DE102019213417A1 - Kombinierter Schneid-/Schweißprozess für Al und Cu Werkstoffe mit Wärmeakkumulation ultrakurzer Laserpulse - Google Patents

Kombinierter Schneid-/Schweißprozess für Al und Cu Werkstoffe mit Wärmeakkumulation ultrakurzer Laserpulse Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels (10) für eine Batteriezelle (2) mittels eines kombinierten Trenn- und Fügeprozesses. Es erfolgt zunächst die Bildung einer Stapelanordnung (60) in Stapelrichtung (Z) aus einer Anzahl von Kontaktfahnen (35, 36) einer Elektrode (21, 22) und mindestens eines Kontaktelementes (51, 52). Danach erfolgen Mehrfachüberfahrten (80) eines Laserstrahls (64) entlang einer Stirnseite (78) der Stapelanordnung (60), Entlang einer Schnittkante (82) werden Folienstücke (72) abgetrennt. Entlang der Stirnseite (78) werden durch Wärmeakkumulation (86) in der Stapelanordnung (60) während der Mehrfachüberfahrten (80) des Laserstrahls (64) stoffschlüssige Fügenähte (66) erzeugt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kombinierten Trennen und Fügen von Elektrodenstapeln für Batteriezellen sowie auf eine Batteriezelle.
  • Stand der Technik
  • DE 10 2017 207 770 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle. Zunächst werden eine Mehrzahl von Kontaktfahnen einer Elektrode und mindestens ein Kollektorelement zu einem Hilfsstapel gestapelt. Anschließend wird ein Laserstrahl derart entlang einer Stirnseite des gebildeten Hilfsstapels geführt, dass eine stoffschlüssige Verbindung der Kontaktfahnen der Elektrode und des Kollektorelements an einem Randbereich der Stirnseite des Hilfsstapels erfolgt.
  • DE 10 2015 207 070 A1 offenbart eine Batterie mit einem prismatisch geformten Metallgehäuse. Das prismatisch geformte Metallgehäuse weist einen Boden und vier Seitenelemente auf. Im prismatisch ausgebildeten Metallgehäuse ist ein Elektrodenwickel angeordnet, wobei der Elektrodenwickel eine Anzahl von Ableiterfahnen aufweist. Die Ableiterfahnen treten an der dem Boden zugewandten ersten Stirnseite des Elektrodenwickels aus. Die Ableiterfahnen sind in einem Sammel- und Positionierungsmittel zusammengefasst und werden durch Verschweißung an oder in diesem fixiert.
  • DE 10 2011 109 203 A1 bezieht sich auf eine Einzelzelle für eine Batterie und eine Batterie. Eine Einzelzelle umfasst einen in einem aus zwei Hüllblechen gebildeten Gehäuse angeordneten Elektrodenfolienstapel. Zur Bildung eines Polkontaktes sind Stromableiterfahnen von Elektrodenfolien einer Polarität miteinander verbunden. Der jeweilige Polkontakt ist mit einem Hüllblech stoffschlüssig, beispielsweise mittels Ultraschweißen oder Laserschweißen verbunden.
  • Es hat sich herausgestellt, dass bei der Herstellung von stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere mittels Schweißen zwischen einem oder auch mehreren Ableiterblechen und bis zu 60 sehr dünn ausgebildeten Ableiterblechen sich insbesondere bei Einsatz des Werkstoffs Aluminium prozessbedingte Poren bilden. Die innerhalb der Schweißnaht verbliebenen Poren stellen Fehlstellen dar, so dass einzelne der sehr dünnen folienartig ausgebildeten Ableiterfähnchen nicht angebunden sind. Dieser Umstand behindert den Stromfluss aus der Batteriezelle heraus, so dass sich im schlimmsten Fall ein Zellversagen einstellen kann. Des Weiteren stellen derartige Poren aufweisende stoffschlüssige Verbindungen eine mechanisch instabile Verbindung und damit eine Schwachstelle dar.
  • Darstellung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektronenstapels für eine Batteriezelle mittels eines kombinierten Trenn- und Fügeprozesses mit nachfolgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:
    1. a) Stapeln einer Anzahl von Kontaktfahnen einer Elektrode und mindestens eines Kollektorelementes in einer Stapelrichtung Z zu einer Stapelanordnung,
    2. b) Mehrfachüberfahrten eines Laserstrahles entlang einer Stirnseite der Stapelanordnung derart, dass
    3. c) entlang einer Schnittkante Folienstücke abgetrennt werden und
    4. d) entlang der Stirnseite durch Wärmeakkumulation in der Stapelanordnung während der Mehrfachüberfahrten des Laserstrahls stoffschlüssige Fügenähte erzeugt werden.
  • In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine geringe Wärmeeinflusszone in Richtung des Aktivmaterials der Batterie erreicht werden, und es lässt sich in vorteilhafter Weise ein kombinierter Trenn- und Fügeprozess verwirklichen.
  • In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der Laserstrahl gemäß Verfahrensschritt b) von einem cw-Faserlaser oder von einem gepulsten Laser erzeugt. Die Wellenlänge des Laserstrahls beträgt beispielsweise 1064 nm, 1030nm oder 515 nm.
  • In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgen die Mehrfachüberfahrten des Laserstrahls in X-Richtung parallel zur Stirnseite der Stapelanordnung.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erstreckt sich der Laserstrahl parallel zur Stapelrichtung Z der Stapelanordnung.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens weisen die übereinanderliegenden, in Stapelform angeordneten Kontaktfahnen der Elektroden in X-Richtung eine Materialbreite auf, wobei die Mehrfachüberfahrten des Laserstrahles über die vollständige Materialbreite entlang der Stirnseite der Stapelanordnung geführt werden. Durch dieses Vorgehen lassen sich eine besonders glatte Stirnseite der Stapelanordnung einerseits sowie eine hohe Qualität hinsichtlich der erzeugten stoffschlüssigen Fügenähte andererseits erreichen.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist der Laserstrahl rotationssymmetrisch zu seiner Mittelachse ausgebildet; alternativ kann der Laserstrahl auch spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene verlaufen, die rechtwinklig zur Z-Richtung - der Stapelrichtung der Stapelanordnung - verläuft.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird der Laserstrahl derart erzeugt, dass ein Fokusdurchmesser des Laserstrahls dFokus so beschaffen ist, dass dieser im Bereich von 10 µm bis 500 µm, bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 50 µm liegt.
  • In einer vorteilhaften Verfahrensausgestaltung wird der Laserstrahl derart erzeugt, dass dieser eine Wellenlänge im Bereich von 343 nm bis 1064 nm, bevorzugt im Bereich von 515 nm bis 1064 nm aufweist, wobei 515 nm, 1030 nm und 1064 nm besonders bevorzugte Wellenlängen sind.
  • In Bezug auf die Mehrfachüberfahrten des Laserstrahles gemäß Verfahrensschritt b) liegen Pulswiederholfrequenzen des Laserstrahls in einem Bereich von 1 Hz bis 20 MHz, bevorzugt im Bereich von 100 kHz bis 2 MHz.
  • Eine Pulsdauer des Laserstrahls liegt zwischen 80 fs bis 500 ps, insbesondere im Bereich von 300 fs bis 10 ps.
  • Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Batteriezelle, die einen Elektrodenstapel umfasst, der gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren gefertigt ist.
  • Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Batteriezelle in einem Elektrofahrzeug (EV = Electric Vehicle), in einem Hybridfahrzeug (HEV = Hybrid Electrical Vehicle), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV = Plug-in Hybrid Electrical Vehicle) oder in einem Consumer-Elektronikprodukt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, d. h. die Verwirklichung eines kombinierten Trenn- und Fügeprozesses kann insbesondere für Werkstoffe wie Aluminium und Kupfer bei Einsetzung ultrakurz gepulster Laser eine erhebliche Verbesserung der auf stoffschlüssigem Wege erzeugten Fügenähte erreicht werden. Insbesondere lassen sich die bei bisherigen Fertigungsverfahren aufgetretenen Poren innerhalb der stoffschlüssig erzeugten Fügenähte vermeiden. Derartige Poren in stoffschlüssig erzeugten Fügenähten hindern den Stromfluss aus einer Batteriezelle und können im schlimmsten Fall zum Zellversagen der Batteriezelle führen. Andererseits können derartige Poren eine mechanisch instabile Verbindung darstellen.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können geeignete Prozessführung, das Beschneiden der Kontaktfahnen mit einer ps- oder fs-Laserstrahlung verwirklicht werden, wobei ein Aufstellen und ein stirnseitiges Verschweißen innerhalb des stoffschlüssigen Fügeschrittes entfallen kann.
  • Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht vielmehr die Möglichkeit, kurz und ultrakurz gepulste Laserpulse im ps- beziehungsweise fs-Bereich mit einem minimalen Wärmeeintrag in das zu bearbeitende Material einzusetzen.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen kombinierten Trenn- und Fügeprozess werden hohe Scangeschwindigkeiten und Pulswiederholfrequenzen (Repetitionsraten) verwirklicht, so dass trotz des Einsatzes ultrakurzer Pulse und hoher Pulsspitzenleistungen neben dem für den Schneidprozess notwendigen Materialabtrag, Wärmeakkumulation in das umgebende Material erreicht werden kann. Eine derartige Wärmeakkumulation ermöglicht das Ausbilden qualitativ hochwertiger stoffschlüssiger Schweißverbindungen entlang der Schnittkante der Stapelanordnung aus einer Anzahl von folienartigen Kontaktfahnen - seien sie anodenseitig, seien sie kathodenseitig eingesetzt - sowie mindestens einem Kollektorelement.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich eine sehr geringe Wärmeeinflusszone in Richtung der aktiven Batterieschicht, d. h. senkrecht zur Trennlinie beziehungsweise zur Stirnseite der Stapelanordnung erreichen. Durch den Einsatz eines kombinierten Trenn- und Fügeprozesses lassen sich identische Kontaktfahnenlängen erreichen, die im Rahmen einer Toleranzkettenbetrachtung äußerst bedeutend sind und beim Stapeln derartiger Stapelanordnung eine optimale Volumenausnutzung auf Zellebene ermöglichen.
  • Wird der Laserstrahl, der im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Trenn- und Fügeprozesses eingesetzt wird, so im Rahmen der Mehrfachüberfahrten betrieben, dass bei hinreichend hohen Repetitionsraten eine mittlere Oberflächentemperatur die Schmelztemperatur des jeweiligen Materials - sei es Kupfer, sei es Aluminium, sei es eine Kupferlegierung, sei es eine Aluminiumlegierung, überschreitet, kann dieses selbst bei kurzen Pulsdauern τ in den schmelzförmigen Zustand überführt werden. Entsprechend der Repetitionsraten beziehungsweise der mittleren Temperatur lassen sich Prozessparameter zur Ausbildung qualitativ hoher stoffschlüssiger Verbindungen, bevorzugt Schweißverbindungen definiert einstellen.
  • Ebenso wäre es denkbar, dieses Verfahren auch auf beschichtete AI- oder Cu-Folien anzuwenden. Oftmals werden AI- und Cu-Folien für eine verbesserte Haftung zwischen Stromsammler und Aktivschicht mit einer 1 µm bis 5 µm dünnen Leitruß- oder Nickelschicht versehen. Diese kann von einem ultrakurzgepulsten Laser leicht durchtrennt werden. Es ist denkbar, dass hier trotzdem eine stirnseitige Verbindung oder Schweißung während des Trennprozesses hergestellt werden kann. Des Weiteren eignet sich ein Ultrakurzpulslaser hervorragend dafür, die Kontaktfahnen aus bandförmigem Elektrodenmaterial in Form zu schneiden, so dass hier der gleiche Laser eingesetzt werden kann und die Toleranzkette weiter verbessert, insbesondere minimiert werden kann.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
    • 2 die schematische Darstellung einer Poreneinschlüsse aufweisenden stoffschlüssigen Fügenaht,
    • 3.1 eine Trennlinie im Kontaktfahnenbereich einer Stapelanordnung,
    • 3.2 eine um 90° gedrehte Stirnseite einer Stapelanordnung,
    • 4 eine Darstellung der erfindungsgemäß kombinierten Trenn- und Fügeoperation im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens und
    • 5 eine Gegenüberstellung von Rechteckpulsen und wahren Laserpulsen aufgetragen über die Zeitachse.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
  • Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3. Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit angeordnet, welche in dieser Ausführungsvariante als Elektrodenstapel 10 ausgeführt ist. Der Elektrodenstapel 10 weist eine negative Elektrode, die als Anode 21 bezeichnet wird, und eine positive Elektrode, die als Kathode 22 bezeichnet wird, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ionisch leitfähig, d. h. für Lithiumionen durchlässig, jedoch elektrisch isolierend. Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial und einen anodischen Stromableiter. Der anodische Stromableiter ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Von dem anodischen Stromableiter ragen Kontaktfahnen 35 der Anode 21 weg. Die Kontaktfahnen 35 der Anode 21 sind mit einem negativen Kollektorelement 51 verbunden, welches mit dem negativen Terminal 11 verbunden ist. Somit ist der anodische Stromableiter elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
  • Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial und einen kathodischen Stromableiter. Der kathodische Stromableiter ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Von dem kathodischen Stromableiter ragen Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 weg. Die Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 sind mit einem positiven Kollektorelement 52 verbunden, welches mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist. Somit ist der kathodische Stromableiter elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
  • Der Darstellung gemäß 2 ist eine Stapelanordnung 60 zu entnehmen. Die Stapelanordnung umfasst eine Anzahl von Kontaktfahnen 35, 36 von Anode 21 beziehungsweise Kathode 22. Oberhalb der Kontaktfahnen 35, 36 befindet sich das negative Kollektorelement 51 beziehungsweise das positive Kollektorelement 52. Optional kann sich auf der Unterseite ein weiteres Kollektorelement 51, 52 befinden. Beide Kollektorelemente 51, 52 werden durch eine Einspannkraft F 62 beaufschlagt, so dass sich eine kompakte Stapelanordnung 60 frei von Lufteinschlüssen ergibt und die einzelnen Kontaktfahnen 35, 36 einander kontaktierend aufeinander liegen.
  • 3.1 zeigt, dass die Stapelanordnung 60 eine Anzahl von in Z-Richtung aufeinander gestapelter Kontaktfahnen 35, 36 aufweist. Am Ende der Kontaktfahnen 35, 36 weisen diese eine Materialbreite 96 auf. Mit Bezugszeichen 70 ist eine Trennlinie bezeichnet, entlang derer beispielsweise durch eine Laserbearbeitung von den Kontaktfahnen 35, 36 Folienstücke 72 abgetrennt werden. Nach der Abtrennung der Folienstücke 72 gemäß der Darstellung in 3.1 erfolgt eine 90°-Aufstellung 74 der Stapelanordnung 60. Gemäß 3.2 wird nunmehr an einer Stirnseite 78 der Stapelanordnung 60 in Schweißrichtung 76 eine Fügenaht 66 erzeugt. Die Schweißrichtung 76, in welche der Laserstrahl 64 geführt wird, fällt mit der X-Richtung entsprechend dem Koordinatensystem zusammen.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, das schematisch der 4 zu entnehmen ist, kann eine Umorientierung, d. h. eine 90°-Aufstellung 74 der Stirnseite 78 nach dem Abtrennen einzelner Folienstücke 72 entlang der Trennlinie 70 vermieden werden.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird durch geeignete Prozessführung eine Bearbeitung der Stapelanordnung 60 mit einem Laserstrahl 64 vorgenommen. Dabei werden im ps- beziehungsweise fs-Bereich hinsichtlich der Pulsdauer liegende Laserpulse eingesetzt, die für einen minimalen Wärmeeintrag in das zu bearbeitende Material, d. h. die Stapelanordnung 60 sorgen. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen kombinierten Trenn- und Fügeverfahren werden Laser eingesetzt, wie vorzugsweise beispielsweise ein cw-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder 1030 nm oder ein gepulster Laser mit einer Wellenlänge von 515 nm, 1030 nm oder 1064 nm mit einer Pulsdauer, die im Femtosekunden- bis Pikosekundenbereich liegt. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt das Vorgehen derart, dass bei der Bearbeitung der Stapelanordnung 60 hinreichend hohe Scangeschwindigkeiten sowie hohe Pulswiederholfrequenzen (Repetitionsraten) in Bezug auf den Laserstrahl 64 eingesetzt werden, so dass trotz ultrakurzer Pulsdauer und hohen Pulsspitzenleistugen neben dem für die Verwirklichung eines Trimm- beziehungsweise Abtrennprozesses notwendige Materialabtrag zur Erzeugung abgetrennter Folienstücke 72 Wärme in das eine Schnittkante 82 umgebende Material der Stapelanordnung 60 erreicht werden kann.
  • Aus 4 geht hervor, dass der Laserstrahl 64, der beispielsweise rotationssymmetrisch zu seiner Mittelachse 98 ausgeführt sein kann, in X-Richtung Mehrfachüberfahrten 80 entlang einer Schnittkante 82 ausführt. Liegt die Pulswiederholfrequenz (Repetitionsrate) ausreichend hoch, so kann trotz ultrakurzer Pulsdauer ein Materialabtrag erreicht werden, wodurch die bereits erwähnten abgetrennten Folienstücke 72 entstehen. Darüber hinaus kann durch die Mehrfachüberfahrten 80 eine Wärmeakkumulation 86 im die Schnittkante 82 umgebenden Bereich innerhalb der Stapelanordnung 60 erreicht werden. Diese Wärmeakkumulation 86 gestattet bei weiteren Mehrfachüberfahrten 80, die in X-Richtung verlaufen, eine Erzeugung von Fügenähten 66, die aufgrund der Wärmeakkumulation 86 im zu fügenden Material, d. h. in den übereinander geschichteten Kontaktfahnen 35, 36 beziehungsweise unter Einschluss mindestens eines negativen beziehungsweise positiven Kollektorelementes 51, 52 Fügenähte 66 erzeugen, die qualitativ sehr hochwertig sind. Insbesondere können die vorstehend im Zusammenhang mit 2 erwähnten Poreneinschlüsse 68 ausgeschlossen werden. Aus Gründen der besseren Übersicht nicht dargestellte Kollektorelemente können mit den Folien zusammen verpresst, getrennt und gefügt werden. Die Kollektorelemente können ober- oder unterhalb des Folienstapels angeordnet werden; ebenso denkbar ist der Einsatz von zwei Kollektorelementen, die oberhalb und unterhalb des Folienstapels angeordnet werden können.
  • Durch die Mehrfachüberfahrten 80 entlang der Schnittkante 82 können in X-Richtung die abgetrennten Folienstücke 72 erzeugt werden, da eine Folienstapeldicke 84 im Bereich von 1 mm liegt und ein Laserfokusdurchmesser in einer Größenordnung zwischen 20 µm und 50 µm liegt. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lassen sich kurz oder ultrakurz gepulste Laser einsetzen, die sehr hochwertige stoffschlüssige Verbindungen als Fügenähte 66 im Bereich der Stirnseite 78 einer Stapelanordnung 60 ermöglichen.
  • Der Laserstrahl 64, sei er rotationssymmetrisch in Bezug auf seine Mittelachse 98 ausgestaltet, sei er symmetrisch zu einer Symmetrieebene beschaffen, die rechtwinklig zur Z-Richtung, d. h. der Stapelrichtung verläuft, wird durch die obenstehenden Laser erzeugt, wobei ein Fokusdurchmesser des Laserstrahls 64 dFokus bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 500 µm, insbesondere im Bereich von 20 µm bis 50 µm liegt. Die Wellenlänge des Laserstrahles 64 liegt bevorzugt im Bereich von 343 nm bis 1064 nm, insbesondere im Bereich von 515 nm bis 1064 nm. Die Pulswiederholfrequenzen (Repetitionsraten), die durch den Laser erzeugt werden, liegen bevorzugt im Bereich von 1 Hz bis 20 MHz, insbesondere im Bereich von 100 kHz bis 2 MHz. Die Pulsdauer liegt bevorzugt im Bereich von 80 fs bis 500 ps, insbesondere im Bereich von 300 fs bis 10 ps. Die Scangeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl (64) über die Materialoberfläche geführt wird, liegt zwischen 1m/s bis 1000 m/s, insbesondere im Bereich zwischen 1 m/s bis 10 m/s.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, wie in 5 dargestellt, kann bei ausreichend hohen Repetitionsraten im Laserstrahl 64 eine mittlere Temperatur T so eingestellt werden, dass diese die Schmelztemperatur ts des jeweils eingesetzten Materials, sei es Kupfer oder eine Kupferlegierung, sei es Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, überschreitet. Durch diesen Umstand kann selbst bei kurzen Pulsdauern τ das Material der Kontaktfahnen 35, 36 (wie in 3.1, 3.2 und 4 dargestellt) in einen schmelzförmigen Zustand gebracht werden, so dass sich sehr hochwertige Schweißverbindungen realisieren lassen.
  • 5 zeigt eine erste Temperaturentwicklung 88 in einem Körper als Folge einer idealisierten rechteckförmigen Pulsdauer 92 eines Laserpulses, jeweils gestrichelt dargestellt. Bei einer wahren Pulsdauer 94 des Laserpulses stellt sich in einem Körper eine zweite Temperaturentwicklung 90 ein, in durchgezogener Linie in 5 dargestellt.
  • Ein cw-Faserlaser ist ein kontinuierlicher Laser, demnach kein Pulslaser, könnte jedoch auch quasi gepulst, d. h. moduliert betrieben werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch in erster Linie auf ein Verfahren mit ultrakurzgepulster Laserstrahlung. Es könnte jedoch auch in Abweichung davon ein cw-Faserlaser mit einer sehr schnellen Scannerablenktechnik, beispielsweise ein Galvo-Scanner oder ein Polygon-Scanner eingesetzt werden, so dass die Verweilzeit des Laserstrahls 64 pro bestrahlter Fläche hinreichend kurz wird. Hinsichtlich der Verweilzeit wäre der Nanosekundenbereich denkbar, in den Pikosekunden oder Femtosekundenbereich zu gelangen ist möglich, jedoch mit erhöhtem Aufwand verbunden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017207770 A1 [0002]
    • DE 102015207070 A1 [0003]
    • DE 102011109203 A1 [0004]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels (10) für eine Batteriezelle (2) mittels eines kombinierten Trenn- und Fügeprozesses mit nachfolgenden Verfahrensschritten: e) Stapeln einer Anzahl von Kontaktfahnen (35, 36) einer Elektrode (21, 22) und mindestens eines Kollektorelementes (51, 52) in einer Stapelrichtung (Z) zu einer Stapelanordnung (60), f) Mehrfachüberfahrten (80) eines Laserstrahles (64) entlang einer Stirnseite (78) der Stapelanordnung (60) derart, dass g) entlang einer Schnittkante (82) Folienstücke (72) abgetrennt werden und h) entlang der Stirnseite (78) durch Wärmeakkumulation (86) in der Stapelanordnung (60) während der Mehrfachüberfahrten (80) des Laserstrahls (64) stoffschlüssige Fügenähte (66) erzeugt werden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (64) gemäß Verfahrensschritt b) von einem gepulsten Laser oder einem cw-Faserlaser mit schneller Scannerablenktechnik erzeugt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachüberfahrten (80) des Laserstrahles (64) in X-Richtung parallel zur Stirnseite (78) der Stapelanordnung (60) erfolgen.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Laserstrahl (64) parallel zur Stapelrichtung in Z-Richtung erstreckt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfahnen (35, 36) der Elektrode (21, 22) in X-Richtung eine Materialbreite (96) aufweisen und die Mehrfachüberfahrten (80) des Laserstrahls (64) über die vollständige Materialbreite (96) entlang der Stirnseite (78) der Stapelanordnung (60) geführt werden.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (64) rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse (98) ist, die sich in Z-Richtung erstreckt oder spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene ist, die rechtwinklig zur Z-Richtung - der Stapelrichtung - verläuft.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (64) derart erzeugt wird, dass dieser einen Fokusdurchmesser dFokus aufweist, der im Bereich von 10 µm bis 500 µm, bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 50 µm liegt.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (64) eine Wellenlänge aufweist, die im Bereich von 343 nm bis 1064 nm, bevorzugt im Bereich von 515 nm bis 1064 nm liegt.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Mehrfachüberfahrten (80) gemäß Verfahrensschritt b) Pulswiederholfrequenzen des Laserstrahls (64) im Bereich von 1 Hz bis 20 MHz, bevorzugt im Bereich von 100 kHz bis 2 MHz liegen, oder cw-Faserlaser-moduliert durchgeführt wird.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer τ des Laserstrahles (64) im Bereich von 80 fs bis 500 ps, insbesondere im Bereich von 300 fs bis 10 ps liegt, oder durch schnelle Scannerablenktechnik mit einem moduliert betriebenen cw-Faserlaser Verweilzeiten pro bestrahlter Fläche im Bereich von Nanosekunden erzielt werden.
  11. Batteriezelle (2) umfassend mindestens einen Elektrodenstapel (10), gefertigt nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10.
  12. Verwendung einer Batteriezelle (2) gemäß Anspruch 11 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.
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