Faserlaser für das Schweißen von Batterien

Die Entwicklung und Herstellung von zylindrischen Batterien mit größerem Formfaktor für Elektrofahrzeuge verspricht sowohl Automobilherstellern als auch Verbrauchern zahlreiche Vorteile. Für die Fahrer gehören dazu eine größere Reichweite, mehr Leistung, kürzere Ladezeiten, eine längere Lebensdauer und ein besseres Fahrverhalten bei kaltem Wetter. Die Hersteller können sich auf eine optimierte Produktion und geringere Kosten freuen.

Was ist an der Herstellung von E-Auto-Batterien so knifflig?

Verschiedene Hersteller arbeiten derzeit an einer Reihe unterschiedlicher Designs für zylindrische Batterien mit großem Formfaktor. Jedes dieser Designs bringt seine eigenen spezifischen Herausforderungen bei der Fertigung mit sich, insbesondere was die Fügeverfahren betrifft. Beispielsweise enthalten einige Batteriedesigns für Elektrofahrzeuge Stromkollektoren, die unter sehr präziser Kontrolle der Schweißtiefe mit dem Jelly Roll verbunden werden müssen. Dies ist notwendig, um eine Beschädigung der Separatoren zu vermeiden, die zu einem Kurzschluss innerhalb der Zelle führen könnte. Ebenso erfordert das Schweißen von Anschluss an Kollektor eine sorgfältige Kontrolle der Einbrandtiefe. Es ist besonders wichtig, die Wärmezufuhr in die Batterie während dieses Vorgangs zu begrenzen, da dies zum Schmelzen oder zur Beschädigung der Polymerisolatoren führen könnte.  

Das Verschließen von Kappen ist ein weiteres Verbindungsverfahren, das in der Vergangenheit bei Batterien mit kleinerem Formfaktor erfolgreich durch mechanisches Crimpen durchgeführt wurde. Da sich das Crimpen jedoch nicht gut auf größere Zellen übertragen lässt, ist ein neuer Ansatz erforderlich.

Wie lauten die aktuellen Anforderungen?

Bei der Herstellung von Batterien kommen noch eine Reihe weiterer Schweißverfahren zum Einsatz, die wiederum je nach Hersteller und Bauart variieren. Die anspruchsvollsten und sensibelsten Verfahren haben jedoch alle bestimmte gemeinsame Anforderungen, darunter die Notwendigkeit von:

• Minimale Wärmeeinflusszone
• Präzise Steuerung der Eindringtiefe
• Spritzschutz 
• Hohe Prozessgeschwindigkeit (typischerweise im Bereich von 200 bis 500 mm/s)

Zudem erfordern einige wichtige Verfahren zur Verbindung von Batteriezellen auch das Schweißen unterschiedlicher Metalle.

Jede dieser Anforderungen hat in der Vergangenheit Schwierigkeiten bereitet, und es gab bisher keine einzige Verbindungstechnologie, die bei jedem einzelnen Prozess gute Ergebnisse lieferte. Daher haben Hersteller verschiedene Lösungen verfolgt. Dazu gehören Wellenlänge zum Schweißen von Kupfer (um die geringe Absorption Materials bei Infrarotquellen zu überwinden) sowie nicht-laserbasierte Verfahren wie das Ultraschallschweißen für die Verbindung von Folie und Anschlussfahne.

Rüste dich mit dem richtigen Laser aus

Coherent einen neuen Lasertyp entwickelt, der vielseitiger einsetzbar ist als alle bisherigen Modelle. Dies ist möglich, weil diese Technologie eine beispiellose Präzision bei der Steuerung Laserenergie auf die Arbeitsfläche ermöglicht – sowohl hinsichtlich der räumlichen Verteilung als auch über die Zeit.

Die wichtigste Neuerung ist die „Adjustable Ring Mode“ (ARM)-Technologie – ein Faserlaser, dessen Strahl im Gegensatz zur herkömmlichen Einzelpunkt-Ausgabe aus einem zentralen Punkt besteht, der von einem weiteren konzentrischen Ring aus Laserlicht umgeben ist. Vor allem lassen sich die Leistung im zentralen Punkt und im Ring unabhängig voneinander steuern und sogar modulieren. Die Grafik veranschaulicht, wie dieser Ansatz eine enorme Flexibilität bei Laserenergie genauen Laserenergie der Laserenergie während des Schweißvorgangs ermöglicht.

Abbildung: Grundlegende Leistungsverteilungsmuster des FL-ARM-Fokus.

Der Vorteil der ARM-Technologie besteht darin, dass sie eine sehr präzise Steuerung der Dynamik des Schmelzbades ermöglicht. Dies sorgt für einen gleichmäßigeren und besser kontrollierbaren Verarbeitungsprozess und verhindert Spritzer nahezu vollständig. Dieser Lasertyp eignet sich besonders gut zum Schweißen von Kupfer, da der Ringstrahl zum Vorwärmen des Materials genutzt werden kann, was dessen Absorption Infrarotlicht erheblich steigert. Zudem sorgt eine Option mit hoher Leistungsdichte und zentriertem Strahl für eine zuverlässige Einkopplung des IR-Lichts in das Kupfer. Zusammen mit den praktischen und kostenseitigen Vorteilen von Faserlasern macht dies den ARM fiber laser zu ARM fiber laser sehr attraktiven Alternative zu grünen Festkörperlasern für das Schweißen von Kupfer. 

Eine einzige Art von Laserquelle, die so viele verschiedene Aufgaben erfüllen kann, bietet Herstellern mehr Flexibilität und Wirtschaftlichkeit. So kann beispielsweise die Leistung eines Lasers mithilfe von Strahlumschaltern auf mehrere Prozesse verteilt werden. Dies rationalisiert und vereinfacht die Produktion. Zudem reduziert der Einsatz eines einheitlichen Lasertyps an mehreren Stellen im Produktionsprozess den Ersatzteilbestand und sorgt für eine Redundanz, die dazu beiträgt, Ausfallzeiten aufgrund von Wartungs- oder Reparaturarbeiten zu minimieren. 

EV-Batteriedesigns mit größeren Abmessungen versprechen, Elektrofahrzeuge für Fahrer praktischer und für Hersteller kostengünstiger in der Herstellung zu machen. Doch die größeren Abmessungen dieser Zellen, der höhere Antriebsstrom und die Erwartungen an einen gesteigerten Produktionsdurchsatz erfordern laserbasierte Schweißtechnologien. DerCoherent FL-Faserlaserbietet die beste und wirtschaftlichste Lösung für die präzisen und anspruchsvollen Fügeaufgaben, die bei ihrer Herstellung erforderlich sind, und hat seine Wirksamkeit bereits bei anderen Aufgaben in der Batterieverarbeitung unter Beweis gestellt.