SB_00048EWNLP
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2021<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Rührreibschweißen von<br />
Trägerfolien und Ableitern für<br />
prismatische Batteriezellen
Rührreibschweißen von<br />
Trägerfolien und Ableitern für<br />
prismatische Batteriezellen<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 00.048 EWN<br />
DVS-Nr.: 05.3090<br />
Technische Universität München<br />
Institut für Werkzeugmaschinen<br />
und Betriebswissenschaften<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 00.048 EWN / DVS-Nr.: 05.3090 der Forschungsvereinigung<br />
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,<br />
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen<br />
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz<br />
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 524<br />
Bestell-Nr.: 170634<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-524-8<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Schlussbericht vom 30.04.2022<br />
zum IGF-Vorhaben Nr. 48 EWN<br />
Thema<br />
Rührreibschweißen von Trägerfolien und Ableitern für prismatische Batteriezellen<br />
Berichtszeitraum<br />
01.11.2019 ‒ 31.10.2021<br />
Forschungsvereinigung<br />
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
Aachener Straße 172<br />
40223 Düsseldorf<br />
Forschungseinrichtung<br />
Technische Universität München<br />
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)<br />
Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh<br />
Boltzmannstraße 15<br />
85748 Garching
Seite 2 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 48 EWN<br />
Durch das Mikro-Rührreibschweißen kontaktierter Kathoden-Folienstapel, bestehend aus 80 Folien
Seite 5 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 48 EWN<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
I. Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................................ 7<br />
II. Formelverzeichnis .................................................................................................................. 8<br />
III. Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................... 9<br />
IV. Tabellenverzeichnis ............................................................................................................ 11<br />
V. Geplante/durchgeführte Arbeiten und deren Ergebnisse ...................................................... 12<br />
1. Ausgangssituation und Forschungsziel ................................................................................ 15<br />
2. Durchgeführte Arbeiten u. Ergebnisse im Berichtszeitraum .................................................. 17<br />
2.1. Definition der Zielgrößen und Randbedingungen ........................................................... 17<br />
2.1.1. Anforderungen und Zielgrößen ................................................................................ 17<br />
2.1.2. Bauteilgeometrien und -werkstoffe .......................................................................... 18<br />
2.2. Auslegung und Fertigung der Werkzeuge ...................................................................... 19<br />
2.3. Auslegung und Fertigung der Spannvorrichtungen ........................................................ 20<br />
2.3.1. Spannvorrichtungen für den Mehrfach-Überlappstoß .............................................. 21<br />
2.3.2. Spannvorrichtungen für den Mehrfach-Stumpfstoß .................................................. 21<br />
2.4. Prozessuntersuchungen und -analyse für Linienschweißungen im Mehrfach-Überlappund<br />
im -Stumpfstoß .............................................................................................................. 22<br />
2.4.1. Prozessuntersuchungen im Mehrfach-Überlappstoß ............................................... 22<br />
2.4.2. Prozessuntersuchungen im Mehrfach-Stumpfstoß .................................................. 24<br />
2.4.3. Abschließende Bewertung der Linienschweißungen im Mehrfach-Überlapp- und im -<br />
Stumpfstoß ........................................................................................................................ 28<br />
2.5. Prozessverbesserung .................................................................................................... 29<br />
2.5.1. Auswahl der Verfahrensvariante .............................................................................. 29<br />
2.5.2. Konstruktion weiterer Schweißwerkzeuge ............................................................... 30<br />
2.5.3. Prozessuntersuchungen zu Punktschweißungen im Mehrfach-Stumpfstoß ............. 31<br />
2.5.4. Korrelationen zwischen den Zielgrößen ................................................................... 34<br />
2.5.5. Zusammenfassende Bewertung der Werkzeuge ..................................................... 35<br />
2.6. Potenzialbewertung und Vergleich mit anderen Fügefahren .......................................... 37<br />
VI. Verwendung der Zuwendung .............................................................................................. 40<br />
VI.I Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1) ............................................ 40<br />
VI.II Geräte (Einzelansatz B) ................................................................................................. 40<br />
VI.III Leistungen Dritter (Einzelansatz C) .............................................................................. 40<br />
VII. Notwendigkeit u. Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................................... 41
Seite 12 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 48 EWN<br />
V. Geplante/durchgeführte Arbeiten und deren Ergebnisse<br />
Geplante Arbeiten<br />
/ Ziel<br />
Durchgeführte Arbeiten / Ergebnis<br />
Ziel erreicht?<br />
AP 1: Definition der Zielgrößen und Randbedingungen mit dem pbA (1,5 PM)<br />
Auswahl der Trägerfolien<br />
und -Ableiterwerkstoffe<br />
Festlegung der<br />
Füge- und Stoßgeometrien<br />
Ermittlung von<br />
Anforderungen<br />
Folien:<br />
• Kathode: EN AW-1050A (Aluminium)<br />
• Anode: Cu-PHC (Kupfer)<br />
Ableiter:<br />
• Kathode: EN AW-1050A-H14 (Aluminium)<br />
• Anode: Cu-ETP R240 (Kupfer)<br />
Allgemein:<br />
• Schweißnahtlänge von 70 mm<br />
• Folienzahl von 30<br />
Mehrfach-Überlappstoß:<br />
• Folien: 100 × 38 × 0,015 mm³ (Aluminium)<br />
• Ableiter: 80 × 20 × 0,5 mm³ (oben) und 80 × 20 × 1 mm³ (unten)<br />
Mehrfach-Stumpfstoß:<br />
• Folien: 75 × 60 (25) × 0,015 mm³ (Aluminium) und<br />
75 × 60 (25) × 0,010 mm³ (Kupfer)<br />
• Ableiter: 80 × 2 × 1 mm³ (Aluminium und Kupfer)<br />
Fügeprozess:<br />
• geringer Wärmeeintrag<br />
• geringe mechanische Belastung<br />
• keine Spritzer oder Partikel<br />
• hohe Wiederholbarkeit<br />
Schweißnahtqualität:<br />
• vollständige Anbindung aller Folien an den Ableiter<br />
• hohe elektrische Leitfähigkeit<br />
• geringer Schweißgrat<br />
ja<br />
ja<br />
ja<br />
AP 2: Auslegung und Fertigung der Werkzeuge sowie der Spannvorrichtungen (5 PM)<br />
Konstruktion,<br />
Fertigung und Erprobung<br />
von<br />
Werkzeugen<br />
Konstruktion,<br />
Fertigung und Erprobung<br />
von<br />
Spannvorrichtungen<br />
4 prototypische Werkzeuge zum Linienschweißen mit Schulterdurchmessern von<br />
3 mm, Schweißstiftlängen von 0,8 mm, Schweißstiftdurchmessern von 1 mm (Basis)<br />
und einem Konuswinkel von 7,13°<br />
Werkzeuge mit konischem Schweißstift:<br />
• mit flacher und glatter Schulter sowie mit konischem Schweißstift (Referenzwerkzeug)<br />
• wie Referenzwerkzeug, aber mit konvexer (Winkel von 6°) Schulter<br />
Werkzeuge ohne Schweißstift (nicht für den Mehrfach-Überlappstoß geeignet):<br />
• mit flacher und glatter Schulter<br />
• mit flacher und gelochter Schulter<br />
• eine Spannvorrichtung für den Mehrfach-Überlappstoß<br />
• eine Spannvorrichtung für den Mehrfach-Stumpfstoß<br />
ja<br />
ja
Seite 13 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 48 EWN<br />
Geplante Arbeiten<br />
/ Ziel<br />
Durchgeführte Arbeiten / Ergebnis<br />
Ziel erreicht?<br />
AP 3: Experimentelle Prozessuntersuchungen (5 PM)<br />
Erzeugung von Probegeometrien<br />
mit<br />
unterschiedlichen<br />
Parameterkombinationen<br />
Erfassen von<br />
Prozessantworten<br />
Durchführen von Linien-Schweißversuchen nach einem vollfaktoriellen Versuchsplan<br />
mit Eintauchtiefen von 0,1 mm, Anstellwinkeln von 2° und Verweilzeiten<br />
von 2 s im Mehrfach-Überlappstoß (Aluminium) sowie im Mehrfach-Stumpfstoß<br />
(Aluminium und Kupfer)<br />
Variierte Parameter für den Mehrfach-Überlappstoß:<br />
• Werkzeugdrehzahl n in U/min: 2300, 2800, 3300, 3800, 4300 und 4800<br />
• Vorschubgeschwindigkeit v in mm/min: 50, 100, 150 und 200<br />
Variierte Parameter für den Mehrfach-Stumpfstoß:<br />
• Werkzeugdrehzahl n in U/min: 800, 1800, 2800, 3800 und 4800<br />
• Vorschubgeschwindigkeit v in mm/min: 100, 150 und 200 (Aluminium) sowie<br />
20, 35 und 50 (Kupfer)<br />
• Prozesskräfte und -drehmomente mit einem Dynamometer<br />
• Temperaturen mit Thermoelementen im Werkzeug und im Nahtnebenbereich<br />
ja<br />
ja<br />
AP 4: Auswertung der Prozessuntersuchungen und Prozessanalyse (3,5 PM)<br />
Durchführen von<br />
Schweißnahtprüfungen<br />
Auswertung der<br />
Versuchsergebnisse<br />
Modellhafte Beschreibung<br />
der Zusammenhänge<br />
• Schweißnahttopografien<br />
• mechanische Prüfung nach SHAWN LEE ET AL. [1]<br />
• metallurgische Prüfung von Querschliffen<br />
• Identifikation eines geeigneten Parameterraums<br />
• Gegenüberstellung der Ergebnisse<br />
(Korrelationsanalyse in AP 5 für Punktschweißversuche)<br />
ja<br />
ja<br />
ja<br />
AP 5: Prozessverbesserung (3,5 PM)<br />
Verbesserung der<br />
Spannvorrichtung<br />
Verbesserung der<br />
Werkzeuggeometrie<br />
Durchführen von<br />
Schweißversuchen<br />
• eine weiterentwickelte Spannvorrichtung für den Mehrfach-Überlappstoß<br />
(siehe Unterkapitel 3.2)<br />
• eine weiterentwickelte Spannvorrichtung für den Mehrfach-Stumpfstoß<br />
(siehe Unterkapitel 3.2)<br />
5 Werkzeuge mit konischem Schweißstift (Schweißstiftlängen verkürzt auf<br />
0,55 mm):<br />
• mit flacher und glatter Schulter (Referenzwerkzeug)<br />
• wie Referenzwerkzeug, aber mit Gewindestift<br />
• wie Referenzwerkzeug, aber mit quadratisch-konischem Schweißstift<br />
• mit flacher und dreieckstrukturierter Schulter sowie mit Gewindestift in zwei<br />
Längen (0,55 mm und 0,1 mm)<br />
3 Werkzeuge ohne Schweißstift<br />
• mit flacher und glatter Schulter<br />
• mit flacher und gelochter Schulter<br />
• mit flacher und dreieck-strukturierter Schulter<br />
• Stehende-Schulter-Versuche im Mehrfach-Überlappstoß<br />
• μFSSW im Mehrfach-Überlappstoß<br />
• Erfassung von Daten zu Qualitätsmerkmalen und Prozessantworten<br />
ja<br />
ja<br />
ja
Seite 14 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 48 EWN<br />
Geplante Arbeiten<br />
/ Ziel<br />
Durchgeführte Arbeiten / Ergebnis<br />
Ziel erreicht?<br />
AP 6: Validierung und Potenzialbewertung (3 PM)<br />
Durchführung einer<br />
Potenzialbewertung<br />
des Prozesses<br />
Ausarbeitung eines<br />
DVS-Merkblattes<br />
Alleinstellungsmerkmale für das μFSW:<br />
• schnelle Kontaktierung großer Folienstapel (auch für Folienzahlen von 100)<br />
für das μFSSW<br />
• hohe mechanische Festigkeit<br />
• Fügen in zwei Stoßgeometrien (Mehrfach-Überlapp- und -Stumpfstoß)<br />
Veröffentlichung der Potenzialanalyse in einem Open-Access-Journal<br />
ja<br />
ja<br />
AP 7: Berichterstattung, Dokumentation (2,5 PM)<br />
ja<br />
Diskussion und<br />
Vorstellung der<br />
Projektergebnisse<br />
Dokumentation<br />
des Projektfortschritts<br />
Dokumentation<br />
der finalen Ergebnisse<br />
• halbjährliche Sitzungen mit dem pbA<br />
(17.12.2019, 19.05.2020, 14.10.2021, 12.10.2021)<br />
• habjährliche Sitzungen in der AG V11.2 und in dem FA5 des DVS<br />
(20.11.2019, 07.05.2020, 28.10.2020, 25.03.2021, 06.05.2021, 25.11.2021)<br />
Zwischenbericht 2021<br />
Abschlussbericht 2022<br />
ja<br />
ja<br />
ja
Seite 15 des Schlussberichts zum IGF-Vorhaben 48 EWN<br />
1. Ausgangssituation und Forschungsziel<br />
Vor dem Hintergrund der aktuellen Energie- und Klimapolitik nimmt die Bedeutung von alternativen<br />
Antriebskonzepten zu. In den letzten Jahren erfolgte daher eine Abkehr von Kraftfahrzeugen<br />
mit konventionellen Verbrennungsmotoren hin zu Elektro- und Hybridfahrzeugen. Eine Schlüsselrolle<br />
nehmen dabei die Energiespeicher ein. Der Hochvoltspeicher stellt die elektrische Energie<br />
für den Elektromotor des Fahrzeugs zur Verfügung und besteht aus einzelnen Batteriezellen.<br />
Aufgrund der hohen Energiedichte werden in diesem Bereich überwiegend Lithium-Ionen- bzw.<br />
lithiumbasierte Akkumulatoren verwendet [2].<br />
Der Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist komplex (Abb. 1) und gekennzeichnet<br />
durch eine große Streubreite des Arbeitsergebnisses. Die reproduzierbare Erfüllung der Qualitätsanforderung<br />
ist daher eine Herausforderung für die Produktion [3].<br />
1. Fertigung der Elektroden 2. Zusammenbau der Zelle 3. Aktivieren der Zelle<br />
Mischen der Beschichtungspaste<br />
Beschichten der Elektrodenfolie<br />
Trocknen der Folienbahn<br />
Kalandrieren der Folienbahn<br />
Zuschneiden auf Zellgröße<br />
Vereinzeln der Zellkomponenten<br />
Stapeln der Zellkomponenten<br />
Verschweißen der Metallfolien<br />
Verpacken / mit Elektrolyt befüllen<br />
Teilversiegeln<br />
Formieren<br />
Altern<br />
Endkontrolle / Barcodemarkierung<br />
Ergebnis: fertige prismatische<br />
Lithium-Ionen-Zelle<br />
Abb. 1: Prozessfolge in der Zellfertigung mit Hervorhebung des Prozessschrittes der zellinternen Kontaktierung<br />
Einen zentralen Prozessschritt in der Zellfertigung stellt das zellinterne Kontaktieren (Abb. 2) dar.<br />
Dabei werden die zuvor gestapelten Zellkomponenten (Anodenträgerfolie, Separator, Kathodenträgerfolie,<br />
Separator, …) mit den jeweiligen Ableitern geschweißt [3]. Auf der Anodenseite werden<br />
artgleiche Kupferfolien-Ableiter-Verbindungen und auf der Kathodenseite artgleiche Aluminiumfolien-Ableiter-Verbindungen<br />
erzeugt. Neben einer ausreichenden Festigkeit wird für diese Fügeverbindungen<br />
eine gute elektrische Leitfähigkeit gefordert. Der Schweißprozess soll außerdem<br />
die empfindlichen Zellkomponenten weder mechanisch noch thermisch schädigen, geringe Taktzeiten<br />
für eine wirtschaftliche Fertigung ermöglichen und ein großes Prozessfenster aufweisen.<br />
Zelldeckel<br />
Zellhülle<br />
anodenseitiger<br />
Ableiter<br />
Kathodenseite<br />
Anodenseite<br />
Folienpaket<br />
Schweißverbindung<br />
prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle<br />
zellinterne Kontaktstelle<br />
Abb. 2: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit der zellinternen Kontaktstelle
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