Neues Laserschweißverfahren verbessert die Herstellung von Batteriezellen

Maschinenbauer Manz bietet Produktionsequipment zur Herstellung von Lithium-Ionen Batteriezellen und -modulen. Die Produktrange reicht von der Einzelmaschine zum Beispiel für die Laborfertigung bis zu schlüsselfertigen Produktionslösungen – einem Konzept, das sich unter dem Begriff Turnkey Solutions etabliert hat. Dieses Konzept wird vom Anbieter kontinuierlich weiterentwickelt. So präsentiert Manz im Segment Energy Storage ein neues Laserverfahren für die Produktion von Batteriezellen, das den Schweißprozess von Zellableitern, den sogenannten Tabs, optimiert: das Laser Tab Welding. Die neue Technologie reduziert den Umfang der notwendigen Abläufe um mindestens einen Prozessschritt und verringert so in der Gesamtbetrachtung die Kosten pro Batteriezelle signifikant.

Das Vorschweißen entfällt

Das Verschweißen der Zellableiter bei der Herstellung von Lithium-Ionen Batteriezellen mit Ultraschall, das Tab Welding, ist mit einer hohen mechanischen Belastung verbunden. Unter anderem muss beim herkömmlichen Ultraschallschweißen vorgeschweißt werden. Dieser Prozessschritt entfällt beim Laser Tab Welding. Dadurch wird die Komplexität der Produktion verringert, die Qualität und Sicherheit der Batteriezelle sowie die Prozessstabilität durch die reduzierte Anzahl der Prozessschritte erhöht. An weiteren Arbeitsschritteinsparungen wird aktuell geforscht.

Ersatz für die Ultraschalltechnologie

Das neue Laser Tab Schweißverfahren ist die Alternative zur bisher gängigen Ultraschalltechnologie, dem Ultra Sonic Tab Welding, und stellt einen vollwertigen Ersatz dar. Die neue Technologie kann auch in bestehende Produktionslösungen integriert werden.

Für die Kunden bedeutet der neue Prozess laut Anbieter eine signifikante Steigerung der Qualität und Effizienz in der Produktion und damit deutliche Wettbewerbsvorteile, insbesondere in der Massenproduktion, verspricht der Anbieter. Zwar entstehen anfangs höhere Anschaffungskosten für die Laser-Technologie im Vergleich zur bewährten Ultraschallmethode. Die Betriebskosten sinken in der Folge jedoch stetig, da das neue Verfahren nahezu wartungsfrei ist, ein höherer Durchsatz pro Minute erreicht und eine insgesamt bessere Anlagenverfügbarkeit durch geringere Ausfälle gewährleistet wird. Weniger Maschinen oder Module bedeuten entsprechend weniger Flächenbedarf und damit kleinere Fabriken – das senkt die Betriebs- und Produktionskosten zusätzlich. Vergleicht man das neue Verfahren mit dem bislang gängigen Ultraschallschweißen, lohnt sich die Investition bereits nach weniger als einem Jahr, so der Anbieter.

Verschiedene Zelldesigns möglich

Die Technologie deckt verschiedene Arten und Größen von Batteriezellen ab. Die Anzahl der zu verschweißenden Tabs ist variabel und neue Zellkonzepte können optimal abgebildet werden. Mit nur einem Anlagenmodul können künftig verschiedenste Zelldesigns und noch leistungsfähigere Batterien produziert werden. Ein Formatwechsel ist sogar ohne Werkzeugwechsel möglich. Ein weiterer Vorteil liegt in den vielfältigen Konfigurationsmöglichkeiten zum Beispiel als Stand-Alone bzw. Einzelanlage oder zur Integration in neue und bestehende Fertigungslinien.

Mit Hilfe der neuen Laser-Technologie werden wichtige Parameter bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen verbessert: Mehr Leistung durch höhere Energiedichte und mehr Sicherheit der Batteriemodule durch optimierten Zellschutz als bei bisherigen Zellen. Beim Verschweißen verschmelzen Metallfolien und Tabs komplett und bilden so eine starke, rissfreie Verbindung. Die kompakte Schweißnaht kann bis zu 160 Schichten fixieren, in erhöhter Schweißqualität. Sie hat einen niedrigen elektrischen Widerstand und ist bis zu drei bis fünf Mal stärker im Vergleich zur Ultraschallschweißnaht. Dieser einfache und sichere Prozess ist skalierbar auf bis zu 200 Tabs in einem Kollektor.

Kontaktlose Verarbeitung führt zu weniger Abrieb

Zusätzlich entsteht beim Laserschweißen weniger Abrieb durch kontaktlose Verarbeitung, was eine reduzierte mechanische Belastung der Elektroden bedeutet. Die Laserquelle selbst hat eine sehr hohe mechanische Festigkeit und ist folglich kaum fehleranfällig. Das neue Laserwerkzeug ist verschleißfrei, erfordert keine Nachjustierung und muss nur ca. alle 15 Jahre ersetzt werden. Mit Laser Tab Welding unterstützt Manz die Kunden erneut mit einer innovativen Technologie für den Produktionsprozess von Lithium-Ionen Batteriezellen und verhilft ihnen dadurch zu einer erfolgreichen Positionierung in einem hart umkämpften Markt, insbesondere in der Automobilbranche.

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