Mit neuen Einsatzmethoden von Lasern in der Batteriezellfertigung wird diese wesentlich effizienter - und damit wettbewerbsfähig im Vergleich zu asiatischen Anbietern.

Mit neuen Einsatzmethoden von Lasern in der Batteriezellfertigung wird diese wesentlich effizienter - und damit wettbewerbsfähig im Vergleich zu asiatischen Anbietern. (Bild: Nazia - stock.adobe.com)

Die Produktion von Batteriezellen steht im Mittelpunkt der technologischen Entwicklungen, die sowohl die Elektromobilität als auch den Energiesektor prägen. Dabei gilt es, höchsten Anforderungen an Effizienz, Sicherheit und Qualität gerecht zu werden. In diesem Umfeld gewinnt der Einsatz von Lasertechnologien zunehmend an Bedeutung. Johannes Bührle, Experte bei Trumpf, beleuchtet in diesem Zusammenhang verschiedene neuartige Prozesse und Anwendungen, die die Batteriezellenproduktion entscheidend verändern könnten.

In Bezug auf den Bereich der Batteriezellenproduktion hebt Bührle hervor, dass es verschiedene Trends gebe und der Preisdruck enorm sei. "Wir wollen, dass unser Laser in der Batterieproduktion einen Beitrag leisten kann, um die Batteriezellen günstiger zu machen, die Qualität im Produktionsprozess zu erhöhen und auch die Sicherheit", gibt er zu verstehen. Es gehe dabei nicht nur um die Optimierung bestehender Anwendungen, sondern auch um die Einführung neuer, disruptiver Prozesse wie das Lasertrocknen. Diese Technologien könnten bestehende Produktionsprozesse unterstützen und verbessern. 

Dabei skizziert Bührle den gesamten Batterieproduktionsprozess – von der Elektrodenfertigung über das Zell- und Modul-Assembly bis hin zum End-of-Life-Prozess. Seiner Ansicht nach lasse sich heute keine Batteriezelle mehr ohne Lasertechnologie herstellen. Bührle weiter: "Es gibt durchaus neue, innovative Anwendungen, wo auch Wettbewerbstechnologien etabliert sind, und hier sehen wir Alleinstellungsmerkmale, um die Batterieproduktion mit Lasertechnologie zu unterstützen." 

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Wie sorgt der Laser für mehr Effizienz in der Batterieproduktion?

Eine besondere Innovation sieht Bührle beim Elektrodentrocknen. Er beschreibt die heutigen Trocknungsprozesse als sehr energie- und kapitalintensiv. Üblicherweise würden Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren in langen Trocknungsöfen getrocknet. Trumpf habe jedoch Pilotanlagen entwickelt, bei denen der Trocknungsprozess erheblich verkürzt werden könne. "Wir haben den Proof-of-Concept erbracht und konnten zeigen, dass wir mit diesen Anlagen über ein Drittel der Energiekosten einsparen können", teilt er mit. Der Energieeintrag werde deutlich reduziert, was die Trocknung günstiger mache. 

Bührle führt aus, dass mit den Pilotanlagen bereits eine Geschwindigkeit von 40 Metern pro Minute erreicht werde. Gleichzeitig habe man den Footprint um rund 60 Prozent reduziert. "Das ist es aus meiner Sicht wert, diesen Prozess zu betrachten, auch wenn es eine größere Hürde ist, etablierte Prozesse zu verändern", merkt er an. Besonders betont er, dass fast ein Drittel der Energiekosten im Trocknungsprozess der Zellproduktion stecken. "Das ist einer der großen Hebel, um Energiekosten zu reduzieren", so Bührle.

Vom Schneiden bis zum Schweißen: Der Laser deckt alles ab

Ein weiteres wichtiges Einsatzfeld der Lasertechnologie sieht Bührle im Prozess des Folienschneidens und der Elektrodenbearbeitung. Hier gebe es jedoch Unterschiede je nach Zellchemie und Beschichtungsdicke, denn "die Zellchemie wirkt sich unterschiedlich auf den Schneidprozess aus.“ Es komme dabei auch auf das Zellformat und die Schichtdicken an. So mache es immer einen Unterschied, ob es um eine Hochleistungsbatterie für den Mobilitätsbereich oder um eine Storage-Batterie gehe, da die Beschichtungsdicken unterschiedlich stark seien.

Verschiedene Lasertypen für unterschiedliche Aufgaben

Daher biete Trumpf verschiedene Lasertypen an – vom Ultra-Short-Pulse-Laser (USP) über den Dauerstrichlaser (CW) bis hin zum Nanosekundenlaser (NS) – die jeweils spezifische Stärken und Schwächen in verschiedenen Materialien hätten. „Alle Laser haben ihre Stärken und Schwächen und dann kommt es auf diese unterschiedlichen Anforderungen des Schneidens an.

So beim Rolle-zu-Rolle im Notching-Prozess, da gibt es einmal das Schneiden von Reihen der Folie und das Schneiden, wo es zum Teil Keramikbeschichtungen im Übergangsbereich zu dem Aktivmaterial gibt“, beschreibt Bührle. In diesen Fällen sei ein schnelles Umschalten der Laserparameter notwendig, um sich an die Schneidgegebenheiten anzupassen und Grat, Spritzer sowie Wärmeeinfluss zu minimieren oder zu eliminieren.

Auch auf das Konturschneiden, bei dem die gesamte Elektrode beschnitten wird, geht Bührle ein. Dabei gebe es Herausforderungen in Bezug auf den Spotdurchmesser des Lasers. "Je größer der Scanbereich, desto größer der Spot. Ein größerer Spot wirkt sich jedoch negativ auf den Schneidprozess aus", erläutert er.

Elektrodenmarkieren auch bei hohen Geschwindigkeiten

Ein weiterer wichtiger Bereich sei das Elektrodenmarkieren. Bührle berichtet, dass es Qualitätsprobleme bei Zellherstellern gegeben habe, was das Markieren immer wichtiger mache. "Wir sind in der Lage, während des Rolle-zu-Rolle-Prozesses bei hohen Geschwindigkeiten sicher Markierungen wie Data-Matrix-Codes auf der Folie anzubringen", sagt er. Dabei seien Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 500 Metern pro Minute möglich.

Bezogen auf die Reinigung erläuterte Bührle, dass Trumpf auch Lösungen zum Abreinigen organischer Materialien wie Ölen oder Fetten sowie zum Entfernen von Beschichtungen entwickle. Besonders spannend sei die sogenannte Reparaturreinigung, bei der bereits fertige Batteriezellen erneut beschichtet werden müssten.

Das Verschließen prismatischer Zellen als Königsanwendung

"Die Königsanwendung im Batteriebereich ist das Verschließen von prismatischen Zellen", so Bührle. Diese Anwendung sei spannend, weil sie auf den ersten Blick einfach wirke, tatsächlich aber hohe Anforderungen stelle. "Es darf praktisch nicht in das Innere der Zelle hineingeschweißt werden", erklärt er. Trumpf arbeite daran, aus dieser achsgeführten Anwendung eine scannerbasierte Lösung zu machen. Die programmierbaren Fokusoptiken könnten mit Sensortechnologie und einem Gasmanagement kombiniert werden, um den Schweißprozess zu überwachen und die Qualität sicherzustellen. 

Bührle führt aus, dass Trumpf spezielle Gasmanagementlösungen entwickle, bei denen ein 3D-gedruckter Trichter zwischen der Laseroptik und dem Bauteil positioniert werde. "Dieser Trichter hat zwei Funktionen: Er sorgt für eine homogene Begasung der Schweißnahtkontur und saugt gleichzeitig die Schweißgase ab", erläutert er. Dies verhindere die Entstehung von Plasmawolken, die die Laserenergie absorbieren und unterschiedliche Schweißergebnisse verursachen könnten.

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Zukunftstechnologie: Der Laser bringt den Durchbruch

„So haben wir eine Kombination eines Optiklasers mit dem Gasmanagement zusammen und unserem Vision Line Detect Sensor, der die Positionierung beziehungsweise den Schweißpfad überwacht“, beschreibt Bührle. Dazu könne auch noch ein OCT-Sensor eingesetzt werden, der dann die Einschweißtiefe überwache. In dieser Anwendung gehe es darum, dass man nicht einschweißen dürfe, um Schweißperlen im Innern der Batteriezelle zu vermeiden und einen Kurzschluss zu verhindern. 

„In Summe können wir so viel schneller Schweißen, weil wir zwei Schweißschritte in einem haben. Wir sprechen von ungefähr 400 Millimetern pro Sekunde Schweißnahtgeschwindigkeit gegenüber 150 bis 200 Millimetern im achsgeführten System. Möglich wäre eine Geschwindigkeit von bis zu 600 oder 650 Millimetern pro Sekunde“, stellt Bührle dar.

Bestehende und neue Aufgaben für Trumpf

Johannes Bührle erklärt er, dass Trumpf in der Regel Laserquellen, Bearbeitungsoptiken, Lichtleitkabel sowie Sensortechnologien und Softwarelösungen für verschiedene Marktanforderungen herstellt. "Mittlerweile rutschen wir aber auch ein Stück weit mit unserem Equipment in die Prozessverantwortung", betont Bührle. Deshalb seien Sensortechnologien und KI-Lösungen in Kombination mit visuellen Sensoren immer wichtiger. Zudem biete das Unternehmen Lösungen zur Sammlung von Qualitäts- und Produktionsdaten sowie deren Speicherung an, um diese für die Rückverfolgbarkeit (Traceability) zu nutzen.

Welche Vorteile hat der Laser bei der Herstellung von Batteriezellen?

Zu den aktuellen Trends in der Zellproduktion weiß er zu berichten, dass „die Pouch-Zelle auf dem Rückmarsch ist, während die prismatische Zelle an Bedeutung gewinnt.“ Zudem würden größere Zellformate immer wichtiger. Im Modulbereich liege der Fokus auf dem Kontaktieren stromführender Elemente. "Hier ist das on-the-fly-Schweißen ein wichtiges Thema", so Bührle. Dabei halte die Optik während des Schweißens nicht an, sondern bewege sich kontinuierlich weiter, um Totzeiten zu minimieren und den Prozess effizienter zu gestalten.

Ein wichtiges Feature sei auch die Strahlformung. "Wir haben zwei Laserspots in einem und können die Leistung unterschiedlich verteilen", betont Bührle. Dadurch könnten Ausgasungszeiten verlängert und das Material vorgewärmt werden. Das vermeide Spritzer und Porenbildung im Schweißprozess. Trumpf habe sogar ein neues Verfahren entwickelt, bei dem aus zwei Spots acht Spots gemacht werden. "Das ermöglicht es uns, mit mehr Laserleistung schneller zu schweißen", argumentiert Bührle.

Diese Methode sei besonders beim Schweißen von Wärmetauschern für Batteriezellen oder beim Verschließen von Can Caps von Vorteil. Die vielen Spots sorgten für ein stabileres Keyhole, wodurch schneller geschweißt werden könne, ohne dass es zu Poren oder Spritzern komme.

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Abschließend unterstreicht Bührle die Bedeutung von Künstlicher Intelligenz im Produktionsprozess. "Wir nutzen KI, um mit Hilfe von Filtern gute von schlechten Schweißergebnissen zu unterscheiden", verdeutlicht er. Bereits mit 50 bis 100 Beispielbildern in den Extrembereichen könne der Prozess optimiert werden, was zu besseren Produktionsresultaten führe. 

Dietmar Poll, Redakteur mi connect
(Bild: mi connect)

Der Autor Dietmar Poll ist Redakteur bei mi-connect und fokussiert sich auf Themen rund um die klimaneutrale Industrie. Nach einem Geographiestudium (ja, er wollte die Welt retten) und mehrjähriger Arbeit als wissenschaftlicher Angestellter wechselte er in den Fachjournalismus, arbeitete in verschiedenen Verlagen und betreute dort unterschiedlichste Ressorts. Spannend findet er, bei der Recherche die Geschichte hinter der Geschichte zu entdecken. Privat erwischt man in häufig auf seinem Mountainbike durch die Berge rumpeln.

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