Fraunhofer-Lasertechnik für produktivere Akkufertigung

Wissenschaftler des Fraunhofer ILT in Aachen arbeiten an einer produktiveren Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Dazu erforschen sie im BMBF-Projekt „HoLiB“ und im AiF-Projekt „MikroPuls“, wie sich Lasertechnik zum wirtschaftlichen Kontaktieren und Fügen artungleicher Werkstoffe einsetzen lässt.

Im BMBF-Projekt „HoLiB – Hochdurchsatzverfahren in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien“ des Kompetenzclusters zur Batteriezellproduktion (ProZell) entwickelt und qualifiziert das Team des Fraunhofer ILT ein Laserverfahren, mit dem sich Anoden und Kathoden mit den Kontakten, den so genannten Ableitertabs, verbinden lassen. Grundsätzlich widmet sich das bis September 2022 laufende Projekt neuen Technologien zur Konfektionierung, Stapelbildung und Kontaktierung sowie der Beschleunigung 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 Magazin. Hier kommt das Fraunhofer ILT ins Spiel: Für das Laserverfahren, das Anoden und Kathoden mit den Kontakten verbinden soll, erproben die Aachener drei unterschiedliche Strahlquellen. Hintergrund ist, dass die Anoden aus Kupfer, die Kathoden aus Aluminium und die Ableitertabs aus beiden Werkstoffen bestehen. So 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.“

Am Fraunhofer ILT wird zudem der Einsatz eines Drehtellers mit mehreren Stationen getestet, 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“, heißt es in einer begleitenden Mitteilung. 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 könne der laserbasierte Kontaktierungsprozess für den ersten abgelegten Stapel ohne Zeitverlust starten.

Mit ihrer Laser-Expertise sind die Aachener zudem beim Projekt MikroPuls der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefragt. Das Projektteam arbeitet noch bis September 2021 an der Verbindung von Batteriezellen. Das Fraunhofer ILT entwickelt hierfür zusammen mit Partnern Prozesse, die Kupfer, Aluminium und Stahl mit einem im Nanosekunden-Bereich gepulsten Infrarot-Faserlaser verbinden.

Es handele sich um anspruchsvolle Prozesse, weil sich die elektrischen, dünnen Kontakte thermisch sensibel verhalten und nicht zu sehr erhitzt werden dürfen, so Elie Haddad, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT. „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.“ Eine besondere Herausforderung sind nach Angaben von Haddad auch die artungleichen Verbindungen etwa zwischen Kupfer und Aluminium. „Hier entstehen schnell intermetallische Phasen, welche die Qualität der Schweißnaht verschlechtern.“

Versuche unter anderem mit Kupfer-Aluminium-Verbindungen an Pouch-Zellen und Kupfer-Stahl-Verbindungen an zylindrischen Zellen haben laut den Aachenern 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 Schweißprozess dauert in der Regel länger. Es gibt also noch Parameter, die es zu verbessern gilt.“

Das Fraunhofer-Institut hat 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, teilen die Wissenschaftler mit. Die Anlage könne nicht nur fügen, sondern zum Beispiel auch Material abtragen, etwa um Oberflächen zu strukturieren.
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