Mit Robotern die Batterieforschung beschleunigen

DMZ – FORSCHUNG ¦ David Aebischer ¦                       

 

Empa-Forscher setzen den Batterieroboter "Aurora" ein, um dringend benötigte Fortschritte in der Entwicklung neuer Energiespeicher zu erzielen. Dieses Projekt ist Teil der europäischen Forschungsinitiative "Battery2030+", die von der EU kürzlich mit über 150 Millionen Euro gefördert wurde. Zugleich unterstützt es die "Open Research Data"-Initiative des ETH-Rats, die die Digitalisierung und den freien Zugang zu Forschungsdaten vorantreibt.

 

Die Welt benötigt dringend innovative Energiespeicher. Die Entwicklung neuer Batteriekonzepte und die Erforschung ihres Potenzials gestalten sich jedoch oft als langwierige Prozesse. Corsin Battaglia, Leiter des "Materials for Energy Conversion"-Labors der Empa in Dübendorf und Professor an der ETH Zürich, betont: "Unser Ziel ist es, diesen Prozess zu beschleunigen." Dies geschieht aktuell durch die vollautomatisierte Roboterplattform "Aurora".

 

Diese soll künftig eigenständig Materialien auswählen, Batteriezellen montieren und analysieren. Im Rahmen der europäischen "Materials Acceleration Platform", die im "Battery2030+"-Projekt "BIG-MAP" entsteht, wird erwartet, dass die Entwicklungsprozesse um das Zehnfache beschleunigt werden.

Um wettbewerbsfähig in der Batterieforschung und -entwicklung zu bleiben, werden zeitaufwändige und fehleranfällige Schritte im Innovationsprozess durch "Aurora" automatisiert. Die Roboterplattform wird derzeit in den Empa-Labors gemeinsam mit der Firma Chemspeed Technologies AG weiterentwickelt. Empa-Forscher Enea Svaluto-Ferro führt derzeit die Schritte aus und "trainiert" "Aurora". Er erklärt: "Während der Roboter die einzelnen Zellkomponenten präzise wiegt, dosiert und montiert sowie Ladezyklen durchführt und andere repetitive Aufgaben erledigt, können Forschende aufgrund der generierten Daten den Innovationsprozess vorantreiben."

 

EU investiert 150 Millionen Euro in nachhaltige Batterien "Battery2030+" ist eine europäische Forschungsinitiative, die sich auf umweltfreundliche, leistungsstarke und langlebige Batterien konzentriert – entscheidend für die klimaneutrale Gesellschaft. Die EU hat kürzlich über 150 Millionen Euro für Forschungsprojekte vergeben, die von "Battery2030+" koordiniert werden. Das Ziel ist, Europa zum Weltmarktführer bei umweltfreundlichen Batterien zu machen.

 

Smart, autonom und Chemie-agnostisch "Aurora" soll in Zukunft autonom arbeiten und durch maschinelles Lernen mathematische Modelle erstellen. Damit entscheidet sie, welche Experimente durchgeführt werden sollen und welche Materialien vielversprechende Kandidaten für Batterien sind. "Aurora" ist nicht auf bestimmte Materialien, Batterie-Chemien oder -Generationen beschränkt und ermöglicht die Erforschung verschiedener Batterietypen. Corsin Battaglia sagt: "Mit der Chemie-agnostischen 'Aurora' können wir Prototypen aus unseren Labors, wie Salzwasser-Batterien oder Feststoffbatterien, schneller zur Marktreife bringen."

 

"Aurora" ist Teil der "Open Research Data"-Initiative des ETH-Rats, die die Digitalisierung in der Forschung vorantreibt. Die Kommunikation zwischen "Aurora" und der "AiiDA"-Plattform, einem "Open Source Workflow Management"-System, wird derzeit von Empa-Forschenden entwickelt. "Aurora" ist die erste Roboterplattform, die an das bestehende "AiiDA"-System angebunden wird.

 

Daten werden an das Daten-Management-System openBIS an der ETH Zürich übertragen. Für die Batterieforschung bedeutet dies, dass die Prozessschritte der Batteriezellen effizient überwacht und ausgewertet werden können. "Das beschleunigt Innovationsprozesse enorm und unterstützt 'Industrie 4.0' in Forschung und Entwicklung", sagt Empa-Forscher Corsin Battaglia.

 

Die Welt der Batterieforschung ist im Aufbruch, und mittendrin steht der Batterieroboter "Aurora". Doch wie genau wird "Aurora" die Entwicklung neuer Energiespeicher beschleunigen, und welche Auswirkungen wird dies auf die Batterieindustrie und erneuerbare Energien haben? Diese Fragen und mehr haben wir im folgenden Interview mit den Forschungsleitern erkundet.

 

DMZ: Wie genau beschleunigt der Batterieroboter "Aurora" den Entwicklungsprozess für neue Energiespeicher?

Um neue Batteriematerialien aus unserem Labor in Batterien zu untersuchen, mussten unsere Forscher bis anhin jede einzelne Knopfzelle manuell zusammenbauen, was neben relativ viel Zeit auch viel Geschicklichkeit benötigt. Die Automatisierung dieses Prozesses mit unserem Batterieroboter erlaubt uns nicht nur, wesentlich mehr sondern auch mit höherer Präzision Knopfzellenbatterien zu bauen. Auch die Charakterisierung und das Monitoring von mehr als 500 Batteriezellen mittels verschiedenen Lade- und Entladeprotokollen z.B. im Bezug auf Zyklenstabilität oder Schnellladefähigkeit, ist voll automatisiert.

 

DMZ: Welche konkreten Vorteile bietet "Aurora" gegenüber herkömmlichen Forschungsmethoden für Batterien?

Dank der hohen Präzision des Roboters sowie der größeren Anzahl Zellen, haben wir eine viel bessere Statistik und können so auch feine Variationen im Zellverhalten erfassen und untersuchen. Gleichzeitig können wir auch einen viel größeren Parameterraum untersuchen.

 

DMZ: Können Sie Beispiele für innovative Batteriematerialien oder -konzepte nennen, die dank "Aurora" schneller entwickelt wurden?

Wir sind gerade daran die Entwicklungs- und Validierungsphase des "Aurora" Batterieroboters abzuschließen. Die eigentliche Materialforschung steht jetzt bevor.

 

DMZ: Wie wird "Aurora" in Zukunft autonomes Lernen und Entscheiden übernehmen, um den Innovationsprozess weiter zu beschleunigen?

Wir planen "Aurora" in einer nächsten Phase mit Machine Learning und KI zu koppeln.

 

DMZ: Welche anderen Arten von Batterien außer Lithium-Ionen werden mit "Aurora" erforscht, und welche Herausforderungen stellen sie dar?

Unser "Aurora" Batterieroboter ist Chemie-agnostisch, das heißt, wir sind nicht auf eine Zellchemie limitiert und können z.B. auch Natrium-Ionen Batterien oder Feststoffbatterien mit dem Roboter untersuchen.

 

DMZ: Welche Rolle spielt "Aurora" in der "Battery2030+"-Initiative der EU und wie wird Europa dadurch zum führenden Akteur in der Batterieforschung?

Erklärtes Ziel der Battery2030+ Initiative ist "to reinvent the way we invent batteries". "Aurora" ist Teil des BIG-MAP Projektes, dem größten Battery2030+ Projekt, in dem es hauptsächlich darum geht, neue Methoden zu entwickeln, die die Batterieforschung beschleunigen. BIG steht für "Battery Interface Genome", MAP steht für "Materials Acceleration Platform".

 

DMZ: Welche Rolle spielt die "Open Research Data"-Initiative bei der Beschleunigung der Batterieforschung und wie werden die generierten Daten der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt?

Bis anhin werden unsere Forschungsresultate in internationalen wissenschaftlichen Journalen publiziert, Daten werden dort meist in Grafiken und Diagrammen dargestellt, aber ohne die Möglichkeit auf diese Daten zugreifen zu können. In Zukunft sollen solche Daten auf öffentlich zugänglichen Plattformen zur Verfügung gestellt werden. Eine bekannte Plattform ist Zenodo (https://zenodo.org/), die vom CERN in Genf bereitgestellt wird. So können diese Daten z.B. auch von anderen Forschern analysiert werden oder mit anderen Datensätzen verglichen werden.

 

DMZ: Wie könnte die erfolgreiche Implementierung von "Aurora" die Energiespeicherindustrie und den Übergang zu erneuerbaren Energien beeinflussen?

Partner im BIG-MAP Projekt sind auch europäische Batteriehersteller, die zur Zeit mehrere grosse Gigafactories aufbauen. Das bedeutet, dass eine Entwicklung auf dem "Aurora" Roboter auf relativ kurzen Wegen den Weg auf Pilotproduktionsanlagen findet, um für die Großproduktion evaluiert zu werden.

 

DMZ: Gibt es Herausforderungen oder ethische Bedenken im Zusammenhang mit der Verwendung von Robotern wie "Aurora" in der Batterieforschung?

Getrieben durch die große Nachfrage für Batterien für Elektrofahrzeuge, werden die Produktionsvolumen in den kommenden Jahren stark zunehmen. Dieser neue Industriezweig soll so nachhaltig wie möglich gestaltet werden. Hierbei können Roboter einen wichtigen Beitrag leisten.

 

DMZ: Wie können Interessierte, sei es aus der Wissenschaft oder der Industrie, von den Fortschritten und Ergebnissen, die durch "Aurora" erzielt werden, profitieren?  

Sie erhalten bessere und noch nachhaltigere Batterien!