DE102012018912A1

DE102012018912A1 - Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels

Info

Publication number: DE102012018912A1
Application number: DE102012018912A
Authority: DE
Inventors: Michael BRANDNER; Andreas Leitz; Tillmann Höfer; Dirk Lindenau; Heiko Steinmetz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels (1), welcher zumindest aus einer Anzahl stoffschlüssig miteinander verbundener Metallfolien (1.1) mit oder ohne zusätzlichen Zellableiter gebildet wird. Erfindungsgemäß werden die Metallfolien (1.1) in einem Prozessschritt übereinander angeordnet und zur Fügestellenvorbereitung verdichtet und vorfixiert und unmittelbar darauffolgend zumindest randseitig stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels, welcher zumindest aus einer Anzahl stoffschlüssig miteinander verbundener Metallfolien gebildet wird.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere das Verschweißen von vergleichsweise dünnen Metallfolien zu einem Folienstapel, welcher auch einen sogenannten Zellableiter in Form eines Dünnblechs aufweisen kann, als Bestandteil für eine Einzelzelle eines Zellverbundes einer Hochvolt-Batterie bekannt. So können die Metallfolien beispielsweise mittels Ultraschallschweißens, mit oder ohne zusätzlichen Zellableiter, miteinander verbunden werden. Hierbei berühren Sonotrode und Amboss als Schweißwerkzeug die übereinander angeordneten, miteinander zu verschweißenden Metallfolien mit oder ohne Zellableiter-Dünnblech, wodurch beispielsweise die Gefahr einer Rissbildung im Folienstapel besteht. Sonotrode und Amboss sind üblicherweise mit einer feinen Verzahnung und/oder Rändelung bzw. Riffelung versehen, um Reibkräfte in die zu verbindenden Metallfolien einzuleiten. Bei dieser Art der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung der Metallfolien können einerseits die Metallfolien beschädigt oder zumindest deren mechanische Eigenschaften beeinträchtigt oder die sichere Anbindung aller Metallfolien nicht immer gewährleistet werden. Andererseits können die Schweißwerkzeuge vergleichsweise schnell verschleißen, was eine Minderung der Reproduzierbarkeit der Schweißgüte der Schweißverbindung zur Folge haben kann. Der Verschleiß äußert sich dabei als abrasiver (Abtrag) oder adhäsiver (Anhaftung) Verschleiß.
Weiterhin können die Metallfolien zur Herstellung eines Folienstapels mittels berührungslos durchführbarem Laserschweißen miteinander verbunden werden. Hierfür ist insbesondere die Art des Niederhaltens und Spannens der Fügepartner vor und während des Schweißvorgangs von entscheidender Bedeutung. Selbst mit aufwändiger Spanntechnik gelingt es nur unzureichend, vor dem Verschweißen Luftspalte zwischen den einzelnen Metallfolien zu entfernen. Somit besteht die Gefahr von Lufteinschlüssen, wodurch beim Verschweißen der einzelnen Folien Nahtimperfektionen in Form von Poren, Nahtüberhöhungen und Bindungslücken entstehen können. Weitere mögliche Ursachen für Nahtfehler beim Laserschweißen sind Rückstände von Öl und/oder anderen Fremdstoffen zwischen den einzelnen Metallfolien. Diese Nahtimperfektionen können einerseits zu einer unzureichenden Nahtqualität und einem schlechten Anbindung der Metallfolien untereinander und/oder an einem zumindest an einer Metallfolie angeordneten Zellableiter führen. Andererseits entstehen unter Umständen Nahtaufwürfe oder andere Nahtimperfektionen, die den Aufbau der Batteriezelle und deren anschließende Verwendung negativ beeinflussen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von Metallfolien untereinander mit oder ohne Zellableiter zumindest zur Herstellung eines Folienstapels anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels sieht vor, dass dieser zumindest aus einer Anzahl stoffschlüssig miteinander verbundener Metallfolien gebildet wird. Erfindungsgemäß werden die Metallfolien in einem Prozessschritt übereinander angeordnet und zur Fügestellenvorbereitung verdichtet sowie vorfixiert und unmittelbar darauffolgend zumindest randseitig stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt.
Dadurch, dass die aufeinander angeordneten Metallfolien verdichtet und besonders bevorzugt aufgrund dessen vorfixiert werden, ist ein Verrutschen der Metallfolien beim Schweißvorgang zur Bildung des Folienstapels weitestgehend ausgeschlossen, wodurch eine Grundvoraussetzung für die Prozesssicherheit hinsichtlich des Schweißvorganges im Wesentlichen sichergestellt werden kann.
Mittels des Verfahrens wird in besonders vorteilhafter Weise die Schweißgüte einer Fügestelle der miteinander verbundenen Metallfolien dergestalt verbessert, dass eine stetige, kontinuierliche Schweißung entsteht, bei der alle beteiligten Fügepartner in Form der Metallfolien vollständig miteinander verschweißt sind und mit ihren Grenzflächen durchgängig miteinander kontaktiert sind, und somit eine zufriedenstellende Verbindungsquerschnittsfläche gebildet wird. In Erweiterung gilt dies auch für den Fall eines zusätzlichen Zellableiters, der mit dem oben genannten Folienstapel verschweißt werden soll.
Die aufeinander angeordneten Metallfolien (mit oder ohne Zellableiter) werden in einem Prozessschritt verdichtet und anschließend in einem weiteren Prozessschritt miteinander verschweißt, wobei eine starke Reduzierung bis hin zur vollständigen Vermeidung von Rissen, Poren und Oxidschichten innerhalb der Schweißnaht und der Kontaktierungszonen erreicht werden kann. Zudem entstehen weniger Folienabrisse, weniger Ausdünnungen und/oder Verformungen der Metallfolien insbesondere im Bereich der Fügestelle.
Darüber hinaus wird mittels des Verfahrens die Reproduzierbarkeit der Schweißgüte verbessert. Im Vergleich können nur noch kleine Prozessschwankungen auftreten, so dass die Prozesssicherheit erhöht ist und weniger Ausschuss produziert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt die:
1 schematisch in perspektivischer Ansicht einen Folienstapel für eine Einzelzelle einer Hochvolt-Batterie.
In der einzigen Figur ist ein Folienstapel 1 für eine nicht gezeigte Einzelzelle einer Hochvolt-Batterie in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Bei der Hochvolt-Batterie handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
Der Folienstapel 1 ist Bestandteil einer Hochvolt-Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, welcher aus einer vorgegebenen Anzahl von beispielsweise 35 einzelnen Metallfolien 1.1 gebildet ist. Diese einzelnen Metallfolien 1.1 weisen jeweils eine Dicke von 10 μm bis 20 μm auf, wobei die Metallfolien 1.1 stoffschlüssig miteinander zu verbinden sind. Zudem kann vorgesehen sein, dass zumindest an einer Seite des Folienstapels 1 ein nicht näher gezeigtes Dünnblech als Zellableiter angeordnet ist. Dabei ist das Dünnblech ebenfalls mit dem Folienstapel 1 zu verbinden. Das Dünnblech weist hierbei beispielsweise Blechdicken im Bereich von 0,1 bis 0,7 mm auf und wird bezüglich der für die Einzelzelle geforderten Stromtragfähigkeit dimensioniert.
Die einzelnen Metallfolien 1.1 des Folienstapels 1 sind jeweils aus Kupfer oder Aluminium gebildet, wobei diese in Bezug auf den Folienstapel 1 abwechselnd angeordnet sind. Zur Herstellung des Folienstapels 1 werden die einzelnen Metallfolien 1.1 sortenrein miteinander verschweißt, wobei hierzu eine prozesssichere Lösung angestrebt wird.
Um die Schweißgüte einer Fügestelle S und die Reproduzierbarkeit der Schweißgüte im Wesentlichen sicherstellen zu können, ist vorgesehen, die Metallfolien 1.1 in einem ersten Prozessschritt anzuordnen und ohne aus dem Stand der Technik bekannter Spannvorrichtung zu verdichten und daran anschließend die Metallfolien 1.1 mittels eines Schweißvorgangs, insbesondere mittels Ultraschall- und/oder Laserschweißens stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
Die Metallfolien 1.1 werden deckungsgleich aufeinander angeordnet, verdichtet und somit kompaktiert, so dass die aufeinander angeordneten Metallfolien 1.1 als Folienstapel 1 eine Quaderform aufweisen.
Dabei erfolgt das Verdichten der aufeinander angeordneten Metallfolien 1.1 mittels hochfrequenten Ultraschalls, mittels statischer Pressenkraft, mittels Unterdrucks und/oder mittels anderer geeigneter Verfahren und Vorrichtungen.
In dem Fall, dass das Verdichten mittels hochfrequentem Ultraschall durchgeführt wird, werden zum einen Schweißwerkzeuge mit geeigneten Konturen und zum anderen speziell angepasste Maschinenparameter gewählt. Eventuell zwischen den Metallfolien 1.1 vorhandene Luftspalte werden mittels des Verdichtens weitestgehend vollständig entfernt, wobei aus der Verwendung des hochfrequenten Ultraschalls ein Kaltverschweißen der Metallfolien 1.1 resultieren kann. Dadurch sind die Metallfolien 1.1 zumindest abschnittsweise stoffschlüssig verbunden und somit in Bezug auf den folgenden Schweißvorgang vorfixiert. Die zum Verdichten verwendeten Schweißwerkzeuge sind geringstmöglich rautiert, wobei ebenfalls eine geeignete Maschinenparametrierung erfolgt. Die Rautierung der Schweißwerkzeuge in Form der Sonotrode und des Ambosses wird so gering gewählt, dass die Metallfolien 1.1 während des Verdichtens nicht beschädigt werden. Bei einer Dicke von 10 μm sollte die Rautierung, d. h. eine gemittelte Rautiefe beispielsweise im Bereich von 0,1 μm bis 1,0 μm liegen. In Abhängigkeit der Anzahl und Dicke der zu verdichtenden/zu kompaktierenden Metallfolien muss die Rautierung der Schweißwerkzeuge in Form von Sonotrode und Amboss jedoch individuell angepasst werden. Dies ist Gegenstand von weiteren Untersuchungen.
Werden die aufeinander angeordneten Metallfolien 1.1 mittels eines anderen Verfahrens und/oder einer anderen Vorrichtung verdichtet, so ist auch hierbei vorgesehen, das Verdichten derart durchzuführen, dass die Metallfolien 1.1 zumindest abschnittsweise verbunden sind und somit für den Schweißvorgang vorfixiert werden.
Ziel des Verdichtens und Kompaktierens ist es, dass sich die Grenzflächen der einzelnen Metallfolien 1.1 soweit annähern, dass annähernd ein Nullspalt mit oder ohne Kaltschweißstellen zwischen den Grenzflächen eingestellt ist. Dadurch bilden die Metallfolien 1.1 einen zusammenhängenden Körper in Form eines Quaders.
Werden beim Verdichten Kaltschweißstellen mit geringen bis mittleren Bindungskräften gebildet, sind die Metallfolien 1.1 als Fügepartner für den anschließenden Schweißvorgang vorfixiert, so dass ein Verrutschen der Metallfolien 1.1 innerhalb des Folienstapels 1 weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
Wird das Kompaktieren und Verdichten am Rand der Metallfolien 1.1 durchgeführt, lässt sich die Bildung unerwünschter Auswürfe an den Metallfolien 1.1 durch den folgenden Schweißvorgang zumindest einschränken.
Sind die Metallfolien 1.1 zu dem Folienstapel 1 kompaktiert und verdichtet, werden die Metallfolien 1.1 miteinander verschweißt, wodurch die Metallfolien 1.1 stoffschlüssig miteinander verbunden werden und der Folienstapel 1 als fest zusammenhängender Körper gebildet ist. Insbesondere werden die Metallfolien 1.1 mittels Ultraschall- und/oder Laserschweißens miteinander mit oder ohne zusätzlichen Zellableiter in Form eines Dünnblechs verbunden.
Das Kompaktieren und Verdichten der Metallfolien 1.1 als Fügestellenvorbereitung wird ohne die im Stand der Technik erwähnte Spanntechnik durchgeführt, wodurch die Schweißgüte der die Metallfolien 1.1 verbindenden Schweißnaht (Fügestelle S) verbessert werden kann. Mittels der oben beschriebenen Verfahrensschritte ist eine zumindest ausreichend prozesssichere Lösung zur Herstellung einer Schweißverbindung (Fügestelle S) vergleichsweise hoher Schweißgüte angegeben, die den Ansprüchen hinsichtlich der Verwendung des Folienstapels 1 in einer Hochvolt-Batterie für ein Fahrzeug gerecht werden kann. Dabei kann die Fügestelle S der Schweißverbindung aus Schweißpunkten und/oder Schweißnähten gebildet sein.
Die Fügestelle S stellt eine stoffschlüssige Verbindung dar, welche einen geringen elektrischen Widerstand, einen geringen thermischen Widerstand, eine hohe Festigkeit in Bezug auf statische Krafteinwirkung und/oder dynamische Vibrationen und eine Alterungsbeständigkeit hinsichtlich auftretender Temperaturwechsel im Betrieb der Hochvolt-Batterie aufweist. Zudem wird mittels des Verfahrens zur Herstellung des Folienstapels 1 eine prozesssichere Reproduzierbarkeit und somit die Erzeugung homogener Schweißnähte erreicht, wobei eine Mindest-Fügequerschnittsfläche und nur eine geringe Fügenahtüberhöhung gebildet werden. Die Metallfolien 1.1 des mittels des Verfahrens gebildeten Folienstapels 1 sind an der Fügestelle S vollständig miteinander mit oder ohne zusätzlichen Zellableiter verbunden, wobei während des Schweißvorgangs ein vergleichsweise geringer Wärmeeintrag in die Metallfolien 1.1 zu verzeichnen ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels (1), welcher zumindest aus einer Anzahl stoffschlüssig miteinander verbundener Metallfolien (1.1) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolien (1.1) in einem Prozessschritt übereinander angeordnet und zur Fügestellenvorbereitung verdichtet und vorfixiert werden und unmittelbar darauffolgend zumindest randseitig stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolien (1.1) mittels hochfrequentem Ultraschall, mittels statischer Presskraft und/oder mittels Unterdruck verdichtet und vorfixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolien (1.1) zur Verdichtung, Luftspaltbeseitigung und Vorfixierung kaltverschweißt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorverdichteten Metallfolien (1.1) mittels Ultraschallschweißen und/oder Laserschweißen zur Bildung des Folienstapels (1) mit oder ohne zusätzlichen Zellableiter stoffschlüssig miteinander verbunden werden.