Laserfügen im Duett Forscher setzen beim Batteriezellenfügen auf doppelten Lasereinsatz

Redakteur: Peter Königsreuther

Die Automobilindustrie verlangt mit Blick auf die E-Mobilität produktivere Möglichkeiten für die Batteriezellenfertigung. Forschende am Fraunhofer-ILT wollen den Wunsch jetzt erfüllen helfen.

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Im Prozell-Projekt Holib untersucht das Fraunhofer-ILT unter anderem, mit welchen Laserstrahlquellen sich Anoden und Kathoden von Batteriezellen mit Kontakten besonders prozesssicher und schnell verbinden lassen. Hier das Fügen mit blauem Diodenlaser.
Im Prozell-Projekt Holib untersucht das Fraunhofer-ILT unter anderem, mit welchen Laserstrahlquellen sich Anoden und Kathoden von Batteriezellen mit Kontakten besonders prozesssicher und schnell verbinden lassen. Hier das Fügen mit blauem Diodenlaser.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Die Trendwende vom Verbrennungsmotor zum Elektroantrieb ist nicht mehr zu bremsen, heißt es. Der Erfolg hänge aber davon ab, ob Batteriezellen effizient und prozesssicher hergestellt und prozesssicher zu Modulen und Packs verschaltet werden könnten. Nur so könne der erwartete hohe Bedarf befriedigt werden. Zwei Projekte beschäftigen sich nun mit der Beantwortung der Fragen.

Produktive Hochstapelei für die Elektrodenkontaktierung

Zu den Enablern gehören etwa Prozesse, mit denen sich Lithium-Ionen-Batterien viel wirtschaftlicher herstellen lassen, als bisher. Das erforscht das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen, im Rahmen des BMBF-Projekts „Holib – Hochdurchsatzverfahren in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien“ des Kompetenzclusters zur Batteriezellproduktion (Prozell). Dabei geht es um neue Möglichkeiten zur Konfektionierung, Stapelung und Kontaktierung, sowie darum, wertschöpfende Zeitanteile innerhalb der gesamten Prozesskette zu verkürzen, heißt es. Die TU Braunschweig entwickelt deshalb für die Konfektionierung einen Laserstanzprozess, mit dem sich die Batterieelektroden 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, erklären die Forschenden.

Drei unterschiedliche Laserstrahlquellen werden untersucht

Hier kommt das ILT ins Spiel. Denn es entwickelt und qualifiziert ein Laserverfahren, mit dem sich Anoden und Kathoden mit den Kontakten, den so genannten Ableitertabs, besser verbinden lassen. Weil die Anoden aus Kupfer, die Kathoden aus Aluminium und die Ableitertabs aus beiden Werkstoffen bestehen, untersucht man nun drei unterschiedliche Strahlquellen: Es kommen ein blauer Diodenlaser (Wellenlänge 450 Nanometer), ein grüner Scheibenlaser (515 Nanometer) und ein Infrarotfaserlaser (1070 Nanometer) zum Einsatz. Der Fokus liegt darauf, zu finden, welche Strahlquelle sich für welche Fügeaufgabe am besten eignet, erklärt Johanna Helm, wissenschaftliche Mitarbeiterin am ILT. Erste Ergebnisse liegen schon vor. Demnach zeigt sich, dass sich der Folienstapel prozesssicher durchschweißen lässt. Aktuell verifiziert man noch die Prozessfenster und führt Schweißversuche in puncto Ableitertabs durch.

Die Wissenschaftlerin setzt auch auf einen Drehteller mit mehreren Stationen. Auf diesen lassen sich die Elektroden für das Kontaktieren stapeln. Das Ablegen von 20 Anoden und Kathoden durch ein Stapelrad geschieht im 0,1-Sekunden-Takt, betont die Forscherin, sodass innerhalb von 2 Sekunden ein Stapel fertig ist. 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 kann der laserbasierte Kontaktierungsprozess für den ersten abgelegten Stapel ohne Zeitverlust starten.

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