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The 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.

Ein 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.

The membrane is a crucial component of Zn slurry-air flow battery since it provides ionic conductivity between the electrodes while avoiding the mixing of the two compartments. Herein, six commercial membranes (CellophaneTM 350PØØ, Zirfon®, Fumatech® PBI, Celgard® 3501, 3401 and 5550) were first characterized in terms of electrolyte uptake, ion conductivity and zincate ion crossover, and tested in Zn slurry-air flow battery. The peak power density of the battery employing the membranes was found to depend on the in-situ cell resistance. Among them, the cell using Celgard® 3501 membrane, with in-situ area resistance of 2 O cm2 at room temperature displayed the highest peak power density (90 mW cm−2). However, due to the porous nature of most of these membranes, a significant crossover of zincate ions was observed. To address this issue, an ion-selective ionomer containing modified poly(phenylene oxide) (PPO) and N-spirocyclic quaternary ammonium monomer was coated on a Celgard® 3501 membrane and crosslinked via UV irradiation (PPO-3.45 + 3501). Moreover, commercial FAA-3 solutions (FAA, Fumatech) were coated for comparison purpose. The successful impregnation of the membrane with the anion-exchange polymers was confirmed by SEM, FTIR and Hg porosimetry. The PPO-3.45 + 3501 membrane exhibited 18 times lower zincate ions crossover compared to that of the pristine membrane (5.2 × 10−13 vs. 9.2 × 10-12 m2 s−1). With low zincate ions crossover and a peak power density of 66 mW cm−2, the prepared membrane is a suitable candidate for rechargeable Zn slurry-air flow batteries.