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Industrielle Lasertechnik auf der Battery Japan 2016

23.02.2016

Die Möglichkeiten für neue Akkumulatoren sind vielfältig: ob im PkW, in großen Speicherkraftwerken oder im öffentlichen Personennahverkehr – überall werden sie gebraucht. Entsprechend groß ist der Bedarf an serientauglicher Fertigungstechnik in der Batteriebranche. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelt industrielle Prozesse, um die Verarbeitung von Akkuzellen noch effizienter zu machen.

1991 kam in Japan der erste Lithiumionen-Akku auf den Markt, heute gilt Japan als weltweit fortschrittlichster Markt für Elektromobilität. Effiziente Energiespeicher sind dabei ein Schlüsselthema, das auch im Fokus der Battery Japan vom 2. bis 4 März 2016 in Tokyo steht.


Bild 1: Mit dem Verfahren zum Laserstrahlschweißen mit örtlicher Leistungsmodulation hat das Fraunhofer ILT einen serientauglichen Prozess für den Aufbau von Batteriepacks entwickelt.

© Fraunhofer ILT, Aachen


Bild 2: Kontaktierung von Batteriezellen Typ 18650 mittels Laserbonden.

© Fraunhofer ILT, Aachen

Die Battery Japan ist Teil der World Smart Energy Week in Tokyo. Mit insgesamt 9 Teilmessen und 227 Konferenzsessions ist es die größte Veranstaltung ihrer Art in Japan. In diesem Jahr werden 80.000 Messe- und 21.000 Konferenzbesucher aus der ganzen Welt erwartet.

Zusammen mit der Fraunhofer-Allianz Batterie präsentiert das Fraunhofer ILT neue Technologien für die lasergestützte Batteriefertigung auf dem Stand W23-26-d.

Laserschweißen von Batteriepacks ist serienreif

Egal ob im Auto, im Flugzeug oder im Laptop: Die Akkus müssen unter verschiedenen Umwelteinflüssen dicht bleiben. Die Forderung gilt ohne Abstriche natürlich auch für große Batteriepacks aus der industriellen Serienfertigung. In den vergangenen Jahren haben Experten vom Fraunhofer ILT deshalb Schweißprozesse entwickelt, die auch bei dünnen Materialien eine hohe Dichtheit der Schweißnähte gewährleisten.

Zusammen mit anderen Fraunhofer-Instituten arbeiten sie am Aufbau eines Batteriepacks mit 4.800 Zellen vom Typ 18650. Ein Technologiedemonstrator, der auch auf der Battery Japan ausgestellt wird, zeigt dabei die Realisierung eines Zellblocks, bei dem Plus- und Minuspol von einer Seite der Zelle kontaktiert werden.

Durch die Überlagerung der generellen Vorschubbewegung mit einer hochfrequenten kreisförmigen Oszillationsbewegung kann der Energieeintrag so präzise gesteuert werden, dass in die 300 µm starke metallische Zellwand eingeschweißt wird und der darunterliegende Kunststoff nicht beschädigt wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten einer modularen Bauweise sowie einer vereinfachten Montage der Blöcke zu Modulen und Batteriepacks.

Die Technologie wurde im Rahmen der »Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II« entwickelt, einem Verbundforschungsprojekt, in dem zuletzt 16 Fraunhofer-Institute Projektthemen in den Clustern »Antriebsstrang / Fahrwerk«, »Batterie / Range Extender« sowie »Bauweisen / Infrastruktur« bearbeitet haben.

Ribbon-Bonding mit dem Laser

In einem ähnlichen Verfahren können moderne Lasersysteme mit sehr guter Strahlqualität auch Drähte und Bändchen aus Kupfer oder Aluminium an Batteriekontakte bonden. Im Unterschied zum konventionellen Ultraschall-Bonden benötigt der Laser dabei weniger Reinigungsprozesse der Materialoberflächen und der Fügeprozess ist weniger abhängig vom Unterbau und dem Schwingungsverhalten des Werkstücks.

Das Verfahren lässt sich natürlich auch automatisieren. Mittelständler können damit eigene Lösungen für mobile oder stationäre Anwendungen entwickeln. Ein Beispiel dafür ist ein konventioneller Ultraschall-Bondautomat mit integriertem Laserbondkopf, den das Fraunhofer ILT zusammen mit der Firma F & K Delvotec Bondtechnik GmbH aus Ottobrunn entwickelt hat. Der Laserstrahlschweißprozess lässt dabei größere Bändchendicken zu als mit Ultraschallbonden verarbeitbar sind.

Das Laserbonden lässt sich ganz unterschiedlich einsetzen, im Vordergrund stehen elektrische Kontaktierungen für Leistungselektronik und Verbindungstechniken bei der Herstellung von Batteriesystemen für die Elektromobilität. Während das konventionelle Bonden in diesem Bereich zunehmend an physikalische Grenzen stößt, wird das Laserbonden für breitere und dickere Bändchen weiterentwickelt.

Termin

Battery Japan, 2. - 4 März 2016, Tokyo, Stand W23-26-d.

Ansprechpartner

Johanna Helm, M.Sc.
Gruppe Mirkofügen
Telefon +49 241 8906-8382
johanna.helm@ilt.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Paul Heinen
Gruppe Mikrofügen
Telefon +49 241 8906-145
paul.heinen@ilt.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Alexander Olowinsky
Gruppenleiter Mikrofügen
Telefon +49 241 8906-491
alexander.olowinsky@ilt.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.ilt.fraunhofer.de/

Petra Nolis | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

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