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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl einzelner elektrochemischer Zellen, die zur Erhöhung der Gesamtspannung der Batterie üblicherweise in Reihe geschaltet sind. Auch Reihenschaltungen von parallel geschalteten Zellengruppen, um so gleichzeitig die Batteriespannung und Kapazität zu erhöhen, sind bekannt.
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Zur Herstellung der Batterie müssen die Abgriffspole der einzelnen elektrochemischen Zellen daher auf die gewünschte Weise elektrisch miteinander kontaktiert werden. Dies wird durch die Tatsache erschwert, dass der positive und negative Abgriffspol der einzelnen Zellen in der Regel aus unterschiedlichen Metallen, meist Aluminium und Kupfer, bestehen. Es ist bekannt, die Abgriffspole der Zellen durch kraftschlüssige Verklammerung miteinander zu verbinden. Sofern sich die jedoch diese derartigen Verklammerungen im Betrieb zumindest teilweise lösen, was in Kraftfahrzeug-Anwendungen z. B. durch Fahrbahn-Vibrationen oder Klimawechseleinflüsse theoretisch möglich ist, steigt der Übergangswiderstand im Betrieb weiter an, was darüber hinaus zu zusätzlichen Energieverlusten in Form von Wärme und zu einer geringer werdenden Reichweite des Fahrzeugs bzw. der Batterie führt. Aufgrund der insbesondere bei der Anwendung im Kraftwagenbereich hohen Ströme bewirken die hohen Übergangswiderstände von Klemmverbindungen eine starke Temperaturentwicklung, welche die Lebensdauer der Batterie verringert. Das Verklammern unterschiedlicher Metalle miteinander kann zudem beim Eindringen von Feuchtigkeit zu elektrochemischer Kontaktkorrosion führen.
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Es ist weiterhin bekannt, die elektrische Kontaktierung der Einzelzellen durch Verschweißen ihrer Abgriffspole durchzuführen. Hierzu werden insbesondere Laserstrahlschweißverfahren eingesetzt. Auch diese Verfahren sind mit Nachteilen behaftet. Es kann zwar ein geringerer Übergangswiderstand zwischen den Abgriffspolen zweier miteinander verbundener Zellen erzielt werden, die Probleme aufgrund der unterschiedlichen Materialpaarung sind jedoch auch hier vorhanden. Auch bei geschweißten Verbindungen kann Kontaktkorrosion auftreten.
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Die entstehenden Schweißnähte weisen zudem oftmals unerwünschte Oberflächen-Strukturen auf. Insbesondere kommt es zu einer sogenannten Fügenahtüberhöhung. Die rauen, überhöhten Bereiche der Fügenähte stellen wiederum ein Problem für die Kühlung der Batterie dar. Zur Wärmeableitung aus den Einzelzellen werden nämlich üblicherweise ebenfalls die Abgriffspole verwendet, da diese als metallische Bauteile eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Abgriffspole müssen daher mit einem Kühlkörper, der meist ebenfalls metallisch ist, in thermischen Kontakt stehen. Um eine elektrische Isolation sicherzustellen und Kurzschlüsse zu vermeiden, ist zwischen die Abgriffspole und den Kühlkörper üblicherweise eine Schutzfolie eingelegt. Durch die rauen, überhöhten Fügenahte bei Schweißverbindungen kann diese Folie beschädigt werden, beispielsweise durch Vibrationen während des Betriebs des Fahrzeugs, was zu Kurzschlüssen und einem Versagen der Batterie führen kann. Auch beim Laserschweißen der Abgriffspole entstehende metallische Schweiß-Spritzer, die sich neben der Schweißnaht abscheiden, können zu derartigen Beschädigungen führen. Zudem können nicht auf den Ableitern anhaftende, im Zellmodul vagabundierende metallische Schweißspritzer aufgrund ihrer scharfkantigen und spitzen Form die unter den Zellableitern liegenden und in sogenannte „Pouchfolien” verpackten Einzelzellen beschädigen bzw. durchstechen. Dies führt zum Ausfall der Einzelzellen und somit zum Ausfall der gesamten Batterie.
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Beim Verschweißen kann es zudem zu Einschränkungen der Verbindungsgüte, beispielsweise durch die Bildung von intermetailischen Phasen im Schmelzbad mit daraus resultierender Rissbildung kommen. Die Vermeidung derartiger Probleme macht den Fügevorgang besonders aufwändig. Auch der hohe Wärmeeintrag beim Laserschweißen ist problematisch, da hohe Temperaturen die elektrochemischen Zellen beschädigen können. Auch die Zellengehäuse können durch den Temperatureintrag beschädigt werden. Dies ist insbesondere bei so genannten Pouchzellen, also taschenförmigen Zellen, bei welchen der Elektrolyt in Aluminiumverbundfolien versiegelt ist, problematisch, da hier durch den Temperatureintrag die Siegelnähte der umhüllenden Folien beschädigt werden können. Weiterhin kann auch die Zellchemie durch die hohen Temperaturen irreversibel geschädigt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine einfach herzustellende, elektrisch vorteilhafte, verschleißarme und prozesssichere Kontaktierung der einzelnen elektrochemischen Zellen einer Batterie ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen einer Batterie aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen mit jeweiligen metallischen Abgriffspolen werden die Abgriffspole der einzelnen Zellen elektrisch verbunden. Üblicherweise erfolgt dies in Form einer Reihenschaltung, wobei ein positiver Abgriffspol einer jeweiligen Zelle, welcher aus einem ersten Metall besteht, mit einem negativen Abgriffspol einer weiteren Zelle, welcher aus einem zweiten Metall besteht, verbunden wird. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die elektrische Verbindung durch Laserlöten hergestellt wird. Das Laserlöten ermöglicht die Herstellung sowohl mechanisch haltbarer als auch elektrisch günstiger Verbindungen auch bei unterschiedlichen Werkstoffpaarungen. Verglichen mit bekannten Laserschweißverfahren wird dabei bei Verwendung eines niederschmelzenden Lotzusatzwerkstoffs wesentlich weniger Wärme eingetragen, so dass Beschädigungen der elektrochemischen Zellen oder ihrer Umhüllungen zuverlässig vermieden werden können. Die entstehenden Lötnähte durchdringen im Gegensatz zu Schweißnähten nicht die gesamten Abgriffspole, sondern sind lediglich in einem dünnen Kontaktbereich im Überlappungsbereich jeweiliger verbundener Pole angeordnet. Es kommt daher nicht zur Bildung von Spritzern, zu einer stark verminderten Nahtüberhöhung durch anteilig umgeschmolzenes Metall auf der Lasereintragsseite des Fügeverbunds und nicht zur Rissbildung durch Auftreten intermetallischer Phasen. Eine Kontaktierung derart verbundener Abgriffspole mit einem Kühlkörper ist daher problemlos möglich. Die Oberflächen der so verlöteten Pole sind nahezu glatt und können die Isolationsfolie des Kühlkörpers nicht beschädigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Laserlöten ein Lotwerkstoff auf die positiven und/oder negativen Abgriffspole der Zellen aufgebracht. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Variante des Wiederaufschmelzbeziehungsweise Reflowlötens, bei welchem das Lot vor dem eigentlichen Lötvorgang bereitgestellt wird und nicht während des Lötens aufgebracht werden muss. Die Lötverbindungen können daher auch an Stellen angebracht werden, die während des eigentlichen Lötens für eine Lotzufuhr nicht zugänglich sind.
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Es ist besonders vorteilhaft, den Lotwerkstoff galvanisch oder durch Plattieren aufzutragen. Mit beiden Verfahren lassen sich definierte Schichtdicken des Lotwerkstoffes realisieren, so dass ein besonders prozesssicheres Verlöten möglich ist.
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Als Lotwerkstoff wird vorzugsweise Zinn oder eine Zinnbasislegierung verwendet. Diese sind niederschmelzende Lotwerkstoffe und sorgen dafür für eine Begrenzung der in die Fügeverbindung eingebrachten Temperaturen. Der Lotwerkstoff ist dabei auf die Korrosions- und Festigkeitsanforderungen der zu schaffenden Verbindung abzustimmen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Aufbringen des Lotwerkstoffs eine Zwischenschicht auf die positiven und/oder negativen Abgriffspole aufgebracht. Diese Zwischenschicht kann einen zusätzlichen Schutz vor elektrochemischer Korrosion bieten und die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Verbindung verbessern. Gleichzeitig kann die Zwischenschicht die Eindiffusion von Elektrodenmaterial in das Lot verhindern, indem beispielsweise Nickel als Diffusionssperre verwendet wird, so dass die Lotzusammensetzung besser kontrolliert werden kann. Ein Ablegieren von Metallen aus den Abgriffspolen wird dadurch vermieden.
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Vorzugsweise wird die Zwischenschicht durch galvanisches Auftragen oder Plattieren von Nickel auf die Abgriffspole erzeugt. Abhängig von den Materialien der Abgriffspole ist dabei die Aufbringung der Zwischenschicht nicht immer notwendig. Bei der Verwendung von Abgriffspolen aus Kupfer und Aluminium kann es beispielsweise genügen, lediglich die Aluminiumabgriffspole zu vernickeln, während auf die Kupferabgriffspole das zinnbasierte Lot direkt aufgebracht wird.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Detailansicht eines Ausschnitts aus einer Batterie mit mehreren elektrochemischen Zeilen, die nach dem Stand der Technik durch Laserverschweißen elektrisch verbunden sind;
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2 eine Schliffdarstellung durch eine Laserschweißnaht nach dem Stand der Technik;
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3 eine schematische Darstellung des Verlötens von Abgriffspolen elektrochemischer Zellen mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 ein Schliff durch eine mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Lötverbindung; und
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5 ein Bruchbild der Lötverbindung gemäß 4 in der Fügeebene.
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Zum Herstellen einer im Ganzen mit 10 bezeichneten Batterie mit mehreren elektrochemischen Zellen 12 müssen die negativen Abgriffspole 14 der Zellen 12 mit den positiven Abgriffspolen 16 jeweils anderer, beispielsweise benachbarter Zellen 12 verbunden werden, um so eine Reihenschaltung zu erzeugen, die die gewünschten Spannungen bereitstellen kann. Hierzu werden die Abgriffspole 14, 16 üblicherweise in Überdeckung gebracht und durch Laserschweißen verbunden. Eine derartige nach dem Stand der Technik erzeugte Schweißnaht ist in 2 in der Schliffdarstellung zu erkennen. Die Schweißnaht 18 ist als I-Naht am Überlappstoß zwischen dem aus Kupfer bestehenden Abgriffspol 14 und dem aus Aluminium bestehenden Abgriffspol 16 ausgeführt. Im Querschnitt der Naht 18 sind deutlich Einbrandkerben 20 an den Flanken der Oberraupe, Nahtüberhöhungen 22 neben den Einbrandkerben, die Bildung von Poren 24 und Rissen 26 zu erkennen. Die Qualität der Schweißnaht 18 leidet insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Materialpaarung Kupfer-Aluminium. Beim Eindringen von Feuchtigkeit besteht hier zudem die Gefahr elektrochemischer Korrosion. Neben den beschriebenen Mängeln kommt es noch zur Absonderung von Spritzern auf der Oberfläche 28 des Abgriffspols 14. Derartige Defekte können die Lebensdauer der Batterie 10 deutlich verringern.
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Ein weiteres Problem tritt auf, wenn ein Kühlkörper 30 mit den Abgriffspolen 14, 16 in thermischen Kontakt gebracht werden soll. Die Abgriffspole 14, 16 eigenen sich besonders gut als Ansatzpunkt für die Kühlung, da sie als metallische Bauteile eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und sich tief in die einzelnen elektrochemischen Zellen 12 erstrecken. Der ebenfalls metallische Kühlkörper 30 wird dabei durch eine isolierende Folie 32 von den Abgriffspolen 14, 16 elektrisch entkoppelt. Die beschriebenen Defekte an den Schweißnähten 18 können dabei zu Beschädigungen der Folie 32 führen. Hierdurch kommt es zu einem elektrischen Kontakt zwischen den Abgriffspolen 14, 16 und dem Kühlkörper 30, was zu Kurzschlüssen und zur Zerstörung der Batterie 10 führen kann.
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Um die genannten Probleme zu umgehen, wird im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens das in 3 schematisch dargestellte Laserlöten verwendet. Hierbei handelt es sich nicht um ein Laserlötverfahren im eigentlichen Sinn, da der Laserstrahl nicht das Lot direkt erwärmt. Es findet vielmehr ein indirektes Laserlöten statt, denn der Laserstrahl erwärmt den metallischen Träger des Lotwerkstoffs, der die Wärme durch Wärmeleitung zum Lot transportiert. Die Abgriffspole 14, 16 werden hierbei zunächst mit einer galvanisch, chemisch oder durch Plattieren aufgebrachten Nickelschicht 34 beidseitig beschichtet. Auf die Kontaktseiten der Abgriffspole 14, 16 wird ebenfalls galvanisch oder durch Plattieren eine Lotschicht 36 aufgebracht. Dies erfolgt vor dem eigentlichen Verlöten, die Lotschicht härtet daher wieder aus. Es handelt sich also um eine Variante des Wiederaufschmelzbeziehungsweise Reflowlötens. Zum Herstellen der Lötverbindung werden die Abgriffspole 14, 16 überlappend in einer nicht dargestellten Spannvorrichtung fixiert. Dabei muss bei dieser Ausführungsform der Erfindung bei der Gestaltung der Spannvorrichtung darauf geachtet werden, dass diese flächig auf die Fügepartner bis knapp neben den Ort des Laserstrahleintrags wirkt. Auf diese Weise kann ein technisch vorteilhafter Nullspalt zwischen den Fügepartnern eingestellt werden.
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Mittels eines Laserstrahls 38 wird im Überlappungsbereich 40 das tot der Schichten 36 lokal aufgeschmolzen, so dass die gewünschte Lötverbindung hergestellt wird. Hierzu kann beispielsweise ein Nd:YAG-Festkörperlaser im Continuous-Wave-Betrieb mit einem Fokusdurchmesser von etwa 0,2 mm eingesetzt werden, um besonders feine, geometrisch wohl definierte Lötnähte zu erzeugen. Wie im Schliffbild der 4 zu erkennen, erzeugt der Laserstrahl 38 eine lokale I-Naht 42 im Kupferabgriffspol 14. Die Naht erstreckt sich jedoch nicht durch das gesamte Fügepaar, durchschmilzt die Materialpaarung hier also nicht. Stattdessen wird lediglich in einem lokalen Bereich 44 zwischen den Fügepartnern das Lot aufgeschmolzen und die gewünschte Verbindung zu erzeugen. Die Verbindung erfolgt dabei nicht flächig, wie im Bruchbild aus 5 zu erkennen. Vielmehr ergibt sich im Fügebereich 44 lediglich eine schmale, in diesem Beispiel etwa 1,5 mm durchmessende linienförmige Löt-Naht 46. Der Nahtdurchmesser ist somit größer als der Fokusdurchmesser des verwendeten Laserstrahls.
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Durch das Laserlöten können auch artungleiche metallische Werkstoffe zuverlässig stoffschlüssig verbunden werden. Das Verfahren ist insbesondere für die bei Batterien häufig auftretenden Aluminium-Kupfer-Fügeverbindungen besonders gut geeignet. Es ergibt sich eine Verbindung mit geringem elektrischen Übergangswiderstand und relativer geringer und homogener Widerstandserwärmung. Oberflächeninhomogenitäten, wie beispielsweise Nahtüberhöhungen, Einbrandkerben und Schweißspritzer, wie beim Stand der Technik üblich, werden auf ein Mindestmaß reduziert beziehungsweise vermieden. Die Lebensdauer der Batterie 10 wird damit deutlich vergrößert. Ferner tritt eine wesentlich geringere Neigung zu metallurgischen Problemen wie Rissen und intermetallischen Phasen im Gefüge auf, was ebenfalls die Ausfallsicherheit der Batterie erhöht und die Qualität des Kontaktes verbessert.
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In konkreten Versuchen wurde bei einer Fügequerschnittsfläche von ca. 100 mm2 eine Verbindung erzielt, die statischen Scher-Zugkräften von ca. 1,7 kN standzuhalten vermochte. Der Übergangswiderstand betrug in etwa 0,067 mΩ nach 4 Min Lasteinleitung bei 100 A. Ein Wärmeeintrag in von der Lötstelle beabstandete Bereiche war minimal. Insgesamt konnte in Versuchen gezeigt werden, dass eine gute Benetzbarkeit und Lötqualität bei geringer Blasen- und/oder Porenbildung erreicht werden konnte, eine gute Oberflächenqualität sichergestellt werden konnte und die geforderten Fügequerschnittsflächen von 52 mm2 mit lediglich einer Naht erzielt werden konnten. Insgesamt ergibt sich so ein kostengünstig durchzuführendes und prozesssicheres Verfahren zum Herstellen von Batterien, welches Korrosions- und Verschleißprobleme an den elektrischen Kontakten der Batterie minimiert.
