inside Battery: das Qualitätsmerkmal „Zell-Kontaktierung“

Viele Energiespeicher aus Produkten unseres täglichen Umfeldes, angefangen bei eBikes, Notebooks, Power Tools über eFahrzeuge bis hin zu stationären Energiespeichern in privaten Haushalten und Unternehmen, bestehen aus einzelnen Rundzellen. Diese haben einen Durchmesser von 18 Millimetern und eine Höhe von 65 Millimetern und werden deswegen auch mit 18650 bezeichnet. Dieser Zelltyp hat sich in den letzten Jahren zu einem Industriestandard durchgesetzt und wird millionenfach in Asien gefertigt. Die größten Anbieter sind Samsung, Panasonic, LG und Sony.

Batteriezelle Rundzelle 18650

Batterien werden in zwei Kategorien untergliedert: Primärbatterie und Sekundärbatterie. Im Gegensatz zur Primärbatterie ist die Sekundärbatterie wiederaufladbar und wird umgangssprachlich auch als Akkumulator oder Akku bezeichnet. In den folgenden Abschnitten wird der Begriff „Batterie“ benutzt.

Bevor wir aber zum eigentlichen Thema kommen können, müssen noch ein paar grundlegende Basics zum Aufbau einer Batterie geschaffen werden. Wer mit diesem Thema bereits vertraut ist, kann den folgenden Abschnitt überspringen.

Der Aufbau einer Batterie

Die einzelnen Rundzellen werden vielfach zusammengeschaltet. Dies erfolgt über serielle oder parallele Verbindungen einzelner Rundzellen miteinander. Das Ergebnis ist dann die Batterie mit den resultierenden Leistungsdaten für die entsprechende Anwendung.

Verbindet man zum Beispiel zwei Lithium-Rundzellen mit jeweils 3,6 Volt Nominal-Spannung und einer Kapazität von 3 Ah seriell -auch „in Reihe“ genannt- bekommt man eine Gesamtbatterie mit einer Nominal-Spannung von 7,2 Volt (3,6 Volt + 3,6 Volt) und einer Kapazität von 3 Ah.

Reihenschaltung Serienschaltung Batterie

Verbindet man die oben bezeichneten Rundzellen parallel, also hintereinander, so erhält man eine Gesamtbatterie mit einer Nominal-Spannung von 3,6 Volt und einer Kapazität von 6 Ah (3 Ah + 3 Ah).

Parallelschaltung Batterie

Merke: Bei einer seriellen Verschaltung (Reihenschaltung) addiert man die Spannungen der Einzelzellen, bei einer Parallelschaltung die Kapazitäten, um die Leistungsdaten der Gesamtbatterie zu berechnen.

Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis man auf die Leistungsdaten der Gesamtbatterie gelangt. Bei einem eBike mit einem 36 Volt-Antriebssystem ist die Systemspannung vom Motor vorgegeben. Um auf die Spannung zu kommen, muss man 10 Lithium-Rundzellen in einer Reihenschaltung miteinander verbinden. Bleiben wir bei unserem Beispiel von oben, haben wir nun eine Gesamtbatterie mit 36 Volt und 3 Ah. Damit würde aber keiner Spaß haben, denn diese Batterie müsste schnell wieder an das Ladegerät angeschlossen werden. Also benötigt man mehr Kapazität. Dies erreicht man, wenn man nun hinter jede einzelne Rundzelle aus der Reihenschaltung noch weitere parallel anschließt. Erweitert man nun die Schaltung um jeweils 3 Rundzellen, erhält man eine Gesamtbatterie mit 36 Volt Spannung (3,6 Volt x 10 Zellen in Reihe) und einer Gesamtkapazität von 12 Ah (3 Ah x 4 Zellen parallel). Die Energie in unserer Beispiel-Batterie beträgt somit 432 Wh (36 Volt x 12 Ah).

Batteriepack - Serienschaltung und Reihenschaltung als Matrix

Die Gesamtbatterie aus dem Beispiel besteht aus insgesamt 40 Rundzellen. Diese Zellen müssen jeweils am Plus-Pol und am Minus-Pol mittels Nickelband, Litze oder speziell entwickelten Verbindungsblechen miteinander kontaktiert werden. In Summe sind das 80 Verbindungen, die einen direkten Einfluss auf die Qualität und die Funktion der Batterie haben. Immerhin sind eBike-Batterie starr mit dem Rahmen verbunden und dadurch den dynamischen Belastungen, wie Vibration und Erschütterungen, während der Fahrt auf der Straße oder im Gelände ausgesetzt. Temperaturschwankungen von bis zu 50 °C dürfen ebenso keine

Werfen wir mal einen Blick zur Automobilindustrie, z.B. zu Tesla mit über 8.000 Rundzellen in einer Antriebsbatterie des Tesla Model S, wird deutlich, wie wichtig die Qualität der Kontaktierung ist.

Die Kontaktierung der Rundzellen

Viele von uns werden folgendes Szenario von früher noch kennen: Der alte batteriebetriebene Handstaubsauger oder die Batterie des Akku-Schraubers quittiert seinen Dienst. Kurzerhand ist die Batterie zerlegt und die Einzelzellen kommen zum Vorschein. Schnell zum Elektronikhändler seines Vertrauens und die alten Sub-C-Zellen nachgekauft, sitzt man nun schon viele Minuten mit dem Lötkolben auf der Zelle und könnte verzweifeln. Die Lötfahnen lassen sich einfach nicht auf die Zelle löten. Mit Wut im Bauch  wirft man das komplette Gerät in den Müll – natürlich in den Elektronikmüll auf dem örtlichen Recyclinghof.

Status Quo – Kontaktierung von Batteriezellen durch Punktschweißen

In der Industrie kommt daher das Punktschweißverfahren zum Einsatz, entweder manuell oder teilautomatisiert.

Das Punktschweißen gehört zu den Verfahren des Widerstandsschweißens. Die zu verbindenden Werkstücke werden im ersten Arbeitsschritt passgenau übereinandergelegt. Zwei Elektroden pressen die beiden Werkstücke mechanisch zusammen und fixieren so die zu verschweißenden Teile. Durch die Zuführung einer starken Spannung wird ein Stromfluss zwischen beiden Elektroden erzeugt. Die Werkstücke stellen für den fließenden Strom einen Widerstand dar. Dadurch erhitzt sich das Metall punktuell sehr stark und verflüssigt sich. Durch den mechanischen Druck der Elektroden verschmelzen beide Werkstücke miteinander und sind nach dem Abkühlen untrennbar miteinander verbunden.

Batteriepack Kontaktierung Schweißen

Hierbei ist zu beachten, dass man die Rundzelle nicht zu stark beanspruchen darf. Sie werden vorgeladen angeliefert und müssen entsprechend so verarbeitet werden. Das heißt, dass in der Fertigung und Montage mit Vorsicht gearbeitet werden muss. Zu hohe Hitzeentwicklung während des Schweißens kann die Batterie schädigen. Die Hülle der Batterie wurde in den letzten Jahren immer dünner ausgelegt, damit die Kapazität durch das frei werdende Volumen gesteigert werden konnte. Zu viel Druck durch die Schweißelektroden kann somit die mechanische Form zerstören und das Elektrolyt freisetzen.

Sichere Kontaktierung von Batteriezellen durch Laserstrahlschweißen

Mit dem Aufkommen des Themas Elektromobilität vor rund sechs Jahren beschäftigt sich das Fraunhofer ILT 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 die Fügetechnik. Dabei nutzen die ILT-Wissenschaftler ein Verfahren, das sich bereits bei anderen Anwendungen bewährt hat. Die Rede ist vom sogenannten Oszillations-Laserschweißen, das für einen gezielten Energieeintrag bei den Batterien sorgt. Dabei wird der Vorschubbewegung eine kreisförmige oder pendelnde Oszillation des Laserstrahls überlagert, ein Prinzip, das aus dem Elektronenstrahlschweißen bekannt ist und dort zu einer Prozessstabilisierung und -verbesserung führt. Dank dieser örtlichen Modulation lässt sich der Schweißprozess sehr gut steuern. Außerdem erlaubt sie auch Rundschweißungen auf der Batterieoberseite.

Laserschweissen Rundzelle Fraunhofer ILT

Im folgenden Bild sind die Ergebnisse zwei verschiedener Laserschweißverfahren zu sehen. Das erste (1) am Kontaktbändchen auf dem Pluspol. Dabei handelt es sich nicht um klassisches Laserschweißen, sondern um Laserbonden, welches wiederum ein neues Verfahren ist und ebenfalls in dem Forschungsprojekt RoBE entwickelt wurde. Laserbonden ist eine Kombination aus klassischem Drahtbonden und Laserschweißen. Der innovative Ansatz besteht darin, ein quasi endloses Kupferband aus einem Bonder abzuspulen, auf die richtige Kontaktstelle zu bringen und dort per Laserschweißen zu befestigen. Danach fährt der Bonder in einer definierten Raumkurve auf den zweiten Kontaktpunkt, wo die zweite Schweißstelle angebracht wird und schneidet das Bändchen dann ab. Der Vorteil gegenüber dem klassischen Laserschweißen ist, dass kein eigener Verbinder gebraucht wird, der eigens angebracht und festgehalten werden muss, während das Schweißverfahren abläuft. Stattdessen hat der Bonder eine Vorratsrolle dieses Bändchens und kann es in jeder beliebigen Lage und Länge aufbringen. Der Prozess ist also wesentlich leichter automatisierbar und ist insofern mit dem üblichen Drahtbonden identisch. Dem gegenüber hat er aber den großen Vorteil, dass man größere Leitungsquerschnitte aufbringen kann, was für Batterien natürlich ein zentraler Punkt ist.

Batterie Kontaktierung mit Markierung

Das zweite (2) Ergebnis auf dem Bild ist das klassische Laserschweißen auf einer Kontaktmaske in der Ebene darunter. Hier werden die Gehäuseränder der vier Zellen mit dem Ableiterblech verschweißt. Diese Maske ist durch eine isolierende Zwischenschicht einige Millimeter unter dem oberen Kupferblech getrennt fixiert.

Plus- und Minuspol der Zelle werden also beide auf der Oberseite kontaktiert – ein Vorteil, der Batteriepackherstellern natürlich bereits positiv aufgefallen ist.

Diese Entwicklung entstand in einem öffentlich geförderten Projekt namens RoBE zusammen mit der F & K Delvotec Bondtechnik GmbH aus Ottobrunn. Der Prototyp wurde erstmals im Mai 2015 auf der SMT Hybrid Packaging vorgeführt.

Das Verbundprojekt RoBE wurde im Rahmen des Programms IKT 2020 im Themenfeld „Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM)“ vom BMBF mit 4,96 Mio. Euro gefördert. Die Partner des Verbundprojekts RoBE „Robustheit für Bonds in eFahrzeugen“ (u.a. Audi, Conti Temic, Infineon und Heraeus) haben sich das ambitionierte Forschungsziel gesteckt, eine zuverlässige Lebensdauerprognose jeder Bondverbindung schon bei der Herstellung zu ermöglichen und die Bondlebensdauer mindestens zu verdoppeln.

Der Laserbonder wird von F&K Delvotec auf der Productronica vom 10. – 13. November 2015 in München der Öffentlichkeit präsentiert (Halle B3, Stand 428).

Sieg nach Punkten

Gegenüber konventionellen Schweißverfahren hat das Verbinden mit dem Laserstrahl viele Vorteile:

  • Gezielte Energieeinwirkung in einem kleinen Bereich; daher geringe thermische Belastung und äußerst geringe Wärmeeinflusszone sowie äußerst geringer Verzug.
  • Schlanke Nahtgeometrien und glatte Oberflächen; dadurch verringern sich Nacharbeiten oder entfallen ganz.
  • Hohe Festigkeit bei geringem Nahtvolumen
  • Gute Integrationsmöglichkeit: Laserschweißen kann mit anderen Fertigungsschritten kombiniert werden, zum Beispiel mit Justieren oder Biegen.
  • Hohe Prozessgeschwindigkeiten sorgen für kurze Bearbeitungszeiten (Zykluszeiten).
  • Laserschweißen lässt sich sehr gut automatisieren.
  • Gute Prozesskontrolle: Maschinensteuerung und Sensorik überwachen Prozessparameter und sichern Qualität.
  • Der Laserstrahl schweißt berührungslos und übt keine Kraft auf das Werkstück aus.
Bild: Laserschweißverbindung: Fraunhofer ILT, Aachen

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