WO2021152080A1 - Verbinden eines zellstapels mit mindestens einem kontaktelement im vakuum mittels laser - Google Patents

Verbinden eines zellstapels mit mindestens einem kontaktelement im vakuum mittels laser Download PDF

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WO2021152080A1
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chamber
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Alexander Breuer
Dennis Böhm
Frederik Grau
Markus Ramm
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component (e.g. for a (Li-ion) battery cell), comprising at least one cell stack for storing electrical energy and at least one contact element for making electrical contact with the at least one cell stack for storing electrical energy , a corresponding component and a device for producing a corresponding component.
  • a component e.g. for a (Li-ion) battery cell
  • the invention is used in particular in the production of lithium-ion batteries for, for example, electrified vehicles.
  • a casing for a battery module is known from DE 10 2016225 175 A1.
  • electrodes of mutually adjacent cell stacks are welded to one another in order to connect the neighboring cell stacks to one another to form a module.
  • a method for forming an encapsulated solid electrochemical component is known from EP 2 518 812 A2. Layers arranged on a vacuum plate are welded to one another by means of a laser along a circumference and cut to size.
  • a method for producing a component, a component and a device for producing a component are to be specified, which in particular can contribute at least to time savings and / or cost savings in the production of (lithium-ion) batteries.
  • a method for producing a component comprising at least one cell stack for storing electrical energy and at least one contact element for making electrical contact with the at least one cell stack for storing electrical energy, contributes to this, comprising at least the following steps: a) arranging at least part of the at least one Cell stack and the at least one contact element in a defined relative arrangement to one another in or on an evacuable chamber; b) evacuating at least part of the gas located in the chamber; c) connecting the at least one cell stack and the at least one contact element to one another to form an electrically conductive connection by means of at least one laser beam which is introduced into the chamber.
  • Steps a), b) and c) can be carried out at least once in the specified order.
  • at least steps a) and b) or b) and c) can also run at least partially in parallel.
  • the method can be carried out, for example, by means of a device described here.
  • the method is used in particular for Connecting a cell stack with at least one contact element (eg so-called "arrester") in a vacuum using a laser.
  • the welding of the so-called arrester to a cell stack (for a Li-ion cell) in negative pressure or vacuum by means of a laser is a particularly advantageous aspect of the method.
  • the combination of laser welding with the negative or vacuum conditions can in particular achieve the advantages that with the same laser power under negative pressure or vacuum the welding / "penetration" depth (with increasing negative pressure) can be increased and / or with the same welding / "penetration" depth under negative pressure or vacuum (with increasing negative pressure) less laser power can be used.
  • the method can advantageously contribute at least to time savings and / or cost savings and / or to the welding of larger component thicknesses in the production of lithium-ion batteries.
  • the component is suitable for storing electrical energy.
  • the component can be, for example, a component for a (rechargeable) lithium-ion battery.
  • the component can, for example, form a component for a (lithium ion) cell.
  • the component comprises at least at least one cell stack for storing electrical energy and at least one contact element for making electrical contact with the at least one cell stack.
  • the component can comprise a single cell stack.
  • the component can (precisely) comprise two contact elements.
  • the method generally serves to connect the at least one or two contact elements to the (in each case a single) cell stack in an electrically conductive manner, so that the at least one cell stack can be connected to a circuit via the contact element.
  • the contact elements can, for example, form electrical connections of the component or electrical connection elements of the component for connecting the component to components external to the component or to further components.
  • the contact element can be (directly) connected to an (electrode) flag of the cell stack.
  • at least two contact elements are provided, which are (directly) connected to (different-pole electrode) flags of the cell stack.
  • step a) at least part of the at least one cell stack and the at least one contact element are arranged in a defined relative arrangement to one another in or on an evacuable chamber.
  • the at least one cell stack and the at least one contact element can be provided in a defined manner in step a) Relative arrangement to one another take place in an evacuable chamber.
  • An arrangement or provision in the evacuable chamber is to be understood in particular to mean that the at least one cell stack and the at least one contact element are (completely) arranged within a space which is delimited by the chamber inner walls (which usually limit six sides).
  • An arrangement on the evacuable chamber can be designed, for example, in such a way that the chamber is arranged, for example, in the manner of a bell (specifically) over the area in which the connection between the cell stack and the contact element is to be formed.
  • the chamber is usually a negative pressure / vacuum chamber.
  • the chamber can be divided into a lower section and a lid.
  • the cover can be removed to insert the cell stack (s) and contact element (s).
  • the cover is usually reconnected to the lower section (gas-tight) before the laser beam is introduced.
  • a corresponding gas-tight connection can be interrupted locally, for example at one or two points along the circumference of the chamber, by vacuum connections via which the gas (with the lid closed) can be evacuated from the chamber.
  • the defined relative arrangement can for example be such that a contact element overlaps with at least one (electrode) flag of the at least one cell stack.
  • the arrangement of the component to be welded can for example be such that a contact element overlaps with at least one flag or the (homopolar) flags of at least one cell stack.
  • the defined relative arrangement can take place in such a way that a contact element is positioned below or above a flag or several (homopolar) flags of a cell stack.
  • the (laser weld) connection can be made in the corresponding overlap area. In other words, this means in particular that a weld seam can be formed in the overlap area.
  • the “flag” is usually a part of the cell stack that protrudes from one side of the cell stack for connection purposes.
  • the weld seam can be designed as an I-seam or as a fillet weld.
  • the "flags" and the arrester can be arranged in the butt joint.
  • the contact elements are usually also referred to as so-called “arresters” by those skilled in the art.
  • at least one laser weld seam is formed which (directly) materially connects an arrester with at least one (electrode) flag or several (homopolar) flags of a cell stack.
  • step b) at least part of the gas located in the chamber is evacuated.
  • the chamber can be evacuated until a predefined (negative) pressure or vacuum is present in the chamber.
  • the chamber can be evacuated evenly over its entire internal volume. Alternatively, it can be provided that the evacuation takes place in a targeted manner in the area or areas of the chamber in which the connection between the at least one cell stack and the at least one contact element is to take place.
  • gas can be pumped out of the chamber.
  • vacuum pumps can be used in a manner known in principle.
  • step c) the at least one cell stack and the at least one contact element are connected to one another to form an electrically conductive connection by means of at least one laser beam which is introduced into the chamber.
  • This relates in particular to an internal weld between at least one (electrode) tab of the cell stack and at least one conductor.
  • This can be differentiated, for example, from an external cell weld, which usually relates to the contacting of the finished cells with one another in a module and in which the cell arresters that protrude from the respective cell are usually connected to other cell arresters via a current collector rail or a bus connection be connected to each other.
  • at least one laser weld connection is formed between at least one contact element and at least one cell stack.
  • a weld seam formed in the process can run in a straight line and / or in one plane.
  • one weld seam can be used in each case to connect a contact element to one or the (homopolar) flags of a cell stack.
  • the number of weld seams can match the number of contact elements.
  • the connection is carried out in particular by means of a laser device which is suitable for welding aluminum-aluminum and / or copper-copper connections.
  • the laser device can be provided and set up for this purpose a (predominantly) aluminum-containing material (e.g. a contact element) with a (predominantly) aluminum-containing material (e.g. a flag) and / or a (predominantly) copper-containing material (e.g. a contact element) with a (predominantly) copper-containing material (e.g. a flag).
  • anode flags that predominantly contain copper can be connected to an anode arrester that contains mostly copper.
  • cathode flags that predominantly contain aluminum can be connected to a cathode arrester that predominantly contains aluminum become.
  • Corresponding material combinations can be present in lithium-ion batteries in particular.
  • one advantage of the negative pressure or vacuum can also consist in the fact that one or more lasers for a certain wavelength range (which may not be ideal for both materials - aluminum and copper -) are advantageous welds in both materials can perform.
  • the at least one cell stack is a cell stack for a lithium-ion cell.
  • Corresponding cells can find an advantageous application in the field of electrified vehicles.
  • the chamber be designed specifically for the component dimensions.
  • the chamber for example its inner volume and / or its inner contour
  • the chamber is adapted to the dimensions of a certain type or a certain type of component (for example characterized by at least its volume and / or its outer contour) is adapted.
  • the chamber can only be used for a certain type or a certain type of component, such as a cell stack (with a possible product carrier) of a certain size.
  • the internal volume of the chamber (in the loaded state) can be at least 60%, preferably at least 70% and particularly preferably at least 80% filled with the component.
  • the unusable “dead spaces” in the chamber are as small as possible.
  • Advantages that result from this are, among other things, that the sealing of the joining partners (for example: chamber base and cover) and / or to the negative pressure-forming components is simplified and / or the evacuation or ventilation times are significantly reduced until a necessary negative pressure is established and / or the Cleaning effort due to the settling of welding fumes, dusts and splashes can be made easier.
  • the smallest possible dead spaces advantageously mean that the chamber can be evacuated to such an extent (or to such a low negative pressure), even in a sufficiently short period for modern manufacturing processes, that sufficient welding depths can be generated with comparatively low laser power.
  • the at least one laser beam is an infrared laser beam.
  • Advantages of corresponding IR lasers are in particular that they are significantly cheaper than the currently available laser systems in the green or blue wavelength range and that the efficiency and / or the available powers of the IR laser sources are better.
  • a disadvantageous number of spatter and discontinuities in the weld seam could be observed.
  • the vacuum that can be achieved here as easily as possible or the low negative pressure that can be achieved as easily as possible, the weld spatter and weld seam imperfections could advantageously be minimized.
  • the at least one laser beam enter the chamber through at least one laser beam entry glass.
  • the number of laser beam entry glasses corresponds to the number of weld seams to be produced and / or the number of laser devices present.
  • the at least one laser beam entry glass can be let into an (upper) chamber wall and / or a cover of the chamber.
  • the at least one laser beam entry glass also advantageously contributes to reducing the dead spaces, since the laser source can thus be arranged outside the chamber.
  • At least two contact elements be connected to a cell stack by means of laser beams that act at least partially in parallel or simultaneously.
  • at least two laser devices and possibly two laser beam entry glasses can be provided. This can contribute to the fact that at least two weld seams of the component can be produced at least partially in parallel or at the same time, which can advantageously contribute to reducing the production time.
  • At least two contact elements be connected to a cell stack by means of laser beams acting one after the other.
  • only one (single) laser device can be sufficient for connecting the cell stack to the contact elements.
  • the laser device can, for example, be or can be moved relative to the chamber and / or the chamber relative to the laser device.
  • a rotating device can rotate the chamber relative to the laser device.
  • the rotary device can rotate the chamber and the laser device relative to one another, so that the laser device is positioned in one end position of the rotary movement above one of the laser beam entry glasses and in a further end position of the rotary movement above another of the laser beam entry glasses.
  • At least one protective device is used to protect the environment from the at least one laser beam.
  • the protective device can, for example, be a laser protection chamber and / or a local encapsulation.
  • the laser protection chamber is formed in particular with a housing which preferably completely surrounds the chamber and / or the laser device (s).
  • the local encapsulation can be set up and arranged to locally surround or shield the path of the laser beam from the laser device to the chamber.
  • the number of local encapsulations can correspond to the number of laser devices and / or the number of laser beam entry glasses.
  • the encapsulation can be moved towards and away from the chamber, for example with the laser device.
  • a sensory device can be provided which recognizes whether the encapsulation is present and does not release the laser until the encapsulation has been recognized.
  • a chamber can be provided which is repeatedly or repeatedly equipped with a component.
  • the chamber can be assigned to at least one laser device (fixed) and / or integrated in an arrangement with at least one laser device (fixed) or remain there permanently.
  • several chambers can be provided which are each equipped with a component and are arranged one after the other in a specific relation to at least one laser device for the purpose of connecting the cell stack to the at least one contact element.
  • a component comprising at least one cell stack for storing electrical energy and at least one contact element for making electrical contact with the at least one cell stack for storing electrical energy
  • the at least one cell stack and the at least one contact element are by means of a reduced Ambient pressure generated laser welded connection are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • Advantageous properties of the welded connection produced in this way are, in particular, a reduced number and / or size of pores and / or finer scaling and / or a finer design of the vapor capillary (compared to a welded connection under ambient pressure).
  • Another advantage of the welded connection produced in this way can be seen in the uniformity of the process, which can advantageously contribute to the formation of the vapor capillary that is as homogeneous as possible.
  • a device for producing a component comprising at least one cell stack for storing electrical energy and at least a contact element for making electrical contact with the at least one cell stack, proposed for storing electrical energy, comprising:
  • At least one laser device by means of which at least one laser beam for connecting the at least one cell stack and the at least one contact element to one another can be introduced into the chamber to form an electrically conductive connection.
  • the device can be provided and set up, for example, to carry out a method described here and / or to manufacture a component described here.
  • the evacuation device can comprise at least one vacuum or negative pressure connection of the chamber and / or at least one vacuum pump.
  • the holding device can comprise at least one receptacle for the at least one cell stack or for a goods carrier that carries the at least one cell stack. Furthermore, the holding device can comprise at least one support for the at least one contact element.
  • the laser device can comprise at least one laser source, in particular an infrared laser source.
  • Fig. 2 the device from Fig. 1 in plan view
  • FIG. 5 shows a further example of a device described here for producing a
  • FIG. 7 shows a further example of a device described here for producing a
  • Fig. 1 shows schematically an example of a device described here for producing a component 1 in a sectional side view.
  • the component 1 is used to store electrical energy and here comprises, for example, a cell stack 2 for storing electrical energy and two contact elements 3 for making electrical contact with the cell stack 2.
  • the cell stack 2 and the contact elements 3 are each made by means of a laser welded connection or welded joint produced under reduced ambient pressure. Laser weld seam 13 connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the device for producing the component 1 comprises an evacuable chamber 4, at least one evacuation device that can be connected to the chamber 4 (here indicated by the two negative pressure connections 6), by means of which at least part of the gas in the chamber 4 can be evacuated, at least one holding device.
  • Device 7 by means of which at least a part of the at least one cell stack 2, which is in turn provided in a goods carrier 19, and the at least one contact element 3 in a defined relative arrangement to one another in or on the chamber 4, at least one laser device 8, by means of which at least one laser beam 5 for connecting the at least one cell stack 2 and the at least one contact element 3 to one another to form an electrically conductive connection can be introduced into the chamber 4 is.
  • the cell stack 2 In the goods carrier 19, the cell stack 2 can be transported in and away from the stacking process for welding and, if necessary, transferred to the further process steps.
  • the device is in particular a welding device in which the storage of a Li-ion cell stack 2 including the stack carrier and the contact element 3 (arrester) to be welded to the stack takes place.
  • welds can be carried out under reduced atmospheric pressure or in a vacuum in order to contact the arresters to the stack.
  • the at least one cell stack 2 is here, for example, a cell stack for a lithium-ion cell.
  • the cell stack comprises on two opposite sides (electrodes with different poles) tabs 13 which protrude from the cell stack 2 for the electrical connection of the latter.
  • the cell stack 2 is connected to the contact elements 3.
  • a contact element 3 can be held above or below the flags 13 on one side and connected to the flags in this relative arrangement.
  • the corresponding electrically conductive connection is indicated by way of example in FIG. 1 with the weld seams 13.
  • the contact elements 3 are used to electrically connect the cell stack 2 to an electric circuit, for example.
  • the flags 12 on each side can be provided with a flag tensioner 14.
  • the evacuation device 6 comprises (in addition to the negative pressure connections 6) as a rule at least one vacuum pump (not shown here), which can be connected to the space in the chamber via the negative pressure connections 6.
  • the holding device 7 here has, for example, two supports 15 (so-called arrester support device) for arranging the contact elements 3 in a defined position and a receptacle 16 (so-called stack carrier receptacle) for arranging the (in the goods carrier 19 held) cell stack 2 in a defined position.
  • the cell stack 2 and the contact elements 3 can be inserted together or separately.
  • the contact elements 3 can already be attached to the cell stack 2.
  • the cell stack 2 (including flags 12) and the contact elements 3 can be inserted into the device together become.
  • the holding device 7 can in particular be formed in such a way that the joining partners (flags 12 and contact elements 3) are arranged opposite the laser beam 5 in such a way that the laser beam 5 occurs first or (either) on the contact element 3 (arrester) or on a flag 12 is coupled into component 1.
  • the chamber 4 is formed here, for example, in a component-specific manner.
  • the chamber 4 is formed here, for example, in the form of a negative pressure / vacuum laser chamber, which is only slightly larger than the volume of the component 1, including the cell stack 2 and contact elements 3 (arrester), the goods carrier 19 and the holding device 7 (in particular the Support device of the arrester).
  • a correspondingly small volume can be achieved in that the chamber 4 is adapted to a specific type of cell stack 2 or a specific cell stack size and does not have to be suitable for a large number of different cell stacks.
  • This keeps the evacuation time of the laser chamber as short as possible, since the “dead space” that has to be evacuated is minimized. This advantageously saves manufacturing time in the cell manufacturing process.
  • the process costs can be advantageously reduced due to the reduced cycle time for the formation of the negative pressure.
  • the at least one laser beam 5 is in each case an infrared laser beam.
  • two laser devices 8 are provided in FIG. 1, which may also be referred to as so-called laser optics (or “scanners”).
  • Each of the two laser beams 5 can enter the chamber 4 through one of two laser beam entry glasses 9, for example. So that the laser beams 5 can radiate into the chamber 4 in a targeted manner, the laser beam entry glasses 9 are advantageously let into a chamber wall (and / or a chamber cover) in the area in which the welds are to take place.
  • a protective device 10 for protecting the environment from the at least one laser beam 5 a protective device 10 in the form of a laser protection chamber is used in the exemplary device according to FIG. 1. This here, for example, encapsulates the (entire) chamber 4 and possibly also the laser devices 8.
  • two contact elements 3 can be connected to a cell stack 2 by means of laser beams 5 which act at least partially in parallel or at the same time.
  • the two weld seams 13 can be produced at the same time. This can advantageously save time in the cell production process.
  • the second laser device 8 higher system costs arise. In other words, this can also be described in such a way that the irradiation of the laser for welding on the anode and cathode side can be carried out simultaneously by two lasers.
  • FIG. 2 schematically shows the device from FIG. 1 in plan view.
  • the weld seams 13 are formed below the laser beam entry glasses 9.
  • the chamber 4 can be formed at the top with a cover 17 or can be delimited by this.
  • FIG. 3 shows schematically the device from FIG. 1 in a sectional plan view.
  • the cover 17 is removed.
  • the view from above onto the entire component 1 is free.
  • FIGS. 1 to 3 schematically shows a further example of a device described here for producing a component 1 in a sectional side view.
  • the reference symbols are used uniformly, so that the differences to the example from FIGS. 1 to 3 will be discussed below in particular.
  • the device according to FIG. 4 has only one laser device 8.
  • the two contact elements 3 are connected to a cell stack 2, for example, by means of laser beams 5 acting one after the other.
  • a rotating device 18 is provided, by means of which the chamber 4 and the laser device 8 can be rotated relative to one another so that the laser device 8 is in an end position of the rotary movement above one of the laser beam entry glasses 9 and is positioned over another of the laser beam entry glasses 9 in a further end position of the rotary movement.
  • this can also be described in such a way that the irradiation of the laser for welding on the anode and cathode side can take place by moving the side to be welded by a rotary table.
  • FIG. 5 schematically shows a further example of a device described here for producing a component 1 in a sectional side view.
  • the reference symbols are used uniformly, so that the differences to the example from FIGS. 1 to 3 will be discussed below in particular.
  • the principle of rotating the component from FIG. 4 can also be advantageously combined with the principle of the encapsulation from FIG. 5.
  • a protective device 11 in the form of local encapsulation is used (instead of the laser protection chamber), which is arranged between the laser devices 8 and the laser beam entry glasses 9.
  • the aim of the protective device 11 is to locally encapsulate the free space usually remaining between the laser device 8 and the (negative pressure / vacuum) chamber 4.
  • the free space is encapsulated in particular to control or contain the free laser radiation for safety reasons. If the entire unit consisting of laser device 8 and chamber 4 cannot or should not be enclosed (cf. protective device 10 in FIGS. 1 to 4), the free space between laser device 8 and chamber 4 can, for example, be Protective device 11 are closed in the form of local encapsulation. This locking mechanism is referred to in the following as “encapsulation”.
  • FIG. 6 shows schematically an illustration of a possible working step of the device from FIG Placing the encapsulation on the laser device 8 and / or the chamber 4 is achieved.
  • FIG. 6 illustrates a possible infeed movement after the encapsulation has been placed on the respective laser device 8.
  • a common infeed movement or separate infeed movements of the laser devices 8 are possible.
  • FIG. 7 schematically shows a further example of a device described here for producing a component 1 in a sectional side view (upper illustration in FIG. 7) and top view (lower illustration in FIG. 7).
  • the reference symbols are used uniformly, so that the differences to the example from the previous figures are mainly discussed below.
  • 7 illustrates by way of example that it may be sufficient if (only) a part of the at least one cell stack 2 and the at least one contact element 3 are arranged in a defined relative arrangement to one another in the chamber 4. As a rule, the area in which the connection is to be created is surrounded by the chamber 4.
  • FIG. 7 shows various possibilities for realizing the example on the left-hand side and on the right-hand side.
  • FIG. 8 schematically shows a further example of a device described here for producing a component in a sectional side view (upper illustration in FIG. 8) and top view (lower illustration in FIG. 8).
  • the reference symbols are used uniformly, so that in the following, the differences to the example from the previous figures are mainly discussed.
  • 8 illustrates by way of example that at least part of the at least one cell stack 2 and the at least one contact element 3 can be arranged on the chamber 4 in a defined relative arrangement to one another.
  • the cell stack 2 and the at least one contact element 3 can, for example, form a type of floor of the chamber 4, it possibly being sufficient, as shown in FIG occurs, is in direct contact with the remaining part of the chamber 4 formed, for example, in the manner of a bell.
  • the chamber 4 can, for example, remain permanently positioned in a laser system and be repeatedly (or repeatedly) equipped with components 1.
  • One advantage of this concept is that the setup process only needs to be carried out once.
  • several chambers 4 can be used per laser system.
  • several chambers 4 can be used in a circulating operation.
  • the loading of the chamber with the component 1 can take place outside the laser system.
  • the chamber 4 can be closed and / or evacuated outside the laser system. This can advantageously save process time in the laser system.
  • a method for producing a component, a component and a device for producing a component can be specified which at least partially solve the problems described in connection with the prior art.
  • a method for producing a component, a component and a device for producing a component are specified, which in particular can contribute at least to time savings and / or cost savings in the production of (lithium-ion) batteries.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1), umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel (2) zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement (3) zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels (2), zur Speicherung elektrischer Energie, gekennzeichnet durch zumindest folgende Schritte: a) Anordnen zumindest eines Teils des mindestens einen Zellstapels (2) und des mindestens einen Kontaktelements (3) in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an einer evakuierbaren Kammer (4); b) Evakuieren zumindest eines Teils des in der Kammer (4) befindlichen Gases; c) Verbinden des mindestens einen Zellstapels (2) und des mindestens einen Kontaktelements (3) miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels mindestens eines Laserstrahls (5), der in die Kammer (4) eingebracht wird.

Description

Beschreibung
Verbinden eines Zellstapels mit mindestens einem Kontaktelement im Vakuum mittels Laser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (z. B. für eine (Li-Ionen- )Batteriezelle), umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie, ein entsprechendes Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils. Die Erfindung kommt insbesondere bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien für beispielsweise elektrifizierte Fahrzeuge zum Einsatz.
Aus der DE 10 2012 213 110 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellmodulen mit prozessintegrierter Rahmenfertigung bekannt. Dabei werden mit einem Zellstapel bereits verbundenen Anschlussfahnen einer Polarität zur Ausbildung eines Kontaktbereichs umgebördelt und anschließend verschweißt. Von zusätzlichen Kontaktmitteln wird dort abgeraten.
Aus der DE 10 2016225 175 A1 ist eine Umhüllung für ein Batteriemodul bekannt. Dabei werden Elektroden zueinander benachbarter Zellstapel miteinander verschweißt, um die benachbarten Zellstapel miteinander zu einem Modul zu verbinden.
Aus der EP 2 518 812 A2 ist ein Verfahren zum Bilden einer verkapselten festen elektrochemischen Komponente bekannt. Dabei werden auf einer Vakuum-Platte angeordnete Schichten mittels eines Laser entlang eines Umfangs miteinander verschweißt und zugeschnitten.
Aus der DE 40 05674 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einkapseln eines mittels des isostatischen Heiß- oder Warmpressens zu bearbeitenden Materials, wie etwa Sintergut bekannt.
Weiterhin sind spezielle Vorrichtungen bekannt, in den ein Verschweißen unter Vakuum bzw. Unterdrück möglich ist. Durch das Vakuum in diesen Vorrichtungen konnten Schweißspritzer und Schweißnaht-Imperfektionen vorteilhaft minimiert werden. Diese Vorrichtungen werden jedoch bislang üblicherweise nur für Stahl-Schweißungen verwendet. Ein Nachteil der bekannten Unterdruck/Vakuum-Stahl-Schweißvorrichtungen ist zum einen, dass mit diesen häufig nur rotatorische Schweißnähte aufgebracht werden können. Ein weiterer Nachteil ist, dass mit den bekannten Vorrichtungen in der Regel unterschiedlich dimensionierte Bauteile schweißbar sein müssen, sodass das zu evakuierende Volumen für viele der Bauteile überdimensioniert ist, wodurch sich die Evakuierungszeit für kleine Bauteile unnötig verlängert.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils angegeben werden, die insbesondere zumindest zu einer Zeitersparnis und/oder Kostenersparnis bei der Herstellung von (Lithium-lonen-)Batterien beitragen können.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie bei, umfassend zumindest folgende Schritte: a) Anordnen zumindest eines Teils des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an einer evakuierbaren Kammer; b) Evakuieren zumindest eines Teils des in der Kammer befindlichen Gases; c) Verbinden des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels mindestens eines Laserstrahls, der in die Kammer eingebracht wird.
Die Schritte a), b) und c) können zumindest einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Darüber hinaus können zumindest die Schritte a) und b) bzw. b) und c) auch zumindest teilweise parallel ablaufen. Das Verfahren kann beispielsweise mittels einer hier beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren wird insbesondere zum Verbinden eines Zellstapels mit mindestens einem Kontaktelement (z.B. sogenannter „Ableiter“) im Vakuum mittels Laser eingesetzt. Das Anschweißen der sogenannten Ableiter an einen Zellstapel (füe eine Li-Ionen-Zelle) im Unterdrück oder Vakuum mittels eines Lasers stellt einen besonders vorteilhaften Aspekt des Verfahrens dar. Durch die Kombination des Laserschweißens mit den Unterdrück- oder Vakuumbedingungen können insbesondere die Vorteile erreicht werden, dass bei gleicher Laserleistung unter Unterdrück bzw. Vakuum die Einschweiß-/ „Durchschweiß“-Tiefe (mit zunehmendem Unterdrück) gesteigert werden kann und/oder bei gleicher Einschweiß-/„Durchschweiß“-Tiefe unter Unterdrück bzw. Vakuum (mit zunehmendem Unterdrück) weniger Laserleistung eingesetzt werden kann. Somit kann das Verfahren in vorteilhafter Weise zumindest zu einer Zeitersparnis und/oder Kostenersparnis und/oder zur Verschweißung von größeren Bauteildicken bei der Herstellung von Lithium-Ionen- Batterien beitragen.
Das Bauteil ist zur Speicherung elektrischer Energie geeignet. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Bauteil für eine (wiederaufladbare) Lithium-Ionen-Batterie handeln. In diesem Zusammenhang kann das Bauteil zum Beispiel einen Bestandteil für eine (Lithium- lonen-)Zelle bilden. Das Bauteil umfasst zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels. In der Regel können nach dem hier beschriebenen Verbinden von Zellstapel und Kontaktelement mehrere so hergestellte Bauteile zu einer Zelle verbunden werden. Das Bauteil kann einen einzelnen Zellstapel umfassen. Weiterhin kann das Bauteil (genau) zwei Kontaktelemente umfassen. Das Verfahren dient in der Regel dazu, das mindestens eine bzw. zwei Kontaktelemente mit dem (jeweils einem einzelnen) Zellstapel elektrisch leitend zu verbinden, sodass über die Kontaktelement der mindestens eine Zellstapel mit einem Stromkreis verbindbar ist. Die Kontaktelemente können beispielswiese elektrische Anschlüsse des Bauteils bzw. elektrische Verbindungselemente des Bauteils zur Verbindung des Bauteils mit bauteilexternen Komponenten oder weiteren Bauteilen bilden. Das Kontaktelement kann (unmittelbar) mit einem (Elektroden-)Fähnchen des Zellstapels verbunden werden. In der Regel sind mindestens zwei Kontaktelemente vorgesehen, die mit (verschiedenpoligen Elektroden-)Fähnchen des Zellstapels (unmittelbar) verbunden werden.
In Schritt a) erfolgt ein Anordnen zumindest eines Teils des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an einer evakuierbaren Kammer. Insbesondere kann (hierzu) in Schritt a) ein Bereitstellen des mindestens einn Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in einer evakuierbaren Kammer erfolgen. Unter einer Anordnung bzw. Bereitstellung in der evakuierbaren Kammer ist insbesondere zu verstehen, dass der mindestens eine Zellstapel und das mindestens eine Kontaktelement (vollständig) innerhalb eines Raumes angeordnet werden, der von den (im Regelfall sechs Seiten begrenzenden) Kammerinnenwänden begrenzt wird. Eine Anordnung an der evakuierbaren Kammer kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass die Kammer zum Beispiel in der Art einer Glocke (gezielt) über dem Bereich angeordnet wird, in dem die Verbindung zwischen Zellstapel und Kontaktelement gebildet werden soll. In diesem Zusammenhang können zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements eine der Kammerwände bilden. Bei der Kammer handelt es sich in der Regel um eine Unterdruck- /Vakuum-Kammer. Die Kammer kann in einen unteren Abschnitt und einen Deckel untergliedert sein. Der Deckel kann zur Einbringung von Zellstapel(n) und Kontaktelement(en) abgenommen werden. Der Deckel wird in der Regel vor dem Einbringen des Laserstrahl wieder mit dem unteren Abschnitt (gasdicht) verbunden. Eine entsprechende gasdichte Verbindung kann lokal, zum Beispiel an ein oder zwei Stellen entlang des Kammerumfangs, von Unterdruckanschlüssen unterbrochen sein, über welche das Gas (bei geschlossenem Deckel) aus der Kammer evakuiert werden kann.
Die definierte Relativanordnung kann beispielsweise derart sein, dass ein Kontaktelement mit mindestens einem (Elektroden-)Fähnchen des mindestens einen Zellstapels überlappt. Im inneren der Kammer kann die Anordnung der zu verschweißenden Bauteil beispielsweise derart sein, dass ein Kontaktelement mit mindestens einem Fähnchen bzw. den (gleichpoligen) Fähnchen mindestens eines Zellstapels überlappt. Insbesondere kann die definierte Relativanordnung so erfolgen, dass ein Kontaktelement unterhalb oder oberhalb eines Fähnchens bzw. mehrerer (gleichpoliger) Fähnchen eines Zellstapels positioniert ist. In dem entsprechenden Überlappungsbereich kann die (Laserschweiß-)Verbindung erfolgen. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass in dem Überlappungsbereich eine Schweißnaht ausgebildet werden kann. Bei dem „Fähnchen“ handelt es sich üblicherweise um einen Teil des Zellstapels, der zu Anschlusszwecken an einer Seite des Zellstapels hervorsteht. Die Schweißnaht kann als I-Naht oder als Kehlnaht ausgebildet werden. Weiterhin können die „Fähnchen“ und der Ableiter im Stumpfstoß angeordnet werden. Die Kontaktelemente werden vom Fachmann üblicherweise auch als sogenannte „Ableiter“ bezeichnet. Es wird insbesondere mindestens eine Laser-Schweißnaht gebildet, die einen Ableiter mit mindestens einem (Elektroden-)Fähnchen bzw. mehreren (gleichpoligen) Fähnchen eines Zellstapels (unmittelbar) stoffschlüssig verbindet. ln Schritt b) erfolgt ein Evakuieren zumindest eines Teils des in der Kammer befindlichen Gases. Die Kammer kann so weit evakuiert werden, bis ein vordefinierter (Unter-)Druck oder Vakuum in der Kammer vorliegt. Die Kammer kann über ihr gesamtes Innenvolumen gleichmäßig evakuiert werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Evakuierung gezielt in dem Bereich oder den Bereichen der Kammer erfolgt, in dem bzw. denen die Verbindung zwischen dem mindestens einen Zellstapel und dem mindestens einen Kontaktelement erfolgen soll. Zum Evakuieren kann beispielsweise Gas aus der Kammer abgepumpt werden. Hierzu können in grundsätzlich bekannter Weise Vakuum-Pumpen zum Einsatz kommen.
In Schritt c) erfolgt ein Verbinden des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels mindestens eines Laserstrahls, der in die Kammer eingebracht wird. Dies betrifft insbesondere eine innere Verschweißung zwischen mindestens einem (Elektroden-)Fähnchen des Zellstapels und mindestens einem Ableiter. Dies lässt sich zum Beispiel unterscheiden von einer äußeren Zellenschweißung, die in der Regel die Kontaktierung der fertigen Zellen miteinander in einem Modul betrifft und bei der üblicherweise die Zellableiter, die aus der jeweiligen Zelle herausragen mit anderen Zellableitern über eine Stromsammlerschiene bzw. eine BUS- Verbindung miteinander verbunden werden. Insbesondere wird in Schritt c) mindestens eine Laserschweißverbindung zwischen mindestens einem Kontaktelement und mindestens einem Zellstapel gebildet. Beispielsweise kann eine dabei gebildete Schweißnaht geradlinig und/oder in einer Ebene verlaufen. Zum Beispiel kann jeweils eine Schweißnaht genutzt werden, um ein Kontaktelement mit einem bzw. den (gleichpoligen) Fähnchen eines Zellstapels zu verbinden. In diesem Zusammenhang kann die Anzahl der Schweißnähte mit der Anzahl der Kontaktelemente übereinstimmen.
Das Verbinden wird insbesondere mittels einer Laser-Einrichtung durchgeführt, die zum Schweißen von Aluminium-Aluminium- und/oder Kupfer-Kupfer-Verbindungen geeignet ist. Beispielsweise kann die Laser-Einrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet sein ein (überwiegend) Aluminium enthaltendes Material (z. B. eines Kontaktelements) mit einem (überwiegend) Aluminium enthaltenden Material (z.B. eines Fähnchens) und/oder ein (überwiegend) Kupfer enthaltendes Material (z. B. eines Kontaktelements) mit einem (überwiegend) Kupfer enthaltenden Material (z. B. eines Fähnchens) zu verbinden. Beispielsweise können auf Anoden-Seite Anoden-Fähnchen, die überwiegend Kupfer enthalten, mit einem Anoden-Ableiter, die überweigedne Kupfer enthalten, verbunden werden. Weiterhin beispielhaft können auf Kathodenseite Kathoden-Fähnchen, die überwiegend Aluminium enthalten, mit einem Kathoden-Ableiter, der überwiegend Aluminium enthält, verbunden werden. Entsprechende Materialkombinationen können insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien vorliegen. Ein Vorteil des Unterdrucks bzw. Vakuums kann bei dem hier beschriebenen Verfahren insbesondere auch darin bestehen, dass man mit einem oder mehreren Lasern für einen bestimmten Wellenlängenbereich (der ggf. nicht für beide Materialien - Aluminium und Kupfer - ideal ist) vorteilhafte Schweißungen in beiden Materialien durchführen kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem mindestens einen Zellstapel um einen Zellstapel für eine Lithium-Ionen-Zelle handelt. Entsprechende Zellen können eine vorteilhafte Anwendung im Bereich der elektrifizierten Fahrzeuge finden.
Nach einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Kammer bauteildimensionsspezifisch gebildet ist. Dies kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass die Kammer (beispielsweise deren Innenvolumen und/oder deren Innenkontur) an die Dimensionen einer bestimmten Art bzw. eines bestimmten Typs von Bauteil (beispielsweise charakterisier durch zumindest dessen Volumen und/oder dessen Außenkontur) angepasst ist. Insbesondere kann die Kammer nur für eine bestimmte Art bzw. einen bestimmten Typ von Bauteil, wie etwa einen Zellstapel (mit möglichem Warenträger) bestimmter Größe verwendet werden. Beispielsweise kann das Innenvolumen der Kammer (im beladenen Zustand) zumindest zu 60%, bevorzugt zumindest zu 70% und besonders bevorzugt zumindest zu 80% mit dem Bauteil gefüllt sein. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass die nicht nutzbaren „Toträume“ der Kammer möglichst klein sind. Vorteile die hieraus resultieren sind unter anderem, dass die Abdichtung der Fügepartner (zum Beispiel: Kammerbasis und Deckel) und/oder zu den Unterdruckbildenden Bauteilen vereinfacht und/oder die Evakuierungs- bzw. Entlüftungszeiten bis ein notwendiger Unterdrück hergestellt ist deutlich reduziert und/oder der Reinigungsaufwand infolge des Absetzens von Schweißrauchen, -stäuben, -Spritzer erleichtert werden können. Die möglichst kleinen Toträume führen in vorteilhafter weise dazu, dass die Kammer auch in für moderne Herstellungsprozesse ausreichend kurzer Dauer so weit (bzw. auf einen so niedrigen Unterdrück) evakuiert werden kann, dass mit vergleichsweise geringer Laserleistung ausreichende Einschweißtiefen erzeugt werden können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem mindestens einen Laserstrahl um einen Infrarot- Laserstrahl handelt. Vorteile entsprechender IR- Laser sind insbesondere, dass deutlich günstiger sind als die derzeit verfügbaren Lasersysteme im grünen oder blauen Wellenlängen-Bereich und dass die Effizienz und/oder die verfügbaren Leistungen der IR-Laserquellen besser sind. Insbesondere beim Schweißen von Aluminium und Kupfer enthaltenden Materialien mittels eines IR-Lasers ohne Reduzierung des Drucks im Bereich der Schweißstelle konnten nachteilig viele Spritzer und Ungänzen in der Schweißnaht beobachtet werden. Durch das hier möglichst einfache erreichbare Vakuum bzw. den möglichst einfach erreichbaren niedrigen Unterdrück konnten die Schweißspritzer und Schweißnaht- Imperfektionen vorteilhaft minimiert werden.
Nach einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Laserstrahl durch mindestens ein Laserstrahleintrittsglas in die Kammer eintritt. Beispielsweise entspricht die Anzahl der Laserstrahleintrittsgläser der Anzahl der zu erzeugenden Schweißnähte und/oder der Anzahl der vorhandenen Laser-Einrichtungen. Das mindestens eine Laserstrahleintrittsglas kann in eine (obere) Kammerwand und/oder einen Deckel der Kammer eingelassen sein. Das mindestens eine Laserstrahleintrittsglas trägt in vorteilhafter Weise auch zur Reduzierung der Toträume bei, da somit die Laserquelle außerhalb der Kammer angeordnet sein kann.
Nach einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Kontaktelemente mittels zeitlich zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig wirkenden Laserstrahlen mit einem Zellstapel verbunden werden. In diesem Zusammenhang können beispielsweise mindestens zwei Laser-Einrichtungen und ggf. zwei Laserstrahleintrittsgläser vorgesehen sein. Dies kann dazu beitragen, dass zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig mindestens zwei Schweißnähte des Bauteils erzeugt werden können, was in vorteilhafter weise zur Reduzierung der Herstellungszeit beitragen kann.
Nach einerweiteren (alternativen) vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Kontaktelemente mittels zeitlich nacheinander wirkenden Laserstrahlen mit einem Zellstapel verbunden werden. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise nur eine (einzige) Laser-Einrichtung zum Verbindung des Zellstapels mit den Kontaktelementen ausreichen. Die Laser-Einrichtung kann beispielsweise relativ zur Kammer und/oder die Kammer relativ zur Laser-Einrichtung bewegbar sein bzw. bewegt werden. Zum Beispiel kann eine Dreh-Einrichtung die Kammer relativ zur Laser-Einrichtung drehen. Die Dreh-Einrichtung kann die Kammer und die Laser-Einrichtung relativ zueinander verdrehen, sodass die Laser- Einrichtung in einer Endposition der Drehbewegung über einem der Laserstrahleintrittsgläser und in einer weiteren Endposition der Drehbewegung über einem weiteren der Laserstrahleintrittsgläser positioniert wird. Dies kann dazu beitragen, dass die Anlagekosten (durch Einsparung eines Lasers) reduziert werden können. Nach einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Schutzeinrichtung zum Schutz der Umgebung vor dem mindestens einen Laserstrahl verwendet wird. Bei der Schutzeinrichtung kann es beispielsweise um eine Laserschutzkammer und/oder um eine lokale Kapselung handeln. Die Laserschutzkammer ist insbesondere mit einem Gehäuse gebildet, das die Kammer und/oder die Laser-Einrichtung(en) vorzugsweise vollständig umgibt. Die lokale Kapselung kann dazu eingerichtet und angeordnet sein bzw. werden, den Weg des Laserstrahl von der Laser-Einrichtung bis hin zu der Kammer lokal zu umgeben bzw. abzuschirmen. Die Anzahl der lokalen Kapselungen kann der Anzahl der Laser- Einrichtungen und/oder der Anzahl der Laserstrahleintrittsgläser entsprechen. Die Kapselung kann beispielsweise mit der Laser-Einrichtung auf die Kammer zu und wieder von dieser weg bewegt werden. Es kann eine sensorische Einrichtung vorgesehen sein, die erkennt, ob die Kapselung vorhanden ist, und den Laser erst freigibt, wenn die Kapselung erkannt wurde.
Es kann eine Kammer vorgesehen sein, die wiederholt bzw. immer wieder neu mit einem Bauteil bestückt wird. In diesem Zusammenhang kann die Kammer mindestens einer Laser- Einrichtung (fest) zugeordnet und/oder in einer Anordnung mit mindestens einer Laser- Einrichtung (fest) integriert sein bzw. dort dauerhaft verbleiben. Alternativ können mehrere Kammern vorgesehen sein, die jeweils mit einem Bauteil bestückt werden und nacheinander in bestimmter Relation zu mindestens einer Laser-Einrichtung zwecks Verbindung des Zellstapels mit dem mindestens einen Kontaktelement angeordnet werden.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Bauteil, umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie vorgeschlagen, bei dem der mindestens eine Zellstapel und das mindestens eine Kontaktelement mittels einer unter reduziertem Umgebungsdruck erzeugten Laser- Schweißverbindung miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Vorteilhafte Eigenschaften der so erzeugten Schweißverbindung sind insbesondere eine reduzierte Anzahl und/oder Größe an Poren und/oder eine feinere Schuppung und/oder eine feinere Ausbildung der Dampfkapillare (im Vergleich zu einer Schweißverbindung unter Umgebungsdruck). Ein weiterer Vorteil der so erzeugten Schweißverbindung kann in der Gleichmäßigkeit des Prozesses gesehen werden, was in vorteilhafter Weise zu einer möglichst homogenen Ausbildung der Dampfkapillare beitragen kann.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils, umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels, zur Speicherung elektrischer Energie vorgeschlagen, umfassend:
• eine evakuierbare Kammer,
• mindestens eine mit der Kammer verbindbare Evakuierungseinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des in der Kammer befindlichen Gases evakuierbar ist,
• mindestens eine Halte-Einrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an der Kammer haltbar sind,
• mindestens eine Laser-Einrichtung, mittels welcher mindestens ein Laserstrahl zum Verbinden des mindestens einen Zellstapels und des mindestens einen Kontaktelements miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung in die Kammer einbringbar ist.
Die Vorrichtung kann beispielsweise zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens und/oder zur Herstellung eines hier beschriebenen Bauteils vorgesehen und eingerichtet sein. Die Evakuierungseinrichtung kann mindestens einen Vakuum- bzw. Unterdruckanschluss der Kammer und/oder mindestens eine Vakuum-Pumpe umfassen. Die Halte-Einrichtung kann mindestens eine Aufnahme für den mindestens einen Zellstapel bzw. für einen Warenträger, der den mindestens einen Zellstapel trägt, umfassen. Weiterhin kann die Halte-Einrichtung mindestens eine Auflage für das mindestens eine Kontaktelement umfassen. Die Laser- Einrichtung kann mindestens eine Laser-Quelle, insbesondere Infrarot-Laser-Quelle umfassen.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bauteil und/oder der Vorrichtung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in oder in Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch: Fig. 1: ein Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht,
Fig. 2: die Vorrichtung aus Fig. 1 in Draufsicht,
Fig. 3: die Vorrichtung aus Fig. 1 in geschnitten dargestellter Draufsicht,
Fig. 4: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines
Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht,
Fig. 5: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines
Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht,
Fig. 6: eine Veranschaulichung eines möglichen Arbeitsschrittes der Vorrichtung aus
Fig. 5,
Fig. 7: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines
Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht und Draufsicht und,
Fig. 8: ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines
Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht und Draufsicht.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht. Das Bauteil 1 dient zur Speicherung elektrischer Energie und umfasst hier beispielhaft einen Zellstapel 2 zur Speicherung elektrischer Energie und zwei Kontaktelemente 3 zur elektrischen Kontaktierung des Zellstapels 2. Der Zellstapel 2 und die Kontaktelemente 3 sind jeweils mittels einer unter reduziertem Umgebungsdruck erzeugten Laser-Schweißverbindung bzw. Laser- Schweißnaht 13 miteinander elektrisch leitend verbunden.
Die Vorrichtung zur Herstellung des Bauteils 1 umfasst eine evakuierbare Kammer 4, mindestens eine mit der Kammer 4 verbindbare Evakuierungseinrichtung (hier angedeutet durch die zwei Unterdruckanschlüsse 6), mittels welcher zumindest ein Teil des in der Kammer 4 befindlichen Gases evakuierbar ist, mindestens eine Halte-Einrichtung 7, mittels welcher zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels 2, der in wiederum in einem Warenträger 19 bereitgestellt ist, und des mindestens einen Kontaktelements 3 in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an der Kammer 4 haltbar sind, mindestens eine Laser-Einrichtung 8, mittels welcher mindestens ein Laserstrahl 5 zum Verbinden des mindestens einen Zellstapels 2 und des mindestens einen Kontaktelements 3 miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung in die Kammer 4 einbringbar ist. In dem Warenträger 19 kann der Zellstapel 2 vom Stapelprozess zum Schweißen an- und abtransportiert und ggf. zu den weiteren Prozessschritten überführt werden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Vorrichtung insbesondere um eine Schweißvorrichtung, in der die Lagerung eines Li-Ionen Zellstapels 2 inkl. des Stapelträgers und des anzuschweißenden Kontaktelements 3 (Ableiters) zum Stapel stattfindet. Innerhalb dieser Vorrichtung können Schweißungen unter reduziertem atmosphärischen Druck oder im Vakuum durch geführt werden, um die Ableiter an den Stapel zu kontaktieren.
Bei dem mindestens einen Zellstapel 2 handelt es sich hier beispielhaft um einen Zellstapel für eine Lithium-Ionen-Zelle. Der Zellstapel umfasst an zwei einander gegenüberliegenden Seiten (verschiedenpolige Elektroden-)Fähnchen 13, die zur elektrischen Verbindung des Zellstapels 2 von diesem hervorstehen. Im Bereich der Fähnchen 13 wird der Zellstapel 2 mit den Kontaktelementen 3 verbunden. Hierzu kann beispielsweise jeweils ein Kontaktelement 3 oberhalb oder unterhalb der Fähnchen 13 auf einer Seite gehalten und in dieser Relativanordnung mit den Fähnchen verbunden werden. Die entsprechende elektrisch leitende Verbindung ist in Fig. 1 beispielhaft mit den Schweißnähten 13 angedeutet. Die Kontaktelemente 3 dienen zum elektrischen Anschließen des Zellstapels 2 an beispielsweise einen Stromkreis. In Fig. 1 ist weiterhin beispielhaft dargestellt, dass die Fähnchen 12 jeder Seite mit einem Fähnchenspanner 14 versehen sein können.
Die Evakuierungseinrichtung 6 umfasst (zusätzlich zu den Unterdruckanschlüssen 6) in der Regel mindestens eine Vakuum-Pumpe (hier nicht dargestellt), die über die Unterdruckanschlüsse 6 mit dem Raum in der Kammer verbindbar ist. Zur Relativpositionierung von Zellstapel 2 und Kontaktelement 3 zueinander weist die Halte-Einrichtung 7 hier beispielhaft zwei Auflagen 15 (sog. Ableiter-Auflagevorrichtung) zum Anordnen der Kontaktelemente 3 in definierter Position und eine Aufnahme 16 (sog. Stapelträgeraufnahme) zum Anordnen des (im Warenträger 19 gehaltenen) Zellstapels 2 in definierter Position auf. Grundsätzlich können der Zellstapel 2 und die Kontaktelemente 3 (Ableiter) gemeinsam oder separat eingelegt werden. Zur gemeinsamen Anordnung in der Kammer 4 und/oder an der Halte-Einrichtung 7 können die Kontaktelemente 3 an den Zellstapel 2 bereits angeheftet sein. Der Zellstapel 2 (inklusive Fähnchen 12) und die Kontaktelemente 3 können dabei gemeinsam in die Vorrichtung eingelegt werden. Die Halte-Einrichtung 7 kann insbesondere so gebildet sein, dass die Fügepartner (Fähnchen 12 und Kontaktelemente 3) gegenüber dem Laserstrahl 5 so angeordnet werden, dass (entweder) auf dem Kontaktelement 3 (Ableiter) oder einem Fähnchen 12 der Laserstrahl 5 zuerst auftritt bzw. in das Bauteil 1 eingekoppelt wird.
Die Kammer 4 ist hier beispielsweise bauteildimensionsspezifisch gebildet. Die Kammer 4 ist hier beispielhaft in der Form einer Unterdruck/Vakuum-Laserkammer gebildet, die nur geringfügig größer als das Volumen des Bauteils 1 , inklusive Zellstapel 2 und Kontaktelementen 3 (Ableiter), des Warenträgers 19 und der Halte-Einrichtung 7 (insbesondere der Aufliegevorrichtung der Ableiter) ist. Ein entsprechend geringes Volumen kann dadurch erreicht werden, dass die Kammer 4 an einen bestimmten Typ Zellstapel 2 bzw. eine bestimmte Zellstapelgröße angepasst wird und nicht für eine Vielzahl verschiedener Zellstapel geeignet sein muss. Dadurch wird die Evakuierungszeit der Laserkammer möglichst gering gehalten, da der mit zu evakuierende “Totraum” minimiert ist. Dies spart vorteilhaft Herstellungszeit im Zellfertigungsprozess. Zudem können durch die damit reduzierte Taktzeit für das Bilden des Unterdrucks die Prozesskosten vorteilhaft reduziert werden.
Bei dem mindestens einen Laserstrahl 5 handelt es sich hier jeweils um einen Infrarot- Laserstrahl. In Fig. 1 sind beispielsweise zwei Laser-Einrichtungen 8 vorgesehen, die ggf. auch als sogenannten Laseroptiken (oder „Scanner“) bezeichnet werden können. Jeder der zwei Laserstrahlen 5 kann durch eines von beispielhaft zwei Laserstrahleintrittsgläsern 9 in die Kammer 4 eintreten. Damit die Laserstrahlen 5 zielgerichtet in die Kammer 4 einstrahlen können, sind die Laserstrahleintrittsgläser 9 vorteilhafterweise in dem Bereich in eine Kammerwand (und/oder einen Kammerdeckel) eingelassen, in dem die Schweißungen erfolgen sollen.
Als beispielhafte Schutzeinrichtung 10 zum Schutz der Umgebung vor dem mindestens einen Laserstrahl 5 wird in der beispielhaften Vorrichtung gemäß Fig. 1 eine Schutzeinrichtung 10 in Form einer Laserschutzkammer verwendet. Diese kapselt hier beispielhaft die (gesamte) Kammer 4 und ggf. auch die Laser-Einrichtungen 8.
Mittels der beispielhaften, in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung können aufgrund der zwei Laser- Einrichtungen 8 zwei Kontaktelemente 3 mittels zeitlich zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig wirkenden Laserstrahlen 5 mit einem Zellstapel 2 verbunden werden. Somit können die zwei Schweißnähte 13 gleichzeitig hergestellt werden. Dadurch kann vorteilhaft Zeit im Zellherstellungsprozess gespart werden. Durch die zweite Laser-Einrichtung 8 können jedoch höhere Anlagenkosten entstehen. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass die Einstrahlung des Lasers für das Schweißen auf Anoden- und Kathoden-Seite simultan durch zwei Laser erfolgen kann.
Fig. 2 zeigt schematisch die Vorrichtung aus Fig. 1 in Draufsicht. In der Draufsicht ist zu erkennen, dass die Schweißnähte 13 unterhalb der Laserstrahleintrittsgläser 9 gebildet werden. Zudem ist hier veranschaulicht, dass die Kammer 4 nach oben hin mit einem Deckel 17 gebildet bzw. durch diesen begrenzt sein kann.
Fig. 3 zeigt schematisch die Vorrichtung aus Fig. 1 in geschnitten dargestellter Draufsicht. Dabei ist der Deckel 17 abgenommen. Somit ist der Blick von oben auf das gesamte Bauteil 1 frei.
Fig. 4 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den Figuren 1 bis 3 eingegangen wird.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 weist nur eine Laser-Einrichtung 8 auf. In diesem Zusammenhang werden die zwei Kontaktelemente 3 beispielsweise mittels zeitlich nacheinander wirkenden Laserstrahlen 5 mit einem Zellstapel 2 verbunden. Hierzu ist gemäß dem Beispiel nach Fig. 4 beispielhaft eine Dreh-Einrichtung 18 vorgesehen, mittels welcher die Kammer 4 und die Laser- Einrichtung 8 relativ zueinander verdreht werden können, sodass die Laser-Einrichtung 8 in einer Endposition der Drehbewegung über einem der Laserstrahleintrittsgläser 9 und in einer weiteren Endposition der Drehbewegung über einem weiteren der Laserstrahleintrittsgläser 9 positioniert wird. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass die Einstrahlung des Lasers für das Schweißen auf Anoden- und Kathoden-Seite durch ein Zustellen der zu schweißenden Seite durch einen Drehtisch erfolgen kann.
Fig. 5 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den Figuren 1 bis 3 eingegangen wird. Weiterhin kann das Prinzip des Drehens des Bauteils aus Fig. 4 mit dem Prinzip der Kapselung aus Fig. 5 auch vorteilhaft kombiniert werden. ln Fig. 5 wird (statt der Laserschutzkammer) eine Schutzeinrichtung 11 in Form von lokalen Kapselungen verwendet, die zwischen den Laser-Einrichtungen 8 und dem Laserstrahleintrittsgläsern 9 angeordnet werden.
Ziel der Schutzeinrichtung 11 ist es den zwischen der Laser-Einrichtung 8 und der (Unterdruck/Vakuum-)Kammer 4 in der Regel verbleibenden Freiraum lokal zu kapseln. Der Freiraum wird insbesondere zur Kontrolle bzw. Eindämmung der freien Laserstrahlung aus Sicherheitsgründen abgekapselt. Wenn nicht die gesamte Einheit bestehend aus Laser- Einrichtung 8 und Kammer 4 eingehaust (vgl. hierzu Schutzeinrichtung 10 in Fig. 1 bis 4) werden kann oder soll, so kann der Freiraum zwischen Laser-Einrichtung 8 und der Kammer 4 zum Beispiel mit der Schutzeinrichtung 11 in Form von lokalen Kapselungen verschlossen werden. Dieser Verschlussmechanismus wird im Folgenden “Kapselung” genannt.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Veranschaulichung eines möglichen Arbeitsschrittes der Vorrichtung aus Fig. 5. Die Öffnungen der Kapselung (Schutzeinrichtung 11) ist in der Regel nicht dauerhaft mit der Laser-Einrichtung 8 und/oder mit der Kammer 4 verbunden, sodass die Lasersicherheit durch Aufsetzen der Kapselung auf die Laser-Einrichtung 8 und/oder die Kammer 4 erreicht wird. In Diesem Zusammenhang veranschaulicht Fig. 6 eine mögliche Zustellbewegung nach Aufsetzen der der Kapselung auf die jeweilige Laser-Einrichtung 8. Dabei sind eine gemeinsame Zustellbewegung oder separate Zustellbewegungen der Laser- Einrichtungen 8 möglich.
Fig. 7 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils 1 in geschnitten dargestellter Seitenansicht (obere Darstellung in Fig. 7) und Draufsicht (untere Darstellung in Fig. 7). Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den vorherigen Figuren eingegangen wird. Fig. 7 veranschaulicht beispielhaft, dass es ausreichen kann, wenn (nur) ein Teil des mindestens einen Zellstapels 2 und des mindestens einen Kontaktelements 3 in einer definierten Relativanordnung zueinander in der Kammer 4 angeordnet sind. In der Regel ist dabei der Bereich von der Kammer 4 umgeben, in dem die Verbindung erzeugt werden soll. In der Fig. 7 sind in diesem Zusammenhang auf der linken Seite und auf der rechten Seite verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung des Beispiels veranschaulicht.
Fig. 8 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für eine hier beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils in geschnitten dargestellter Seitenansicht (obere Darstellung in Fig. 8) und Draufsicht (untere Darstellung in Fig. 8). Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass im Folgenden vor allem auf die Unterschiede zu dem Beispiel aus den vorherigen Figuren eingegangen wird. Fig. 8 veranschaulicht beispielhaft, dass zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels 2 und des mindestens einen Kontaktelements 3 in einer definierten Relativanordnung zueinander an der Kammer 4 angeordnet sein kann. Dabei können der Zellstapel 2 und das mindestens eine Kontaktelement 3 beispielsweise eine Art Boden der Kammer 4 bilden, wobei es ggf., wie in Fig. 8 dargestellt, ausreichen kann, wenn das Element (Zellstapel oder Kontaktelement), auf welches der Laserstrahl 5 zuerst auftritt, in unmittelbarem Kontakt mit dem restlichen Teil der beispielsweise in der Art einer Glocke gebildeten Kammer 4 ist.
Weiterhin sind unterschiedliche Konzepte für die Anwendung der Kammer 4 (beispielsweise in Form eines Warenträgers) möglich so kann die Kammer 4 beispielsweise dauerhaft in einer Laseranlage positioniert verbleiben und wiederholt (bzw. immer wieder neu) mit Bauteilen 1 bestückt werden. Ein Vorteil dieses Konzeptes ist, dass der Einrichtungsprozess nur einmal durchgeführt werden muss. Alternativ können mehrere Kammern 4 pro Laseranlage verwendet werden. Beispielsweise können mehrere Kammern 4 in einem Umlaufbetrieb zur Anwendung kommen. Dabei kann die Beladung der Kammer mit dem Bauteil 1 außerhalb der Laseranlage erfolgen. Weiterhin kann die Kammer 4 außerhalb der Laseranlage geschlossen und/oder evakuiert werden. Dadurch wird kann Prozesszeit in der Laseranlage vorteilhaft eingespart werden.
Somit können ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils angegeben werden, welche die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere werden ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils angegeben, die insbesondere zumindest zu einer Zeitersparnis und/oder Kostenersparnis bei der Herstellung von (Lithium-lonen-)Batterien beitragen können.
Bezugszeichenliste
Bauteil
Zellstapel
Kontaktelement
Kammer
Laserstrahl
Evakuierungseinrichtung
Halte-Einrichtung
Laser-Einrichtung
Laserstrahleintrittsglas
Schutzeinrichtung
Schutzeinrichtung
Fähnchen
Schweißnaht
Fähnchen-Spanner
Auflage
Aufnahme
Deckel
Dreh-Einrichtung
Warenträger

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1), umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel (2) zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement (3) zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels (2), zur Speicherung elektrischer Energie, gekennzeichnet durch zumindest folgende Schritte: a) Anordnen zumindest eines Teils des mindestens einen Zellstapels (2) und des mindestens einen Kontaktelements (3) in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an einer evakuierbaren Kammer (4); b) Evakuieren zumindest eines Teils des in der Kammer (4) befindlichen Gases; c) Verbinden des mindestens einen Zellstapels (2) und des mindestens einen Kontaktelements (3) miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels mindestens eines Laserstrahls (5), der in die Kammer (4) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem mindestens einen Zellstapel (2) um einen Zellstapel für eine Lithium-Ionen-Zelle handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammer (4) bauteildimensionsspezifisch gebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem mindestens einen Laserstrahl (5) um einen Infrarot- Laserstrahl handelt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Laserstrahl (5) durch mindestens ein Laserstrahleintrittsglas (9) in die Kammer (4) eintritt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Kontaktelemente (3) mittels zeitlich zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig wirkenden Laserstrahlen (5) mit einem Zellstapel (2) verbunden werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens zwei Kontaktelemente (3) mittels zeitlich nacheinander wirkenden Laserstrahlen (5) mit einem Zellstapel (2) verbunden werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindeste seine Schutzeinrichtung (10, 11) zum Schutz der Umgebung vor dem mindestens einen Laserstrahl (5) verwendet wird.
9. Bauteil (1), umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel (2) zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement (3) zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels (2), zur Speicherung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zellstapel (2) und das mindestens eine Kontaktelement (3) mittels einer unter reduziertem Umgebungsdruck erzeugten Laser-Schweißverbindung miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
10. Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils (1), umfassend zumindest mindestens einen Zellstapel (2) zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktelement (3) zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels (2), zur Speicherung elektrischer Energie, gekennzeichnet durch:
• eine evakuierbare Kammer (4),
• mindestens eine mit der Kammer (4) verbindbare Evakuierungseinrichtung (6), mittels welcher zumindest ein Teil des in der Kammer (4) befindlichen Gases evakuierbar ist,
• mindestens eine Halte-Einrichtung (7), mittels welcher zumindest ein Teil des mindestens einen Zellstapels (2) und des mindestens einen Kontaktelements (3) in einer definierten Relativanordnung zueinander in oder an der Kammer (4) haltbar sind,
• mindestens eine Laser-Einrichtung (8), mittels welcher mindestens ein Laserstrahl (5) zum Verbinden des mindestens einen Zellstapels (2) und des mindestens einen Kontaktelements (3) miteinander zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung in die Kammer (4) einbringbar ist.
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