µKoBatt– μ-Rührreibschweißen für die zellinterne Kontaktierung großformatiger Lithium-Ionen-Zellen

Ziel des BMBF-geförderten Forschungsprojekts "µKoBatt" ist es, das Mikro-Rührreibpunktschweißen (engl.: micro friction stir spot welding, µFSSW) als Verfahren für die zellinterne Kontaktierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen in einer Batterieproduktionsumgebung zu befähigen. Hierbei steht die Konstruktion und Fertigung einer Pilotanlage für das µFSSW sowie die Integration des µFSSW in die Prozesskette der Batterieproduktion durch die Entwicklung geeigneter Methoden zur Prozessüberwachung und Qualitätssicherung im Fokus. Durch das µFSSW soll es möglich sein, die maximal schweißbare Folienzahl in Lithium-Ionen-Batteriezellen zu erhöhen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Batterien gesteigert werden kann.

Motivation

Der zunehmende Bedarf an hochleistungsfähigen elektrischen Speichersystemen stellt die Hersteller von Lithium-Ionen-Batteriezellen vor die Herausforderung, energiedichte, großformatige Zellen in kurzer Zeit und in großen Stückzahlen fertigen zu können. Die eingeschränkten Gestaltungsfreiheiten für Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie lange Fertigungszeiten werden in der komplexen Prozesskette der Batterieproduktion jedoch durch die derzeit eingesetzten Fertigungsprozesse reduziert.

Als Schlüsselstelle in der Zellherstellung gilt die zellinterne Kontaktierung, da bis zu diesem Zeitpunkt bereits über 80 % der Gesamt-Fertigungskosten entstanden sind. Die industriell etablierten Fügeverfahren zum zellinternen Kontaktieren (Ultraschall- und Laserstrahlschweißen) stoßen hinsichtlich der Anzahl gleichzeitig schweißbarer Elektrodenfolien an prozesstechnische Grenzen, wodurch die prozesssichere und effiziente Fertigung von großformatigen Batteriezellen derzeit nur eingeschränkt möglich ist. Das Schweißen von Folienstapel mit vielen Lagen erfordert entweder höhere Schweißzeiten oder resultiert in defektbehafteten Verbindungen, die sich auf die Qualität der Zelle auswirken können.

In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass mit dem Mikro-Rührreibpunktschweißen (engl.: micro friction stir spot welding, μFSSW) selbst 100-lagige Folienstapel aus Reinaluminium und -kupfer mit Ableitern geschweißt werden können. Die Untersuchungen wurden jedoch an Ersatzgeometrien mit unbeschichteten Folien durchgeführt und in einer konventionellen Schweißmaschine, die nicht für den Einsatz in einer Batterieproduktionsumgebung geeignet ist.

Zielsetzung

Im Rahmen des Forschungsprojekts soll auf diesen bestehenden Machbarkeitsuntersuchungen aufgebaut werden. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Befähigung des μFSSW für die zellinterne Kontaktierung von großformatigen Zellkörpern in einer Batterieproduktionsumgebung. Dazu gehört auch die gesamtheitliche Integration einer neuen Pilotanlage in die Batterieproduktionsumgebung, wofür die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge innerhalb der Prozesskette analysiert werden. Somit ist es am Projektende möglich, durch das neu integrierte Schweißverfahren und durch die entwickelte Prozessüberwachung neuartige großformatige Lithium-Ionen-Batteriezellen prozesssicher zu fertigen.

Vorgehen

Zunächst werden gemeinsam mit den anderen Projektpartnern die Rahmenbedingungen und die Anforderungen im Projekt spezifiziert. Dabei wird unterschieden zwischen Anforderungen an das Produkt (Lithium-Ionen-Batteriezellen), an den Prozess (µFSSW) und an die Fertigungsumgebung (Trockenraum, Integrierbarkeit in die Prozesskette etc.). Anschließend wird der Prozess durch neue Schweißwerkzeuge und eine innovative Spannvorrichtung weiterentwickelt. Es werden Parameterstudien durchgeführt, um ein geeignetes Prozessfenster zu identifizieren und Erkenntnisse über die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zu gewinnen. Zur Überwachung der Verbindungsqualität werden verschiedene Methoden erarbeitet, die sowohl eine Inline-Bewertung (Temperaturmessung), als auch eine Analyse nach dem Prozess (z. B. Oberflächentopologie) ermöglichen. Hierbei müssen auch Störgrößen, wie z. B. die Gratbildung untersucht werden, um einen Einsatz in der Batterieproduktionsumgebung zu gewährleisten. 

Anschließend wird eine von Projektpartnern entwickelte Pilotanlage zum µFSSW im Trockenraum am iwb integriert. Hiermit wird die übergeordnete Prozesskette der Batterieproduktion analysiert und die Schnittstellen zum Schweißprozess untersucht. Weitere Schweißversuche mit der neuen Pilotanlage dienen dazu, die quantitativen Verbindungeigenschaften, z. B. die mechanischen und elektrischen Eigenschaften, zu ermitteln. Als Letztes erfolgt die Modellierung mithilfe der gesammelten Daten des Prozesses und der Verbindungseigenschaften zur Ermittlung optimaler Fertigungsparameter. Eine Benchmark-Studie (Vergleich mit den alternativen Fügeverfahren Laser- und Ultraschallschweißen) ermöglicht eine abschließende Bewertung.

Nutzen

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird das bestehende Wissen zum µFSSW für die zellinterne Kontaktierungen großformatiger Batteriezellen erweitert, wodurch ein TRL von 6 („Prototyp in Einsatzumgebung“) erreicht wird, und in die Industrie transferiert.

Zu den Vorteilen des μFSSW gehören die hohe Verbindungsqualität, die Prozessrobustheit, die Umweltfreundlichkeit, die hohe Automatisierbarkeit sowie der geringe Energiebedarf. Daneben weist das Verfahren das Alleinstellungsmerkmal der prozesszeitunabhängigen Schweißbarkeit großer Folienstapel auf. Damit kann insgesamt die ausschussarme und kosteneffiziente Produktion energiedichter Zellen ermöglicht werden und ein ressourcenschonender Materialeinsatz in der Produktion sowie eine effiziente Nutzung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Die hohe Prozessrobustheit des Verfahrens erlaubt außerdem größere Fertigungstoleranzen der Ausgangswerkstoffe (z. B. Elektrodenfolien und Ableitertabs), was eine resiliente Produktion sowie eine Unabhängigkeit vom ausländischen Rohstoffmarkt ermöglicht. Durch die schnelle Fertigung neuartiger großformatiger Zellen und durch das breit aufgestellte Projektkonsortium wird die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen verbessert.

Danksagung

Das Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms zur Effizienzsteigerung und Nutzung von Synergieeffekten in der Batteriezellfertigung für die Elektromobilität (SynBatt) unter dem Förderkennzeichen 03XP0545 gefördert und vom Projektträger Jülich (PtJ) betreut. Wir danken dem BMBF sowie dem PtJ für die gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit.