Batterieherstellung für ElektroMobilität mit Lasertechnologie

Ohne Batteriezellen keine Batterien. Beim Elektroauto entfallen bis zu 40 Prozent der Wertschöpfung auf Batteriezellen. Standardisierte Zellformate gibt es leider noch nicht. So sind bis 2019 in 7,9 Millionen weltweit produzierten Elektro-PKW Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich drei Zellformate zu finden: zylindrisch, prismatisch und pouch. Die gebräuchlichste ist die runde bzw. zylindrische Zelle wie sie im Tesla M3 verbaut wird. Sie wird flexibel aneinandergereiht in Form von vielen Packs im gesamten Bodenbereich von E-Autos verwendet. Die prismatische Zelle, die z. B. in der BMW i-Reihe - i3 und i8 - zum Einsatz kommt, ist rechteckig und gilt als sicherstes Zellformat. pouch Zellen sind dagegen im Fertigungsprozess günstiger, aber können auch unsicherer, sprich leichter entflammbar sein.

LASERTECHNIK EINE SCHLÜSSELKOMPONENTE in der Batterieherstellung für
ElektroMobilität

Auf dem spannenden Weg zum Massenmarkt der Elektromobilität benötig nicht nur die deutsche Industrie innovative Technologien für die Produktion in Serie. Gefragt sind robuste Verfahren, die sich schnell von den heute geringen Produktionsvolumina hochfahren lassen. Einen wichtigen Beitrag dazu liefert die Lasermaterialbearbeitung. Wesentliche Elemente davon sind Laser und die extrem wichtigen Systemkomponenten wie Laserablenkeinheiten, Optik, Sensorik, Qualitätsmonitoring und digitale Steuerung. Die Lasermaterialbearbeitung ist eine Schlüsselkomponente in der Fertigung für die Elektromobilität. Dieses Verfahren kommt bei der Fertigung von wesentlichen Bestandteilen zum Einsatz, dazu zählen u. a. der elektrische Antrieb selbst, die Herstellung von Batteriezellen, -modulen und -packs, und schließlich die notwendige Leistungselektronik. Die Lasermaterialbearbeitung ermöglicht es also erst, die Batterie effizient, kontaktlos und bezahlbar herzustellen bei gleichzeitig maximaler Auslastung und maximaler Flexibilität.

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Whitepaper: Batterieherstellung in der E-mobilität

RAYLASE arbeitet mit seinen Kunden in den folgenden drei für die Elektromobilität wichtigsten Applikationen zusammen:

3 Applikationen für die Elektromobilität

Applikation 1 - Laser-Schneiden von Elektroden-Folien bei der Batterieherstellung

Von der effizienten Batteriefertigung hängt derzeit viel für die Branche ab, denn eine schnellere und präzisere Herstellung führt in der Produktion zu enormen Kosteneinsparungen. Die moderne Lasertechnologie erweist sich hier als innovativer Treiber, mit dem die Elektromobilität nur gewinnen kann. Bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Batteriezelle geht es im Wesentlichen um drei Produktionsschritte:

Die Elektrodenfertigung, die Zell-Assemblierung sowie das Zell-Finishing.

Die Elektrodenfertigung und das Zell-Finishing sind weitest- gehend unabhängig vom Zelltyp durchzuführen, während innerhalb der Zell-Assemblierung zwischen Pouch- und Zylindrischer sowie der Prismatischen Zelle unterschieden wird. Unabhängig vom Zelltyp besteht die kleinste Einheit jeder Lithium-Ionen-Zelle aus zwei Elektroden nämlich eine beschichtete Folie für die Anode (Kupfer) und Kathode (Aluminium) und einem mikroporösen Separator aus Kunststoff, der die Elektroden voneinander trennt. Dazwischen befindet sich der ionenleitfähige Elektrolyt.

Applikation 2 - „Tab-Welding“ und „Zellverbinder-Schweißen“ unterschiedlicher Zellformate

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet moderner Lasersysteme in der Elektromobilität ist der Bereich „Schweißen“. Bekanntlich soll die Ladung einer Batterie möglichst in vollem Umfang, in möglichst hoher Spitzenlast, über einen möglichst langen Zeitraum zur Verfügung stehen. Aber wo Strom fließt, sind immer auch elektrische Widerstände. Diese können unter Umständen den Wirkungs- grad der Batterie drastisch begrenzen. Gerade bei der Reihenschaltung von vielen einzelner kleiner Batteriezellen oder Submodulen zu einem größeren Zellverbund wie einem „Pack“ oder „Stack“, können sich solche kleinen Übergangswiderstände schnell zu einem großem Gesamtwiderstand summieren. Und den gilt es zu vermeiden.

Grafik Batteriemodul
Grafik Batteriepack

Applikation 3 - Laser-Verschweißen von Aluminiumbauteilen an Batterie-Packs

Ein anderes und nicht weniger wichtiges Einsatzgebiet von Laser-Ablenkeinheiten an Batterie-Packs, sind die unter- schiedlichen Schweißapplikationen an Aluminiumbauteilen. Sie werden mittels Lasertechnologie miteinander und zu- einander gefügt.

Diese teilweise sehr dünnen Aluminiumbauteile stellen hohe Anforderungen an den Schweißprozess. Gefordert sind große Flexibilität in der Erzeugung komplexer Schweißkonturen bei gleichzeitig hoher Positionsgenauigkeit. Die Herausforde- rung liegt zudem darin, die sehr großen Laser-Prozessfelder mit nur einer Lasereinheit mit sehr feiner Spotgröße bearbeiten zu können.

Intelligente Schweißrampenfunktionen auf der Kontrollelektronik sorgen dafür, dass der Energieeintrag in die Fügepartner zu jedem Zeitpunkt ein gleichmäßiges Schweißergebnis erzeugt.

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