Wie die Qualität und Lebensdauer von Batteriezellen verbessert werden können, stellt eine der größten Herausforderungen in der aktuellen Batterieforschung dar. An einer Lösung arbeiten Forschende aus verschiedenen Disziplinen. Um die Herstellungsverfahren für Batteriezellen zu optimieren, kooperieren laut einem Bericht der Hochschule Aalen im Rahmen eines Projekts die VAF GmbH aus Bopfingen, das Labor für Leistungselektronik und elektrische Antriebstechnik sowie das LaserApplikationsZentrum (LAZ) der Hochschule Aalen. Im Fokus des LAZ steht dabei insbesondere das Laserschweißen der Zellen. Erste Ergebnisse präsentierte Dr. Markus Hofele im Sommer internationalen Expertinnen und Experten auf dem LaserEMobility Workshop in München, berichtet die Hochschule Aalen.
Dr. Markus Hofele ist Teamleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter am LaserApplikationsZentrum (LAZ) unter der Leitung von Prof. Dr. Harald Riegel. Er kam im Jahr 2009 aus dem Kreis Göppingen nach Aalen, um seinen Bachelor in Maschinenbau Fertigungstechnik zu absolvieren. Anschließend entschied sich der Ingenieur für einen Forschungsmaster in Advanced Materials and Manufacturing und danach sogar eine Promotion, die er Ende 2023 erfolgreich abschloss. Zusätzlich engagiert er sich seit Jahren im Forschungsnetzwerk SmartPro und bringt seine Expertise in die Weiterentwicklung der laserbasierten additiven Fertigungsverfahren im Projekt Smart-ADD ein.
Im Juli reisten Markus Hofele und seine Kollegin Theresa Willburger nach München, um auf einem von der Technischen Universität München organisierten LaserEMobility-Workshop ihre Forschungsergebnisse zu präsentieren. Die Veranstaltung brachte Experten und Expertinnen aus Industrie und Wissenschaft zusammen, um aktuelle Herausforderungen sowie Durchbrüche in der laserbasierten Fertigung von Elektrofahrzeugen zu diskutieren. Besonders spannend für den Nachwuchswissenschaftler aus der angewandten Forschung war das überwiegend industrielle Publikum. Der Workshop bot eine großartige Gelegenheit, unser Projekt vor einem Fachpublikum zu präsentieren und wertvolles Feedback aus der Industrie zu erhalten, so Hofele. Zudem ermöglichten die Beiträge der Industrie interessante und spannende Einblicke in unterschiedliche Perspektiven und Herangehensweisen.
Markus Hofele stellte Ergebnisse eines vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg geförderten Invest-BW-Projekts vor, in dem der Industriepartner aus Bopfingen, die VAF GmbH, und die Hochschule Aalen zusammenarbeiten, um ein zentrales Problem bei der Herstellung von Batterien für die Elektromobilität zu lösen. Während der Produktion werden die Batterien mit flüssigem Elektrolyten befüllt und anschließend per Laser verschweißt, um sie zu versiegeln. Das Problem ist laut Hofele, dass die Befüllung nicht immer präzise ist. Es könne vorkommen, dass Elektrolyt Oberflächen im Bereich der Batteriezellkontakte oder an der Einfüllöffnung verunreinige und eintrockne, die anschließend lasergeschweißt werden sollen. Diese Verunreinigungen stellen ein erhebliches Problem für die Qualität der Schweißnaht dar und können zudem gesundheitsschädliche Dämpfe freisetzen, sagt Hofele. Ziel des Forschungsprojekts ist es, den Einfluss dieser Verunreinigungen auf den Schweißprozess besser zu verstehen, um den Prozess zu optimieren und robuster zu gestalten.
Um dieses Ziel zu erreichen, analysierten die Forschenden den Laserschweißprozess an Batteriezellmustern, die unterschiedlich stark mit Elektrolyten verunreinigt und zum Teil anschließend durch Reinigungsprozesse abgereinigt worden waren. Die Schweißungen wurden mittels Highspeed-Kameraaufnahmen analysiert und anschließend hinsichtlich Defekte metallographisch charakterisiert und mit einer Referenzprobe verglichen, die keine Verunreinigungen aufwies. Die Ergebnisse zeigten, dass selbst geringe Oberflächenverunreinigungen zu einer geringeren Einschweißtiefe und einem reduzierten Energieeintrag führen können. In einigen Fällen führte dies sogar zum völligen Versagen der Schweißnaht. Wie Hofele erläutert, haben die Forschenden auch bei den Teilen, die zuvor mechanisch abgereinigt wurden, Prozessinstabilitäten und Defekte in der Schweißnaht beobachtet. In den nächsten Schritten werden alternative Schweißstrategien unter Einsatz von unterschiedlichen Laserwellenlängen sowie laserbasierte Methoden zur Reinigung der Oberfläche vor dem Schweißen entwickelt.
Der LaserEMobility Workshop in München war für Hofele und seine Kollegin eine hervorragende Gelegenheit, ihre Forschungsergebnisse einem Fachpublikum vorzustellen und wertvolle Rückmeldungen zu erhalten. Viele unserer Projektpartner aus diesem und anderen Forschungsprojekten des LAZ waren ebenfalls anwesend. Der Workshop bot eine großartige Gelegenheit, sich persönlich auszutauschen und neue Kontakte zu knüpfen, berichtet Hofele strahlend. Besonders begeistert war er auch von der kleinen Messe, die im Rahmen des Workshops stattfand: Die neuesten Produkte aus der Laserindustrie zu sehen und detaillierte Fragen dazu stellen zu können, war faszinierend – etwas, das für einen neugierigen Wissenschaftler von unschätzbarem Wert ist.
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Text zum Titelbild: Dr. Markus Hofele und Theresa Willburger untersuchen, wie Laserschweißprozesse in der Batterieherstellung optimiert werden können (© Hochschule Aalen/Jan Walford)
