Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rührreibschweißen von Trägerfolien und Ableitern für prismatische Batteriezellen

Motivation

Die Elektromobilität ist ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Elektrifizierung des Antriebsstrangs bei Kraftfahrzeugen ist der Einsatz von leistungsfähigen und effizienten Hochvoltspeichern (HVS). Diese bestehen i.d.R. aus einzelnen Batteriezellen, deren Hauptkomponenten beschichtete Kupferanoden bzw. Aluminiumkathoden sind. Die Elektroden sind dabei aus Stapeln von dünnen Folien (0,01-0,02 mm Dicke) aufgebaut. Die Folienstapel müssen an Ableiter gefügt werden. Dieser Vorgang wird als zellinterne Kontaktierung bezeichnet und wird nach aktuellem Stand der Technik mittels Ultraschall- oder Laserstrahlschweißen durchgeführt.

Zielsetzung

Das Ziel des Vorhabens ist es, das Rührreibschweißen (FSW) für die zellinterne Kontaktierung zu qualifizieren. Dadurch sollen reproduzierbarere und qualitativ hochwertigere Verbindungen erzeugt werden, als es bisher möglich ist. Zudem sollen die Einschränkungen hinsichtlich der maximalen Trägerfolienanzahl angehoben werden, was sich positiv auf die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen auswirkt.

Lösungsweg

Der Lösungsweg setzt sich zusammen aus drei Phasen. Zunächst müssen die Anforderungen und Randbedingungen, wie bspw. die geforderte elektrische Leitfähigkeit oder die erforderliche Festigkeit der Verbindung ermittelt werden. Hierfür werden im Anschluss mit Hilfe von statistisch geplanten und ausgewerteten Schweißversuchen geeignete Spann- und Werkzeugkonzepte entwickelt und umgesetzt. Die Ergebnisse werden validiert und münden in einer Potenzialanalyse.

Nutzen

Die Elektromobilität bedeutet eine Gefahr und gleichzeitig eine Chance für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Während Geschäftsmodelle, die auf den klassischen Antriebsstrang ausgelegt sind, an Bedeutung verlieren werden, entstehen neue Geschäftsfelder. Diese müssen insbesondere von kleinen und mittelständischen Unternehmen frühzeitig mitgestaltet werden. Dazu leistet das Vorhaben einen wichtigen Beitrag.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt wurde das Mikro-Rührreibschweißen für die zellinterne Kontaktierung von prismatischen Lithium-Ionen-Batterien qualifiziert.

Zunächst wurden hierfür die Randbedingungen sowie die Anforderungen gemeinsam mit dem projektbegleitenden Ausschuss definiert. Das Ergebnis war ein Anforderungskatalog, welcher im Projektverlauf zur Bewertung genutzt wurde. Danach wurden Schweißwerkzeuge sowie Spannvorrichtungen für zwei Fügestoßgeometrien (Mehrfach-Überlapp- und Mehrfach-Stumpfstoß) konstruiert, erprobt und weiterentwickelt. Eine Erkenntnis war, dass sich für das Schweißen im Mehrfach-Stumpfstoß auch einfachere Werkzeuge ohne Schweißstift eignen. Mit den Werkzeugen und Spannvorrichtungen wurden anschließend Schweißversuche durchgeführt und dabei die Axialkräfte, Spindeldrehmomente und Temperaturen gemessen. Die Kräfte lagen für die Kupfer-Punktschweißungen bei maximal 2400 N, was eine relevante Größe für die Spanntechnikauslegung ist. Die Spindeldrehmomente bewegten sich bei Werten von unter 1,5 Nm und die gemessenen Temperaturen im Nahtnebenbereich unterhalb der festgelegten Maximaltemperatur von 90 °C.

Im Projektverlauf zeigte sich, dass das Linienschweißen mit einer stationären Schulter und das Punktschweißen vielversprechende Verfahrensvarianten sind. Die mechanischen sowie die elektrischen Eigenschaften der Verbindungen wurden als sehr gut bewertet. Am Ende wurden Vergleichsuntersuchungen mit den für die Anwendung industriell etablierten Verfahren (Laserstrahlschweißen und Ultraschallschweißen) durchgeführt, wobei herausgearbeitet werden konnte, dass das Rührreibschweißen aufgrund der hohen Nahtqualitäten ein hohes Anwendungspotential aufweist. Als Alleinstellungsmerkmal wurde das schnelle Schweißen (0,3 s pro Schweißpunkt) sehr großer Folienstapel mit mehr als 100 Folien identifiziert. Das Verfahren ist damit vielversprechend für die schnelle zellinterne Kontaktierung energiedichter Lithium-Ionen-Batterien dar.