Intelligente Qualitätssicherung und -dokumentation für die laserbasierte zellinterne Kontaktierung

Die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien wird in die drei Teilbereiche Elektrodenfertigung, Zellassemblierung und Modulmontage gegliedert. Entlang der gesamten Prozesskette fallen verschiedene Füge- und Trennaufgaben an. Hierfür stehen unterschiedliche Fertigungstechnologien zur Verfügung. Die flexible, berührungslose und schnelle Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung bietet entlang der gesamten Prozesskette Vorteile gegenüber anderen, beispielsweise mechanischen, Bearbeitungsverfahren. Bei der internen Kontaktierung von Batteriezellen werden jeweils die einzelnen, gestapelten Substratfolien der Anode bzw. der Kathode miteinander verschweißt und mit einem Ableitertab verbunden. Die dünnen Folien bestehen aus Aluminium (Kathode, Dicke: 12 – 20 µm) und Kupfer (Anode, Dicke: 8 – 10 µm). Die einzelnen Elektrodenblätter werden durch die zellinterne Kontaktierung parallel geschalten und eine Abfuhr des Stroms aus der Zelle wird ermöglicht. Sowohl an die Schweißnähte als auch an den Fügeprozess werden sehr hohe Qualitätsanforderungen in Bezug auf die Nahteigenschaften (beispielsweise niedriger elektrischer Widerstand) und die Prozesssicher­heit (beispielsweise die Vermeidung von Schweißspritzern) gestellt. In der industriellen Batteriezellproduktion erfolgt die zellinterne Kontaktierung derzeit bevorzugt mittels Ultraschallschweißen. Das Verfahren weist jedoch Defizite in der Prozessrobustheit und der Format-Flexibilität auf. Beim Schweißen werden Schwingungen ins Bauteil eingebracht, welche zu einer mechanischen Beschädigung der dünnen Aluminium- und Kupferfolien in Form von Rissen führen können. Zudem können während des Schweißens Partikel, beispielsweise des Aktivmaterials, abgelöst werden und einen Kurzschluss in der Zelle hervorrufen. Verfahrensbedingt geht beim USS eine Änderung der Nahtgeometrie mit einer Umrüstung der Anlage und einer Neukonstruktion der Werkzeuge einher. Als limitierend hinsichtlich der Flexibilität wirkt sich zudem die beidseitig erforderliche Zugänglichkeit zur Fügestelle aus. Insbesondere die Konstruktionsfreiheit im Zelldesign und der Anordnung der einzelnen Zellkomponenten wird stark eingeschränkt. Dies kann hohe Totvolumina in der Zelle bedingen. In vorausgegangen Forschungsarbeiten wurde gezeigt, dass das Laserstrahlschweißen eine vielversprechende Alternative für die interne Kontaktierung der Batteriezellen darstellt. Das Fügen der dünnen Folien zur zellinternen Kontaktierung ist vor allem aufgrund der zahlreichen Grenzflächen und zwischen den einzelnen Lagen verbleibender Luft sehr herausfordernd. Die Qualität der Fügeverbindung wird maßgeblich von der Spanntechnik bestimmt. Im Labormaßstab konnten bereits Spannkonfigurationen mit einem Nullspalt realisiert werden. Für den Einsatz in der Industrie besteht dahingehend noch erheblicher Forschungs- und Entwicklungsaufwand.

Für die Etablierung einer wettbewerbsfähigen Zellproduktion im Sinne einer Null-Fehler-Strategie sind neben modernen Produktionsanlagen innovative Methoden zur leistungsfähigen Qualitätssicherung notwendig. Um die hohen Anforderungen an die Produktqualität innerhalb der Batterieproduktion erfüllen zu können, ist es unabdingbar, die Qualitätssicherung, die Produktentwicklung und die Prozessentwicklung von Beginn an gemeinsam zu betrachten. Zur Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen können diverse Sensorsystemen zur Erfassung von Prozessdaten vor, während und nach dem Schweißprozess eingesetzt werden. In Abhängigkeit von der Position der Messstelle zur Prozesszone wird auch von Prä-Prozess-, In-Prozess- und Post-Prozessüberwachung gesprochen. Die Prozessbeobachtung kann mithilfe von Sensoren erfolgen, welche akustische, thermische oder optische Signale aus Prozess-Emissionen oder den Schweißnähten, beispielsweise Körperschall, detektieren. Bislang sind keine Ansätze bekannt, die Nahtqualität in Mehrlagensystemen zu erfassen. Relevante Zielgrößen für die Qualität der zellinternen Kontaktierung sind beispielsweise die Bewertung der Anbindung der einzelnen Folien sowie die Detektion von Lufteinschlüssen zwischen den Folienlagen.