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Browsing Anderes by Department "Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB"
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PublicationAnforderungsgerechte Fabrikplanung im Umfeld der Batterieproduktion( 2023-11-15)
;Döhrn, Jasper ;Walter, Hendrik ;Degen, Florian ;Vehof, Simon ;Göke, MatthiasCarmincke, SvenSpeziell für die Batteriezelltechnologie sieht sich die Disziplin der Fabrikplanung und -realisierung mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert, welche aufgrund ihrer hohen Komplexität und Interdependenz die bestehenden Ansätze an ihre Grenzen bringen. Sie sind vor allem durch einen hohen Kosten- und Volumendruck bei eingeschränkter Fachkräfteverfügbarkeit, einen hohen Energiebedarf sowie komplexe Ursache-Wirkzusammenhänge entlang einer Prozesskette mit hoher Sensitivität der qualitätsbestimmenden Produkteigenschaften geprägt. Zusätzlich existiert für die einzelnen Fertigungsschritte eine Vielzahl von Technologiealternativen. Das resultierende Spannungsfeld wird von einem hohen Neuigkeitsgrad bei noch geringen Erfahrungen im europäischen Wirtschaftsraum und einem umfassenden Wettbewerb verstärkt. Ein Lösungsweg besteht in der Erweiterung etablierter Methoden und der direkten Integration wissenschaftlich fundierter Forschungsergebnisse in den Planungszyklus. Dieser Lösungsweg wird von der Firma Metroplan und der Fraunhofer FFB in gemeinsamen Projekten angewendet. -
PublicationDer Digitale Zwilling in der Batteriezellfertigung( 2023-01-10)
;Schmetz, Arno ;Pouls, Kevin Bernard ;Hülsmann, Tom-Hendrik ;Roth, David ;Gehring, Janine ;Hamacher, Nils Christian ;Jaspers, Wilhelm ;Mohring, Leon ;Brandstetter, Alexander ;Cziasto, Dennis ;Kornely, Mia J.K. ;Kraus, Sander ;Niemietz, PhilippKampker, AchimDas Konzept des Digitalen Zwillings als Abbild eines physischen Gegenstücks befindet sich zurzeit in der Entwicklung und liefert erste vielversprechende Ergebnisse. Gleichzeitig unterscheiden sich die Ziele und die Definition Digitaler Zwillinge abhängig von Anwendungsbereich und Anwendungsfall teils deutlich voneinander. Die Beschreibungen und Konzepte Digitaler Zwillinge einer konkreten Anwendung lassen sich deshalb nicht einfach auf neue Anwendungsfelder übertragen. Unterdessen ist die Batteriezellfertigung eine Schlüsseltechnologie der Energie- und Mobilitätswende, die noch immer von hohen Kosten sowie Ausschussraten geprägt ist und enorm vom Einsatz Digitaler Zwillinge profitieren wird. Um eine Grundlage für die Entwicklung Digitaler Zwillinge in der Batteriezellfertigung zu schaffen, zeigt dieses Whitepaper, basierend auf bestehenden Arbeiten, eine einheitliche Definition für den Digitalen Zwilling in der Batteriezellfertigung auf. Dafür wurden drei Ausprägungen des Digitalen Zwillings identifiziert: der Gebäudezwilling, der Anlagenzwilling und der Produktzwilling. Jede dieser Ausprägungen gilt es im Detail zu betrachten, sodass Bestandteile der jeweiligen Ausprägungsformen identifiziert, exemplarische Anwendungsfälle aufgezeigt und konkrete Ziele und Herausforderungen definiert werden können. Basierend auf den in diesem Whitepaper beschriebenen Konzepten dient der Digitale Zwilling in der Batteriezellfertigung zukünftig zur Nachverfolgung, Optimierung und Steuerung von Produkten und Prozessen. Dies kann perspektivisch die Energie-, Rohstoff- und Kosteneffizienz in diesem wichtigen Zukunftsbereich deutlich verbessern. -
PublicationEnergieeffiziente und qualitätsorientierte Anlagenkonzepte für die Batteriezellfertigung( 2023)
;Heller, Marius ;Holöchter, Niels ;Miggelt, Matthias ;Niggestich, Max ;Schöne, Nele ;Janning, Florenz ;Wessel, SaskiaEin Schlüssel zu einer nachhaltigeren Gesellschaft ist die Entwicklung und Nutzung neuer Energieträger. Aufgrund der begrenzten Ressourcen und der negativen Ökobilanz ist es notwendig, fossile Energieträger langfristig zu ersetzen. Die Batteriespeichertechnologie ist dafür einer der vielversprechendsten Ansätze, insbesondere die Lithium-Ionen-Batterie, die zum Beispiel aus der Elektromobilität nicht mehr wegzudenken ist. Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien ist in den vergangenen Jahren signifikant gestiegen, und es ist zu erwarten, dass dieser Trend sich exponentiell fortsetzen wird. Die Batterie hat gegenüber fossilen Energieträgern einen großen Vorteil in Bezug auf Schadstoff-Emissionen. Darüber hinaus gilt es allerdings, auch die gesamte Wertschöpfungskette und den Lebenszyklus einer Batterie nachhaltiger zu machen. Dazu zählen die in einer Batterie verwendeten Materialien, innovative Recyclingkonzepte und nicht zuletzt neue Technologien für die Produktion von Batteriezellen. Die Prozesse der Batteriezellproduktion sind teils sehr energieintensiv. Daher beschäftigen sich die Forschenden der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB unter anderem mit neuen Technologien, die die Produktion von Batteriezellen effizienter sowie energiesparender und auf diesem Wege nachhaltiger und ökonomischer machen. Neben Innovationen im Bereich der Anlagentechnik spielt auch die Umgebung, in der die Produktion stattfindet, eine besondere Rolle. Derzeit befindet sich die Produktion üblicherweise in Rein- und Trockenräumen. Um die klimatischen Bedingungen dieser Räume zu erzeugen, bedarf es teils sehr energieintensiver Prozesse. Eine vielversprechende Alternative stellt der Einsatz von so genannten »Mini- und Makro-Environments« dar. Das bedeutet, dass die Prozessschritte in einer kleineren Umgebung stattfinden, bis hin zur Arbeit mittels Handschuhkästen, den so genannten »Gloveboxes«. Bislang begrenzt sich die Nutzung von »Mini-Environments« auf den Labor- beziehungsweise Pilotmaßstab. Gloveboxes sind zuverlässig und langjährig in den Batteriezelllaboren im Einsatz und lassen sich durch manuelle Schritte oder durch teilautomatisierte Prozesse miteinander koppeln, um den gesamten Wertschöpfungsprozess einer Batteriezelle abzubilden. Die Forschenden der Fraunhofer FFB evaluieren in diesem Whitepaper die Möglichkeiten, »Mini- und Makro-Environments« auch im Serienmaßstab zu etablieren. Einen Durchbruch erwarten die Forschenden bereits in den kommenden Jahren. Die Mitarbeitenden der Fraunhofer FFB arbeiten durch ihre Forschung in diesem und vielen weiteren Gebieten täglich daran, Batterietechnologien effizienter und ökologischer zu gestalten. So werden diese langfristig zu einer rundum nachhaltigen Alternative zu fossilen Energieträgern. -
PublicationGrüner oder raus - Wie ESG und Batteriepass die Zulieferindustrie nachhaltiger werden lassen soll( 2022-07)
;Timmer, Alexander ;Trögel, Peter ;Froh, Valentin ;Poyraz, Sema ;Günther, Felix ;Degen, FlorianMitterfellner, MiriamInnovationen in der Batterieproduktion senken den Kostendruck auf Seite der Zulieferer. Gleichzeitig steigt der Nachhaltigkeitsdruck und damit der Bedarf an ESG Transparenz. Im Zuge der Einführung des Batteriepasses werden der Einsatz umweltschonender Produktionstechnologien und die Auswahl von Produktionsstandorten mit hohem Grünstrompotenzial zu entscheidenden Wettbewerbsvorteilen für die Zulieferer. -
PublicationThe digital twin in battery cell production( 2023-01-11)
;Schmetz, Arno ;Pouls, Kevin Bernard ;Hülsmann, Tom-Hendrik ;Roth, David ;Gehring, Janine ;Hamacher, Nils Christian ;Jaspers, Wilhelm ;Mohring, Leon ;Tübke, Jens ;Brandstetter, Alexander ;Cziasto, Dennis ;Kornely, Mia J. K. ;Kraus, Sander ;Niemietz, PhilippKampker, AchimThe concept of the digital twin as the representation of a physical object is currently under development and is delivering promising first results. At the same time, the goals and the definition of digital twins differ, sometimes significantly, depending on the area of application and use case. Therefore, the descriptions and concepts of digital twins in a specific application cannot simply be transferred to new fields of application. Meanwhile, battery cell manufacturing is a key of the energy and mobility transition that is still characterized by high costs as well as scrap rates and will benefit enormously from the use of digital twins. To provide a basis for the development of digital twins in battery cell manufacturing, this white paper presents a unified definition for the digital twin in battery cell manufacturing, based on existing work. For this purpose, three forms of the digital twin are described: the building twin, the machine twin, and the product twin. Each of these forms must be examined in detail so that components of the respective forms can be identified, exemplary use cases can be shown, and concrete goals as well as challenges can be defined. Based on the concepts described in this white paper, the digital twin will be used in battery cell production to track, optimize, and control products and processes in the future. In perspective, this can significantly improve energy, raw material, and cost efficiency. -
PublicationThe Power of Digitalization in Battery Cell Manufacturing( 2024-02)
;Wunderlich, Philipp ;Ehteshami-Flammer, Niloofar ;Mohring, LeonDahmen, ChristianDigitalization plays a crucial role in mastering the challenges in battery cell production at scale. This Whitepaper provides an overview of digital enabling technologies and use cases, presents the outcomes of an industry expert survey, and illustrates the results of battery production cost modeling for a chosen set of seven high-impact use cases. Battery and digitalization experts were invited to participate in an online survey aimed at gathering insights on how digital manufacturing solutions can enhance the primary cost drivers of battery cell production. The input is integrated into a Gigafactory model, which enables the quantification of cost and sustainability improvements when a cell manufacturer employs one of the use cases. The study results reveal that, in battery cell manufacturing, electrode production stands out as the primary beneficiary of digitalization, followed by cell finishing. The assembly process ranks third in terms of its potential for improvement through digitalization. The main production cost driver, as seen by the industry experts that participated in the survey, is above all the material scrap rate. The findings of the study quantify and affirm the many-faceted advantages of digitalization, including enhanced product yield, reduced machine downtimes, and increased energy efficiency. Specific use cases of digitalization, covering different lifecycles of a plant, are analyzed in detail regarding their impact on the metrics in the field of operations, sustainably and costs. The data show that the implementation of predictive quality and traceability solutions stand out as the most effective levers to reduce battery material scrap rates by up to 10.3%, compared to a baseline scenario. Predictive maintenance allows to increase machine uptime by 7.2%, while energy management solutions can cut energy consumptions and related emissions by 9.3%. Simulation use cases with a virtual-first approach, such as digital production planning, virtual commissioning, and material flow modeling, contribute to de-bottleneck cell manufacturing operations and result in moderate production cost savings. In a lithium-ion battery cell Gigafactory with annual production capacity of 40 GWh/a, the best investigated use cases offer roughly 0.8% reduction in cell production costs which translate into a potential annual saving of $30M. When considering the initial investment and operational costs for the digital solutions, all use cases result in a net positive cash flow after a few years in operation. Primarily software-based solutions demonstrate scalability and ease of implementation, whereas applications with greater hardware intensity demand closer scrutiny in terms of their payback period. This study emphasizes that digitalization provides competitive advantages to battery cell manufacturers, but the costs and benefits of digital manufacturing use cases must be carefully analyzed and evaluated in terms of their economic advantage. The methodology outlined in this work aids cell manufacturers in making well-founded decisions, serving as a compass that directs the battery industry toward sustainable and impactful digital transformation roadmaps.