Elektrospeicher: sichere Kontaktierung von Batteriezellen durch Laserstrahlschweißen

Mit dem Aufkommen des Themas Elektromobilität vor rund sechs Jahren beschäftigt sich das Fraunhofer ILT mit dem laserbasierten Batteriefügen, also dem Verbinden einzelner Zellen zu Packs. Aktuell arbeiten die Aachener zusammen mit anderen Fraunhofer-Instituten am Aufbau eines kompletten Batteriepacks.

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Fügetechnik, bei der Faserlaser mit einer Leistung bis 1,0 kW zum Einsatz kommen. Dabei nutzen die ILT-Wissenschaftler ein Verfahren, das sich bereits bei anderen Anwendungen bewährt hat.

Die Rede ist vom sogenannten Oszillations-Laserschweißen, das für einen gezielten Energieeintrag bei den Batterien sorgt. Dabei wird der Vorschubbewegung eine kreisförmige oder pendelnde Oszillation des Laserstrahls überlagert, ein Prinzip, das aus dem Elektronenstrahlschweißen bekannt ist und dort zu einer Prozessstabilisierung und -verbesserung führt. Dank dieser örtlichen Modulation lässt sich der Schweißprozess sehr gut steuern. Außerdem erlaubt sie auch Rundschweißungen auf der Batterieoberseite.

Verschweißen von 4800 Zellen

Es entsteht beim Aufschmelzen der Metalle in einem sehr kleinen Bereich (0,1 bis 0,25 Millimeter) kurzzeitig eine hohe Temperatur, die aber nach dem Laserschweißen sehr schnell abkühlt. »Wir verschweißen beispielsweise bei Notebook-Zellen – direkt über temperaturempfindlichem Kunststoff – hauchdünne Stahlbleche mit Kupferlegierungen«, erläutert Mehlmann, Experte für das Mikrofügen metallischer Werkstoffe am Fraunhofer ILT.

»Das gelingt nur, weil das Verfahren sehr schnell arbeitet und wenig Energie einbringt.« Die Rundzellen werden bevorzugt in mobilen Computern, Elektrowerkzeugen, etwa im Akkuschrauber, und unkonventionellen Elektroautos wie dem Tesla Roadster verwendet.

Das Oszillations-Laserschweißen kommt aktuell zum Einsatz beim Fügen von 4800 Standardzellen (Durchmesser: 18 Millimeter, Höhe: 65 Millimeter) zu einem sogenannten Pack für ein Elektroauto. Weil die Zellen im geladenen Zustand geschweißt werden, steht Sicherheit an oberster Stelle: In den Zellen befinden sich nämlich Elektrolyte, deren Austreten unbedingt vermieden werden muss.

Optimieren des Oszillations-Laserschweißens

Aktuell befindet sich das Fraunhofer ILT in der sogenannten Validierungsphase, in der Mehlmann und sein Team den Prozess verbessern und sicher machen. Beim Optimieren des Oszillations-Laserschweißens nutzen die Experten Erfahrungen und Know-how aus mehreren Projekten für die Fraunhofer-Gesellschaft und die Industrie.

Das Institut beschränkt sich auch nicht auf das Fügen der kleinen Rundzellen, sondern entwickelt das Laserschweißen anderer Batteriebauteile weiter. Für die Methode spricht auch, dass sie sich automatisieren lässt und dass daher umständliches, manuelles Schweißen entfällt. Interessant ist das Verfahren für Mittelständler, die damit eigene Lösungen für mobile und auch für stationäre Anwendungen entwickeln wollen.

Hierzu gehört auch die Integration des Verfahrens in einen konventionellen Bändchenbonder. Diese Entwicklung entstand in einem öffentlich geförderten Projekt zusammen mit der F & K Delvotec Bondtechnik GmbH aus Ottobrunn, die den Prototypen zusammen mit dem Fraunhofer ILT auf der SMT Hybrid Packaging (05.-07. Mai 2015 in Nürnberg) auf Stand 7A-330 vorführt.

Das Fraunhofer ILT präsentiert das Gemeinschaftswerk vom 27.-29. April 2015 an seinem Stand (Nr. 25) auf der Fachtagung »Kraftwerk Batterie« im Eurogress in Aachen. Im Mittelpunkt dieser Anwendung steht die elektrische Kontaktierung von Batterien und Elektronik.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Benjamin Mehlmann
Gruppe Mikrofügen
Telefon +49 241 8906-613
benjamin.mehlmann@ilt.fraunhofer.de

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

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen

http://www.ilt.fraunhofer.de