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Oszillations-Laserschweißen sorgt für die sichere, elektrische Kontaktierung von Batteriezellen.
Fraunhofer ILT, Aachen

Oszillations-Laserschweißen sorgt für die sichere, elektrische Kontaktierung von Batteriezellen.

Aachener Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT haben eine Lasertechnologie zur Serienreife entwickelt, die mittels Laserstrahlschweißen eine sichere Kontaktierung von temperaturempfindlichen Batteriezellen ermöglicht. Seit rund sechs Jahren beschäftigt sich das Fraunhofer ILT mit dem laserbasierten Batteriefügen (dem Verbinden einzelner Zellen zu Packs), aktuelles Projekt ist der Aufbau eines kompletten Batteriepacks.

Dabei spielt dabei die sog. Fügetechnik, bei der Faserlaser mit einer Leistung bis 1,0 kW zum Einsatz kommen, eine wichtige Rolle. Die ILT-Wissenschaftler nutzen dafür ein Verfahren, das sich schon bei anderen Anwendungen bewährt hat: das sog. Oszillations-Laserschweißen, das für einen gezielten Energieeintrag bei den Batterien sorgt. Der Vorschubbewegung wird dabei eine kreisförmige oder pendelnde Oszillation des Laserstrahls überlagert - dieses Prinzip ist aus dem Elektronenstrahlschweißen bekannt und führt dort zu einer Prozessstabilisierung und -verbesserung. Vorteil dieser örtlichen Modulation ist eine sehr gute Steuerung des Schweißprozesses sowie die Möglichkeit, auch Rundschweißungen auf der Batterieoberseite vorzunehmen.

Rundzellen findet man in Laptops, Akkuschraubern und auch im Tesla Roadster

 

Beim Aufschmelzen der Metalle entsteht in einem sehr begrenzten Bereich (0,1 bis 0,25 Millimeter) kurzzeitig eine hohe Temperatur, die jedoch nach dem Laserschweißen sehr schnell abkühlt. Dipl.-Ing. Benjamin Mehlmann, Experte für das Mikrofügen metallischer Werkstoffe am Fraunhofer ILT, erklärt: "Wir verschweißen beispielsweise bei Notebook-Zellen - direkt über temperaturempfindlichem Kunststoff - hauchdünne Stahlbleche mit Kupferlegierungen. Das gelingt nur, weil das Verfahren sehr schnell arbeitet und wenig Energie einbringt."

Aktuell kommt das Oszillations-Laserschweißen beim Fügen von 4.800 Standardzellen (Durchmesser: 18 Millimeter, Höhe: 65 Millimeter) zu einem Batterie-Pack für ein Elektroauto zum Einsatz. Die Zellen werden im geladenen Zustand geschweißt, weshalb Sicherheit an oberster Stelle steht, damit die in den Zellen befindlichen Elektrolyte nicht austreten. Mit diesem Verfahren befindet sich das Fraunhofer ILT in der sog. Validierungsphase, in der das Forschungsteam um Mehlmann den Prozess verbessern und sicher machen – dabei kommt den Experten das gesammelte Know-how aus mehreren Projekten für die Fraunhofer-Gesellschaft und die Industrie zugute.

Die Wissenschaftler beschränken sich auch nicht auf das Fügen der kleinen Rundzellen, sondern entwickeln auch das Laserschweißen anderer Batteriebauteile weiter. Ein Vorteil der Methode ist es, dass sie sich automatisieren lässt und dadurch das umständliche, manuelle Schweißen entfällt. Vom 27.-29. April 2015 präsentiert das Fraunhofer ILT die Forschungsergebnisse an seinem Stand (Nr. 25) auf der Fachtagung »Kraftwerk Batterie« im Eurogress in Aachen.

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