Leichtbau-Batteriepacks per Laserstrahl

Die Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe weiterzuentwickeln ist in wirt­schaft­licher und umwelt­politischer Hinsicht zukunfts­weisend. Das Fraunhofer-Institut für Laser­technik ILT erarbeitet im Rahmen des Verbund­projekts „Fraunhofer System­forschung Elektro­mobilität II“ Verfahren zur Herstellung von Leichtbau-Batterie­packs, die maßgeblich zur Reduzierung des Kohlen­dioxid-Ausstoßes beitragen. Drei unterschiedliche und teilweise komplementäre Prozess­techniken kommen zum Einsatz, um Antriebs­energie für Fahrzeuge bereit­zustellen.

Bei der Bearbeitung von hochfestem Stahl gilt es, zu hohe thermische Beeinflussung und somit Material­schäden zu vermeiden. Deswegen eignet sich der Einsatz des Laser­strahl­schneidens und -schweißens hier besonders gut. Zudem sind diese Verfahren wirtschaftlich effizienter als traditionell eingesetzte spanende Verfahren, da hier kein Material­verschleiß entsteht. „Dieser Bearbeitungs­prozess wird derzeit bereits von Volvo eingesetzt. Neu ist hier allerdings die Kombination einer Kunststoff/­Metall-Verbindung beispielsweise für den Einsatz in der Karosserie, die wir der Automobil­industrie erstmalig vorstellen“, sagt Alexander Olowinsky vom ILT. „Dank der Verbindung mit Kunststoff wird letztlich weniger Stahl in der Anwendung benötigt. Wir erzielen eine höhere Festigkeit des Batterie­gehäuses bei gleichzeitiger Gewichts­reduktion. Durch diesen Prozess stellen wir sicher, dass das Leichtbau­potenzial von hoch­festem Stahl ausge­schöpft werden kann.“

Als technologische Prozess­alternative zum herkömmlichen Kleben von Multi­material­verbünden stellt das ILT ein Laser­verfahren zur Verbindung von einfachen Halbzeugen, den Organo­blechen mit Metallen, wie etwa hoch­festem Stahl, vor. Dieser Prozess kann beispiels­weise im Automobil­leichtbau Verwendung finden sowie in den Bereichen Mechanik und Klein­bau­teile. Bei dem zwei­stufigen Verfahren wird zunächst über einen kontinuierlich emittierenden Faser­laser auf der Metall­seite mit hoher Geschwindigkeit eine Mikro­struktur eingebracht. Die Strukturen mit Breiten von dreißig Mikro­meter und etwa hundert Mikro­metern Tiefe weisen einen Hinter­schnitt auf. Im nachfolgenden Füge­schritt wird der Kunststoff an die Struktur gedrückt und bis zur schmelz­flüssigen Phase des Matrix­werk­stoffes erwärmt. Der Matrix­werk­stoff fließt dann in die Mikro­strukturen und verkrallt sich in den Hinter­schnitt­strukturen. Das Ergebnis: Die Verbindung ist hoch­belastbar ohne die Anwendung eines Zusatz­werkstoffs.

Für den Aufbau kompletter Batteriepacks setzen die Forscher auf Oszillations­schweißen mittels Laser­strahl. Hier werden einzelne Batterie­zellen vom Typ 18650, die in der Regel in Power­tools oder Note­books verwendet werden, elektrisch und thermisch mit Kupfer­kontakten zur Strom­führung miteinander verschweißt. Das Besondere daran ist, dass die Kontaktierung am Minuspol auch von der Oberseite der Zelle stattfindet. In einer Parallel­schaltung von dreißig Zellen wird durch die Bauweise des Moduls ein dichter Raum zwischen den Batterie­zellen geschaffen und mit PCM Slurry – Phase Change Material, einer Mischung aus Paraffin und Wasser – aufgefüllt. „Durch die Verwendung des PCM werden die Batterie­zellen im Einsatz thermisch geschont. Letztlich verlängert dies die Lebens­dauer der Batterie“, sagt ILT-Forscher Benjamin Mehlmann. Der Einsatz von Oszillations­schweißen mittels Laser­strahl führt hier zu einer besseren Kontrolle der Einschweiß­tiefe und damit zu einem gut beherrschbaren Prozess. Zudem ist das Verfahren qualifiziert und für die industrielle Massen­fertigung geeignet, zum Beispiel für die Herstellung von Powertools.

Die Kombination dieser drei Prozess­techniken eignet sich aufgrund der hohen Automati­sier­barkeit und der guten Kontrollier­bar­keit der Energie­einbringung besonders für die Groß­serien­produktion, beispielsweise von Traktions­batterien für Fahrzeuge. Da der Markt für diese Fahrzeuge stetig wächst, ist diese Entwicklung sehr zukunfts­trächtig. „Um die Batterie­fertigung in Deutschland voran­zutreiben – derzeit werden die meisten Komponenten von auswärts eingekauft – müssen unsere Prozesse auto­matisierbar, robuster und günstiger werden“, so Olowinsky. Das Besondere an den Leichtbau­batteriepacks ist ihr Modularitäts­charakter: Die Traktions­batterien sind sowohl für Hybrid­fahrzeuge als auch für den Einsatz in EV-Fahrzeugen mit höherer Reichweite geeignet.

Fh.-ILT / RK