Aufbau- und Verbindungstechnologien für Batteriezellen und -module

© Fraunhofer ISE
Metallographischer Querschliff einer Schweißlinse nach Ätzung zur Schichtbarmachung der Kornstruktur.
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Röntgenaufnahme einer geschweißten Top Cap (links). Die Analyse macht die nicht erwünschten Nickelansammlungen neben den Buckeln sichtbar. SAM-Aufnahme einer geschweißten Top Cap (rechts). Analyse der resultierenden Kontaktflächen nach der Schweißung.

Batteriespeicher für die zuverlässige und effiziente Zwischenspeicherung von Solar- und Windstrom sowie für die Elektromobilität sind aus einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt. Die Verschaltung einzelner Batteriezellen zu Batteriemodulen bzw. Batteriepacks entscheidet maßgeblich über die Zuverlässigkeit eines Batteriespeichers. Am Fraunhofer ISE entwickeln und analysieren wir geeignete Prozesse, wie Widerstandsschweißen und Laserbonden, um Batteriezellen elektrisch über Batteriezellverbinder zu kontaktieren.

Aufgrund unserer Erfahrungen in der Verbindungstechnologie charakterisieren wir die Fügestellen im Hinblick auf elektrische und mechanische Eigenschaften sowie die Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität. Unterstützt wird die praktische Prozessentwicklung durch die Modellierung der Verschaltungsprozesse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Dimensionierung der Zellverbinder. Dies beinhaltet auch die Simulation der Wärmeerzeugung im Betrieb und den Einfluss der Übergangswiderstände auf das Zellverhalten im Verbund sowie die Alterungsprozesse.

Technische Anforderungen an die Verbindungstechnik in der elektrischen Batterieverschaltung:

  • Fügestellen mit möglichst identischen Kontakten
  • kleinstmögliche elektrische Kontaktwiderstände
  • möglichst geringe Wärmeeinwirkung während des Fügeprozesses
  • Flexibler Verschaltungsprozess für eine Vielzahl von Oberflächenbedingungen und Materialien
  • Langzeitstabilität auch unter extremen Betriebsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Vibrationen, etc.)

Unsere FuE-Leistungen in diesem Arbeitsgebiet umfassen:

  • Prozessentwicklung für verschiedene Zellformate
  • Widerstandsbuckelschweißen
  • Laserbonden, z.B. einseitige Verschaltung von Rundzellen
  • Qualifizierung der Fügestelle
  • Analyse von Materialien und Technologien im Hinblick auf Qualitätssicherung, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, LCA
  • Metallografische Analyse der Schweißlinsen am Querschliff z.B. durch den Einsatz von Ätzverfahren zu Sichtbarmachung der Kornstruktur
  • Analyse der metallografischen Querschliffe durch Rasterelektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektrokopie
  • Thermische Auslagerung, Temperaturzyklentest
  • Scanning Acoustic Microscopy (SAM),
  • Erstellung von µ-CT Aufnahmen von Röntgenanalysen
  • Peel-Test mit variablen Abzugswinkel und Zug-Schertests
  • Simulation und Modellierung
  • Modellierungen des Fügeprozesses durch FEM-Simulationen
  • Dimensionierung der Batteriezellverbinder
  • Simulation des Betriebszustandes des Batteriepacks
  • Elektrische sowie thermische und mechanische Simulation des Batteriepacks
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Der Laserbonder nutzt das Laser-Mikroschweißen, um Batterien elektrisch zu einem Batteriemodul zu verbinden und sorgt so für eine zuverlässige elektrische Kontaktierung mit hoher Stromtragfähigkeit.

Weitere Informationen zum Thema »Aufbau- und Verbindungstechnologien für Batteriezellen und -module«

 

Veröffentlichung

White Paper zur Batterieverschaltung: Materialien – Technologien – Marktsituation

Forschungsprojekt

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Forschungsprojekt

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Elektrische Batterieverschaltung: Innovativ, flexibel, schnell und kostengünstig