DE102022111706A1

DE102022111706A1 - Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators und Akkumulator

Info

Publication number: DE102022111706A1
Application number: DE102022111706.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Brandt; Michael Deutmeyer; Martin Pulst
Original assignee: Monbat New Power GmbH
Current assignee: Monbat New Power GmbH
Priority date: 2022-05-10
Filing date: 2022-05-10
Publication date: 2023-11-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators, wobei die Metallfolien (3), welche die Elektroden des Akkumulators kontaktieren, gemeinsam mit den Elektroden des Akkumulators derart zu einem, zumindest im Wesentlichen, kreiszylindrischen Elektrodenwickel (1) aufgewickelt werden, dass an einer der beiden sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Elektrodenwickels (1) ein erster Randbereich einer ersten Metallfolie (3) zur Kontaktierung einer ersten Elektrode gegenüber den anderen schichtförmigen Bestandteilen des Elektrodenwickels (1) vorsteht. Der Elektrodenwickel (1) wird in ein becherförmiges Gehäuseteil (21) eingebracht und zur Kontaktierung der ersten Elektrode des Akkumulators wird der erste Randbereich der ersten Metallfolie (3) der ersten Elektrode mit dem Boden (22) des Gehäuseteils (21) in Kontakt gebracht und durch die Beaufschlagung der Außenseite des Bodens (22) des Gehäuseteils (21) mit einem Laserstrahl mit dem Boden verschweißt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenableitung eines Akkumulators, und einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Akkumulator.
Bei Akkumulatoren der in Rede stehenden Art sind die Metallfolien, welche insbesondere die Anode und/oder die Kathode des Akkumulators kontaktieren, gemeinsam mit anderen flächigen Bestandteilen des Akkumulators, wie insbesondere den Elektroden des Akkumulators, vorzugsweise spiralförmig, zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt.
Derartige Akkumulatoren können dadurch hergestellt werden, dass die Elektrodenwickel in becherförmige Gehäuseteile eingebracht werden. Der becherförmige kann Gehäuseteil mit einem Deckel verschlossen werden, der gegenüber dem Gehäuseteil elektrisch isoliert sein kann. Durch den Deckel hindurch wird ein Pol geführt, der mit einer der Metallfolien des Elektrodenwickels elektrisch kontaktiert wird. Die andere Metallfolie des Elektrodenwickels wird mit dem Becher elektrisch kontaktiert, der so den zweiten Pol des resultierenden Akkumulators bildet. Hierbei kommen Fähnchen zum Einsatz, mit denen die Metallfolien mit dem becherförmigen Gehäuseteil bzw. dem durch den Deckel hindurchgeführten Pol kontaktiert werden. Die Art der Kontaktierung gestaltet sich zum einen vergleichsweise komplex, zum anderen resultieren daraus regelmäßig vergleichsweise lange Strompfade. Derartige Akkumulatoren eignen sich daher weniger gut für Anwendungen, in denen die Akkumulatoren hohe elektrische Leistungen abgeben sollen.
Aus der DE 10 2017 006 229 A1 sind ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators und ein Akkumulator bekannt, bei dem Randbereiche der Metallfolien zur Kontaktierung der Elektroden an den beiden sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Elektrodenwickels gegenüber den anderen schichtförmigen Bestandteilen des Elektrodenwickels vorstehen. Die Randbereiche sind mit Kontaktelementen verschweißt, die wiederum mit Polen verschweißt sind, die an beiden Stirnseiten des kreiszylindrischen Akkumulators durch entsprechende isolierende Deckel hindurchgeführt sind. Die Kontaktierung ermöglicht kurze Strompfade und derartige Akkumulatoren eignen sich signifikant besser für Anwendungen, bei denen die Akkumulatoren hohe elektrische Leistungen abgeben müssen. Nachteilig ist jedoch, dass derartige Akkumulatoren einen höheren Bauraumbedarf aufweisen und teurer in der Herstellung sind, da an beiden Stirnseiten des kreiszylindrischen Gehäuses entsprechende Kontaktelemente mit daran angebrachten Polen verbaut werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators und einen Akkumulator zur Verfügung zu stellen, bei denen die vorgenannten Nachteile nicht oder zumindest im geminderten Umfang auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren einen Akkumulator mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
Das Verfahren zur Herstellung des Akkumulators sieht vor, dass die Metallfolien, welche die Elektroden des Akkumulators kontaktieren, gemeinsam mit den Elektroden des Akkumulators derart zu einem, zumindest im Wesentlichen, kreiszylindrischen Elektrodenwickel aufgewickelt werden, dass an einer der beiden sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Elektrodenwickels ein erster Randbereich einer ersten Metallfolie zur Kontaktierung einer ersten Elektrode gegenüber den anderen schichtförmigen Bestandteilen des Elektrodenwickels vorsteht. Unter den Stirnseiten sind dabei die Seiten des Elektrodenwickels zu verstehen, die den Grundflächen des die geometrische Form des Elektrodenwickels beschreibenden Kreiszylinders entsprechen.
Der Elektrodenwickel wird in ein becherförmiges Gehäuseteil eingebracht und zur Kontaktierung der ersten Elektrode des Akkumulators wird der erster Randbereich der ersten Metallfolie der ersten Elektrode mit dem Boden des Gehäuseteils in Kontakt gebracht und durch die Beaufschlagung der Außenseite des Bodens des Gehäuseteils mit einem Laserstrahl mit dem Boden verschweißt. Dabei wird der Elektrodenwickel mit dem vorstehenden ersten Randbereich der ersten Metallfolie insbesondere an den Boden des Gehäuseteils angedrückt.
Bei der ersten Elektrode kann es sich insbesondere um die Kathode handeln. Die Metallfolie, die zur Kontaktierung der ersten Elektrode genutzt wird, besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dies lässt sich ein vorteilhafter Weise mit dem Gehäuseteil verschweißen, insbesondere dann, wenn das Gehäuseteil und insbesondere der Boden des Gehäuseteils ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Boden aus dem gleichen Material besteht wie die Metallfolie.
Das Gehäuseteil kann insbesondere tiefgezogen sein. Es hat sich gezeigt, dass mittels des Tiefziehens, das vorzugsweise in mehreren Stufen erfolgt, eine hinreichende Maßhaltigkeit des Bodens erzielt werden kann, um die Verschweißung so reproduzierbar durchzuführen.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass auf diese Weise eine zuverlässige Verschweißung zwischen der Metallfolie und dem Boden erzielt werden kann.
Bei dem Akkumulator handelt es sich vorzugsweise um einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Lithium-Ionen-Akkumulatoren ermöglichen die Speicherung vergleichsweise große Mengen Energie bei geringem Gewicht und Raumbedarf. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet daher insbesondere bei der Herstellung dieser Akkumulatoren einen hohen Mehrwert.
Bevorzugt weist der Akkumulator eine, zumindest im Wesentlichen, zylindrische Geometrie auf. Unter einer zumindest im Wesentlichen zylindrischen Geometrie ist insbesondere eine Geometrie zu verstehen, bei der die Hauptabmessungen des Akkumulators eine zylindrische Geometrie bilden. Einzelne Elemente des Akkumulators, beispielsweise die Pole, können hierbei eine von einer strengen Zylinderform abweichende Gestaltung aufweisen. Akkumulatoren mit zylindrischer Geometrie sind als Bauform bereits standardisiert, weshalb regelmäßig ein einfacher Austausch der Akkumulatoren möglich ist.
Der Akkumulator nimmt durch die spiralförmige Aufwicklung eine, zumindest im Wesentlichen, kreiszylindrische Form an. Die Achse der spiralförmigen Wicklung entspricht hierbei bevorzugt der Mittelachse des Zylinders. Unter der Achse ist hierbei insbesondere das linienförmige Zentrum der spiralförmigen Wicklung zu verstehen. Eine physische Achse im Sinne eines entsprechenden Bauteils kann vorhanden sein, ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Das Verfahren kann vorsehen, dass zur Kontaktierung einer zweiten Elektrode des Akkumulators eine zweite Metallfolie zur Kontaktierung der zweiten Elektrode mit einem Kontaktelement verschweißt wird. Hierbei ist das Kontaktelement insbesondere flächig und rechtwinklig zur Achse des Elektrodenwickels orientiert.
Es ist vorteilhaft, wenn die Metallfolie, insbesondere der mit dem Boden und/oder dem Kontaktelement zu verbindende Bereich der Metallfolie, gegenüber den anderen flächigen bzw. schichtförmigen Bestandteilen des Akkumulators, wie beispielsweise der Kathode, der Anode oder einer weiteren Metallfolie, in Richtung des Bodens und/oder des Kontaktelements, vorzugsweise in Richtung der Achse des Elektrodenwickels, vorsteht. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Metallfolie gegenüber den anderen schichtförmigen Bestandteilen des Akkumulators wenigstens 1 mm, vorzugsweise wenigstens 2 mm, und/oder höchstens 8 mm, vorzugsweise höchstens 6 mm, vorsteht. Dieser vorstehende Bereich der Metallfolie ermöglicht es, die Metallfolie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu kontaktieren, wobei das Risiko, andere schichtförmige Bestandteile des Akkumulators durch die Verschweißung zu beeinträchtigen und/oder zu beschädigen, ausgeschlossen oder zumindest gesenkt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Bereich der Metallfolie umgebogen wird. Das Umbiegen des Bereichs der Metallfolie kann zweckmäßigerweise vor und/oder während dem Aufwickeln der Metallfolie erfolgen. Es kann eine Vielzahl von Biegeverfahren zum Einsatz kommen, bevorzugt handelt es sich um ein Bördelverfahren. Das Verschweißen der Metallfolie mit dem Boden und/oder dem Kontaktelement erfolgt dann vorzugsweise im Bereich der erzeugten Biegung. Hierdurch wird die Anlagefläche der Metallfolie am Boden und/oder am Kontaktelement vergrößert, was sich positiv auf die Verschweißung auswirkt. Bei der Biegung kann es sich beispielsweise um eine Umbiegung um 180° handeln. Es sind jedoch auch andere Gestaltungen der Biegung denkbar, insbesondere kann auch ein mehrfaches Umbiegen erfolgen. Es versteht sich in diesem Zusammenhang, dass unter dem Randbereich, der mit dem Kontaktelement verbunden wird, im Zweifel nicht der Randbereich der ursprünglichen Metallfolie vor dem Umbiegen zu verstehen ist, sondern vielmehr der Teil der Metallfolie, der nach dem Umbiegen der Metallfolie den durch das Umbiegen erzeugten neuen Rand der Metallfolie bildet.
Die Dicke des flächigen Kontaktelements beträgt bevorzugt wenigstens 0,05 mm, besonders bevorzugt wenigstens 0,15 mm, und/oder bevorzugt höchstens 1,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,6 mm.
Es ist vorteilhaft, wenn die erste und/oder zweite Metallfolie an einen vorspringenden Bereich der Innenseite des Bodens und/oder der ersten Fläche des Kontaktelements angeschweißt wird. Ein derartiger vorspringender Bereich an dem Boden und/oder dem Kontaktelement ermöglicht es, einen definierten lokalen Kontakt zwischen der Metallfolie und dem Boden und/oder dem Kontaktelement herzustellen, an dem die Schweißung erfolgt. Dabei weist der Boden und/oder das Kontaktelement bevorzugt an seiner dem vorspringenden Bereich gegenüberliegenden Fläche einen zurückspringenden Bereich auf. Dieser ist bevorzugt hinsichtlich seiner Form komplementär zu dem vorspringenden Bereich gestaltet. Zweckmäßigerweise können der vorspringende Bereich und der zurückspringende Bereich gemeinsam als Sicke in dem Boden und/oder dem Kontaktelement ausgeführt sein. Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass sie in einfacher Weise herzustellen ist und dazu führt, dass die Dicke des Bodens und/oder des Kontaktelements im betroffenen Bereich zumindest annähernd konstant bleibt.
Der vorspringende Bereich an der Innenseite des Bodens wird insbesondere während des Tiefziehens und/oder nach dem Tiefziehen erzeugt. Beispielsweise kann während des Tiefziehens und/oder nach dem Tiefziehen ein entsprechender Bereich in den Boden eingeprägt werden. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass an der Außenseite des Bodens eine Vertiefung eingeformt, insbesondere eingeprägt, wird, die dann einen entsprechenden Vorsprung an der Innenseite des Bodens ausbildet. Mittels der vorspringenden Bereiche können insbesondere Unebenheiten des Bodens, die aus dem Tiefziehprozess resultieren, ausgeglichen und so die Kontaktierung sichergestellt werden.
Der vorspringende Bereich springt bevorzugt um wenigstens 0,3 mm, besonders bevorzugt um wenigstens 0,5 mm, und/oder bevorzugt um höchstens 2 mm, besonders bevorzugt um höchstens 1,5 mm, gegenüber der umliegenden Innenseite des Bodens und/oder der ersten Fläche des Kontaktelements vor.
Der vorspringende Bereich bzw. die Sicke ist bevorzugt linienförmig gestaltet und weist eine Breite von bevorzugt wenigstens 0,5 mm, besonders bevorzugt von wenigstens 1 mm, und/oder bevorzugt von höchstens 5 mm, besonders bevorzugt von höchstens 3 mm, auf. Dabei kreuzt sich in der Ebene, in der die Metallfolie mit dem vorspringenden Bereich in Kontakt gelangt, der vorspringende Bereich bevorzugt mit der Metallfolie. Bei gefalteter und/oder aufgewickelten Bauweise des Akkumulators ergeben sich so eine Mehrzahl einzelner Berührungspunkte zwischen dem Randbereich der Metallfolie und dem Boden und/oder dem Kontaktelement, was zu einer zuverlässigen Verschweißung an diesen Stellen führt.
Die Metallfolie weist bevorzugt eine Dicke von wenigstens 0,001 mm, besonders bevorzugt von wenigstens 0,005 mm, und/oder bevorzugt von höchstens 0,02 mm, besonders bevorzugt von höchstens 0,012 mm auf.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Polelement zur Bildung des Pols des Akkumulators mit dem Kontaktelement verbunden, insbesondere verschweißt, wird. Auf diese Weise kann das Kontaktelement in seiner Geometrie, die bevorzugt flächig bzw. plättchenförmig ist, unabhängig von der Form des Pols gestaltet werden. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, da die Form des Pols Beschränkungen unterliegt, die regelmäßig von der geplanten Verwendung des hergestellten Akkumulators und/oder technischen Standards abhängen.
Die Verbindung des Polelements mit dem Kontaktelement kann beispielsweise durch eine Überlappungs-Verschweißung oder eine Kehlnaht-Verschweißung erfolgen.
In vorteilhafter Weise kann die Verbindung des Polelements mit dem Kontaktelement mit demselben Laser erfolgen wie die Verschweißung der Metallfolie mit dem Kontaktelement. Dies ermöglicht es beispielsweise, die Verschweißung der Metallfolie mit dem Kontaktelement und die Verschweißung des Polelements mit dem Kontaktelement in der gleichen Vorrichtung vorzunehmen, was die Herstellung des Akkumulators vereinfacht.
Das Polelement kann beispielsweise ein Gewinde zur Bildung des Pols des Akkumulators aufweisen. Mit einem derartigen Gewinde kann der Akkumulator zuverlässig elektrisch mit der von dem Akkumulator versorgten Einrichtung verbunden werden.
Es ist vorteilhaft, wenn das Polelement eine Dichtfläche aufweist. Die Dichtfläche dient insbesondere der Verbindung des Polelements mit dem Gehäuse des Akkumulators. Auf diese Weise kann ein dichter und vorzugsweise elektrisch isolierter Akkumulator geschaffen werden, wobei das Polelement zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung des Akkumulators zugänglich bleibt. Die elektrische Isolierung des Akkumulators kann zwischen dem Gehäuseteil und einem Deckel des Gehäuses und/oder dem Polelement und einem Deckel des Gehäuses angeordnet sein.
Bevorzugt überdeckt das Polelement - zumindest teilweise - Schweißnähte zum Verbinden der Metallfolie mit dem Kontaktelement. Eine solche Bauweise des Akkumulators lässt sich insbesondere erzeugen, indem zunächst die Metallfolie mit dem Kontaktelement, und danach das Kontaktelement mit dem Polelement verschweißt wird. Auf diese Weise kann das Polelement und insbesondere die Dichtfläche des Polelements in einem Bereich auf der zweiten Fläche des Kontaktelements angeordnet werden, der ebenfalls zum Verschweißen des Kontaktelements mit der Metallfolie genutzt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn das Polelement beim Verschweißen mit dem Kontaktelement an das Kontaktelement angepresst wird. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Bildung von Spalten, zu denen es zwischen dem Polelement und dem Kontaktelement kommen kann, wirksam verhindert werden kann.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Laser um einen Faserlaser. Faserlaser, die auch als Faser bezeichnet werden, nutzen den dotierten Kern einer Glasfaser als aktives Medium. Der Vorteil der Faserlaser ist, dass durch die mögliche große Länge der laseraktiven Faser eine hohe Verstärkung möglich ist.
Der Laser wird hierbei vorzugsweise kontinuierlich, also als Dauerstrich-Laser, betrieben. Bei diesem Betrieb wird der Laserstrahl insbesondere nicht gepulst. Es hat sich gezeigt, dass sich mit dem kontinuierlichen Betrieb des Lasers besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Verschweißung erzielen lassen.
Bevorzugt beträgt die mittlere Leistung, insbesondere die konstante Leistung des Lasers im kontinuierlichen Betrieb des Lasers beim Verschweißen der Metallfolie mit dem Boden und/oder dem Kontaktelement wenigstens 100 W, besonders bevorzugt wenigstens 200 W und/oder höchstens 700 W, besonders bevorzugt höchstens 500 W. Bei diesen Leistungen konnten besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Verschweißung erzielt werden.
Wenn mit dem Laser ebenfalls das Polelement mit dem Kontaktelement verschweißt wird, so ist es sinnvoll, die Laserleistung zu diesem Zweck zu erhöhen. Beim Verschweißen des Polelements mit dem Kontaktelement beträgt die mittlere Leistung, insbesondere die konstante Leistung des Lasers im kontinuierlichen Betrieb bevorzugt wenigstens 500 W, besonders bevorzugt wenigstens 700 W, und/oder bevorzugt höchstens 1500 W, besonders bevorzugt höchstens 1000 W.
Die Wellenlänge des Lasers beträgt vorzugsweise 1070 nm. Mit einem Laser dieser Wellenlänge können gute Ergebnisse erzielt werden, zudem sind Laser dieser Wellenlänge kommerziell verfügbar.
Bevorzugt wird ein Singlemode-Laser verwendet. Bei diesen Lasern werden lediglich Wellen einer einzigen gewünschten Mode verstärkt, während andere Moden unterdrückt werden. Derartige Laser weisen im Idealfall lediglich eine einzige, schmale Spektrallinie auf. Hierdurch erreicht der Laserstrahl eine hohe optische Qualität, was sich insbesondere auf dessen gute Fokussierbarkeit auswirkt.
Bevorzugt wird der Laser mit einer Fokussieroptik fokussiert. Eine solche Fokussieroptik ermöglicht die Bündelung des Laserstrahls. Es hat sich gezeigt, dass für das erfindungsgemäße Verfahren Fokussieroptiken mit einer Brennweite von wenigstens 10 mm, vorzugsweise wenigstens 100 mm und/oder höchstens 5000 mm, vorzugsweise höchstens 500 mm, zu besonders guten Ergebnissen führen. Dies gilt sowohl für die Verschweißung der Metallfolie mit dem Boden und/oder dem Kontaktelement, als auch für die Verschweißung des Kontaktelements mit dem Polelement.
Bevorzugt weist der verwendete Laserstrahl einen Fokusdurchmesser von wenigstens 1 µm, vorzugsweise wenigstens 10 µm und/oder höchstens 500 µm, vorzugsweise höchstens 50 µm auf. Es hat sich gezeigt, dass sich mit diesen Fokusdurchmessern eine besonders gute Verschweißung der Metallfolie mit dem Kontaktelement erzielen lässt. Dies gilt sowohl für die Verschweißung der Metallfolie mit dem Boden und/oder dem Kontaktelement, als auch für die Verschweißung des Kontaktelements mit dem Polelement.
Bevorzugt wird der Auftreffpunkt des Lasers auf dem Boden und/oder dem Kontaktelement, bei dem es sich vorzugsweise um den Fokus des Laserstrahls handelt, entlang einer Bewegungsbahn bewegt, die sich aus der Überlagerung einer Vorschubbewegung und einer oszillierenden Bewegung ergibt. Beim Verschweißen des Kontaktelements mit dem Polelement gilt dies gegebenenfalls für den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Polelement.
Bei der Vorschubbewegung handelt es sich um die Bewegung, mit der der Auftreffpunkt des Lasers dem Verlauf der herzustellenden Schweißnaht folgt. Die Geschwindigkeit, mit der der Auftreffpunkt sich auf der Oberfläche des Bodens und/oder des Kontaktelements bzw. gegebenenfalls des Polelements entlang der Schweißnaht bewegt, wird in diesem Zusammenhang als Vorschubgeschwindigkeit bezeichnet. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise wenigstens 10 mm/s, vorzugsweise wenigstens 70 mm/s, und/oder höchstens 200 mm/s, vorzugsweise höchstens 150 mm/s. Es hat sich gezeigt, dass sich mit diesen Vorschubgeschwindigkeiten eine vergleichsweise schnelle Herstellung der Schweißnähte mit gleichzeitig hoher Qualität erzielen lässt. Es versteht sich, dass - im Fall der Überlagerung der Vorschubbewegung mit einer oszillierenden Bewegung - nicht die absolute Geschwindigkeit der resultierenden Bewegung in Vorschubrichtung, sondern eine mittlere Bewegungsgeschwindigkeit in Vorschubrichtung als Vorschubgeschwindigkeit anzusehen ist.
Die oszillierende Bewegung, die vorzugsweise von der Vorschubbewegung überlagert wird, weist vorzugsweise eine Frequenz von wenigstens 100 Hz, vorzugsweise wenigstens 500Hz und/oder höchstens 5000 Hz, vorzugsweise höchstens 1500 Hz auf. Die Amplitude der oszillierenden Bewegung beträgt vorzugsweise wenigstens 0,02 mm, vorzugsweise wenigstens 0,1 mm, und/oder höchstens 0,5 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm. Es hat sich gezeigt, dass eine örtliche Leistungsmodulation realisiert werden kann, die eine besonders gute Schmelzbadkontrolle ermöglicht.
Es kann sich bevorzugt um eine kreisförmige oszillierende Bewegung handeln. In diesem Fall entspricht der Radius des durch die oszillierende Bewegung beschriebenen Kreises der Amplitude im Hinblick auf die vorstehend angegebenen Werte. Im Fall komplexer oszillierender Bewegungen, wie beispielsweise einer elliptischen oszillierenden Bewegung, ist entsprechend eine mittlere Amplitude als Amplitude anzusehen.
Das Verfahren kann insbesondere vorsehen, dass die Leistung des Laserstrahls während des Verschweißens der Metallfolie mit dem Boden und/oder dem Kontaktelement variiert wird. Insbesondere kann die Leistung des Laserstrahls bei zu Beginn der Herstellung einer Schweißnaht gesteigert und/oder zum Ende der Herstellung einer Schweißnaht abgesenkt wird. Das Steigern und/oder Absenken der Leistung kann kontinuierlich, beispielsweise in Gestalt einer Rampe, erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch insbesondere eine Bildung von Löchern im Boden und/oder im Kontaktelement während des Schweißens vermieden werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 8 und durch Ausführungsbeispiele schematisch näher erläutert.

1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Elektrodenwickels eines beispielhaften, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Akkumulators.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kontaktelements in einer Draufsicht.
3 zeigt eine Detaildarstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Verschweißung der Metallfolie mit dem Kontaktelement.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Bewegungsbahn des Lasers beim Verschweißen.
5 zeigt eine Seitenansicht eines beispielhaften Polelements.
6 zeigt das Polelement in eine Schnittdarstellung.
7 zeigt das Polelement in einer Draufsicht.
8 zeigt das Polelement in einer perspektivischen Darstellung,
9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Beispielhaften Akkumulators,
10 eine Draufsicht auf den Boden des Akkumulators aus 9.

Der beispielhafte Akkumulator weist vorteilhafterweise ein Kontaktelement 2 auf, welches mit einer Metallfolie 3 eines Elektrodenwickels 1 verschweißt ist. Zur Herstellung des in 1 dargestellten Elektrodenwickels 1 wird ein Randbereich der Metallfolie 3 mit einer ersten Fläche 4 des Kontaktelements 2 in Kontakt gebracht. Durch die Beaufschlagung einer von der ersten Fläche 4 des Kontaktelements 2 abgewandten zweiten Fläche 5 des Kontaktelements 2 mit einem Laserstrahl 6 wird das Kontaktelement 2 mit der Metallfolie 3 verschweißt.
Dabei ist im Darstellungsbeispiel die Metallfolie 3 mit weiteren flächigen Bestandteilen des Akkumulators, insbesondere den Elektroden, zu einer spiralförmigen Wicklung aufgewickelt. Hieraus ergibt sich ein kreiszylindrischer Aufbau des Elektrodenwickels 1. Die Metallfolie 3 ist im gezeigten Beispiel rechtwinklig zur ersten Fläche 4 des Kontaktelements 2 angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Kontaktelement 2 im dargestellten Beispiel eine Öffnung 7, bevorzugt eine Mehrzahl von Öffnungen 7 auf.
Wie in 3 dargestellt ist, weist die erste Fläche 4 des Kontaktelements 2 im gezeigten Beispiel eine Mehrzahl vorspringender Bereiche 8 auf. Die vorspringenden Bereiche 8 sind vorteilhaft als Sicken 9 ausgeführt. Die Metallfolie 2 und die vorspringenden Bereiche 8 sind in vorteilhafter Weise derart zueinander orientiert, dass sie sich kreuzen.
Im gezeigten Beispiel weist das Kontaktelement 2 eine Dicke von 0,3 mm auf. Die vorspringenden Bereiche 8 springen gegenüber der ersten Fläche um 0,4 mm vor.
Die Metallfolie 3 weist im gezeigten Beispiel einen umgebogenen Bereich 10 auf. Die Metallfolie 2 liegt im Bereich der Biegung 11 an dem vorspringenden Bereich 9 der ersten Fläche 4 des Kontaktelements 2 an. Die Dicke der Metallfolie 3 beträgt bevorzugt 0,01 mm.
Zur besseren Übersichtlichkeit ist die der 3 entsprechende Schnittlinie 12 in 2 schematisch eingezeichnet.
Vorzugsweise werden die Metallfolie 3 und das Kontaktelement 2 jeweils mit einem Singlemode-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm verschweißt. Dabei ergibt sich die in 4 schematisch dargestellte Bewegungsband 13 des Laserstrahls aus der Überlagerung einer Vorschubbewegung 14 und einer kreisförmig oszillierenden Bewegung 15.
In vorteilhafter Weise kann der Laser im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls dazu verwendet werden, ein Polelement 17 an das Kontaktelement 2 anzuschweißen. Das Polelement 17 weist im gezeigten Beispiel eine Dichtfläche 18 auf. Es dient dazu, einen Pol des Akkumulators 1 zur Verfügung zu stellen, der im gezeigten Beispiel zweckmäßigerweise ein Gewinde 19 aufweist. Wie sich insbesondere aus dem Vergleich der 1 und der 2 ergibt, überdeckt das Polelement 17 mit seiner Dichtfläche 18 teilweise die Sicken 9, entlang derer die Schweißnähte zwischen Kontaktelement 2 und Metallfolie 3 ausgeführt sind.
Das Anschweißen des Polelements 17 kann beispielsweise im Bereich eines Verbindungsbereichs 20 des Polelements erfolgen. Im gezeigten Beispiel umgibt der Verbindungsbereich 20 die Dichtfläche 18.
Zweckmäßigerweise wird zum Verschweißen des Polelements 17 mit dem Kontaktelement 2 die Laserleistung auf beispielsweise 800 W erhöht. Die Brennweite der verwendeten Fokussieroptik beträgt im Ausführungsbeispiel 330 mm. Die Vorschubbewegung 14 des Laserstrahls wird auch beim beispielhaften Anschweißen des Polelements von einer oszillierenden Bewegung 15 überlagert. Die Frequenz der kreisförmig oszillierenden Bewegung beträgt beispielhaft 800 Hz, die Amplitude 0,2 mm. Die Vorschubgeschwindigkeit kann beispielsweise 100 mm/s betragen. Im gezeigten Beispiel besteht das Polelement 17 in vorteilhafter Weise aus dem gleichen Material wie das Kontaktelement 2, bevorzugt aus Kupfer.
Die so hergestellte Einheit aus dem Elektrodenwickel 1 und dem Kontaktelement 2 mit dem angeschweißten Polelement 17 kann nun in ein becherförmiges Gehäuseteil 21 eingebracht werden. Dabei wird der erster Randbereich der ersten Metallfolie 3 der ersten Elektrode mit dem Boden 22 des Gehäuseteils 21 in Kontakt gebracht. Durch die Beauftragung der Außenseite des Bodens 22 des Gehäuseteils 21 mit einem Laserstrahl wird der erster Randbereich der ersten Metallfolie 3 mit dem Boden 22 verschweißt.
Hierbei kann der Boden 22 wie beispielhaft in den 9 und 10 dargestellt an seiner Außenseite Sicken 9 aufweisen, die korrespondierende Vorsprünge 8 an der Innenseite des Bodens bilden. Die Schweißnähte 23 verlaufen vorzugsweise in den Sicken 9 bzw. auf den Vorsprüngen 8.
Bezugszeichenliste:

1: Elektrodenwickel
2: Kontaktelement
3: Metallfolie
4: erste Fläche
5: zweite Fläche
6: Laserstrahl
7: Öffnung
8: vorspringender Bereich
9: Sicke
10: umgebogene Bereich
11: Bereich der Biegung
12: Schnittlinie
13: Bewegungsbahn
14: Vorschubbewegung
15: oszillierende Bewegung
16: Amplitude
17: Polelement
18: Dichtfläche
19: Gewinde
20: Verbindungsbereich
21: Becherförmiges Gehäuseteil
22: Boden
23: Schweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017006229 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators, wobei die Metallfolien (3), welche die Elektroden des Akkumulators kontaktieren, gemeinsam mit den Elektroden des Akkumulators derart zu einem, zumindest im Wesentlichen, kreiszylindrischen Elektrodenwickel (1) aufgewickelt werden, dass an einer der beiden sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Elektrodenwickels (1) ein erster Randbereich einer ersten Metallfolie (3) zur Kontaktierung einer ersten Elektrode gegenüber den anderen schichtförmigen Bestandteilen des Elektrodenwickels (1) vorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (1) in ein becherförmiges Gehäuseteil (21) eingebracht und zur Kontaktierung der ersten Elektrode des Akkumulators der erste Randbereich der ersten Metallfolie (3) der ersten Elektrode mit dem Boden (22) des Gehäuseteils (21) in Kontakt gebracht und durch die Beaufschlagung der Außenseite des Bodens (22 des Gehäuseteils (21) mit einem Laserstrahl mit dem Boden (22) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Elektrode um die Kathode handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (21) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (21) tiefgezogen ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontaktierung einer zweiten Elektrode des Akkumulators eine zweite Metallfolie (3) zur Kontaktierung der zweiten Elektrode mit einem Kontaktelement (2) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Randbereich der zweiten Metallfolie (3) zur Kontaktierung der zweiten Elektrode gegenüber den anderen schichtförmigen Bestandteilen des Elektrodenwickels (1) vorsteht und mit einer rechtwinklig zur zweiten Metallfolie (3) orientierten ersten Fläche (4) des Kontaktelements (2) in Kontakt gebracht und durch die Beaufschlagung einer von der ersten Fläche (4) des Kontaktelements (2) abgewandten zweiten Fläche (5) des Kontaktelements (2) mit einem Laserstrahl (6) mit dem Kontaktelement (2) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (10) der ersten oder zweiten Metallfolie (3), vorzugsweise vor dem Aufwickeln, umgebogen, insbesondere um 180° umgebogen, wird, wobei die erste Metallfolie (3) im Bereich der Umbiegung (11) mit dem Boden (22) oder die zweite Metallfolie (3) im Bereich der Umbiegung (11) mit dem Kontaktelement (2) verschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Randbereich und/oder der zweite Randbereich gegenüber anderen schichtförmigen Bestandteilen des Elektrodenwickels (1) wenigstens 1 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm, und/oder höchstens 8 mm, vorzugsweise höchstens 6 mm, vorsteht.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallfolie (3) an einen vorspringenden Bereich (8) des Bodens (22) angeschweißt wird, wobei der vorspringende Bereich (8) vorzugsweise durch eine Sicke (9) gebildet ist, insbesondere wobei sich die Metallfolie (3) durch mit dem vorspringenden Bereich (8) kreuzt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallfolie (3) an einen vorspringenden Bereich (8) der ersten Fläche (4) des Kontaktelements (2) angeschweißt wird, wobei der vorspringende Bereich (8) vorzugsweise durch eine Sicke (9) gebildet ist, insbesondere wobei sich die Metallfolie (3) durch mit dem vorspringenden Bereich (8) kreuzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vorspringende Bereich (8) um wenigstens 0,3 mm, insbesondere um wenigstens 0,5 mm, und/oder um höchstens 2 mm, insbesondere um höchstens 1,5 mm, gegenüber der umliegenden Innenseite des Bodens (22) und/oder der ersten Fläche (4) des Kontaktelements (2) vorspringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vorspringende Bereich (8) und/oder die Sicke (9) linienförmig gestaltet ist und eine Breite von wenigstens 0,5 mm, insbesondere von wenigstens 1 mm, und/oder von höchstens 5 mm, insbesondere von höchstens 3 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein, vorzugsweise als Kontaktbolzen ausgeführtes, Polelement (17) mit dem Kontaktelement (2) verschweißt wird, insbesondere wobei das Verschweißen des Kontaktelements (2) mit dem Polelement (17) und das Verschweißen der Metallfolie (3) mit dem Kontaktelement mit demselben Laser (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen der zweiten Metallfolie (3) mit dem Kontaktelement (2) und insbesondere das Verschweißen des Polelements (17) mit dem Kontaktelement (2) vor dem Einbringen des Elektrodenwickels (1) in das Gehäuseteil erfolgt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Laserstrahls während des Verschweißens der Metallfolie (3) mit dem Boden (22) und/oder dem Kontaktelement (2) variiert wird, Insbesondere wobei die Leistung des Laserstrahls bei zu Beginn der Herstellung einer Schweißnaht gesteigert und/oder zum Ende der Herstellung einer Schweißnaht abgesenkt wird.