Eine neue Anlage beim Exzellenzcluster POLiS erledigt die Materialentwicklung rund um die Herstellung von Batterien vollautomatisch und digital. Dabei werden Batterien gebaut, tausende Grenzflächen analysiert und die Ergebnisse mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) autonom für die weitere Entwicklung ausgewertet. Das autonome Forschungslabor entstand in einer Kooperation des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Ulm sowie des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und ist nun in Betrieb gegangen. (Beitragsbild: Prof. Helge Stein erläutert Ministerin Theresia Bauer (Grüne) einen Teil der neuen Materialbeschleunigungsplattform; Bildquelle: Daniel Messling, KIT)
Für die Verkehrs- und Energiewende werden neuartige leistungsfähige und nachhaltige Batterien benötigt. Dies stelle eine große Herausforderung dar, „denn von der Idee bis zum fertigen Produkt dauert es mit gegenwärtigen Methoden Jahrzehnte“, heißt es beim KIT. Mit der nun fertiggestellten High-Tech-Anlage bei POLiS soll es zukünftig sehr viel schneller gehen. Entwickelt wurde das Leuchtturmprojekt im Exzellenzcluster POLiS, in dem das KIT gemeinsam mit der Universität Ulm an den Batterien der Zukunft arbeitet.
„Mit der Förderung dieser neuen Materialentwicklungsplattform ist eine weltweit einmalige Forschungsinfrastruktur entstanden. Wir erhoffen uns einen deutlichen Schub für die Forschung an Energiespeichern, die bei der Umstellung unseres Energiesystems und unserer Mobilität unerlässlich sind“, sagte Landesforschungsministerin Theresia Bauer (Grüne). Zugleich sei es gelungen, mit Prof. Helge Stein einen „kreativen und umtriebigen Kopf“ für das Team in Ulm zu gewinnen.
Anlage entscheidet, welches Experiment als nächstes durchgeführt wird
„Wir sind nun in der Lage, Batterien und deren Einzelkomponenten automatisiert zu synthetisieren und zusammenzubauen, eine Messung anzustoßen und diese vollautomatisiert auszuwerten“, erläutert Helge Stein, Tenure-Track-Professor am KIT und POLiS-Forschungsbereichssprecher. Basierend auf der Datenlage könne die KI-gestützte Anlage sogar entscheiden, welches Experiment als nächstes durchgeführt werden soll.
Mit seiner Forschungsgruppe hat Stein die zugrundeliegende kombinatorische Materialsynthese, die Hochdurchsatz-Charakterisierung sowie die Data-Mining-Techniken unter Zuhilfenahme von Methoden der KI in der Versuchsauswertung und -planung entwickelt. Die Anlage mit dem Namen Places/r (Platform for Accelerated Electrochemical Energy Storage Research) stelle die weltweit erste vollintegrierte Plattform zur beschleunigten Forschung zur elektrochemischen Energiespeicherung dar.
Neues Paradigma für die Batteriematerial-Entwicklung
Die Batterieforschung ist nach Angaben der Forschungspartner geprägt von der Suche nach der idealen Kombination aus Materialien, deren Zusammensetzung und Verfahrenstechniken. „Alle möglichen Variationen mit allen Materialien zu testen, würde mit klassischen Methoden allerdings Jahrtausende in Anspruch nehmen“, heißt es. „Unsere Anlage kann mehrere hundert solcher Variationen am Tag testen. Dies entspricht in etwa dem durchschnittlichen Lebenswerk eines Forschenden“, so Stein.
Neben der Beschleunigung durch Automatisierung könne durch die Algorithmen und KI eine zusätzliche, um den Faktor zehn schnellere Optimierung erreicht werden und vielversprechende Batteriekonzepte damit noch schneller und kostengünstiger zur Marktreife gebracht werden.
Projekt Big-Map: Daten werden mit 34 Institutionen aus 15 Ländern geteilt
Eingebettet ist die neue Forschungsanlage in einen europäischen Rahmen: Die erfassten Daten aus allen Bereichen des Batterieentwicklungszyklus werden mit 34 Institutionen aus 15 Ländern im Projekt Big-Map der europäischen Forschungsinitiative Battery2030+ geteilt. „Das vollautomatisierte Labor wird uns und unsere europäischen Partner nicht nur in die Lage versetzen, Komponenten für neue Batterien viel schneller entwickeln zu können. Es wird auch sicherstellen, dass Batterien zu so niedrigen Kosten hergestellt werden können, dass es in Zukunft noch attraktiver sein wird, Strom zum Beispiel aus Sonne und Wind in Batterien zu speichern“, betont Prof. Maximilian Fichtner, geschäftsführender Direktor des HIU sowie Sprecher von POLiS.
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