DaMaStE

DaMaStE implementiert ein föderatives Datenbanksystem für den sicheren Austausch von Daten und Wissen zwischen Rohstoff- und Zellherstellern sowie WissenschaftlerInnen unter Gewährleistung von Datenschutz und Datenhoheit.

Das Forschungsprojekt DaMaStE widmet sich den Herausforderungen im Bereich der Batteriematerialien, indem es innovative Ansätze zur Zusammenarbeit und zum Datenaustausch einführt. Es fördert die Kooperation zwischen Rohstoff- und Elektrodenherstellern sowie Forschungsinstituten, um ein besseres Verständnis der Prozesse, Strukturen und Eigenschaften von Elektrodenmaterialien zu erlangen. Dabei wird eine föderierte Plattform geschaffen, die den sicheren Austausch von Daten und Wissen ermöglicht und gleichzeitig die Datenhoheit wahrt. Das Projekt konzentriert sich zudem auf spezifische Fragen der Elektrodenmaterialien, wie den Einfluss von Kohlenstoffadditiven auf die Eigenschaften von Hochleistungselektroden und die Optimierung des Kathodenmaterials für verbesserte Zelleigenschaften.

Leistungen des August-Wilhelm Scheer Instituts

In DaMaStE ist das August-Wilhelm Scheer Institut für die Entwicklung des föderierten Systems zuständig. Dabei spielt neben dem Hauptforschungsbereich des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz die Datenstrukturierung und -organisation eine entscheidende Rolle. Das Institut arbeitet außerdem an der Entwicklung eines Strukturgenerators zur Vereinfachung der Datenübertragbarkeit und einer Mappingfunktion, um die Verknüpfung der Datenbanken zu ermöglichen. Eine Kernkomponente ist das Maskierungstool, welches erlaubt, Daten gefiltert, anonymisiert, oder synthetisiert zu verwenden.

Die Forschungsthemen wurden bereits in unterschiedlichen Projekten wie DatenKost und Preventive QA behandelt. Daher verfügt das Institut über ein umfangreiches Portfolio an KI-Projekten mit dem Ziel der Vorhersage von Qualitätszuständen und damit einhergehend über vielfältige Kompetenzen im Bereich KI. Darüber hinaus besitzt das August-Wilhelm Scheer Institut die Expertise, solche KI-basierten Anwendungen in Cloud-Architekturen einzusetzen.

Entwicklung neuer Kohlenstoffmaterialien für LIB-Kathoden

Zunächst sollen angepasste poröse Kohlenstoffe für LIB-Elektroden, sowie Kathodenslurries und Kathoden im Labormaßstab hergestellt und anschließen bezüglich diverser relevanter Eigenschaften untersucht werden. Das neu gewonnene Wissen soll anhand der DigiBatMat-Datenstruktur erfasst werden. Somit soll erreicht werden, das digitales Wissen und Daten zu den Rohmaterialien einheitlich vorliegen. Das August-Wilhelm Scheer Institut wirkt hier übergreifend bei der Erfassung der Daten, sowie der Erarbeitung einer Referenzontologie mit.

Aufgaben des Instituts:

  • Erfassung der Charakterisierungsdaten poröser Kohlenstoffe anhand der DigiBatMat-Datenstruktur
  • Erfassung der Charakterisierungsdaten von Kathodenslurries anhand der DigiBatMat-Datenstruktur
  • Erarbeiten von Referenzontologie innerhalb der getrennten, aber föderierten Datenbanken

Gesamtergebnis: 

  • Neue Kathoden-Materialien für LIB auf Basis neuartiger Kohlenstoff-Additive
  • Prozessparameter, Materialzusammensetzungen und Leistungsdaten der Additive
  • Digitalisiertes Wissen und Daten zu den Rohmaterialien

Datenbasierte Analyse des Einflusses von Kohlenstoffmaterialien auf Elektrodenmaterialien

Ziel des August-Wilhelm Scheer Instituts innerhalb dieses Arbeitspakets ist die Ermöglichung der Schnittstellen, um den Dateneingang und Datenausgang zur föderierten Datenbank sowie die Anknüpfung dieser an die Plattform MaterialDigital zu ermöglichen. Zusätzlich wirkt das Instituts durch die Korrelationsanalyse der im ersten Arbeitspaket erarbeiteten Prozess- und Materialcharakterisierungsdaten mit, um entstehende materialwissenschaftliche Modelle anschließend in die föderierte Ontologie einfließen zu lassen.

Aufgaben des Instituts:

  • Etablierung von Schnittstellen zum Einbringen relevanter Prozessdaten in eine föderierte Datenbank mit Anknüpfung an die Plattform MaterialDigital
  • Analyse von Eigenschaftsschwankungen durch Korrelation von Prozess- und Materialcharakterisierungsdaten
  • Integration von materialwissenschaftlichen Modellen in die föderierte Ontologie

Gesamtergebnis: 

  • Neue Kathoden-Materialien für LIB auf Basis neuartiger Kohlenstoff-Additive
  • Strukturiertes, digitales Wissen zum Einfluss der Kohlenstoffmaterialien auf die Prozesse und Elektrodenmaterialien

Analyse und Rekonstruktion der Elektrodenmikrostruktur

Der Beitrag des August-Wilhelm Scheer Instituts im Rahmen des dritten Arbeitspakets ist die Einpflegung des neuen Inputs auf Basis von 2D und 3D Bilddaten von Probenanalysen zur Analyse und Rekonstruktion der Mikrostruktur der LIB-Elektroden in das föderierte System.

Aufgaben des Instituts:

  • Erfassung der entstandenen Bilddaten in der föderierten Datenbank
  • Erfassung der Auswertungsergebnisse sowie funktionsrelevanter Parameter in der föderierten Datenbank

Gesamtergebnis: 

  • Reproduzierbare Segmentierungsmethode für Phasenbestandteile der Elektrodenstruktur.
  • Rekonstruierte Mikrostrukturen ausgewählter Proben als Input für die föderierte Datenbank.
  • Quantitative Beschreibung (z.B. Phasenbestandteile) verschiedener Elektrodenstrukturen und deren Eigenschaften als Input für die föderierte Datenbank.

Charakterisierung und gezielte Modifikation von Kohlenstoffadditiven

Das vierte Arbeitspaket dient der Charakterisierung, aber auch der gezielten Modifikation von Kohlenstoffadditiven, wobei das August-Wilhelm Scheer Instituts auch hier vorwiegend eine dokumentierende Rolle einnimmt, indem es Sorge dafür trägt, dass die gewonnenen Daten in Form der DigiBatMat-Struktur innerhalb des föderierten Datenbank-Systems hinterlegt werden. Dieses Arbeitspaket trägt wiederum zur Ergänzung der föderierten Ontologie bei, indem neu erstellte Materialmodelle durch das Institut integriert werden.

Aufgaben des Instituts:

  • Strukturierung und Speicherung auf Basis des DigiBatMat-Datenmodells in föderierter Datenbank
  • Erstellung von Materialmodellen und Integration in föderierte Ontologie

Gesamtergebnis: 

  • Detaillierte, strukturierte Daten zur Struktur und Eigenschaften der Rohmaterialien, die als „linked data“ mit der Ontologie verbunden sind.
  • Auf strukturellen Daten der Rohstoffe basierende, analytische und numerische Modelle für Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenmaterialien.
  • Modifizierte Kohlenstoff-Additive, mit denen gezielt der Einfluss bestimmter Rohmaterial-Eigenschaften auf Prozessierung und Elektrodenmaterialien geprüft werden kann.

Föderierte Datenbank und Ontologie zum Austausch von Materialdaten- und Modellen

Das fünfte Arbeitspaket stellt die Haupttätigkeit des August-Wilhelm Scheer Instituts innerhalb des Gesamtvorhabens dar und enthält daher den Großteil des seitens des Instituts anfallenden Arbeitsaufwands. Dies beinhaltet die technische Entwicklung und Implementierung des übergreifenden Systems, das die DaMaStE-Plattform trägt, sowie das Trainieren von ML-Modellen zur Generierung von Vorhersagen von Materialeigenschaften. Der Kern des Teilvorhabens, von dem das gesamte Projekt abhängt, ist die Entwicklung eines Maskierungstools, das die Kollaboration der Nutzer unter Wahrung der Datenhoheit ermöglicht und somit maximalen Nutzen der einzelnen und gemeinsamen Erkenntnisse bei gleichzeitigem Schutz intellektuellen Eigentums sicherstellt.

Aufgaben des Instituts:

  • Aufbau föderiertes virtuelles System
  • Anforderungsanalyse und Architekturplaunung des Gesamtsystems, Erstellung von Mockups
  • Erarbeitung Ontologie der lokalen und föderierten Komponenten
  • Automatische Datenanbindung an bestehende Systeme/Maschinen
  • Überführung relevanter Daten in DaMaStE-Datenbank, Schaffung nutzerfreundlicher Schnittstelle für Import/Export
  • Entwicklung lokaler ML-Modelle, Zusammenführung zu föderiertem ML-System
  • Entwicklung Rollensystem zur Verwaltung der Zugriffsrechte
  • Entwicklung dynamischer Strukturgenerator
  • Entwicklung Validierungs- und Qualitätsprüfungskomponente
  • Entwicklung Mappingfunktionalität zur Verknüpfung der Datenbanken
  • Entwicklung föderierte Modellplattform zur Zusammenführung und Maskierung von Daten
  • Zusammenführen der im Projekt generierten Daten über die entwickelte Plattform

Gesamtergebnis: 

  • Aufbau und Architektur zur Entwicklung eines föderierten Systems für Ontologien, Datenbanken und ML-/Material-Modelle im Batterie-Umfeld.
  • Aufbau föderierter Ontologie zur Abbildung der relevanten Schritte der Wertschöpfungskette, angereichert mit partnerspezifischen Erkenntnissen.
  • Schaffung eines Systems zur Kooperation von Industrie- und Forschungspartnern im Batterie-Umfeld unter Berücksichtigung der Datensicherheit.

Datenbasierte Optimierung der Herstellung einer leistungsstarken Kathode

Das finale Arbeitspaket dient der Nutzung der Plattform zu dem Zweck, für den sie entwickelt wird, anhand eines Musterfalls. Hierbei ist das Ziel, mittels datenbasierter Optimierung eine leistungsstarke Kathode herzustellen. Das August-Wilhelm Scheer Institut übernimmt in diesem Fall eine untergeordnete Rolle, indem die notwendigen Prozesse zur Auswahl eines geeigneten Aktivmaterials geprüft und verfeinert werden, als auch der Workflow des Musterfalls dokumentiert wird.

Aufgaben des Instituts:

  • Digitale Dokumentierung des Gesamt-Workflows als Musterfall

Gesamtergebnis: 

  • Optimiertes Kohlenstoff-Additiv für Kathoden.
  • Mischungs- und Prozessparameter für die Herstellung der Kathoden.
  • Dokumentierter Gesamt-Workflow als „Musterfall“ für die digitale Kooperation bei der Entwicklung von Elektrodenmaterialien
Arbeitspaket 1

Entwicklung neuer Kohlenstoffmaterialien für LIB-Kathoden

Zunächst sollen angepasste poröse Kohlenstoffe für LIB-Elektroden, sowie Kathodenslurries und Kathoden im Labormaßstab hergestellt und anschließen bezüglich diverser relevanter Eigenschaften untersucht werden. Das neu gewonnene Wissen soll anhand der DigiBatMat-Datenstruktur erfasst werden. Somit soll erreicht werden, das digitales Wissen und Daten zu den Rohmaterialien einheitlich vorliegen. Das August-Wilhelm Scheer Institut wirkt hier übergreifend bei der Erfassung der Daten, sowie der Erarbeitung einer Referenzontologie mit.

Aufgaben des Instituts:

  • Erfassung der Charakterisierungsdaten poröser Kohlenstoffe anhand der DigiBatMat-Datenstruktur
  • Erfassung der Charakterisierungsdaten von Kathodenslurries anhand der DigiBatMat-Datenstruktur
  • Erarbeiten von Referenzontologie innerhalb der getrennten, aber föderierten Datenbanken

Gesamtergebnis: 

  • Neue Kathoden-Materialien für LIB auf Basis neuartiger Kohlenstoff-Additive
  • Prozessparameter, Materialzusammensetzungen und Leistungsdaten der Additive
  • Digitalisiertes Wissen und Daten zu den Rohmaterialien
Arbeitspaket 2

Datenbasierte Analyse des Einflusses von Kohlenstoffmaterialien auf Elektrodenmaterialien

Ziel des August-Wilhelm Scheer Instituts innerhalb dieses Arbeitspakets ist die Ermöglichung der Schnittstellen, um den Dateneingang und Datenausgang zur föderierten Datenbank sowie die Anknüpfung dieser an die Plattform MaterialDigital zu ermöglichen. Zusätzlich wirkt das Instituts durch die Korrelationsanalyse der im ersten Arbeitspaket erarbeiteten Prozess- und Materialcharakterisierungsdaten mit, um entstehende materialwissenschaftliche Modelle anschließend in die föderierte Ontologie einfließen zu lassen.

Aufgaben des Instituts:

  • Etablierung von Schnittstellen zum Einbringen relevanter Prozessdaten in eine föderierte Datenbank mit Anknüpfung an die Plattform MaterialDigital
  • Analyse von Eigenschaftsschwankungen durch Korrelation von Prozess- und Materialcharakterisierungsdaten
  • Integration von materialwissenschaftlichen Modellen in die föderierte Ontologie

Gesamtergebnis: 

  • Neue Kathoden-Materialien für LIB auf Basis neuartiger Kohlenstoff-Additive
  • Strukturiertes, digitales Wissen zum Einfluss der Kohlenstoffmaterialien auf die Prozesse und Elektrodenmaterialien
Arbeitspaket 3

Analyse und Rekonstruktion der Elektrodenmikrostruktur

Der Beitrag des August-Wilhelm Scheer Instituts im Rahmen des dritten Arbeitspakets ist die Einpflegung des neuen Inputs auf Basis von 2D und 3D Bilddaten von Probenanalysen zur Analyse und Rekonstruktion der Mikrostruktur der LIB-Elektroden in das föderierte System.

Aufgaben des Instituts:

  • Erfassung der entstandenen Bilddaten in der föderierten Datenbank
  • Erfassung der Auswertungsergebnisse sowie funktionsrelevanter Parameter in der föderierten Datenbank

Gesamtergebnis: 

  • Reproduzierbare Segmentierungsmethode für Phasenbestandteile der Elektrodenstruktur.
  • Rekonstruierte Mikrostrukturen ausgewählter Proben als Input für die föderierte Datenbank.
  • Quantitative Beschreibung (z.B. Phasenbestandteile) verschiedener Elektrodenstrukturen und deren Eigenschaften als Input für die föderierte Datenbank.
Arbeitspaket 4

Charakterisierung und gezielte Modifikation von Kohlenstoffadditiven

Das vierte Arbeitspaket dient der Charakterisierung, aber auch der gezielten Modifikation von Kohlenstoffadditiven, wobei das August-Wilhelm Scheer Instituts auch hier vorwiegend eine dokumentierende Rolle einnimmt, indem es Sorge dafür trägt, dass die gewonnenen Daten in Form der DigiBatMat-Struktur innerhalb des föderierten Datenbank-Systems hinterlegt werden. Dieses Arbeitspaket trägt wiederum zur Ergänzung der föderierten Ontologie bei, indem neu erstellte Materialmodelle durch das Institut integriert werden.

Aufgaben des Instituts:

  • Strukturierung und Speicherung auf Basis des DigiBatMat-Datenmodells in föderierter Datenbank
  • Erstellung von Materialmodellen und Integration in föderierte Ontologie

Gesamtergebnis: 

  • Detaillierte, strukturierte Daten zur Struktur und Eigenschaften der Rohmaterialien, die als „linked data“ mit der Ontologie verbunden sind.
  • Auf strukturellen Daten der Rohstoffe basierende, analytische und numerische Modelle für Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenmaterialien.
  • Modifizierte Kohlenstoff-Additive, mit denen gezielt der Einfluss bestimmter Rohmaterial-Eigenschaften auf Prozessierung und Elektrodenmaterialien geprüft werden kann.
Arbeitspaket 5

Föderierte Datenbank und Ontologie zum Austausch von Materialdaten- und Modellen

Das fünfte Arbeitspaket stellt die Haupttätigkeit des August-Wilhelm Scheer Instituts innerhalb des Gesamtvorhabens dar und enthält daher den Großteil des seitens des Instituts anfallenden Arbeitsaufwands. Dies beinhaltet die technische Entwicklung und Implementierung des übergreifenden Systems, das die DaMaStE-Plattform trägt, sowie das Trainieren von ML-Modellen zur Generierung von Vorhersagen von Materialeigenschaften. Der Kern des Teilvorhabens, von dem das gesamte Projekt abhängt, ist die Entwicklung eines Maskierungstools, das die Kollaboration der Nutzer unter Wahrung der Datenhoheit ermöglicht und somit maximalen Nutzen der einzelnen und gemeinsamen Erkenntnisse bei gleichzeitigem Schutz intellektuellen Eigentums sicherstellt.

Aufgaben des Instituts:

  • Aufbau föderiertes virtuelles System
  • Anforderungsanalyse und Architekturplaunung des Gesamtsystems, Erstellung von Mockups
  • Erarbeitung Ontologie der lokalen und föderierten Komponenten
  • Automatische Datenanbindung an bestehende Systeme/Maschinen
  • Überführung relevanter Daten in DaMaStE-Datenbank, Schaffung nutzerfreundlicher Schnittstelle für Import/Export
  • Entwicklung lokaler ML-Modelle, Zusammenführung zu föderiertem ML-System
  • Entwicklung Rollensystem zur Verwaltung der Zugriffsrechte
  • Entwicklung dynamischer Strukturgenerator
  • Entwicklung Validierungs- und Qualitätsprüfungskomponente
  • Entwicklung Mappingfunktionalität zur Verknüpfung der Datenbanken
  • Entwicklung föderierte Modellplattform zur Zusammenführung und Maskierung von Daten
  • Zusammenführen der im Projekt generierten Daten über die entwickelte Plattform

Gesamtergebnis: 

  • Aufbau und Architektur zur Entwicklung eines föderierten Systems für Ontologien, Datenbanken und ML-/Material-Modelle im Batterie-Umfeld.
  • Aufbau föderierter Ontologie zur Abbildung der relevanten Schritte der Wertschöpfungskette, angereichert mit partnerspezifischen Erkenntnissen.
  • Schaffung eines Systems zur Kooperation von Industrie- und Forschungspartnern im Batterie-Umfeld unter Berücksichtigung der Datensicherheit.
Arbeitspaket 6

Datenbasierte Optimierung der Herstellung einer leistungsstarken Kathode

Das finale Arbeitspaket dient der Nutzung der Plattform zu dem Zweck, für den sie entwickelt wird, anhand eines Musterfalls. Hierbei ist das Ziel, mittels datenbasierter Optimierung eine leistungsstarke Kathode herzustellen. Das August-Wilhelm Scheer Institut übernimmt in diesem Fall eine untergeordnete Rolle, indem die notwendigen Prozesse zur Auswahl eines geeigneten Aktivmaterials geprüft und verfeinert werden, als auch der Workflow des Musterfalls dokumentiert wird.

Aufgaben des Instituts:

  • Digitale Dokumentierung des Gesamt-Workflows als Musterfall

Gesamtergebnis: 

  • Optimiertes Kohlenstoff-Additiv für Kathoden.
  • Mischungs- und Prozessparameter für die Herstellung der Kathoden.
  • Dokumentierter Gesamt-Workflow als „Musterfall“ für die digitale Kooperation bei der Entwicklung von Elektrodenmaterialien

Principal Investigator

Dirk Werth

Dr. Dirk Werth

Geschäftsführer und wissenschaftlicher Direktor

Ihr Ansprechpartner

Marcel Mutz

Marcel Mutz

Mail: Marcel.Mutz@aws-institut.de
Telefon: +49 681 96777 297

Ausgangssituation

Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Elektrodenmaterialien sind komplex; die Eigenschaften von Rohmaterialien beeinflussen verschiedene Material- und Prozesseigenschaften. Schwankungen in der Rohstoffqualität oder abweichende Eigenschaften neuer Rohstoffe führen deshalb oft zu Problemen bei der Elektrodenherstellung. Die Zusammenarbeit zur Aufklärung dieser Zusammenhänge ist heute oft mühsam und langwierig: Rohmaterial- und Zellhersteller erfassen zwar umfangreiche Daten, es existieren aber weder Standards noch Werkzeuge für den effizienten Austausch und die gemeinsame Auswertung.

  • lediglich punktueller Austausch von Prozessdaten zwischen Zellherstellern, Rohstofflieferanten und Forschungseinrichtungen
  • Materialmodelle aus den Daten entstehen nicht in Unternehmen selbst oder können nicht ausgetauscht werden
  • begrenzter Austausch produktrelevanter Materialdaten zu Rohstoffen und Elektroden zwischen Unternehmen, auch zur Vermeidung juristischer Fallstricke
  • Unzureichender Zugang für WissenschaftlerInnen zu vollständigen Datensätzen oder den für sie relevanten Aspekten zur Erarbeitung realistischerer Materialmodelle

Lösungsansatz

Was?

Das Ziel dieses Projekts ist die Auswahl, Verbesserung und Entwicklung von Kohlenstoffadditiven mithilfe digitaler Modelle und kodierten Wissens. Dies wird als Vorlage für die Anwendung auf andere Batterierohstoffe dienen. Ihr Einfluss auf Eigenschaften von Elektrodenmaterialien und optimale Prozessparameter zur Elektrodenherstellung wird durch gemeinsame virtuelle Modelle besser voraussagbar und nachvollziehbar. Das Projekt ermöglicht digitale Kooperation zwischen Rohstoffproduzenten, Zellherstellern und Forschungseinrichtungen gerade auch dort, wo bisher Geheimhaltung und berechtigte Geschäftsinteressen den Austausch verhindert haben, weil Daten nicht partiell geteilt werden konnten.

Der Lösungsweg beginnt damit, dass die Kohlenstoffadditive charakterisiert, zu Elektrodenmaterialien verarbeitet, analysiert und die daraus resultierenden Daten beim jeweiligen Partner gespeichert werden. Prozessdaten aus der Produktion von Elektroden werden aus den Anlagen in lokale Datenbanken übernommen. Geteilte Ontologien (auf Basis der Plattform MaterialDigital) schaffen dabei eine einheitliche Datenstruktur, die Partner durch lokales Domänenwissen ergänzen. Die Auswertung der Daten findet zunächst ebenfalls lokal statt, wobei schon hier Modelle der Partner (z.B. von Forschungsinstituten oder des assoziierten Partners Math2Market) eingesetzt werden. Als wichtige Neuerung ermöglicht das Projekt den gezielten Austausch vertraulicher Daten, indem Informationen so maskiert werden, dass sie in geteilte Materialmodelle aufgenommen werden. Die Basis dafür bildet eine innovative Kombination von Filtern, Maschinenlernen und synthetischen Daten.

Partnerunternehmen

Heraeus

Hochschule Aalen

Leibnitz Institut für Neue Materialien

UniverCell

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