HoLiB und MikroPuls Laser in der Batteriezellenproduktion nutzen

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

Effizienzschub für die 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 deutliche 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 separaten Magazin.

Erfolgreiche Tests mit 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.“

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 irgendeinen Zeitverlust starten.

Nanosekunden-Laserpulse schonen 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.

„Manche der empfindlichen Elektrolyte werden bereits bei 60 °C zerstört“, erläutert Elie Haddad, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT. „Hier kommt der schnelle ,MikroPuls‘-Prozess infrage, mit dem sich bei einer maximalen mittleren Leistung von 200 W sogar Kupferschweißungen realisieren lassen, die wenig Energie in die Bauteile einbringen.“

Artungleiche Materialien sicher per Laser schweißen

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 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.“

Mit Zug-Scher-Experimenten und REM-Aufnahmen analysieren die Experten die Ergebnisse der Schweißversuche, auch um die intermetallischen Phasen zu verringern. Eine große spielt das gezielte Ermitteln der optimalen Parameter, mit denen Anwender auch artungleiche Verbindungen prozesssicher mit gleichbleibender Einschweißtiefe und hoher Schweißgüte realisieren können.

Fügen und Abtragen von Materialien

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 kontinuierlichen CW-Schweißen erzielen lassen – bei deutlich geringerem Energieaufwand, höherer Wiederholgenauigkeit und geringeren intermetallischen Phasen. Einziger Nachteil: Der laserbasierte Schweißprozess dauert in der Regel deutlich 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.