Neuer Prozess auf bewährten Maschinen: Buckelschweißen von Kupfer auf Batteriezellen

(WK-intern) – Ein Konsortium aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE sowie der Smart Battery Solutions GmbH gelang es, die Stahl-Verbinder zur Verschaltung von Batteriezellen beim Widerstandsbuckelschweißen durch Kupfer zu ersetzen.

Damit demonstrierte das Team etwas, das in der Batterie-Branche lange als unmöglich galt: Bisher mussten Batteriehersteller, die auf leistungsfähigere, Kupfer-verschaltete Batterien umrüsten, dafür ihre Buckelschweißanlagen durch Laserschweißanlagen ersetzen.

Batterien bestehen aus einzelnen Batterie-Zellen, die untereinander elektrisch verbunden werden, aktuell meist, indem Stahl aufgeschweißt wird. Buckelschweißen ist ein günstiger, etablierter Prozess, Stahl-Verbinder sind jedoch in ihrer elektrischen Leitfähigkeit beschränkt. Stahl- durch Kupfer-Verbindungen zu ersetzen, macht Batterien leichter und damit leistungsfähiger.

»Deutsche Batteriehersteller stehen vor der Herausforderung, dass sie mit den Batteriezellen arbeiten müssen, die sie von ihren Zulieferern bekommen«, erklärt Dr. Achim Kraft, Abteilungsleiter Modultechnologie am Fraunhofer ISE. »Diese werden immer größer und effizienter. Entsprechend müssen die Stahl-Verbindungen immer dicker und schwerer werden. Für die Batteriebranche ist deshalb schon länger klar, dass mittelfristig alle Verschaltungen auf Basis von Kupfer sein sollten.«

Einem Forschungsteam des Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit dem deutschen Batteriehersteller Smart Battery Solutions GmbH gelang nun eine Prozessentwicklung auf Anlagen zum Buckelschweißen, so wie sie in der Batteriefertigung heute gängig eingesetzt werden. »Das Kupfer muss dafür nicht verzinnt oder anderweitig vorbehandelt werden«, sagt Christian Schiller, Wissenschaftler am Fraunhofer ISE und Projektleiter des Forschungsvorhabens. »Und vor allem: Batteriehersteller müssen für die Verschaltung nicht auf Laserschweißanlagen umstellen, um die Kupfer-Verbindungen elektrisch zu einem Batteriemodul zu verbinden.«

Smart Battery Solutions wird den neuen Prozess auf seiner Fertigungslinie nun als erster Batteriehersteller einführen. »Die neuen Batterien mit Kupfer-Verbindungen werden Teil unserer UniPower Produktfamilie«, sagt Monika Mertig bei Smart Battery Solutions. »Dass wir unseren erprobten Verschaltungsprozess dafür nur anpassen und nicht mit neuen Anlagen komplett ersetzen müssen, erleichtert uns den Umstieg sehr. Wir sehen diesen FuE-Erfolg als eine große Chance für deutsche, oft mittelständische Batteriehersteller.«

Die Forschung findet im Rahmen des Projekts »BatCO₂tiv – Batterieverschaltung: automatisiert, CO₂-senkend, kollaborativ. Teilvorhaben Prozessentwicklung und Prozessbewertung zum Buckelschweißen« statt und wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert.

PM: Fraunhofer ISE

PB: Projektleiter Christian Schiller an einer Buckelschweißanlage, an der die Batteriezellen mit Kupfer-Verbindern verschaltet werden. / ©: Fraunhofer ISE / Foto: Felix Thurn