Industrie & Technik

Neues Laser-Verfahren für die Produktion von Batterie-Zellen

23.04.2021 - Laser Tab Welding mit messbaren Vorteilen zum bisherigen Ultraschallschweißen.

Das Unternehmen Manz präsentiert im Segment Energy Storage ein neues Laser­verfahren für die Produktion von Batterie­zellen, das den Schweiß­prozess von Zellableitern, den Tabs, optimiert: das Laser Tab Welding. Die neue Technologie reduziert den Umfang der notwendigen Abläufe um mindestens einen Prozess­schritt und verringert so in der Gesamt­betrachtung die Kosten pro Batterie­zelle signifikant.

Das Verschweißen der Zellableiter bei der Herstellung von Lithium-Ionen Batterie­zellen mit Ultraschall, das Tab Welding, ist mit einer hohen mechanischen Belastung verbunden. Unter anderem muss beim herkömmlichen Ultra­schall­schweißen vorge­schweißt werden. Dieser Prozess­schritt entfällt bei der neuen innovativen Laser­schweiß­technologie – dem Laser Tab Welding. Dadurch wird die Komplexität der Produktion verringert, die Qualität und Sicherheit der Batterie­zelle sowie die Prozess­stabilität durch die reduzierte Anzahl der Prozess­schritte erhöht. An weiteren Arbeits­schritt­einsparungen wird aktuell geforscht.

Das neue Schweißverfahren ist die Alternative zur bisher gängigen Ultra­schall­technologie, dem Ultra Sonic Tab Welding, und stellt einen voll­wertigen Ersatz dar. Die neue Technologie kann auch in bestehende Produktions­lösungen integriert werden.

Der neue Prozess bietet für Anwender eine signifikante Steigerung der Qualität und Effizienz in der Produktion und damit deutliche Wettbewerbs­vorteile, insbesondere in der Massen­produktion. Zwar entstehen anfangs höhere Anschaffungs­kosten für die Laser-Technologie im Vergleich zur bewährten Ultra­schall­methode. Die Betriebs­kosten sinken in der Folge jedoch stetig, da das neue Verfahren nahezu wartungsfrei ist, ein deutlich höherer Durchsatz pro Minute erreicht und eine insgesamt bessere Anlagen­verfüg­bar­keit durch geringere Ausfälle gewähr­leistet wird.

Weniger Maschinen oder Module bedeuten entsprechend weniger Flächen­bedarf und damit kleinere Fabriken – das senkt die Betriebs- und Produktions­kosten zusätzlich. Insgesamt bewirken die Vorteile von Laser Tab Welding deutlich verringerte Gesamt­betriebs­kosten und damit die Voraus­setzung für eine profitable Produktion. Vergleicht man das neue Verfahren mit dem bislang gängigen Ultra­schall­schweißen, lohnt sich die Investition bereits nach weniger als einem Jahr.

Der Anwender profitiert von der weit­reichenden Flexibilität der Technologie bei der Produktion von Batterie­zellen, da verschiedene Arten und Größen von Zellen abgedeckt werden können, die Anzahl der zu verschweißenden Tabs variabel ist und neue Zellkonzepte optimal abgebildet werden können. Mit nur einem Anlagenmodul können künftig verschiedenste Zelldesigns und noch leistungs­fähigere Batterien produziert werden. Ein Format­wechsel ist sogar ohne Werkzeug­wechsel möglich. Ein weiterer Vorteil liegt in den viel­fältigen Konfigurations­möglichkeiten zum Beispiel als Stand-Alone oder Einzelanlage oder zur Integration in neue und bestehende Fertigungs­linien.

Mit Hilfe der neuen Laser-Technologie werden wichtige Parameter bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterie­zellen verbessert: Mehr Leistung durch höhere Energie­dichte und mehr Sicherheit der Batterie­module durch optimierten Zellschutz als bei bisherigen Zellen. Beim Verschweißen verschmelzen Metall­folien und Tabs komplett und bilden so eine sehr starke, rissfreie Verbindung. Die kompakte Schweißnaht kann bis zu 160 Schichten fixieren, in erhöhter Schweißqualität. Sie hat einen äußerst niedrigen elektrischen Widerstand und ist bis zu drei bis fünf Mal stärker im Vergleich zur Ultra­schall­schweiß­naht. Dieser einfache und sichere Prozess ist skalierbar auf bis zu zweihundert Tabs in einem Kollektor.

Zusätzlich entsteht beim Laser­schweißen weniger Abrieb durch kontaktlose Verarbeitung, was eine reduzierte mechanische Belastung der Elektroden bedeutet. Die Laserquelle selbst hat eine sehr hohe mechanische Festigkeit und ist folglich kaum fehler­anfällig. Das neue Laser­werkzeug ist verschleißfrei, erfordert keine Nach­justierung und muss nur etwa alle 15 Jahre ersetzt werden.

Manz / RK

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