Laser beschleunigt die Batteriezellfertigung

Der Aufbau leistungsfähiger Produktionszentren für Batteriezellen steht weit oben auf der aktuellen Agenda der Automobilindustrie. Im Projekt "HoLiB – Hochdurchsatzverfahren in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien" geht es dabei um neue Technologien zur Konfektionierung, Stapelbildung und Kontaktierung. Zentrales "Werkzeug" dafür sind Laser.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT arbeitet an einem Laserverfahren, mit dem sich Anoden und Kathoden der Zellen 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, ein grüner Scheibenlaser und ein Infrarot-Faserlaser zum Einsatz. "Wir untersuchen, welche Strahlquelle sich für welche Fügeaufgabe am besten eignet", erklärt Johanna Helm, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer ILT. 

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, sodass 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.

Elektrische Kontakte dürfen nicht zu sehr erhitzen

Das Verbinden von Batteriezellen behandelt das 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 die dünnen elektrischen Kontakte nicht zu sehr erhitzt werden dürfen: 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 bereits bei 60 Grad Celsius zerstört", erläutert Elie Haddad, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT.

Eine besondere Herausforderung sind auch die artungleichen Verbindungen etwa zwischen Kupfer und Aluminium. Haddad: "Hier entstehen schnell intermetallische Phasen, welche die Qualität der Schweißnaht verschlechtern. Sie können 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." 

Versuche mit Kupfer-Aluminium- und Kupfer-Stahl-Verbindungen ergaben, dass sich mit der Mikropuls-Fügung ebenso gute Verbindungen wie beim kontinuierlichen CW-Schweißen (Continuous Wave) 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.