Zwei Forschungsprojekte für den Laser-Einsatz bei der Produktion von Batteriezellen

Lasergeschweißte Kupferverbinder an zylindrischen Zellen.Im Rahmen des AiF-Projekts MikroPuls entwickelt das Fraunhofer ILT Laserverfahren für die effiziente Kontaktierung von Batteriezellen
Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen.
05.05.2021

Der Aufbau leistungsfähiger Produktionszentren für Batteriezellen steht weit oben auf der aktuellen Agenda der Automobilindustrie. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT erforscht aktuell, wie sich Lasertechnik zum wirtschaftlichen Kontaktieren und Fügen artungleicher Werkstoffe einsetzen lässt.

Die Trendwende vom Verbrennungsmotor zum Elektroantrieb gelingt nur dann, wenn sich Batteriezellen effizient und prozesssicher herstellen sowie zu Modulen und Packs verschalten lassen. So kann der anstehende große Bedarf an Speicherkapazität zuverlässig abgedeckt werden.

Effizienzschub bei Lithium-Ionen-Batterien

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.

Erfolgreich: Einsatz von drei Strahlquellen

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 Aachener dazu, drei unterschiedliche Strahlquellen zu erproben. Es kommen ein blauer Diodenlaser (Wellenlänge: 450 nm), ein grüner Scheibenlaser (515 nm) und ein Infrarot-Faserlaser (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 ergab bereits, dass sich der Folienstapel prozesssicher durchschweißen lässt. Aktuell verifizieren wir die Prozessfenster und führen bei den Ableitertabs Schweißversuche durch.“

 Fügeprozess mit blauem Diodenlaser: Im Prozell-Projekt HoLiB untersucht das Fraunhofer ILT u. a., mit welchen Laserstrahlquellen sich Anoden und Kathoden mit Kontakten besonders prozesssicher und schnell verbinden lassen. © Fraunhofer ILT, Aachen. 

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 Nanosekunden-Bereich gepulsten Infrarot-Faserlaser miteinander verbinden.

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. 

Artungleiche Materialien prozesssicher per Laser schweißen

Eine besondere Herausforderung sind auch die artungleichen Verbindungen etwa zwischen Kupfer und Aluminium. Mit Zug-Scher-Experimenten und REM-Aufnahmen analysieren die Experten die Ergebnisse der Schweißversuche, auch um intermetallische 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.

Das ILT hat 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: 
Petra Nolis, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
info@ilt.fraunhofer.de