Beim Bau von Elektroautos kommen heute fast ausschließlich Lithium-Ionen-Batterien auf Elektrolytbasis zum Einsatz. Alternative Zusammensetzungen wie Feststoffbatterien oder andere chemische Komponenten haben bislang noch nicht die notwendige industrielle Reife erreicht.
Die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ist ein sehr aufwändiger und sensibler Prozess, der sehr hohe Material- und Energiekosten mit sich bringt. Deshalb muss der Herstellungsprozess sehr effizient mit hohen Stückzahlen und geringstem Ausschuss erfolgen. Oberstes Ziel der Batteriebranche ist es, eine hohe gravimetrische Energiedichte (Wh/kg) und damit eine hohe Milage (Reichweite) zu erzielen, was sich direkt in der Reichweite von Elektroautos wiederspiegelt. Darüber hinaus gilt es Batteriezellen zu entwickeln und zu bauen, die den hohen Anforderungen der Automobilindustrie bezüglich Sicherheit, Performance und Lebensdauer entsprechen. Der Laser als Werkzeug bietet hier in punkto Prozesssicherheit, Präzision und Leistungsfähigkeit unübertroffene Vorteile.
In der Elektromobilität kommen drei Typen bzw. Formate von Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Das Funktionsprinzip aller Typen ist im Wesentlichen gleich. Die Hauptunterschiede liegen in der Bauweise, den Anforderungen und eingesetzten Materialien.
Das Verbinden von Einzel-Zellen zu Modulen oder Packs erfolgt durch das sogenannte Busbarschweißen. Als Busbar wird hierbei eine stromführende Schiene bezeichnet. Prismatische Zellen bzw. Zellmodule können mit artgleichen Materialien (Al/Al oder Cu/Cu), aber auch Mischverbindungen (z.B. Al/Cu) verbunden werden. Dabei ist es wichtig, dass die Verbindungen mechanisch fest sind, da sie im Fahrzeug Vibrationen und Hitze ausgesetzt sind. Gleichzeitig muss eine elektrische Verbindung mit geringstem Widerstand dauerhaft sichergestellt werden. Während des Schweißprozesses dürfen außerdem so wenige Spritzer wie möglich entstehen. Ebenfalls spielen die Reproduzierbarkeit, ein minimaler Wärmeeintrag sowie definierte Einschweißtiefen eine wichtige Rolle.
Beim Schneiden von Batteriefolien gibt es zwei Anwendungsbereiche. Zum einen das „slitting“; das kontinuierliche Längsschneiden bzw. Teilen des Motherhcoils (ein- oder beidseitig beschichtete Elektrodenfolie). Diese wird in mehrere Subcoils (Teile) geschnitten. Der Laser befindet sich hierbei in einer festen Position; die Folie läuft kontinuierlich durch den Laserstrahl von Rolle zu Rolle.
Der zweite Anwendungsbereich ist das Konturschneiden der beschichteten Elektrodenfolie. Hierbei werden vom Coil Elektroden (Anoden/Kathoden) in der benötigten Form und Anzahl geschnitten. In Kombination mit einer Scanneroptik und bewegten Achsen oder weiteren Lasern zur Vergrößerung des Scannfelds schneidet der Laser die Elektrodenfolie in die gewünschte Form. Die Geschwindigkeit liegt beim Konturschneiden bei über 1m/s. Die Foliendicke (Folie und beidseitige Beschichtung mit Aktivmaterial) bewegt sich zwischen 100 und 250 µm. Bei beiden Anwendungen erfüllen TRUMPF Laser die hohen Anforderungen der Batteriehersteller in punkto Schneidgeschwindigkeit, Wärmeeinflusszone, Gratbildung sowie Partikel- oder Spritzerbildung.
Nach dem Beschichtungsprozess muss das Aktivmaterial auf den Elektrodenfolien getrocknet werden. Industrielle VCSEL-Heizsysteme können diesen Schritt übernehmen, denn Laserquellen auf Basis von VCSEL-Arrays sind in der Lage große Flächen mit gerichteter wellenlängenselektiver Infrarotstrahlung sehr schnell und definiert zu erwärmen. Durch eine Reduzierung der Trocknungsstrecke wird der Footprint der Trocknungsöfen deutlich reduziert, zudem wird durch die Lösung die Prozessgeschwindigkeit erhöht sowie Kosten und Energie eingespart.
Elektrodenfolien sind sehr dünne Kupfer- und Aluminiumfolien (6-14µm dick), die als Trägerfolien für das Aktivmaterial als Anode und Kathode dienen. Die Folien werden als Stapel oder als Wickel an den jeweiligen Kontaktflächen (30-60 Lagen) zu je einer Anode und einer Kathode zusammengeschweißt. Mit unseren Lasern ist ein einseitiger Zugang zum Werkstück gewährleistet. Stapel mit über 60 Folien können so zuverlässig und bei minimalster Spritzerbildung geschweißt werden.
TRUMPF Laser verschließen das mit dem Elektrodenpaket bestückte, prismatische Batteriegehäuse (Can), das in der Regel aus einem tiefgezogenen Batteriegehäuse (0,6 - 0,8mm Wandstärke) besteht, mit dem Gehäusedeckel (Cap) 1,0 - 1,8mm mediendicht – ohne Poren, Risse oder unerwünschte Nahtwölbungen. State-of-the-art ist der Schweißprozess mit einer achsgeführten Festoptik mit Schweißgeschwindigkeiten von 10-12m/min. Die TRUMPF Technologie BrightLineWeld sorgt für spritzerarmes Schweißen und höchste Prozessstabilität. In Verbindung mit einer PFO Scanneroptik und Sensorik ist auch eine hochdynamische Lösung mit Schweißgeschwindigkeiten von über 25m/min möglich.
Batteriemodule bestehen aus mehreren zusammengeschalteten Batteriezellen zu einer Leistungseinheit in einem Modulgehäuse. Das Modulgehäuse erfüllt je nach verwendetem Zellformat eine etwas andere Funktion. In der Regel kommen hier Aluminiumlegierungen und z.T. auch Edelstähle zum Einsatz, welche eine mittlere bis hohe Zugfestigkeit aufweisen. Unsere Highpower IR Laser schweißen diese riss- und verzugsfrei mit höchster Festigkeit.
Bei Batteriezellen bzw. -modulen gibt es eine Vielzahl von Anwendungen zur Reinigung und Strukturierung mit Laser. Dies beginnt auf Elektrodenebene, bei der Aktivmaterial partial abgetragen oder strukturiert wird, und endet beim Zell- oder Modulgehäuse von Batterien, wo Oberflächen für eine bessere Haftung aufgeraut, oder Isolierlack, Säureflecken und Oxidationsschichten entfernt werden. Unser gesamtes Leistungsportfolio von Kurz- und Ultrakurzpulslasern kommt hier zum Einsatz.
TRUMPF Markierlaser beschriften die empfindlichen Batteriezellen und deren Gehäuse präzise und völlig berührungslos. So können zum Beispiel durch Black Marking alle Komponenten mit sehr hohem Kontrast und guter Lesbarkeit bei höchster Korrosionsbeständigkeit beschriftet werden. Diese Langlebigkeit ist auch Voraussetzung für die gesetzlich geforderte Rückverfolgbarkeit und Dokumentation der Bauteile.
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Ob Laser mit grüner Wellenlänge für das Schweißen von Cu-Materialien, Strahlformung (BrightLine Weld) für spritzer- und porenfreies Schweißen von Aluminium und Kupfer oder spezielle Sensoriken zur Qualitätssicherung und Prozessüberwachung – TRUMPF bietet unzählige, innovative Fertigungslösungen für die Fertigung von Batteriezellen. Dabei profitieren Sie von unseren Technologiepakten mit einer großen Auswahl an Laserstrahlquellen, Optiken, Sensoriken und Applikations-Know-how.
Die TRUMPF Technologie BrighLine Weld ist der Schlüssel zum spitzerarmen Laserschweißen von Busbars, Softconnectors, Can-Caps oder Modulhousings mit Highpower IR Lasern. Darüber hinaus sind unsere TruDisk Laser mit grüner Wellenlänge für hochreflektive Materialien wie z. B. Kupfer prädestiniert – bis zu 2kW cw oder gepulst bis 400 W mittlerer Leistung. Definierte und konstante Einschweißtiefen sind so realisierbar und sorgen für wiederholbare Prozesse. Beim Wärmeleitschweißen profitieren Sie außerdem von einem minimalen Wärmeeintrag ins Werkstück. Speziell zur automatisierten und hochproduktiven Fertigung sind unsere Sensoriken VisionLine OCT und Einschweißtiefenüberwachung) einwickelt worden. So können Sie sich immer auf eine vollständige Dokumentation und Rückverfolgbarkeit verlassen.
Unser TruDisk Laser Design ermöglicht mit mehreren Laserabgänge pro Laser eine optimale Auslastung des Lasers im Timesharing und Redundanzbetrieb. Darüber hinaus profitieren Sie durch unsere Laserleistungsregelung von einer immer gleichbleibenden Laserleistung am Werkstück.
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