Steinbeis-Forschungsvorhaben untersucht neue Kontaktverbindungen von Feststoffbatterien
Lithium-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare Feststoffbatterien, auf denen das Interesse für zukünftige Einsatzmöglichkeiten im internationalen Markt für stationäre und mobile Versorgung mit elektrischer Energie liegt. Das Steinbeis-Innovationszentrum Werkstoffe, Oberflächen und Verbindungstechnik hat in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der LIOFIT GmbH den äußeren Batterieaufbau und die Kontaktbereiche näher untersucht. Ziel war es, neue Möglichkeiten der Kontaktverbindungen für eine verlustfreie Übertragung elektrischer und Wärmeenergie zu finden.
Beispiele Ultraschall-Schweißen mit einer Aluminium-Kupfer-Legierung (Mischverbindung)
Das Projektteam nahm dabei insbesondere die äußere Energieverteilung der Batteriezellen ins Visier. „Wir wollten erreichen, dass wir die heutigen punktuellen, temperaturerzeugenden Punktschweißungen durch flächige Kontaktstellen mit anliegenden Verbindungsblechen und guten elektrischen und wärmeleitenden Eigenschaften ersetzen“, erläutert Steinbeis-Unternehmer Professor Dr.-Ing. Reinhard Rosert. Das Steinbeis-Innovationszentrum unterstützte das Projekt bei der industrienahen Ideenfindung, der Formulierung der Entwicklungsziele und der Koordination der Arbeitsabläufe. Der Kooperationspartner LIOFIT aus dem Sächsischen Kamenz ist marktführend im Bereich Reparatur, Ersatz sowie Recycling von Lithium-Ionen-Batterien.
Im Fokus: Alternativen zur etablierten Technologie
Bei der Suche nach alternativen Batterietechnologien werden die Differenzen der Elektronegativitäten zwischen verschiedenen Elementen des Periodensystems und ihre Kombination betrachtet. Neue Entwicklungsstrategien und Batterieausführungen kamen zuerst in den Bereichen der zivilen und militärischen Luft- und Raumfahrt zur Anwendung, federführend waren dabei die USA. Der Transport der Elektronen innerhalb dieser Batterien bedarf sogenannter Aktivatoren. Die Anwendung von Nickel-Cadmium-Technologien ermöglichte erste Konstruktionen tragbarer Akkupacks. Umweltfreundlichere Nickel-Metallhydrid-Akkus steigerten die Energiedichte weiter um rund 40 %. Besonders hoch ist diese bei den Lithium-Cobalt- oder auch Lithium-Cobaltoxid-(LiCoO2) Akkus. Cobalt dient als Aktivator und unterstützt die Elektronenaustrittsarbeit und deren Transport innerhalb der Batteriezellen. Lithium ist nicht nur das leichteste Metall, sondern auch besonders stark „elektropositiv“ und dank des Cobalt-Aktivators ein Spender der sogenannten freien Elektronen der Atome. Starke innere Erwärmungen sind schädlich für das Ziel, höchstmögliche Energiedichten der Akkumulatoren zu erreichen. Sie schwächen die Leistungsabgabe bis hin zur Zerstörung der gesamten Batteriezelle oder auch der Akkupacks.
Vor diesem Hintergrund hat sich das Forschungsteam von Steinbeis und LIOFIT im Forschungsvorhaben auf das Verschalten der Zellen untereinander, einschließlich des elektrischen Energietransports und der Möglichkeiten der Wärmeableitungen über die Verbindungstechniken, konzentriert. Die konstruktiven Arbeiten befassten sich mit der Zellenkontaktierung und dem Stromtransport, um verlustfreie Energieübertragungen zwischen den einzelnen Zellen, im sogenannten Batteriepack, bis hin zu den Endverbrauchern zu erreichen. Den Verbindungsblechen kommen funktionsbezogen zwei Aufgaben zu: Das sind zum einen die Leitung des elektrischen Stroms sowie zum anderen die Ableitung der äußeren ohmschen und der innerhalb der Zellen stattfindenden Erwärmungen. Sie werden durch variierende Dichten des Elektronenflusses im Elektrolyten sowie durch die Redoxreaktionen (Oxidation und Reduktion) an den innen liegenden Elektroden wie auch von Lithium und dem Partnermaterial hervorgerufen.
Wärmespitzen gilt es abzuleiten. Daher sah der Forschungsansatz ein „flächiges“ Fügen der Kontaktstellen für eine bessere Wärmeableitung vor. Die Güte der Lithium-Ionen-Batterien wird jedoch maßgeblich von der Batterie-Anoden-Kontaktierung mit dem Verbindungsblech bestimmt. Unvermeidlich sind Übergangswiderstände sowohl innerhalb der Punkt-Schweißzone als auch über die Auflagekontaktfläche zwischen Verbindungsblech und Oberfläche des Batterie-Anoden-Kopfes. Auftretende Erwärmungen und eine damit verbundene Stromminimierung führen zu Energieleistungsverlusten.
Herausforderung Kontaktstellenerwärmung
Problematisch sind die variierenden Übergangswiderstände und die damit verbundenen äußeren Kontaktstellenerwärmungen. Ableitungen dieser Wärme über die Verbindungsbleche mit hohem Wärmeleitwert schaffen hier Abhilfe. Allerdings sind die gegenwärtig verwendeten, aufgepunkteten HILUMIN-Blechstreifen (Verbindungsbleche) dafür weniger geeignet. Die Dicke der Bleche beträgt rund 800 µm, die Wärmeleitfähigkeit circa 85 W/mK. Eine zusätzliche Wärmeanstauung führt zur Entstehung sogenannter Wärmeinseln und verschlechtert die Energieübertragung weiter. Andere Betrachtungen betreffen die mechanischen Eigenschaften der kontaktierten Verbindungsbleche. Diese sind nicht reproduzierbar und schwanken erheblich bei möglichen Zug-/Scherzugbelastungen und unterschiedlicher Schweißpunkteanzahl.
Für die elektrischen und wärmetechnischen Energieübergänge sind darüber hinaus die Abmessungen der Kontaktierungsflächen und die Auflage der Verbindungsbleche am Batteriekörper ein Qualitätsmerkmal. Sie bestimmen die Funktionssicherheit. Der Projektpartner LIOFIT repariert, erneuert oder ersetzt grundsätzlich alle marktgängigen Batterietypen, einzeln oder im Pack vorliegend, verbindungsseitig. Dabei handelt es sich um Batterietypen der Bauformen 18650 aller Herstellerfirmen und neu 21700 von TESLA. Kontaktierungen erfolgen über paarweise angeordnete Punktschweißungen mit zwei bis sechs Schweißpunkten. Die Schweißpunktgrößen liegen abhängig von Druck und Spitzenausbildung der Wolframnadeln bei rund 80-100 µm.
Das Diffusionsschweißen überzeugt auf ganzer Linie
Im Forschungsprojekt kamen das „kalte“ Ultraschall-Schweißen sowie neue Verbindungsbleche aus Aluminium zum Einsatz. Vorausgegangen waren umfangreiche Simulationen und Laborversuche. Merkmale dieser neuen Schweißtechnologie sind:
- Größtmögliches, flächiges Anbinden der Verbindungsbleche zur Anodenkontaktfläche der Batterien,
- Auswahl von Verbindungsblechmaterial mit hohen elektrischen und Wärmeleitwerten (Aluminium),
- hohe mechanische Festigkeiten der Verbindungsbleche selbst und an den Übergängen der geschweißten Kontaktstellen,
- Vermeidung von partiellen Erwärmungen im Kontaktierungsbereich,
- Einsatz „kalter“ Fügeprozesse für reproduzierbare elektrische und mechanische Verbindungsparameter,
- diffusionsbasierte metallische Übergänge (im atomaren Bereich) zwischen Aluminiumoberfläche und HILUMIN-Anodenkontaktmaterial der Batterien (Mischverbindung),
- Auswahl marktüblicher Diffusionsschweißtechnik, basierend auf dem Ultraschallprinzip.
Mischverbindungen über sogenannte Flüssigphasen sind ausgeschlossen. Das Projektteam entschied sich für den innovativen Lösungsansatz des Diffusionsschweißens als sogenannte „kalte“ Verbindungstechnologie ohne Schweißzusatz: Dabei lösen hohe partielle Temperaturen im atomaren Bereich (keine Flüssigphasen) und Druck einen Stofftransport zwischen den zu verbindenden Oberflächen aus. Die Halbzeuge wachsen in kürzester Zeit zu einem neuen monolithischen Bauteil heran. Voraussetzung sind gereinigte, oxidarme Oberflächen und ein spezielles Aktivieren der Oberflächenelektronen und Atomverbunde, insbesondere bei den Kontaktstreifenblechen aus Aluminium. Auf Schutzgase und Vakuum wurde verzichtet. Das Fügewerkzeug selbst bestand aus einem durch Ultraschall angeregten und mit Pressdruck beaufschlagten kleinen „Profilhammer“ mit der benötigten Kontaktflächengröße.
Die Zusammenarbeit mit LIOFIT war für das Steinbeis-Innovationszentrum sehr wertvoll: Nicht nur das Bereitstellen von Lithium-Ionen-Batterien verschiedener Hersteller und der benötigten Gerätetechnik zum Diffusionsschweißen, auch das technologische Know-how von LIOFIT waren wesentlich für den Erfolg. Und dieser kann sich sehen lassen: Die erreichten mechanischen Festigkeiten sowie die erzielten elektrischen und Wärmeleiteigenschaften, die mit dem Diffusionsschweißen hergestellt wurden, übertrafen alle Erwartungen.
Dieser Beitrag entstand innerhalb eines Autorenkollektivs des Steinbeis-Innovationszentrums Werkstoffe, Oberflächen und Verbindungstechnik SIZ-WOV
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Rosert
Steinbeis-Unternehmer
Steinbeis-Innovationszentrum Werkstoffe, Oberflächen und Verbindungstechnik SIZ-WOV (Dresden)