Oszillations-Laserschweißen sorgt für die sichere, elektrische Kontaktierung von Batteriezellen.
Fraunhofer ILT, Aachen
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT haben eine Lasertechnik zur Serienreife entwickelt, die das Schweißen von temperaturempfindlichen Rundzellen-Batterien ermöglicht. Damit sorgen die Aachener Forscher dafür, dass E-Autos künftig nicht der Strom ausgeht.
Spezialisten am Fraunhofer ILT beschäftigen sich mit dem laserbasierten Batteriefügen, also dem Verbinden einzelner Zellen zu Packs. Aktuell arbeiten die Aachener zusammen mit anderen Fraunhofer-Instituten am Aufbau eines kompletten Batteriepacks.
Eine wichtige Rolle spielt dabei laut Institutsangaben die Fügetechnik, bei der Faserlaser mit einer Leistung bis 1,0 kW zum Einsatz kommen. Dabei nutzen die ILT-Wissenschaftler das sogenannte Oszillations-Laserschweißen. Es sorgt, wie die Aachener ausführen, für einen gezielten Energieeintrag bei den Batterien. Dabei werde der Vorschubbewegung eine kreisförmige oder pendelnde Oszillation des Laserstrahls überlagert. Dabei handelt es sich, wie die Forscher erläutern, um ein Prinzip, das aus dem Elektronenstrahlschweißen bekannt ist und dort zu einer Prozessstabilisierung und -verbesserung führt. Mithilfe dieser örtlichen Modulation lasse sich der Schweißprozess sehr gut steuern. Außerdem erlaube sie auch Rundschweißungen auf der Batterieoberseite.
Verschweißen von 4800 Zellen
Beim Aufschmelzen der Metalle entsteht, so führen es die Wissenschaftler aus, in einem sehr kleinen Bereich (0,1 bis 0,25 Millimeter) kurzzeitig eine hohe Temperatur, die aber nach dem Laserschweißen sehr schnell abkühlt. "Wir verschweißen beispielsweise bei Notebook-Zellen - direkt über temperaturempfindlichem Kunststoff - hauchdünne Stahlbleche mit Kupferlegierungen", erläutert Mehlmann, Experte für das Mikrofügen metallischer Werkstoffe am Fraunhofer ILT. "Das gelingt nur, weil das Verfahren sehr schnell arbeitet und wenig Energie einbringt." Die Rundzellen würden bevorzugt in mobilen Computern, Elektrowerkzeugen, etwa im Akkuschrauber, und unkonventionellen Elektroautos wie dem Tesla Roadster verwendet.
Aktuell kommt das Oszillations-Laserschweißen beim Fügen von 4800 Standardzellen (Durchmesser: 18 Millimeter, Höhe: 65 Millimeter) zu einem sogenannten Pack für ein Elektroauto zum Einsatz, verrate die Experten. Weil die Zellen im geladenen Zustand geschweißt würden, stehe Sicherheit an oberster Stelle: In den Zellen befänden sich nämlich Elektrolyte, deren Austreten unbedingt vermieden werden müsse.
Optimieren des Oszillations-Laserschweißens
Aktuell befindet sich das Fraunhofer ILT in der sogenannten Validierungsphase, in der Mehlmann und sein Team den Prozess verbessern und sicher machen. Beim Optimieren des Oszillations-Laserschweißens nutzen die Experten Erfahrungen und Know-how aus mehreren Projekten für die Fraunhofer-Gesellschaft und die Industrie. Das Institut beschränkt sich auch nicht auf das Fügen der kleinen Rundzellen, sondern entwickelt das Laserschweißen anderer Batteriebauteile weiter. Für die Methode spricht auch, dass sie sich automatisieren lässt und dass daher umständliches, manuelles Schweißen entfällt.