Joint Ventures und etablierten Unternehmen um die Bestimmung der Marktführer. Neue Marktteilnehmer und etablierte Lieferanten stehen vor vielen der gleichen Herausforderungen: Wie können sie die Scale-up-Zeit verkürzen, Ausschussraten reduzieren und den Durchsatz maximieren und gleichzeitig Kosten-, Qualitäts- und Nachhaltigkeitsziele einhalten? Traditionelle Herstellungsverfahren können diese Ambitionen nicht erfüllen.

Vielmehr benötigen Unternehmen, die ihre Batterieproduktion kosteneffektiv steigern und eine führende Marktposition einnehmen möchten, ein digitales Unternehmensrahmenwerk für die Fertigung, bei dem der digitale Zwilling der Produktion durch Automatisierungstechnologien und aktiviertes industrielles IoT (IIoT) mit dem realen Fabrikbetrieb verbunden ist Geräte. Dies ermöglicht den virtuellen Entwurf und die Optimierung der Produktionslinie sowie die Validierung von Produktionsprozessen vor der Implementierung in der Fabrikhalle, wodurch das Investitionsrisiko verringert und die Zeit bis zur Skalierung verkürzt wird.

Die Verbindung des digitalen Frameworks mit Automatisierungshardware und -software sowie Industrial IoT ermöglicht eine durchgängige Integration der Produktion. Dies liefert praktische Einblicke in die Großproduktion und ein datengesteuertes Framework zur kontinuierlichen Verbesserung des Produktionsdurchsatzes bei gleichzeitiger langfristiger Ausgewogenheit von Prozessnachhaltigkeit und Rentabilität.

Beispiele aus den letzten Jahren haben gezeigt, dass es sieben Jahre oder länger dauern kann, bis Unternehmen von der Gigafactory-Ankündigung zu einer stabilen Produktion im großen Maßstab gelangen. Diese lange Zeit bis zur Produktionsausweitung ist eine große Herausforderung auf diesem sich schnell verändernden Batteriemarkt. Das Ziel der virtuellen Entwicklung der Fertigung besteht darin, die Konstruktion, den Bau und das Layout Ihrer Anlage durch vernetztes, multidisziplinäres Engineering zu beschleunigen. Von dort aus können Unternehmen eine zuverlässige virtuelle Version ihrer Prozesse, Linien und Anlagen erstellen, um Produktionsprozesse iterativ in Betrieb zu nehmen, ohne die Kosten und das Risiko, dies in der realen Welt zu tun. Darüber hinaus können Simulationen, Zellentwicklung und -optimierung enorm beschleunigt werden.

Mit Simulationen können Ingenieure die Auswirkungen verschiedener Chemikalien auf die Zellleistung, Zellsicherheit und Alterung genau bewerten und das Zelldesign optimieren, um die Energiedichte und schnelles Laden zu maximieren. Mithilfe digitaler Zwillinge können sie Zelldesigns und -verhalten virtuell anhand von Packanforderungen und Endsystemanforderungen validieren. Dies befreit Unternehmen von einem kostspieligen und zeitaufwändigen reinen Testansatz. Wir sehen eine 2- bis 3-fache Beschleunigung bei Batteriedesign und -technik, da Unternehmen unser digitales Zwillings-Framework übernehmen. Mit einem robusten PLM-Backbone bleiben die digitalen Zwillinge von Produkt, Produktion und Fabrik verbunden und ermöglichen es Unternehmen so, wechselseitige Abhängigkeiten und Auswirkungen von Veränderungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu berücksichtigen.

Ein digitaler Zwilling von Batterieprodukt und -produktion wird angesichts der rasanten Entwicklung der Materialchemie, des Zelldesigns und der Herstellungstechniken zu einem zentralen Bedarf für die Batterieindustrie. Die Eroberung einer Führungsposition in einer sich wandelnden Branche erfordert Agilität, und diese Veränderungen müssen schnell überprüft werden, um eine optimale Energie- und Rohstoffnutzung aufrechtzuerhalten.

Einer unserer Kunden nutzt das Digital-Twin-Framework von Siemens, um die Zellentwicklung und -optimierung zu beschleunigen und Produktionslinien virtuell in Betrieb zu nehmen, um ausgehend von Laborproduktionsprozessen die Fertigung in vollem Umfang zu skalieren. Die Einführung dieses Rahmenwerks hat es ihnen ermöglicht, die Zeit zu verkürzen, die Batteriezellen vom Labor bis zur Massenproduktion benötigen, und gleichzeitig Nachhaltigkeitsziele und ihre eigenen individuellen Anforderungen zu erfüllen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Großserienproduktion ist die sehr hohe Ausschussrate. Wir haben festgestellt, dass die Ausschussrate zu Beginn der Zellproduktion 40 Prozent oder mehr betrug, während sie in den meisten Fällen knapp unter 10 Prozent blieb, wenn die Produktionskapazität einige Jahre nach Produktionsbeginn die volle Geschwindigkeit erreichte. Diese Werte stellen wesentliche Engpässe bei der Senkung der Produktionskosten dar.

Um die Ausschussrate zu reduzieren und gleichzeitig die Qualitätsziele für die Herstellung von Li-Ionen-Zellen zu erreichen, benötigen Sie Einblicke in die Ausführungspraxis in der Fabrikhalle. Integrierte Hardware und Software für einen durchgängigen Produktionsprozess sind der Schlüssel zur Verbesserung der Zellproduktion. Es ermöglicht die digitale Kontinuität von virtuell validierten Prozessplänen bis hin zur papierlosen Produktionsausführung. Fertigungsausführungssoftware, die über eine SCADA-Schicht mit Automatisierungshardware verbunden ist, ermöglicht Fertigungsteams die einfache Orchestrierung von Großproduktionen und die Durchsetzung gewünschter Produktionspraktiken. Dies ist durch die Integration von IT und OT möglich, die Rückverfolgung, Nachverfolgung und Maschinenintegration ermöglicht, um Probleme schnell zu erkennen und zu beheben.

Der einfache Datenaustausch innerhalb eines Werks und des Lieferantennetzwerks ermöglicht außerdem eine effiziente Planung in einem viel größeren Umfang als bisher. Unternehmen können eine effektivere innerbetriebliche Logistik und sichere Lieferketten schaffen, um die Herkunft der Materialien oder die damit verbundenen Umweltauswirkungen jeder Produktionsstufe sicherzustellen. Ein stärker vernetzter Fertigungsprozess reduziert die Komplexität und erhöht gleichzeitig die Flexibilität durch vertikale und horizontale Standardisierung. Dies war für einen weiteren unserer Kunden von unschätzbarem Wert, der das Ziel verfolgt, ein europäischer Marktführer für Batteriezellen und -module für Elektrofahrzeuge zu werden.

Die Herstellung von Li-Ionen-Zellen besteht aus verschiedenen Herstellungsschritten, die jeweils mit einem unterschiedlichen Zeit-, Energie- und Kapitalaufwand verbunden sind. Einige dieser Schritte, beispielsweise Zellbildungs- und Alterungsschritte, können 10 oder mehr Tage dauern. Dadurch entstehen erhebliche Engpässe, die den Produktionsdurchsatz beeinträchtigen. Fertigungsschritte wie das Trocknen der Elektroden oder das Mischen der Tinte müssen optimiert werden, um den Energieverbrauch zu senken, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.

Darüber hinaus ist die Zellproduktion ein sehr energieintensiver Prozess, bei dem bis zu 40 Energieeinheiten verbraucht werden können, um eine Einheit Batterieenergie zu produzieren. Dies setzt Unternehmen unter Druck, den Energieverbrauch in ihren Anlagen zu optimieren, um ihren CO2-Fußabdruck zu minimieren. Um solche Probleme anzugehen, können Batteriehersteller die Nutzung von Daten von Maschinen und Fabriken verbessern, die in herkömmlichen Batterieproduktionsumgebungen nicht gut genutzt werden, um die benötigte Intelligenz in die Batterieproduktion und den Fabrikbetrieb zu bringen.

Die Verbindung von industriellen IoT- und Automatisierungstechnologien mit dem Manufacturing Execution System und dem digitalen Zwilling der Produktion ist der Schlüssel zur datengesteuerten Fertigung. Die Herstellung von Li-Ionen-Zellen ist ein hochkomplexer Prozess, der etwa 600 Prozessmerkmale, wie zum Beispiel verschiedene Maschinenparameter, umfasst.

Angesichts der Datenmenge und der komplizierten gegenseitigen Abhängigkeit verschiedener Herstellungsschritte in einem typischen Zellproduktionsprozess ist KI erforderlich, um die Wechselbeziehung zwischen den verschiedenen Schritten zu verstehen und von den Produkt-/Prozesspartnern zu lernen. Typische Anwendungsfälle umfassen unter anderem die Inline-Qualitätskontrolle, Computer Vision zur Messung der Viskosität der Aufschlämmung und Beschichtungsfehler, aber auch die Vorhersage des Zellverhaltens während des Alterungsprozesses. Datenplattformen mit standardisierten Datenmodellen sind für die Zusammenführung von IT und OT von entscheidender Bedeutung und ermöglichen eine nahtlose Datenerfassung von Maschinen und Fabriken.

Darüber hinaus ermöglichen das industrielle IoT und der datengesteuerte Betrieb Unternehmen, den Energieverbrauch zu verfolgen und den Fabrikbetrieb zu optimieren, um ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Auch Ausfallzeiten während des Fabrikbetriebs können durch vorausschauende Wartung der Maschinen reduziert und so der Gesamtproduktionsdurchsatz verbessert werden.

Um die marktführenden Positionen in der schnell wachsenden Batterieindustrie zu erreichen, müssen intelligente Fertigungspraktiken eingeführt werden. Das bedeutet, dass wir uns auf die Simulation und Validierung konzentrieren müssen, bevor der Betrieb beginnt, was die Zeit für die Verbreitung technischer Änderungen verkürzt und eine belastbare Lieferkette ermöglicht. Mit integrierten Hardware- und Softwarelösungen, die Einblicke in die Durchführung der End-to-End-Produktion liefern, können Ausschussraten reduziert und die Qualität verbessert werden.

Da die Herstellungskosten etwa 25 Prozent der Zellkosten ausmachen, ist eine schnellere Reduzierung der Ausschussquote bei gleichzeitiger Verbesserung von Qualität und Produktionsdurchsatz von zentraler Bedeutung für das Ziel der Batterieindustrie, die Produktionskapazität in den kommenden Jahren kosteneffizient um das Zehnfache zu steigern. Und um all dies auf lange Sicht nachhaltig und profitabel zu erreichen, müssen Unternehmen ihren Energieverbrauch minimieren, den ganzheitlichen CO2-Fußabdruck begrenzen, die gesamte Produktion im Blick behalten und Probleme vorhersagen, bevor sie auftreten.

Die Digitalisierung kann ein gewaltiges Unterfangen sein, aber das Know-how von Siemens in der Fertigung sowie unsere schnell wachsenden Investitionen in Batterien stehen jedem Kunden zur Verfügung, der den Sprung in die Zukunft der Produktion wagen möchte.

Dieser Artikel wurde von Puneet Sinha, Senior Director der Batterieindustrie bei Siemens Digital Industries Software (Plano, TX), verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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