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FSWBatt – Rührreibschweißen von Trägerfolien und Ableitern für prismatische Batteriezellen

Ziel des durch die AIF geförderten Forschungsprojektes "FSWBatt" ist es, das Rührreibschweißen (FSW) als Verfahren für die Kontaktierung von Trägerfolien mit Ableitern aus Kupfer und Aluminium für Batteriezellen zu qualifizieren. Der Einsatz des FSW soll langfristig die hohen Ausschusskosten in der Zellfertigung senken. Gleichzeitig soll die maximal verschweißbare Folienzahl gesteigert werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der Batterien gesteigert werden kann.

Motivation

Vor dem Hintergrund der aktuellen Energie- und Klimapolitik nimmt die Bedeutung von alternativen Antriebskonzepten zu. Insbesondere erfolgte in den letzten Jahren eine Abkehr von Kraftfahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren hin zu Elektrofahrzeugen. Eine Schlüsselrolle stellen dabei die Energiespeicher dar. Aufgrund der hohen Energiedichte werden in diesem Bereich überwiegend Lithium-Ionen Akkumulatoren verwendet. Eine große Herausforderung für die Produktionstechnik stellt die reproduzierbare Erfüllung der hohen Qualitätsanforderungen im Herstellungsprozess dar. Während der Zellassemblierung müssen gestapelte, nur wenige Mikrometer dicke Folien miteinander verschweißt werden, um die interne Kontaktierung der Zelle sicherzustellen. Die Fügeverbindung soll dabei einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweisen und gleichzeitig die filigranen und temperaturempfindlichen Fügepartner in ausreichender Festigkeit miteinander verbinden. Aktuell eingesetzte Fügeverfahren, wie das Ultraschallschweißen, weisen jedoch einige Defizite auf. Als Beispiel ist hier die mangelnde Reproduzierbarkeit zu nennen.

Forschungsziel

Im Rahmen des Forschungsprojekts FSWBatt soll ein alternatives Fügeverfahren zur internen Kontaktierung erforscht werden. Damit soll das Verfahren als robuste und wirtschaftliche Alternative für den zellinternen Kontaktierungsprozess qualifiziert werden. Es sollen Konzepte für eine geeignete Prozessführung erarbeitet werden und eine Entscheidungsgrundlage zur Auswahl eines geeigneten Fügeprozesses für die interne Zellkontaktierung geschaffen werden.

Lösungsweg

Der Lösungsweg beinhaltet neben der Prozessentwicklung eine Validierung des Konzepts und eine Potenzialanalyse. Zunächst werden Spann- und Werkzeugkonzepte entwickelt und gefertigt. Diese werden in statistisch geplanten Schweißversuchen zur Herstellung von Probekörpern eingesetzt. Anhand der Versuche wird ein Parameterraum zum Rührreibschweißen von Folienstapeln identifiziert. Um die Eignung des FSW für die interne Kontaktierung beurteilen zu können, ist abschließend eine Potentialanalyse anhand eines Vergleichs mit alternativen Fügeverfahren (Laser- und Ultraschallschweißen) vorgesehen.

Ergebnisse und Nutzen

Im Rahmen des Forschungsprojekts sollen grundlegende Erkenntnisse für eine Prozess- und Werkzeuggestaltung zum Kontaktieren von Batterieträgerfolien mittels FSW erarbeitet werden. Die kleinen und mittelständischen Unternehmen (kmU) aus dem Anlagenbau werden somit befähigt, geeignete Anlagen für die zellinterne Kontaktierung bzw. das FSW von dünnen Folien zu entwickeln. Zusätzlich profitieren kmU aus der Lohnfertigung, da die Erkenntnisse hinsichtlich Prozessführung allgemein auf das FSW von dünnen Folien bzw. kleinen Bauteilen übertragen werden können.

Dank

Das IGF-Vorhaben 00.048 EWN wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.