μ-Rührreibschweißen zum Einsatz in der zellinternen Kontaktierung großformatiger Lithium-Ionen-Batteriezellen

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Befähigung des μFSSW (Micro Friction Stir Spot Welding, dt.: Mikro-Rührreibpunktschweißen) 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 integrierte Schweißverfahren und durch die entwickelte Prozessüberwachung neuartige großformatige Lithium-Ionen-Batteriezellen prozesssicher zu fertigen.

Zunächst werden gemeinsam mit den Projektpartnern (Grenzebach Maschinenbau GmbH, Automation W+R GmbH, Erium GmbH, pro-micron GmbH, Volkswagen AG, ZwickRoell GmbH & Co. KG, MAG IAS GmbH) 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 durch 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 gewährleisten zu können.

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.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird das bestehende Wissen zum µFSSW für die zellinterne Kontaktierungen großformatiger Batteriezellen erweitert, wodurch ein Technologie-Reifegrad 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 Lithium-Ionen-Batteriezellen und durch das breit aufgestellte Projektkonsortium wird die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen verbessert.