Batterien sicher kontaktiert
Oszillations-Laserschweißverfahren ermöglicht Verbinden temperaturempfindlicher Rundzellen-Batterien.
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 Blöcken, den 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 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.
Abb.: Oszillations-Laserschweißen sorgt für die sichere, elektrische Kontaktierung von Batteriezellen. (Bild: Fh.-ILT)
Es entsteht beim Aufschmelzen der Metalle in einem sehr kleinen Bereich von 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 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 Pack für ein Elektroauto. Weil die Zellen im geladenen Zustand geschweißt werden, steht Sicherheit an oberster Stelle: Denn in den Zellen befinden sich Elektrolyte, deren Austreten unbedingt vermieden werden muss.
Aktuell befindet sich das ILT in der 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 ILT auf der SMT Hybrid Packaging (5. – 7. Mai 2015 in Nürnberg) auf Stand 7A-330 vorführt.
Das 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.
Fh.-ILT / CT
