Batteriezellenproduktion wird grüner Schnell zur umweltfreundlichen Fertigungstechnologie

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Telsonic Ultrasonics Inc.

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Bei Elektrofahrzeugen ist die effiziente und qualitativ hochwertige Batteriezellenproduktion von entscheidender Bedeutung. Gefragt sind Produktionsmethoden, die nicht nur schnell und zuverlässig sind, sondern auch umweltfreundlich arbeiten und zukünftig auch mit Recycling-Materialien zurechtkommen. Wenn es gilt, in einer kostengünstigen Massenfertigung perfekt leitende elektrische Verbindungen auch zwischen unterschiedlichen Materialien herzustellen, sind Ultraschallfügeverfahren eine gute Wahl.

Die Automobilindustrie favorisiert zunehmend zylindrische Akkuzellen. Sie bieten eine hohe Energiedichte, sind mechanisch robust, langlebig und lassen sich vergleichsweise einfach produzieren und skalieren. Dazu werden Folien aus Aluminium und Kupfer, getrennt durch eine Separatorlage, in vollautomatisierten Produktionslinien entsprechend aufgerollt, mit elektrischen Kontaktierungen ausgestattet und in einer zylindrischen Zelle verpackt. Eine Batterie für ein durchschnittliches Elektroauto beinhaltet je nach Leistung 1.000 bis 9.000 solcher Zellen, was eine hocheffiziente Produktionsmethode unabdingbar macht, um Qualität, Konsistenz und die benötigten hohen Stückzahlen zu gewährleisten. 

Das torsionale Ultraschallschweißverfahren Soniqtwist von Telsonic bietet ideale Voraussetzungen dafür, die Pole der zylindrischen Batteriezellen zu verschweißen. Das Verfahren hat sich bereits in vielen unterschiedlichen industriellen Bereichen bewährt und die Systeme lassen sich einfach und kostenminimiert in verschiedene Produktionsanlagen voll integrieren (Bild 1). Beispiele gibt es für Rund- und Ringtaktanlagen ebenso wie in Continous-Mode- oder Lineartaktanlagen.

Praktische Vorteile beim Verschweißen der „Jelly Roll“

Heutige zylindrische Batteriezellen bestehen in der Regel aus je einer zwölf Mikro­meter starken Aluminiumfolie und einer acht Mikrometer starken Kupferfolie, getrennt durch eine dünne, laminierte Separatorlage. Diese Sandwich-Struktur wird dann zur sogenannten „Jelly Roll“ aufgewickelt, in zylindrische Gehäuse eingebracht und anschließend ein Kollektor aus Aluminium aufgeschweißt. Dazu wird über eine hochfrequente torsionale Schweißbewegung mit einer Frequenz von üblicherweise ­20 Kilohertz die Jelly Roll über die Aluscheibe, also den Kollektor, der die Folien verbindet, mit der Kathode (dem Plus-Pol) verbunden. Die stabförmige Sonotrode mit einem Durchmesser von zwei bis sechs Millimetern taucht 70 bis 160 Millimeter in die Jelly Roll ein (Bild 2) und verschweißt die Aluscheibe mit dem isolierten Boden des Gehäuses. 

Danach wird die Zelle mit einem Deckel verschlossen und über eine Öffnung mit Elektrolyt befüllt, die dann ebenfalls verschlossen wird. Nach dem Zellfinishing, bestehend aus Formierung, Entgasen und Reifung, ist die Zelle geladen. Die Parameter für das Finishing sind je nach Zellhersteller unterschiedlich und beeinflussen in einem hohen Maße die Performance der Zelle.

Im Vergleich zur Lasertechnik, die in puncto Präzision ebenfalls überzeugen kann, aber bei der Integration in die High-Speed-Produktionsumgebung, bei der Produktivität und bei den Kosten jedoch an ihre Grenzen stößt, bietet die Ultraschalltechnik gleich mehrere Vorteile: So ermöglicht das torsionale Ultraschallschweißverfahren – abhängig von der Fertigungsanlage – eine Produktivität von bis zu 400 ppm (parts per minute) mit Schweißzeiten unter 300 Millisekunden. Einer effizienten Massenproduktion steht damit nichts im Wege.

Batteriezellenproduktion: Umweltfreundlich und ohne Nebenwirkungen

Gleichzeitig ist das Verfahren tolerant gegenüber den eingesetzten Materialien: Batteriehersteller haben sich auf die Fahne geschrieben, möglichst grüne Batterien mit geringem CO2-Abdruck, fossilfreier Energie und einem innovativen Kreislaufsystem herzustellen. Themen wie das Batterie-Recycling sind dabei von essenzieller Wichtigkeit. Hier kann die Ultraschallschweißtechnik ebenfalls überzeugen, denn auch Recycling-Werkstoffe lassen sich verarbeiten. Lasertechnik ist für letztere beispielsweise nicht geeignet, weil darin oft Stoffe enthalten sind, die den Laserstrahl reflektieren und damit das Schweißergebnis negativ beeinflussen würden. Im Gegensatz zu anderen Schmelzschweißverfahren minimiert die Ultraschallmethode durch die geringe Wärmeentwicklung, die 30 bis 40 Prozent unter dem Schmelzpunkt liegt, auch das Risiko von Porenbildung, Spritzern und Heißrissen. Poren in den Polverbindungen könnten beispielsweise im späteren Betrieb bei Vibrationen zu Rissen und damit zu Ausfällen führen.

Ultraschallschweißsysteme verbrauchen zudem nur wenig Energie, da die Systeme mit minimalem Energieaufwand im Resonanzpunkt arbeiten; im Vergleich zu anderen Fügeverfahren spart das viel Energie. Ultraschallschweißen erfordert zudem keine Schutzausrüstung, verursacht keine gefährlichen Emissionen oder Abfälle und benötigt keine Zusatzwerkstoffe wie Flussmittel oder Lote. Diese Aspekte sind im Einklang mit den Umweltzielen der E-Mobilität und machen torsionales Ultra­schallschweißen zu einer zukunftsweisenden grünen Technologie in der Batteriezellenproduktion für Elektrofahrzeuge. Es unterstützt Nachhaltigkeitsziele und verbessert das Firmenimage.

Qualität der Batteriezellenproduktion im Blick

Da Nachhaltigkeit eng mit Produktionsqualität und Fehlervermeidung verbunden ist, setzt Telsonic auf eine digitale Plattform, die eine nahtlose Integration und Steuerung von Ultraschallkomponenten von der Labor- bis zur Serienanlage ermöglicht. Mit TelsoAssist lassen sich die einzelnen Ultraschallkomponenten digital zu einem Gesamtsystem verbinden. Die Integration der Sensorik ermöglicht präzise Messungen wichtiger Parameter und eine korrekte Prozessregelung. Die Software unterstützt in allen Phasen eines Projekts – von der Anwendungsentwicklung im Labor über die Integration, Inbetriebnahme, Produktion bis hin zum Service und Support.

Durch konsequent genutzte, software­gestützte Dokumentation stehen maschinenlesbare Echtzeitdaten zur Verfügung, um Prozesse zu überwachen, Trendverläufe zu erkennen, die Qualität sicherzustellen und fortlaufend zu optimieren. Self-Check-Funktionen der eingesetzten Werkzeuge, eine bildunterstützende Menüführung für den Bediener, einfache Visualisierung, Wartungszähler für Verschleißteile und Equipment-Management sowie Barcodeleser stellen sicher, dass für jede Applikation die passenden Werkzeuge mit validierter Parametrierung zum Einsatz kommen und dienen einer konsequenten Fehlervermeidung. Die aufeinander abgestimmte Lösung aus Software und Hardware, intuitive Dashboards und der netzwerkübergreifende Datenaustausch über verschiedene Schnittstellen wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat und Powerlink bieten Transparenz und Effizienz in der Produktion und ermöglichen so den Aufbau von KI-Funktionalitäten.

Der Autor Axel Schneider ist Head Business Development Battery bei Telsonic Ultrasonics.
Autorin Ellen-Christine Reiff, M.A. ist Fachjournalistin beim Redaktionsbüro Stutensee.