Eine der entscheidenden Fragen der Verkehrswende lautet: Wie lassen sich
E-Fahrzeuge nachhaltig und zugleich ökonomisch herstellen? Gleich mehrere
Antworten kennt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen,
das gemeinsam mit Industriepartnern elektrisierende Lösungen rund um die
Lasertechnik entwickelt hat. Die Überwachung von lasergeschweißten
Verbindungen zeigen unter anderem nLight Plasmo, Precitec und 4D Photonics
auf dem LSE - Laser Symposium Elektromobility 2024 am 23. und 24. Januar
2024. Die Unternehmen demonstrieren live vor Ort wie ihre
Prozessüberwachung einwandfreie Schweißvorgänge gewährleistet.
Als »Herzstück des Elektroautos und Schlüssel für die Zukunft der
Mobilität« bezeichnete Herbert Diess, der ehemalige Vorstandsvorsitzende
des Volkswagenkonzerns die Batterie. Das schlägt sich auch im Preis
nieder: Bis zu 40 Prozent beträgt laut Bundesministerium für Wirtschaft
und Klimaschutz (BMWK) der Anteil des Akkus an der Wertschöpfung eines
E-Fahrzeugs. Kein Wunder also, dass allein in Europa aktuell 40 Battery
Gigafactories im Bau oder in Planung sind.
Jetzt kommt es darauf an, die bereits signifikant gesunkenen
Batteriekosten von knapp unter 100 US-Dollar pro Kilowattstunde noch
weiter zu reduzieren. Zwei wichtige Aufgaben nannte Prof. Arnold Gillner,
Abteilungsleiter Business Development am Fraunhofer ILT im Januar 2023 auf
dem Lasersymposium Elektromobilität LSE’23: »Wichtig ist neben dem Senken
des Energieverbrauchs bei der Fertigung von Batterien langfristig die
Erhöhung ihrer Energiedichte durch neue Materialien.«
Im hauseigenen Battery Lab steht dem Fraunhofer Team auf knapp 140
Quadratmetern modernste Technologie sowie verschiedenste Anlagen zur
laserbasierten Batteriefertigung zur Verfügung, um neue Materialien und
Verfahren zu erforschen. Es gibt elektrische und mechanische Teststände,
die eine direkte Bewertung der Laserprozesse zulassen sowohl von heute
üblichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten als auch
zukünftigen Festkörper-Akkumulatoren.
Das Battery Lab verfügt über ein mit Argon betriebenes GloveBox-System, in
das die vakuumbasierte PVD-Beschichtungstechnologie sowie ein
Hochtemperaturofen integriert sind. So lassen sich luftempfindliche
Festkörperzellmaterialien beschichten und anschließend zu Testzellen
verbauen.
Trocknung mit Diodenlaser halbiert Energieverbrauch
Wie sich der Energieverbrauch bei der Trocknung der Grafit-Elektroden von
Lithium-Ionen-Akkus drastisch senken lässt, demonstrierten die Aachener
auf der Hannover Messe 2023. Bisher trocknen mit Gas betriebene
Durchlauföfen beim Rolle-zu-Rolle-Verfahren die mit Grafitpaste
beschichteten Kupferfolien bei einer Temperatur von 160 bis 180 Grad
Celsius. Die Forschenden aus Aachen ersetzen dieses energieintensive
Verfahren durch eine Anlage mit Diodenlaser, der die Elektrode mit einer
Spezialoptik großflächig erwärmt. Samuel Fink, Gruppenleiter für
Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT: »Die Trocknung mit dem Diodenlaser
senkt den Energiebedarf um bis zu 50 Prozent und den Platzbedarf für eine
Trocknungsanlage im Industriemaßstab um mindestens 60 Prozent.«
Die Forschenden haben außerdem die Energiedichte im Visier: In Hannover
stellte das Institut ein High Power Ultrakurzpulslaser vor, der den
infraroten, gepulsten Laserstrahl in 24 Teilstrahlen aufteilt, um die
Batterieelektroden zu strukturieren. Entwickelt und umgesetzt wurde die
Multistrahl-Optik in enger Zusammenarbeit mit der Pulsar Photonics GmbH,
einem 2013 gegründeten Spin-off des Fraunhofer ILT.
Es bilden sich sogenannte Channels, die als Ionenautobahnen die Wegstrecke
der Ionen verkürzen und so den Ladeprozess beschleunigen. Das verhindert
das Entstehen von Defekten, steigert die Anzahl an Ladezyklen und erhöht
die Lebensdauer der Batterie. Neu ist das Verfahren nicht, aber den
Fraunhofer-Forschenden gelang es, das Verfahren vom Labormaßstab auf einen
skalierbaren, industriereifen Prozess zu transferieren. »Im nächsten
Schritt werden wir die Technik von dem Prototyp auf eine industrielle
Fertigungsstraße skalieren«, erklärt Matthias Trenn, Teamleiter Surface
Structuring am Fraunhofer ILT.
Inspirationen aus der Arktis
Das Laserschweißen von Batterien ist ein zentraler Aspekt der
industriellen Batteriefertigung und somit auch für die Aachener
Forschenden. Die Bandbreite der Projekte reicht vom großserientauglichen
Fügeprozess für Stromsammelschienen von schnell ladbaren und entladbaren
Batterien, einer Anlage zum Laserschweißen von großen zylindrischen
Lithium-Ionen-Zellen für Hochleistungsanwendungen (40 bis 50
Amperestunden) bis hin zur ganzheitlichen Lösung wie beispielsweise für
Aurora Powertrains aus Finnland.
Das lappländische Start-up hat für sein elektrisches Schneemobil eSled
eine wasser- und staubdichte Batterie mit IP67-Klassifizierung entwickelt,
die eine hohe Energiedichte von mehr als 190 Wh/kg besitzt. Die am
Fraunhofer ILT entwickelte, maßgeschneiderte Lasertechnik verbindet
hierfür den Aluminiumzellableiter mit dem Kupferableiter.
»Weil das Aluminium in der Produktion oben liegt, ist der Vorteil der
Absorption bei grüner oder blauer Laserwellenlänge nicht so gravierend wie
bei Kupfer«, erläutert Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und
Trennen am Fraunhofer ILT, die Details der Laserlösung. »Der Single Mode-
Infrarotlaser mit kleinem Strahldurchmesser ist die elegantere, schnellere
und deutlich kostengünstigere Lösung, weil die Strahlqualität bei Grün
oder Blau systembedingt aktuell noch schlechter ausfällt.«
DESY: Tiefe Einblicke in den Schweißprozess
Das Beispiel zeigt, wie die Wahl der richtigen Strahlquelle vom konkreten
Anwendungsfall abhängt. Um das Grundlagen-Know-how zu vertiefen,
untersuchten die Fraunhofer-Forschenden zusammen mit Forschenden des
Lehrstuhls für Lasertechnik LLT und dem Hightech-Unternehmen Trumpf am
Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, mit welcher Wellenlänge
sich elektrische Kupfer-Kontakte von Hochleistungselektronik für
E-Fahrzeuge prozesssicher, stabil und schnell laserschweißen lassen. Die
Antworten lieferte die hochbrillante Strahlung des Synchrotronrings PETRA
III am DESY, mit dem sich bis zu 20.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen
lassen.
Unterstützt von den Fachleuten des Helmholtz-Zentrum Hereon blickte das
Team mit einem Röntgenstrahl durch das geschmolzene Kupfer im Laserstrahl.
Die Versuche bewiesen nicht nur, dass sich das Buntmetall am besten mit
grünem Laserlicht schweißen lässt. Die gestochen scharfen Röntgenvideos
der Laserprozesse zeigten erstmals auch, wie sich kleinste Veränderungen
bei den Laserparametern auf Einschweißtiefe, Porenbildung und
Spritzerbildung auswirken.
Die Auswertung dieser Daten hilft, Laserschweißprozesse tiefgehender zu
verstehen und in den Projekten entsprechend zu optimieren. Das Fraunhofer
ILT geht aber noch einen Schritt weiter: In Aachen laufen bereits
Vorbereitungen für die nächste Strahlzeit. »Neben Schneiden, Schweißen und
Bohren wollen wir uns am DESY in Zukunft den 3D-Druck von Metallen genauer
ansehen«, verrät Alexander Olowinsky.
Resultate der Forschung und Entwicklung des Fraunhofer ILT rund um die
Elektromobilität erfahren Interessenten auf dem LSE - Laser Symposium
Elektromobility 2024 am 23. und 24. Januar 2024. Dort demonstrieren nLight
Plasmo, Precitec und 4D Photonics wie ihre Prozessüberwachung jeweils
einwandfreie Schweißvorgänge gewährleistet.
