Der Aufbau leistungsfähiger Produktionszentren für Batteriezellen steht weit oben auf der aktuellen Agenda der Automobilindustrie. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen arbeitet proaktiv an diesem Ziel mit: So erforschen Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im BMBF-Projekt HoLiB und im AiF-Projekt MikroPuls, wie sich Lasertechnik zum wirtschaftlichen Kontaktieren und Fügen artungleicher Werkstoffe einsetzen lässt.
Die Trendwende vom Verbrennungsmotor zum Elektroantrieb ist nicht mehr aufzuhalten. Doch sie gelingt nur dann, wenn sich Batteriezellen auch effizient und prozesssicher herstellen sowie zu Modulen und Packs verschalten lassen. So kann der anstehende große Bedarf an Speicherkapazität zuverlässig abgedeckt werden.
Effizienzschub für Lithiumionenbatterien
Gefragt sind zum Beispiel Prozesse, mit denen sich Lithiumionenbatterien deutlich produktiver herstellen lassen als bisher. Im BMBF-Projekt HoLiB – Hochdurchsatzverfahren in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien des Kompetenzclusters zur Batteriezellproduktion (ProZell) geht es um neue Technologien zur Konfektionierung, Stapelbildung und Kontaktierung sowie um die Reduzierung nicht wertschöpfender Zeitanteile innerhalb der gesamten Prozesskette.
Die TU Braunschweig entwickelt für das Konfektionieren einen Laserstanzprozess, mit dem sich Elektroden in Millisekunden aus einer bewegten Elektrodenbahn ausschneiden lassen. Ein rotierendes Stapelrad legt Anoden und Kathoden-Separator-Verbünde einzeln ab und stapelt sie alternierend in einem Magazin.
Hier kommt das Fraunhofer ILT ins Spiel: Es entwickelt und qualifiziert ein Laserverfahren, mit dem sich Anoden und Kathoden mit den Kontakten, den so genannten Ableitertabs, verbinden lassen. Weil die Anoden aus Kupfer, die Kathoden aus Aluminium und die Ableitertabs aus beiden Werkstoffen bestehen, entschieden sich die Aachener dazu, drei unterschiedliche Strahlquellen zu erproben. Es kommen ein blauer Diodenlaser (Wellenlänge: 450 nm), ein grüner Scheibenlaser (515 nm) und ein Infrarotfaserlaser (1070 nm) zum Einsatz. Wir untersuchen, welche Strahlquelle sich für welche Fügeaufgabe am besten eignet, erklärt Johanna Helm, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer ILT. Der Test der drei Strahlquellen habe bereits ergeben, dass sich der Folienstapel prozesssicher durchschweißen lasse. Aktuell verifizieren die Forschenden die Prozessfenster und führen bei den Ableitertabs Schweißversuche durch.
Die Wissenschaftlerin schlug außerdem den Einsatz eines Drehtellers mit mehreren Stationen vor, auf denen sich die Elektroden für das Kontaktieren stapeln lassen. Das Ablegen der 20 Anoden und Kathoden durch ein Stapelrad geschieht im 0,1-Sekunden-Takt, so dass innerhalb von zwei Sekunden ein Stapel fertig ist. Wenn dieser auf einer Station des Drehtellers steht, dreht sich der Teller schnell weiter, damit das rotierende Stapelrad weitere Anoden und Kathoden auf dem nächsten freien Platz ablegen kann. Parallel kann der laserbasierte Kontaktierungsprozess für den ersten abgelegten Stapel ohne Zeitverlust starten.
Nanosekunden-Laserpulse schonen wärmeempfindliche Bauteile
Das Verbinden von Batteriezellen behandelt das AiF-Projekt MikroPuls. Mit Unterstützung von Industriepartnern entwickelt das Fraunhofer ILT hier Prozesse, die Kupfer, Aluminium und Stahl mit einem im Nanosekundenbereich gepulsten Infrarotfaserlaser miteinander verbinden.
Fügeprozess mit blauem Diodenlaser (© Fraunhofer ILT, Aachen)
Es handelt sich um anspruchsvolle Prozesse, weil sich die elektrischen, dünnen Kontakte thermisch sensibel verhalten und nicht zu sehr erhitzt werden dürfen. Hier kommt es auf die Balance an: Wenn zu wenig Schweißenergie eingebracht wird, fehlt der Verbindung die mechanische Stabilität. Bei zu viel Energie wird die Wirkungsweise der Batterien beeinträchtigt oder die Lebensdauer verkürzt. Manche der empfindlichen Elektrolyte werden nach Aussage von Elie Haddad, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT, bereits bei 60 °C zerstört. Hier komme der schnelle MikroPuls-Prozess infrage, mit dem sich bei einer maximalen mittleren Leistung von 200 Watt sogar Kupferschweißungen realisieren ließen, die wenig Energie in die Bauteile einbringen.
Eine besondere Herausforderung sind auch die artungleichen Verbindungen, etwa zwischen Kupfer und Aluminium. Haddad zufolge entstehen hier schnell intermetallische Phasen, welche die Qualität der Schweißnaht verschlechtern. Sie können zum Beispiel dazu führen, dass hohe Übergangswiderstände auftreten, die entweder zu hohen Verlusten durch Hitze oder zu spröden Verbindungen führen, die den mechanischen Kräften nicht mehr standhalten können, so Haddad. Mit Zug-Scher-Experimenten und REM-Aufnahmen analysieren die Experten die Ergebnisse der Schweißversuche, auch um die intermetallischen Phasen zu verringern. Eine wichtige Rolle spielt das gezielte Ermitteln der optimalen Parameter, mit denen Anwender auch artungleiche Verbindungen prozesssicher mit gleichbleibender Einschweißtiefe und hoher Schweißgüte realisieren können.
Versuche unter anderem mit Kupfer-Aluminium-Verbindungen an Pouch-Zellen und Kupfer-Stahl-Verbindungen an zylindrischen Zellen ergaben, dass sich mit der MikroPuls-Fügung ebenso gute Verbindungen wie beim kontinuierlichen CW-Schweißen erzielen lassen – bei deutlich geringerem Energieaufwand, höherer Wiederholgenauigkeit und geringeren intermetallischen Phasen. Einziger Nachteil: Der Schweißprozess dauert in der Regel länger. Es gibt also noch Parameter, die es zu verbessern gilt.
Die Aachener haben bereits eine Anlage in Betrieb, die sowohl einen CW-Faserlaser als auch einen Nanosekunden-gepulsten Faserlaser integriert hat. Dabei lassen sich die Strahlquellen individuell ansteuern. Die Anlage kann nicht nur fügen, sondern zum Beispiel auch Material abtragen, etwa um Oberflächen zu strukturieren.
Kontakt:
M. Sc. Johanna Helm, E-Mail: johanna.helm@ilt.fraunhofer.de
M.Sc. Elie Haddad, E-Mail: elie.haddad@ilt.fraunhofer.de
- www.ilt.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Lasergeschweißte Kupferverbinder an zylindrischen Zellen(© Fraunhofer ILT, Aachen)
