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Lithium-Ionen-Akku für ein Mobiltelefon mit gepulster Schweißnaht vorne und Laserbeschriftung.
Laserschweißen eines Batteriegehäuses für eine einzelne Zelle in einem Batterieblock für Elektroautomobile.
Zellverbinder verbinden einzelne Batteriezellen und gewähren damit den Stromfluss über die Zellen eines Batterieblocks hinweg. Sie bestehen meist aus einer Kupfer-Aluminium Verbindung.

Bei der Entwicklung emissionsarmer Technik für Elektrofahrzeuge mit Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Akku-Antrieb stellt der Akku die Schlüsselkomponente dar. Vom Akku hängt es ab, wie weit ein Fahrzeug fahren wird und wie groß es gebaut werden kann. Auch die Kosten seiner Herstellung werden weitgehend dadurch bestimmt. Der bevorzugte Batterietyp ist der Lithium-Ionen-Akku. Er zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte und ein sehr gutes Ladeverhalten aus, was ihn im Vergleich zu anderen Batterietypen so attraktiv macht.

Industrielle Anwendung

Die Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge ähneln sehr stark den Lithium-Ionen-Akkus in der Elektronikbranche – zumindest unter Herstellungsgesichtspunkten. Der auffälligste Unterschied ist ihre Größe. Lithium-Ionen-Akkus für Mobiltelefone, Handheld-Geräte und Laptops sind kompakter als diejenigen für Elektrofahrzeuge. Die Fertigung steht aber in beiden Fällen vor den gleichen Aufgaben.

Eine wichtige Anforderung ist dabei die hermetische Abdichtung des Aluminiumgehäuses. Der Deckel des Akkus wird in der Elektronikindustrie schon seit vielen Jahren per Laser mit dem Gehäuse verschweißt. Dies ist ein ebenso modernes wie gut eingeführtes und zuverlässiges Fertigungsverfahren. Andere Prozesse wie z. B. Mikroplasmaschweißen werden den Anforderungen der Branche nicht gerecht.

Gepulste Nd:YAG-Laser sind beim Schweißen der Gehäuse von Lithium-Ionen-Akkus am gebräuchlichsten. Sie erzeugen homogene, einwandfreie, hermetisch abgedichtete Schweißnähte ohne Löcher oder Risse. Die Laserleistung muss genau geregelt werden, um eine hochwertige Naht wie auch eine konstante Einschweißtiefe zu gewährleisten, damit die Komponenten im Akku nicht beschädigt werden. Die gepulsten Nd:YAG-Laser der Trupulse-Serie von Trumpf zeichnen sich deshalb durch eine Echtzeitleistungsregelung aus.

Der Wärmeeintrag beim Laserschweißen ist zwar gering, doch werden trotzdem eigens für diesen Zweck konstruierte Kupfervorrichtungen verwendet, um übermäßige Wärme vom Akku abzuleiten und die Qualität der Schweißnaht zu verbessern. Bei einer Durchschnittsleistung von mehreren hundert Watt lassen sich mit gepulsten Nd:YAG-Lasern Schweißgeschwindigkeiten von einigen Metern pro Minute erreichen.

Laser und Elektromobilität

Die Hersteller von Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge können auf die umfassende Erfahrung der Elektronikindustrie zurückgreifen. Die meisten Hersteller kommen ohnehin aus der Elektronik und verfügen bereits über das erforderliche Prozess-Know-how, um nun auch den schnell wachsenden Bereich der Elektromobilität zu erschließen. Sie stehen vor allem vor der Aufgabe, die Produktivität zu erhöhen und damit die Gesamtkosten der Batterieherstellung zu senken. Die Zahl einzelner Batteriezellen, die benötigt werden, damit ein Elektrofahrzeug mehrere Stunden und über mehrere hundert Kilometer fahren kann, ist nämlich sehr groß. In naher Zukunft dürften jährlich bereits Millionen von Batterien für Elektrofahrzeuge produziert werden, bei steigender Tendenz.

Ein geeigneter Schritt ist hier der Einsatz von Festkörperlasern im Dauerstrichbetrieb mit einer Ausgangsleistung von 1 bis 6 kW. Mit ihrer hohen Strahlqualität bieten Scheibenlaser der Trudisk-Serie bieten ein ideales Werkzeug für das Schweißen von stark reflektierenden Werkstoffen wie Aluminium oder Kupfer. Sie sind unempfindlich gegen Rückreflexionen und lassen höhere Schweißgeschwindigkeiten zu als gepulste Nd:YAG-Laser.

Die mit Scheibenlasern erzielbare Schweißrate von mehreren Metern pro Minute ist wichtig, um den Wärmeeintrag zu begrenzen und Schweißspritzer möglichst zu verhindern. Der Einsatz einer Scanner-Fokussieroptik macht den Prozess oft noch rentabler, weil der Laserstrahl so sehr viel schneller geführt werden kann.

Remote-Schweißen in der Batteriefertigung

Durch Remote-Schweißen können mehrere Batterien in einer einzigen Anordnung ohne Verschiebung von Achsen geschweißt werden. Nebenzeiten werden beseitigt, weil der Scanner innerhalb von Millisekunden von einer Batterie zur nächsten springt. Im Lasernetzwerk, bei dem ein Laser mehreren Maschinen zur Verfügung steht, lassen sich die Nebenzeiten für die Be- und Entladung einer Station zum Schweißen an einer anderen Station nutzen.

Eine Fokussieroptik trägt bei vielen Installationen zur Optimierung des Schweißprozesses bei, weil der Laserstrahl dadurch exakt auf der Schweißnaht positioniert wird. Toleranzen bei den Teilen und Befestigungsvorrichtungen können so ausgeglichen werden, und bei Bedarf ist auch der Einsatz für die Qualitätsprüfung möglich. Zur einfachen Rückverfolgbarkeit werden alle Batterien mit einer Seriennummer und oft auch mit weiteren fertigungsrelevanten Daten beschriftet. Markierlaser eignen sich ideal für diese dauerhafte Kennzeichnung und können direkt in die Fertigungslinie integriert werden. Aufgrund des wachsenden Elektromobilitätsmarkts wird die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus in den nächsten Jahren steigen.

Die Gehäuse der Lithium-Ionen-Akkus werden mit Lasertechnik geschweißt. Vorteile wie die perfekte, hermetisch dichte Schweißnaht ohne Löcher oder Risse und der geringe Wärmeeintrag machen das Laserschleißen bei diesem Fertigungsprozess unerlässlich.

Trudisk-Laser eignen sich ausgezeichnet für diese Schweißanwendungen. Stark reflektierende Werkstoffe wie Aluminium oder Kupfer lassen sich damit in geeigneter Weise bearbeiten. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die hohe Produktivität. Diese kann durch den zusätzlichen Einsatz einer Scanner-Fokussieroptik für Remote-Schweißen noch weiter gesteigert werden. Aufgrund der geringen Gesamtkosten stellt das Remote-Schweißen mit TruDisk-Lasern eine ideale Lösung für das Schweißen von Lithium-Ionen-Akkus dar.