Forscher setzen beim Batteriezellenfügen auf doppelten Lasereinsatz

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Nanosekunden-Laserpulse lassen wärmeempfindliche Bauteile kalt

Das Verbinden von Batteriezellen behandelt das zweite Projekt, ein AiF-Projekt, mit Namen Mikropuls. Mit Unterstützung von Industriepartnern entwickelt das ILT dabei Prozesse, die Kupfer, Aluminium und Stahl mit einem im Nanosekundenbereich gepulsten Infrarotfaserlaser miteinander verschweißen können.

Das sei nicht trivial, weil sich die elektrischen, sehr dünnen Kontakte thermisch sensibel sind, und deshalb nicht zu sehr erhitzt werden dürften. Das gilt als Balanceakt, denn wenn zu wenig Energie eingebracht wird, fehlt der Verbindung die mechanische Stabilität. Und bei zu viel Energie, wird die Wirkung der Batterien beeinträchtigt oder ihre Lebensdauer verkürzt. Manche der empfindlichen Elektrolyte werden bereits bei 60 Grad Celsius zerstört, merkt Elie Haddad, wissenschaftlicher Mitarbeiter am ILT, dazu an. Der schnelle Mikropuls-Prozess schaffe Abhilfe, weil er bei einer maximalen mittleren Leistung von 200 Watt sogar Kupfer-Schweißungen möglich mache, und deshalb recht wenig Energie die Bauteile beanspruche.

Unterschiedliche Werkstoffe sicher miteinander verbinden

Eine andere, besondere Herausforderung sind stellen Verbindungen sich fremden Werkstoffen dar, wie etwa zwischen Kupfer und Aluminium. Haddad erklärt: „Hier entstehen schnell intermetallische Phasen, welche die Qualität der Schweißnaht verschlechtern.“ Sie könnten zum Beispiel dazu führen, dass hohe Übergangswiderstände auftreten, die entweder zu hohen Verlusten durch Hitze oder zu spröden Verbindungen führten, die den mechanischen Kräften nicht mehr standhalten könnten. Mit Zug-Scher-Tests und REM-Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskop analysieren die Experten die Schweißungen auf Stabilität, aber auch, um die intermetallischen Phasen zu verringern. Es gilt, die optimalen Parameter zu finden, mit denen Anwender auch artfremde Werkstoffe prozesssicher mit gleichbleibender Einschweißtiefe und hoher Qualität fügen kann.

Versuche unter anderem mit Kupfer-Aluminium-Verbindungen an Pouch-Zellen (auch Beutelzelle genannt – eine verbreitete Bauform von Lithium-Ionen-Akkus) und Kupfer-Stahl-Verbindungen an zylindrischen Zellen ergaben, dass sich mit dem Mikropuls-Fügeprozess so gute Verbindungen herstellen lassen, wie beim üblichen Continous-Wave-Laserschweißen (CW-Schweißen). Und das bei deutlich geringerem Energieaufwand, höherer Wiederholgenauigkeit und geringeren intermetallischen Phasen, betont Haddad. Doch ein Wermutstropfen bleibt, denn der Schweißprozess dauert in der Regel länger. Doch auch das Problem sei noch nicht abschließend untersucht – es bestehe Hoffnung.

Die Aachener haben übrigens bereits eine Anlage in Betrieb, die sowohl einen CW-Faserlaser als auch einen Nanosekundenpuls-Faserlaser integriert hat. Dabei ließen sich die Strahlquellen individuell ansteuern. Die Anlage kann deshalb nicht nur fügen, sondern zum Beispiel auch Material abtragen – etwa um Oberflächen zu strukturieren.

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