Lasergeschweißte Kupferverbinder an zylindrischen Zellen - Fraunhofer ILT.

Im Rahmen des AiF-Projekts MikroPuls entwickelt das Fraunhofer ILT Laserverfahren für die effiziente Kontaktierung von Batteriezellen. Bild: Fraunhofer ILT

Die effiziente und prozesssichere Herstellung von Batteriezellen ist eine der großen Herausforderungen für die Elektromobilität. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen entwickeln mit Universitäten und Industriepartnern im BMBF-Projekt HoLiB ("Hochdurchsatzverfahren in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien") und im AiF-Projekt ("Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen") MikroPuls Möglichkeiten, Lasertechnik zum wirtschaftlichen Kontaktieren und Fügen artungleicher Werkstoffe einzusetzen. Bei HoLiB geht es um neue Technologien zur Konfektionierung, Stapelbildung und Kontaktierung sowie um die Reduzierung nicht wertschöpfender Zeitanteile innerhalb der gesamten Prozesskette. Bei MikroPuls um die Feinkontaktierung thermisch empfindlicher Werkstoffe der Elektrotechnik mittels kurzen Laserpulsen.

Das ILT entwickelt und qualifiziert ein Laserverfahren, mit dem sich Anoden und Kathoden mit den Kontakten, den so genannten Ableitertabs, verbinden lassen. Weil die Anoden aus Kupfer, die Kathoden aus Aluminium und die Ableitertabs aus beiden Werkstoffen bestehen, entschieden sich die Aachener dazu, drei unterschiedliche Strahlquellen zu erproben. Es kommen ein blauer Diodenlaser (Wellenlänge: 450 nm), ein grüner Scheibenlaser (515 nm) und ein Infrarot-Faserlaser (1070 nm) zum Einsatz. Aktuell verifiziere man die Prozessfenster und führe bei den Ableitertabs Schweißversuche durch, schildert Johanna Helm, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer ILT. Die Wissenschaftlerin schlug außerdem den Einsatz eines Drehtellers mit mehreren Stationen vor, auf denen sich die Elektroden für das Kontaktieren stapeln lassen.

Integrierte Anlage zum Fügen und Abtragen bereits in Betrieb

Mit Unterstützung von Industriepartnern entwickelt das Fraunhofer ILT hProzesse, die Kupfer, Aluminium und Stahl mit einem im Nanosekunden-Bereich gepulsten Infrarot-Faserlaser miteinander verbinden. Anspruchsvolle Prozesse, da sich die elektrischen, dünnen Kontakte thermisch sensibel verhalten und nicht zu sehr erhitzt werden dürfen. Manche der empfindlichen Elektrolyte werden bereits bei 60°C zerstört, erläutert Elie Haddad, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT. Hier komme der schnelle MikroPuls-Prozess infrage, mit dem sich bei einer maximalen mittleren Leistung von 200 Watt sogar Kupfer-Schweißungen realisieren lassen. Eine besondere Herausforderung liegt den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zufolge in artungleichen Verbindungen, etwa zwischen Kupfer und Aluminium. Versuche unter anderem mit Kupfer-Aluminium-Verbindungen an Pouch-Zellen und Kupfer-Stahl-Verbindungen an zylindrischen Zellen ergaben, dass sich mit der MikroPuls-Fügung ebenso gute Verbindungen wie beim kontinuierlichen CW-Schweißen erzielen lassen. Die Aachener haben bereits eine Anlage in Betrieb, die sowohl einen CW-Faserlaser als auch einen Nanosekunden-gepulsten Faserlaser integriert hat.

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