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So können Akkupacks wirtschaftlicher hergestellt werden

Professur Schweißtechnik entwickelte neuartiges Widerstandspunktschweiß-Verfahrens zum prozesssicheren Fügen von Li-Ionen-Einzelzellen akkugestützter mobiler Energieversorgungseinheiten

Die Professur Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz unter Leitung von Prof. Dr. Peter Mayr präsentierte im Juni 2018 erfolgreich den funktionsfähigen Prototyp einer neuartigen Widerstandspunktschweißmaschine auf dem Innovationstag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Diese Anlage wurde gemeinsam mit dem mittelständischen Hersteller von Batterie-, Akku-, Lade- und Lichttechnik – der ANSMANN AG mit Sitz in Assamstadt (Baden-Württemberg) – entwickelt. Das Projekt wurde vom BMWi im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) mit etwa 260.000 Euro gefördert.

Die ANSMANN AG stand zu Beginn des Projektes im Jahr 2015 vor der großen Herausforderung, seine Produktionsprozesse zur Herstellung von Akkupacks erheblich wirtschaftlicher zu gestalten. Dies betraf insbesondere den Li-Ionen-Akkupack-Herstellungsprozess – d. h. die Verbindung einzelner Li-Ionen-Akkuzellen miteinander zu den jeweiligen Akkupacks gewünschter Größe. Dies ist sozusagen das Herzstück der Akkupack-Fertigung. Die Verbindung der Li-Ionen-Einzelzellen untereinander erfolgte bislang durch einen den Besonderheiten der Li-Ionen-Akkupackfertigung angepassten Widerstandsbuckelschweißprozess, bei dem ein Teil des Schweißstromes im Nebenschluss abfließt und damit dem Schweißprozess nicht mehr zur Verfügung steht. Dieser Fügeprozess stieß zunehmend an seine, insbesondere auch wirtschaftlichen Grenzen. Zudem ließ er sich nicht automatisieren. Die Aufgabe im Rahmen des gemeinsamen FuE-Projektes bestand darin, einen modifizierten Widerstandsschweißprozess für die Verbindung der Li-Ionen-Einzelzellen zu Akkupacks zu entwickeln, der den Nebenschlusseffekt vermeidet und in einem hinreichend großen Parameterfenster die Herstellung qualitätsgerechter – d. h. gut kontaktierender und mechanisch ausreichend fester Verbindungen der einzelnen Li-Ionen-Einzelzellen miteinander – sicherstellt.

Der Lösungsansatz des Projektes sah die Substitution der bisherigen Verbinderbleche durch eine speziell ausgeformte Verbinder-Schablone und den Einsatz eines neu entwickelten Schweißkopfes der Widerstandspunktschweißmaschine vor. Die Besonderheit der Verbinder-Schablonen besteht in den jeweils zwei exakt über Kontaktflächen jeder einzelnen Li-Ionen-Zelle ausgerichteten Durchbrüchen. Durch die Öffnungen werden zwei sogenannte Nebenelektroden des neuentwickelten Schweißkopfes hindurch direkt auf die Kontaktfläche der Li-Ionen-Zelle geführt und aufgesetzt. Eine weitere Elektrode und zwar jene, die für den eigentlichen Widerstandsschweißprozess verantwortlich ist, wird mittig auf den zwischen den Aussparungen verbliebenen Steg mit einer definierten Kraft aufgesetzt. Durch diese Gestaltung des Verfahrensaufbaus wird es möglich, einen direkten Schweißprozess ohne Nebenschluss zu generieren.

Insbesondere den Industriepartner ANSMANN AG sieht mit großer Zufriedenheit auf die erreichten Projektergebnisse. Der im Rahmen des Projektes entwickelte Prototyp der Schweißanlage wird gegenwärtig in ein für die industrielle Fertigung von Akkupacks geeignete Produktionsanlage überführt und mit Handhabungs- und Automatisierungstechnisch ergänzt. Das neuentwickelte Verfahren wird die bisherigen Fügeprozesse zur Herstellung von Akkupacks im Unternehmen ANSMANN vollständig ersetzen.

Weitere Informationen erteilen Pascal Thieme, Telefon 0371 531-30560, E-Mail pascal.thieme@mb.tu-chemnitz.de, sowie Dr. Jonny Kaars, Telefon 0371 531-33731, E-Mail jonny.kaars@mb.tu-chemnitz.de.

Mario Steinebach
02.07.2018

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