Leopard – Laserbonden als schonende Verschaltung Temperatursensitiver Zellen der nächsten Generation für die Energiewende

Batteriespeicher tragen dazu bei Schwankungen in der erneuerbaren Stromproduktion auszugleichen, den Verkehrssektor zu elektrifizieren und den wachsenden Bereich der Konsumerelektronik mit portabler Energie zu versorgen. Um die Strom- und Spannungskennwerte von batteriebetriebenen Geräten zu erreichen, werden einzelne Batteriezellen zu Batteriemodulen zusammengesetzt und seriell oder parallel elektrisch verschaltet. Ziel des Projekts »Leopard« ist die Weiterentwicklung einer Laserbond-Anlage durch den Einsatz gepulster Laserstrahlquellen. Dabei soll die Verbindungstechnologie des Laserbondens durch die detaillierte Prozessqualifizierung für die Verwendung hochstromfähiger Zellverbinder etabliert werden. Die zuverlässige Verschaltung wird durch die Entwicklung von Modellen zur Dimensionierung der Zellverbinder unterstützt.

Weiterentwicklung der Verschaltungsanlage

Ziel ist die Weiterentwicklung der Laserbond-Anlage durch die Evaluation neuartiger Laserstrahlquellen und durch die Integration innovativer Prozessdiagnostik zur Beobachtung von Prozesssignalen. Der Vorteil des Laserbonders diverse Batteriezelltypen einseitig zu kontaktieren, wird in dem Projekt weiterentwickelt. Zur Etablierung des Laserbond-Prozesses in der automatisierbaren Fertigung werden Randbedingungen der produktionsbegleitenden Qualitätssicherstellung entwickelt und ein Anforderungsprofil erarbeitet. Hierfür werden Batteriepacks designt, als Demonstrator aufgebaut und validiert. 

Untersuchung und Optimierung der Verschaltungsprozesse

Das Projekt zielt mit der Optimierung der Verschaltung auf den zentralen Fertigungsschritt bei der Herstellung von Batteriemodulen. Um den Laserbond-Prozess genau zu verstehen, werden die resultierenden Fügestellen in ihrer Mikrostruktur sowie mechanisch und elektrisch genauestens untersucht. Hierbei kommen unsere vielfältigen Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Mithilfe der Analyseergebnisse werden sensible Prozessparameter abgeleitet. Mit den gewonnenen Erkenntnissen erfolgt die Entwicklung einer intelligenten Prozessführung für das Laserbonden hochstromfähiger Zellverbinder. Darüber hinaus wird ein Batterieverschaltungskonzept erarbeitet, das den Re-Use von Batteriepacks ermöglicht.

Benchmarking für das Laserbonden

Die Demonstrator-Batteriepacks, die mit dem Laserbond-Verfahren hergestellt werden, werden intensiv getestet und geprüft. Hierbei werden unter anderem sowohl die Transportfähigkeit im Sinne der UN38.3 als auch die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Demonstratoren überprüft. Die Laserbond-Batteriepacks werden so mit industriell hergestellten Batteriepacks verglichen. Das Laserbonden wird so bezüglich der Konkurrenzfähigkeit und industriellen Einsetzbarkeit bewertet.

Modellentwicklung für optimale Dimensionierung der Verbinder

Auf Basis der experimentell gewonnenen Erkenntnisse und der elektrischen, thermischen sowie mechanischen Parameter der eingesetzten Materialien und der produktionstechnischen Randbedingungen werden Modelle entwickelt, die die Berechnung der optimalen Verbinder-Dimensionen für unterschiedliche Batteriepack-Geometrien erlauben. Damit wird es Herstellern von Batteriepacks ermöglicht, einfach und schnell eine Verschaltung der Batteriezellen zu berechnen. Für diese Entwicklung werden im Projekt FEM-Simulationen zu den elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der Batteriemodule, Zellen und Zellverbinder durchgeführt.

Techno-ökonomische Bewertung der Anlagen- und Prozessentwicklung

Die Weiterentwicklungen der Anlage werden im Projekt auch von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus beleuchtet. Der technische und wirtschaftliche Nutzen der Prozess- und Anlagentechnologie für Kunden wird im Vergleich zum verfügbaren Anlagenbestand ausgearbeitet. Ebenso wird bewertet, wie sich die neuen Technologien in die Anforderungen des variablen Marktes einfügen.