Optimierung des Mikrowiderstandspunktschweißens für 18650-Li-Ionen-Batterielaschen in Elektrofahrzeuganwendungen

Mit der zunehmenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen steigt auch die Nachfrage nach effizienten und zuverlässigen Akkupacks. Eine zentrale Herausforderung bei der Herstellung von Akkupacks ist die Gewährleistung starker und langlebiger Verbindungen zwischen Nickellaschen und zylindrischen 18650-Lithium-Ionen-Zellen. In diesem Zusammenhang hat sich das Mikro-Widerstandspunktschweißen (Mikro-RSW) als kostengünstige und skalierbare Verbindungstechnik etabliert, die sich insbesondere für Anwendungen mit kleinen bis mittleren Stückzahlen wie Elektrofahrrädern und -rollern eignet.

Warum Mikro-Widerstandspunktschweißen?

- Geringe Investitions- und Wartungskosten
- Lokale Erwärmung reduziert thermische Schäden
- Bietet eine starke mechanische Bindung
- Geringer elektrischer Kontaktwiderstand für effektive Stromleitung

Experimentelles Design

Die Forscher schweißten 0,2 mm dicke Nickellaschen mit 0,3 mm und 0,4 mm dicken Hilumin-Anschlüssen in einer Reihenelektrodenanordnung. Eine Kombination aus Taguchi-Design und vollfaktoriellen Experimenten wurde eingesetzt, um die Auswirkungen von Parametern wie Schweißstrom, Schweißzeit und Elektrodenkraft systematisch zu analysieren.

Wichtigste Ergebnisse

- Schweißstrom und Schweißzeit wurden als die kritischsten Parameter identifiziert, die die Festigkeit der Verbindung beeinflussen.
- Optimale Prozessparameter:
- Für 0,3 mm Hilumin: 1800–2000 A, 8–12 ms
- Für 0,4 mm Hilumin: 1900–2100 A, 8–12 ms
- Das Vier-Kügelchen-Schweißen verbesserte die mechanische und elektrische Leistung erheblich.
- Ein höherer Energieeintrag verbessert die Festigkeit der Verbindung, muss aber sorgfältig gesteuert werden, um Spritzer oder Materialzersetzung zu vermeiden.

Datentabelle: Maximale Belastung unter verschiedenen Parametern (0,3 mm Hilumin)

Daten zum elektrischen Widerstand und Temperaturanstieg

Prozessoptimierung und Industrierelevanz

Die Optimierung der Parameter für das Mikro-Widerstandspunktschweißen (Mikro-RSW) ist nicht nur eine akademische Übung – sie hat praktische Konsequenzen für Batteriehersteller. Bei der Massenproduktion von Elektrofahrzeugbatterien können selbst kleine Verbesserungen der Schweißqualität zu erheblichen Verbesserungen der Energieeffizienz, Lebensdauer und Sicherheit führen. Die präzise Abstimmung von Schweißstrom und -zeit gewährleistet eine gleichbleibende Verbindungsintegrität über Tausende von Zellen hinweg und hilft, den Aufbau von Innenwiderständen oder thermischen Hotspots zu vermeiden.

Vergleich mit anderen Schweißtechniken

Während Laserschweißen und Ultraschallschweißen ebenfalls für Zelllaschenverbindungen verwendet werden, zeichnet sich Mikro-RSW durch seine Einfachheit, Kosteneffizienz und minimalen Gerätebedarf aus. Laserschweißen beispielsweise erfordert höhere Investitionen und kann zu einer tieferen Wärmedurchdringung führen, was empfindliche Batteriekomponenten beeinträchtigen kann. Ultraschallschweißen ist durch Materialdicke und die Komplexität der mechanischen Vorrichtung eingeschränkt. Im Gegensatz dazu bietet Mikro-RSW eine lokalisierte Wärmezufuhr, schnelle Zykluszeiten und eine skalierbare Implementierung – ideal für Anwendungen wie E-Scooter, Elektrowerkzeuge und leichte Elektrofahrzeuge.

Wesentliche Überlegungen

Die Auswahl geeigneter Materialien ist entscheidend für effektives Schweißen. Nickel wird aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und Kompatibilität mit Stahlanschlüssen wie Hilumin bevorzugt. Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit und den Schmelzpunkten verschiedener Metalle können jedoch zu Problemen wie ungleichmäßiger Schweißlinsenbildung oder Rissausbreitung führen. Die in dieser Studie verwendete 0,2 mm dicke Ni-Laschen mit 0,3/0,4 mm dicken Hilumin-Anschlüssen bietet eine ausgewogene Kombination aus Festigkeit, Leitfähigkeit und Herstellbarkeit.

Wärmemanagement in Batteriepacks

Eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugbatterien ist die Wärmeentwicklung bei Hochstrombetrieb. Schlechte Schweißqualität kann zu einem erhöhten elektrischen Widerstand an der Laschen-Anschluss-Schnittstelle und damit zu Joulescher Erwärmung führen. Wie in dieser Studie beobachtet, kann die Verbindungstemperatur bei einem Dauerstrom von 30 A auf über 60 °C ansteigen, was für die meisten Lithium-Ionen-Batterien über der sicheren Betriebsgrenze (~45 °C) liegt. Daher ist das Verständnis des thermischen Verhaltens von Schweißnähten für die Entwicklung effektiver Wärmemanagementsysteme in Batteriemodulen unerlässlich.

Fehlermodi und Qualitätsbewertung

Mechanische Prüfungen wie Überlappungsscher- und 90°-Schälversuche liefern Erkenntnisse über die Festigkeit und Versagensmechanismen von Verbindungen. Grenzflächenversagen tritt typischerweise bei unzureichend geschweißten Verbindungen auf, während gut ausgeführte Schweißnähte eher zu Auszugsversagen neigen, was auf eine stärkere metallurgische Bindung hindeutet. Die Querschnittsmikroskopie zeigt zudem Schweißnuggetbildung und Verformungen in den Anschlussblechen. Dieses zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren stellt sicher, dass in der Produktion nur robuste und zuverlässige Schweißnähte verwendet werden.

Implikationen für die zukünftige Forschung

Da sich die Batterietechnologie weiterentwickelt – insbesondere mit dem Aufkommen von Festkörperbatterien, tischlosen Designs und Hochspannungsplattformen – müssen sich auch die Verbindungstechniken anpassen. Mikro-RSW ist nach wie vor eine praktikable Methode, erfordert jedoch möglicherweise die Integration intelligenter Steuerungssysteme, Echtzeitüberwachung oder sogar maschinelle Lernalgorithmen zur dynamischen Anpassung der Schweißparameter. Darüber hinaus kann die Erforschung fortschrittlicher Legierungen, Verbundlaschen und alternativer Beschichtungen die Schweißzuverlässigkeit weiter optimieren.

Nachhaltigkeits- und Lebenszyklusüberlegungen

Zuverlässiges Schweißen sichert nicht nur die Produktleistung, sondern unterstützt auch die langfristige Nachhaltigkeit. Batterien mit gleichbleibend starken Schweißnähten fallen seltener vorzeitig aus, was die Häufigkeit des Austauschs und die Menge an Elektroschrott reduziert. Darüber hinaus lässt sich eine gut verbundene Batterie leichter recyceln, da automatisierte Demontagesysteme auf gleichmäßige Schweißzonen programmiert werden können. Optimiertes Mikro-RSW trägt somit sowohl den Leistungs- als auch den Umweltzielen moderner Energiesysteme Rechnung.

Schlussfolgerung wiederholt

Diese ausführliche Studie unterstreicht die Bedeutung der Parameteroptimierung beim Mikro-RSW für zylindrische Lithium-Ionen-Zellen. Durch Fokussierung auf Prozessdesign, Materialauswahl, mechanische Integrität und thermisches Verhalten können Hersteller die Zuverlässigkeit von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge deutlich verbessern. Mit dem Wachstum des Elektrofahrzeugmarktes wird die Einführung robuster und skalierbarer Schweißlösungen wie Mikro-RSW für die Aufrechterhaltung der Qualität im großen Maßstab unerlässlich sein.