Fortschrittliche Lasertechnologie gewährleistet die für eine wirtschaftliche Herstellung von Batteriezellen für Elektrofahrzeuge erforderliche präzise Hochgeschwindigkeitsverbindung.
Die Konstruktion und Herstellung größerer zylindrischer Batterien für Elektrofahrzeuge verspricht sowohl den Automobilherstellern als auch den Verbrauchern zahlreiche Vorteile. Für die Fahrer sind dies beispielsweise eine größere Reichweite, eine höhere Leistung, schnelleres Aufladen, eine längere Lebensdauer der Batteriezellen und ein besseres Fahrverhalten bei kaltem Wetter. Die Hersteller können sich auf eine effizientere Produktion und eine Senkung der Produktionskosten freuen.
Was ist an der Herstellung von Batterien für Elektroautos so komplex?
Verschiedene Hersteller beschäftigen sich mit einer Reihe unterschiedlicher Konstruktionen großformatiger zylindrischer Batterien. Jede Konstruktion und jeder Arbeitsablauf bringt seine eigenen spezifischen Herausforderungen bei der Fertigung mit sich, insbesondere was die Fügeprozesse betrifft. Beispielsweise enthalten einige Batteriekonstruktionen für Elektrofahrzeuge Stromkollektoren, die mit einem Zylinder aus galvanischem Material verbunden werden müssen, wobei die Tiefe der Schweißnaht sehr genau kontrolliert werden muss. Dies ist unerlässlich, um eine Beschädigung der Separatoren zu vermeiden, die wiederum zu einem Kurzschluss im Inneren der Zelle führen könnte. Ebenso erfordert das Verschweißen der Klemmen mit dem Kollektor eine sorgfältige Kontrolle der Eindringtiefe. Besonders wichtig ist es, die Wärmezufuhr in die Batterie während dieses Vorgangs zu begrenzen, da es sonst zum Schmelzen oder zur Beschädigung der Polymerisolatoren kommen könnte.
Ein weiteres Verbindungsverfahren, das in der Vergangenheit bei kleineren Batterien zum Versiegeln der Deckel erfolgreich eingesetzt wurde, ist das mechanische Pressen. Das Crimpen eignet sich jedoch für größere Zellen nicht besonders gut, sodass ein neuer Ansatz erforderlich ist.
Wie sehen die aktuellen Anforderungen aus?
Bei der Batterieherstellung gibt es eine Reihe von Schweißverfahren, die wiederum je nach Hersteller und Konstruktion variieren. Alle anspruchsvollsten und empfindlichsten unter ihnen haben jedoch bestimmte gemeinsame Anforderungen, darunter die Notwendigkeit:
- Minimale Wärmeeinflusszone
- Präzise Kontrolle der Durchschweißtiefe
- Vermeidung von Materialspritzern
- Hohe Prozessgeschwindigkeit, in der Regel im Bereich von 200–500 mm/s
Darüber hinaus erfordern einige wichtige Verfahren zur Verbindung von Batterien auch das Schweißen unterschiedlicher Metalle.
Jede dieser Anforderungen stellte in der Vergangenheit eine Herausforderung dar, und tatsächlich gab es keine einzige Schweißtechnologie, die in allen Prozessen gut funktionierte. Die Hersteller suchten daher nach verschiedenen Lösungen. Dazu gehören Laser mit grüner Wellenlänge zum Schweißen von Kupfer (um die geringe Absorption dieses Materials durch Infrarotquellen zu überwinden) sowie nicht-laserbasierte Verfahren wie das Ultraschallschweißen für die Folien-zu-Tab-Verbindung.
Rüsten Sie sich mit dem richtigen Laser aus
Das Unternehmen Coherent hat einen neuen Lasertyp entwickelt, der ein breiteres Anwendungsspektrum bietet als alles bisher Dagewesene. Dies ist möglich, weil diese Technologie ein beispielloses Maß an Kontrolle darüber bietet, wie die Laserenergie auf die Arbeitsfläche übertragen wird – sowohl hinsichtlich der räumlichen Verteilung als auch zeitlich.
Eine zentrale Innovation ist die Adjustable Ring Mode (ARM)-Technologie – ein Faserlaser, dessen Strahl aus einem zentralen Punkt besteht, der von einem weiteren konzentrischen Ring aus Laserlicht umgeben ist, im Gegensatz zum herkömmlichen Punktlaser. Entscheidend ist, dass die Leistung am zentralen Punkt und am Ringpunkt unabhängig voneinander gesteuert und sogar moduliert werden kann. Die Grafik veranschaulicht, wie dieser Ansatz eine enorme Flexibilität hinsichtlich der präzisen Verteilung der Laserenergie während des Schweißvorgangs bietet.
Abbildung: Grundlegende Leistungsmuster des FL-ARM-Fokuspunkts.
Ein Vorteil der ARM-Technologie besteht darin, dass sie eine sehr präzise Steuerung der Schmelzdynamik ermöglicht. Dies sorgt für eine gleichmäßigere und besser kontrollierbare Verarbeitung und verhindert Materialspritzer nahezu vollständig. Dieser Lasertyp eignet sich besonders gut für das Schweißen von Kupfer, da der kreisförmige Strahl zum Vorwärmen des Materials genutzt werden kann, was dessen Absorption von Infrarotlicht bei der anschließenden Bearbeitung erheblich erhöht. Der zentrale Strahl mit hoher Leistungsdichte sorgt für eine hohe Absorption des infraroten Laserstrahls durch Kupfer. Zusammen mit den praktischen und wirtschaftlichen Vorteilen von Faserlasern macht dies den ARM-Faserlaser zu einer sehr attraktiven Alternative zu grünen Festkörperlasern für das Schweißen von Kupfer.
Ein einziger Lasertyp, der so viele verschiedene Aufgaben erfüllen kann, bietet Herstellern mehr Flexibilität und Wirtschaftlichkeit. So kann beispielsweise die Leistung eines einzigen Lasers mithilfe von Strahlumschaltern auf mehrere Prozesse aufgeteilt werden. Dies optimiert und vereinfacht die Produktion. Der Einsatz eines gemeinsamen Lasertyps an mehreren Stellen des Fertigungsprozesses reduziert zudem den Bedarf an Ersatzteilen und sorgt für Redundanz, wodurch Ausfallzeiten bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten minimiert werden.
Weitere Informationen zu den COHERENT HighLight ARM-Faserlasern finden Sie unter optix.cz
