Die entscheidende Rolle der Verklebung in der modernen Modulfertigung
Das Kleben gewinnt in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung, angefangen beim Verkleben von Windschutzscheiben, verschiedenen Innenausstattungsteilen und elektrischen Bauteilen bis hin zum zunehmenden Einsatz in tragenden Anwendungen. Auch bei der Montage von Batteriemodulen wird diese Technik in großem Umfang genutzt.
Das Kleben anstelle mechanischer Befestigungselemente kann die Konstruktionsflexibilität erhöhen, die mechanische Stabilität verbessern und die Auswirkungen von Vibrationen und Stößen mindern.
Das Kleben umfasst eine Reihe von Anwendungen, darunter strukturelle, halbstrukturelle, flexible und druckempfindliche Klebeverbindungen, und kommt unter anderem bei der Zell-zu-Zell-Verklebung, busbar und bei Anwendungen im Bereich des Wärmemanagements zum Einsatz.
Wichtige Leistungsanforderungen für die Batterieverbindung
Die Eigenschaften der Verklebung hängen von der jeweiligen Anwendung ab.
Klebebänder für raue Umgebungsbedingungen
Unabhängig davon, ob es sich um landgestützte Energiespeicher oder um Anwendungen in Elektrofahrzeugen handelt, können Batteriemodule extremer Hitze oder Kälte ausgesetzt sein. In der Automobilindustrie schreiben Konstruktionsrichtlinien einen Temperaturbereich zwischen -40 °C und 80 °C vor, wobei Kühl- und Heizsysteme eingesetzt werden, um ein Einfrieren oder eine Überhitzung zu minimieren.
Bei Anwendungen in Fahrzeugen sind die Verbindungen Vibrationen ausgesetzt und müssen stark genug sein, um im Falle eines Unfalls ein Versagen zu verhindern. Bei der Abdeckungsverklebung müssen sie zudem gegen Streusalz beständig sein und eine dichte Abdichtung zu den inneren Komponenten des Akkupakets gewährleisten.
Zell-zu-Zell-Verbindung: Stabilität, Unterstützung und Sicherheit
Klebstoffe, die für die Verbindung der einzelnen Zellen verwendet werden, spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der mechanischen Stabilität, insbesondere in Automobilanwendungen, bei denen die Batterie Vibrationen ausgesetzt ist.
Bei zylindrischen Zellen kann Polyurethanschaum als Klebstoff den einzelnen Zellen innerhalb des Moduls zusätzlichen Halt und Steifigkeit verleihen.
Bei der Montage prismatischer Module können einzelne Zellen vor dem Einbau in das Modul zu einem Stapel verklebt werden.
Bei Modulen mit Pouch-Zellen ist eine gewisse Kompressibilität des Klebstoffs erforderlich, um Flexibilität zu gewährleisten, da sich die Zelle während des Lade- und Entladezyklus ausdehnt und zusammenzieht.
Die Rolle der Klebeverbindungen im Wärmemanagement
Nach Angaben des US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory arbeiten Lithium-Ionen-Batterien am effizientesten bei Temperaturen zwischen 15 °C und 30 °C; wie oben bereits erwähnt, sind Batteriepacks jedoch erheblichen Temperaturextremen ausgesetzt, die weit über diesen Bereich hinausgehen.
Bei Pouch- und prismatischen Modulen können diese in der Regel mit Klebstoffen, die wärmeleitende Füllstoffe wie Bornitrid, Aluminiumnitride und ähnliche Materialien enthalten, an eine Kühlplatte geklebt werden. Diese Klebstoffe bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit elektrischer Isolierung und schützen so vor Kurzschlüssen zwischen den Zellen.
Bei zylindrischen Zellen können Kühlbänder um die zylindrischen Zellen gewickelt werden, um das System zu kühlen.
Festigkeit, Steifigkeit und die strukturellen Anforderungen an Verbindungen
Bei strukturellen Anwendungen kann das Verkleben dazu beitragen, die Anzahl der im Verpackungssystem verwendeten mechanischen Befestigungselemente zu reduzieren, und ermöglicht es den Herstellern, ihre Produktionsprozesse zu optimieren. Die in diesen Anwendungen eingesetzten Klebstoffe müssen unter rauen Bedingungen, bei hoher Hitze, Feuchtigkeit und in korrosiven Umgebungen ihre Leistung erbringen und – im Falle der Deckelversiegelung – das Eindringen von Verunreinigungen in das Verpackungssystem verhindern.
Präzise Oberflächenvorbereitung: Laserverfahren für bessere Haftverbindungen
Laser können ideale Lösungen für die Oberflächenvorbereitung beim Kleben sein, da sie eine Oberflächenvorbereitung nur dort ermöglichen, wo sie tatsächlich erforderlich ist.
- Laserreinigung von Verunreinigungen wie Oxiden auf Aluminium oder Kupfer, Maschinenölrückständen sowie Staub und Schmutz, die sich beim Transport und bei der Handhabung des Materials angesammelt haben.
- Laserabtragung von Beschichtungen, Lacken und eloxierten Schichten von den Werkstücken, wodurch die Grundwerkstoffe der Werkstücke direkt verbunden werden können.
- Laser-Oberflächenstrukturierung oder -texturierung
Laser eignen sich ideal, um bei einer Vielzahl von Bauteiltypen reproduzierbare Texturergebnisse zu erzielen. Mithilfe von Strahlabtastsystemen lässt sich der Laser präzise programmieren, um Mikrostrukturen auf der Oberfläche des Bauteils zu erzeugen und so die Oberfläche zu vergrößern. Angesichts der großen Auswahl an Klebstoffen und Füllstoffen lässt sich die Textur problemlos anpassen, um die Benetzbarkeit des Werkstücks zu maximieren.
In der Batterieherstellung sind Laser ein ideales berührungsloses Verfahren, das mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel ist, darunter Aluminium, Kupfer, beschichtete Materialien und Polymere. Laserverfahren lassen sich leicht skalieren, sind äußerst reproduzierbar und lassen sich problemlos in automatisierte Produktionsprozesse integrieren.
Warum die Oberflächenvorbereitung mit Laser herkömmliche Methoden übertrifft
Es stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, darunter mechanischer Abrieb, chemische Bearbeitung und Plasmabehandlung.
- Mechanischer Abrieb und Strahlverfahren
Diese Verfahren zeichnen sich durch eine einfache Handhabung aus, doch da sich die Strahlmittel bzw. die Schleifwerkzeuge abnutzen, können die Ergebnisse uneinheitlich ausfallen. - Chemische Reinigung und Ätzung
können sehr effektiv sein und bieten gegenüber dem Laser Vorteile, wenn keine „Sichtverbindung“ vorhanden ist, über die der Laser auf die inneren Strukturen bestimmter Bauteiltypen zugreifen kann. Ein Nachteil dabei sind natürlich Umweltbedenken und die Kosten für die Entsorgung von Sondermüll, während Laser umweltfreundlich sind. - Plasmabehandlung
Kann in Bereichen wirksam sein, in denen von Natur aus nur geringe Verunreinigungen auftreten, und lässt sich relativ einfach in Inline-Prozessanlagen implementieren. Wie Laserverfahren ist auch dieses Verfahren umweltfreundlich, allerdings sind die Möglichkeiten zur Oberflächenstrukturierung im Vergleich zur Flexibilität des Lasers begrenzt.
Zwar sind die Anschaffungskosten für Lasersysteme höher, doch liefern sie präzise, wiederholbare Ergebnisse – ganz ohne Verbrauchsmaterialien und Chemikalien – und können äußerst selektiv eingesetzt werden, sodass nur die Bereiche gereinigt, aktiviert oder strukturiert werden, die tatsächlich bearbeitet werden müssen. Die Flexibilität der Lasertechnologie und die geringeren Betriebskosten bieten Herstellern über die gesamte Lebensdauer der Anlagen hinweg eine attraktive Kapitalrendite.
Abschließende Gedanken: Bessere Batterien durch bessere Verbindungen
Bei der Herstellung von Akkupacks kommt im Fertigungsprozess zunehmend auf den Einsatz von Klebstoffen zurück, um Akkus herzustellen, die Vibrationen, Temperaturwechseln, hoher Hitze und Feuchtigkeit standhalten und dem Endverbraucher gleichzeitig eine lange Lebensdauer bieten.
Laser sind bei der Oberflächenvorbereitung unverzichtbar, um die Leistungsfähigkeit einer Vielzahl der im Fertigungsprozess verwendeten Klebstoffe zu maximieren. Das Ergebnis sind:
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- Verbesserte Scher- und Zugfestigkeit
- Verbesserte Produktlebensdauer durch festere Verbindungen.
- Bessere Anpassung der Oberflächenstruktur an die Viskosität des Klebstoffs und die Eigenschaften des Füllstoffs, d. h. verbesserte Benetzbarkeit bei einer größeren Bandbreite an Materialien.
Da das Verfahren berührungslos, in hohem Maße reproduzierbar und leicht in Produktionslinien mit hohen Stückzahlen zu integrieren ist, entwickeln sich Laserverfahren zunehmend zur bevorzugten Methode zur Oberflächenvorbereitung für die vielfältigen Klebeanwendungen, die in modernen stationären Speichersystemen für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen.
Erste Schritte mit einer Laserlösung
Sprechen Sie mit einem unserer Experten für Laserreinigung, um mit der Auswahl des richtigen Systems zu beginnen, mit dem Sie die Qualität, Zuverlässigkeit und Produktionseffizienz Ihrer Batterien steigern können.
