Exkurs: Das Zellkontaktiersystem der Batterie

Autor: Maximilian Geilen

Veröffentlicht am: 12.03.2020

In Betrachtung unterschiedlicher Typen der Lithium-Ionen-Batterie gibt es immer wieder funktionelle Bestandteile, die von der elektrischen Zahnbürste bis hin zum Batteriesysteme für LKWs und Züge in gleicher Weise benötigt werden. Um die grundlegende Funktionalität der Lithium-Ionen-Batterie im Betrieb sicherzustellen, ist eines dieser Bestandteile das Zellkontaktiersystem.

Zellkontaktiersysteme haben die Aufgabe eine unterschiedlich große Anzahl von Batteriezellen, beginnend mit einer einzigen Zelle bis hin zu mehreren tausend Batteriezellen, so zur Leistungsabnahme zu verbinden, dass die in den Batteriezellen zur Verfügung gestellte Energie in einer idealen Weise abgerufen werden kann. Um eine gute Leistungsübertragung umzusetzen, ist zum einen eine exakte Werkstoffwahl und zum anderen eine genaue Verarbeitung der elektrischen Leitbleche nötig.

Für die Leistungsübertragung hat der gewählte metallische Werkstoff entscheidenden Einfluss auf die Qualität, aber auch die Endkosten eines Zellkontaktiersystems in der Klein- oder Großserienfertigung. Verwendet werden in erster Linie die Metalle Stahl, Aluminium- und Kupfer, die in verschiedenen Legierungen genutzt werden. Die entscheidenden Einflussgrößen der Werkstoffwahl sind Schweißbarkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Umformbarkeit vor, weniger Einfluss auf die Werkstoffwahl haben unter anderem die Gewichtsunterschiede der betrachteten Legierungen. In Betrachtung der metallischen Grundwerkstoffwahl für das Zellkontaktiersystem zeigt sich, dass unter der Betrachtung von vor allem Materialkosten, Stahl ein äußerst interessanter Werkstoff für das Zellkontaktiersystem sein kann. In Verbindung mit dem Beschichtungselement Nickel zeigen speziell gewählte Stahlsorten ideale Schweiß- und Umformbarkeitswerte, bei elektrischen Eigenschaften die vergleichbar mit denen von Aluminium und Kupfer sind. Produkte dieser Art liefern unter anderem der deutsche Experte zur Veredelung von Bandstahl Pickhardt & Gerlach (EMONI) und der international tätige Großkonzern Tata Steel.

Auf der anderen Seite muss der initial gewählte Werkstoff, beschichteter Stahl, Aluminium oder Kupfer, in entsprechenden Verfahren zu einem fertigen Zellkontaktiersystem verarbeitet werden. Dazu wird das entstehende Zellkontaktiersystem zu Beginn aus einem Metall-Coil heraus verarbeitet, indem ein ablaufendes Metallband erst gestanzt und dann nach benötigter Geometrie umgeformt wird. Das entstandene Zwischenprodukt wird danach in aller Regel um spritzgegossene Kunststoffelemente ergänzt. Kunststoffelemente dieser Art haben dann zum einen die Aufgabe eine elektrische Abschirmung der Zellkontakte zu gewährleisten, während sie zudem auch strukturelle Aufgaben übernehmen können. Ein so hergestelltes Produkt muss dann final auf verschiedene Weisen fest mit den Lithium-Ionen-Batteriezellen, oft in einem Modul, verbunden werden. Mittel der Wahl ist hierbei in aller Regel ein Schweißvorgang, wobei sich die Wahl des Schweißverfahrens in Bezug auf den gewählten Zelltyp unterscheidet. Liegt ein Pouchzelle zu Grunde, so wird meist die Technologie des Ultraschallschweißens zur Verbindung des Kontaktiersystemes mit dem Zelltab genutzt. Sind in einer Applikation Rundzellen verbaut, so werden diese z.B. bei Tesla durch das Verfahren des Drahtbondes verbunden. Darüber hinaus gibt es Schweißtechniken, die für alle Zelltypen geeignet sind. Laserschweißens bietet als Zukunftstechnologie die Möglichkeit Zelltypen unabhängig zu kontaktieren.

Allgemein werden Zellkontaktiersysteme heute entweder vom OEM, vom Batteriehersteller oder von spezialisierten Unternehmen, wie zum Beispiel dem deutschen Unternehmen ElringKlinger hergestellt. Abzuwarten bleibt wer zukünftig den Markt des Zellkontaktierens, unter den genannten, hauptsächlich adressieren wird.