Technologieforum

Laserprozesse für die effizientere Batteriezellenfertigung

Forschende am Fraunhofer ILT untersuchen, wie sich Lasertechnik zum wirtschaftlichen Kontaktieren und Fügen artungleicher Werkstoffe einsetzen lässt. Ihr Ziel ist es, die Effizienz und Prozesssicherheit in der Batterieproduktion für die Elektromobilität zu verbessern.

Die Mobilitätswende vom Verbrennungsmotor zum Elektroantrieb kann nur dann gelingen, wenn sich Batteriezellen effizient und prozesssicher herstellen sowie zu Modulen und Packs verschalten lassen. Nur so lässt sich der künftige Bedarf an Speicherkapazität zuverlässig erfüllen. Gefragt sind beispielsweise Prozesse, mit denen sich Lithium-Ionen-Batterien deutlich produktiver als bisher herstellen lassen.

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.

Drei Strahlquellen mit Erfolg getestet

Hier kommt das Fraunhofer ILT ins Spiel: Es entwickelt und qualifiziert ein Laserverfahren, mit dem sich Anoden und Kathoden mit den Kontakten, den sogenannten Ableitertabs, verbinden lassen. Weil die Anoden aus Kupfer, die Kathoden aus Aluminium und die Ableitertabs aus beiden Werkstoffen bestehen, entschieden sich die Wissenschaftler dazu, drei unterschiedliche Strahlquellen zu erproben: einen blauen Diodenlaser mit 450 nm, einen grünen Scheibenlaser mit 515 nm und einen Infrarot-Faserlaser mit 1070 nm Wellenlänge. Ein Test der drei Strahlquellen hatte bereits ergeben, dass sich der Folienstapel prozesssicher durchschweißen lässt.

Das Verbinden von Batteriezellen behandelt das AiF-Projekt ‚MikroPuls‘. Mit Unterstützung von Industriepartnern entwickelt das Fraunhofer ILT hier Prozesse, um Kupfer, Aluminium und Stahl mithilfe eines Nanosekunden-gepulsten Infrarot-Faserlaser miteinander zu verbinden. Hierbei dürfen sich die dünnen und sensiblen elektrischen Kontakte nicht zu sehr erhitzen; daher kommt es auf die Balance an: Wird zu wenig Schweißenergie eingebracht, fehlt der Verbindung die mechanische Stabilität. Zu viel Energie beeinträchtigt die Wirkungsweise der Batterien oder verkürzt ihre Lebensdauer. Hier ist der schnelle MikroPuls-Prozess vorteilhaft, mit dem sich bei einer maximalen mittleren Leistung von 200 W sogar Kupferschweißungen realisieren lassen, die wenig Energie in die Bauteile einbringen.

Artungleiche Materialien prozesssicher schweißen

Eine besondere Herausforderung sind auch die artungleichen Verbindungen, etwa zwischen Kupfer und Aluminium. Hier können intermetallische Phasen entstehen, welche die Qualität der Schweißnaht verschlechtern. So können beispielsweise hohe Übergangswiderstände auftreten, die entweder zu hohen Verlusten durch Hitze oder zu spröden Verbindungen führen, die den mechanischen Kräften nicht standhalten. 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 etwa 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 CW-Schweißen erzielen lassen – bei deutlich geringerem Energieaufwand, besserer 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. Diese Anlage kann nicht nur fügen, sondern auch Material abtragen, etwa um Oberflächen zu strukturieren.

Quelle und Foto: https://www.ilt.fraunhofer.de