Kupfer in Batterien: Freiburger Forschern gelingt, was lange als unmöglich galt
Die Batterien in E-Scootern und E-Bikes könnten deutlich leichter sein, wenn sich Kupfer verschweißen ließe. Ein Freiburger Team hat dies jetzt geschafft.
Projektleiter Christian Schiller an einer Buckelschweißanlage, an der Batteriezellen mit Kupfer-Verbindern verschaltet werden.
Foto: © Fraunhofer ISE / Foto: Felix Thurn
Immer mehr E-Scooter und E-Bikes fahren auf den Straßen. Entscheidend für die urbane E-Mobilität sind leichte und leistungsfähige Batterien. Doch ein Detail in ihrem Innern bremst die Entwicklung: die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen.
Bislang bestehen diese meist aus Stahl. Doch je leistungsfähiger die Batterie ist, desto dicker und schwerer müssen die Stahlverbinder darin werden. Kupfer wäre besser geeignet, denn es leitet Strom besser und ist leichter. Doch bisher scheiterte der Umstieg an der Fertigungstechnik.
Einem Forschungsteam des Fraunhofer ISE ist es laut einer Meldung vom 19. März gelungen, das Problem zu lösen. Ihr Trick ist ein ultraschnelles Schweißverfahren, bei dem das Metall nicht schmilzt, sondern verdampft.
Inhaltsverzeichnis
Warum Batteriehersteller bisher Stahl nutzen (müssen)
Eine Batterie ist kein einzelnes Bauteil, sondern ein Verbund aus vielen einzelnen Zellen. Damit aus ihnen ein funktionierendes Modul wird, müssen sie elektrisch miteinander verbunden werden oder „verschaltet“ werden. Dazu schweißt man dünne Metallstreifen, sogenannte Verbinder, auf die Zellen.
Das gängige Verfahren dafür heißt Buckelschweißen. Dabei wird Strom durch den Verbinder geleitet, der an vorgeformten Erhebungen – den Buckeln – punktuell aufschmilzt und so mit der Zelloberfläche verschweißt. Mit Verbindern aus Stahl funktioniert das zuverlässig und ist in der Industrie weit verbreitet. Die Anlagen sind vergleichsweise günstig, der Prozess gut erprobt.
Allerdings hat Stahl eine relativ schlechte elektrische Leitfähigkeit. Bei kleinen Batterien fällt das kaum ins Gewicht, doch die Zellen, die asiatische Zulieferer heute an deutsche Hersteller liefern, werden immer leistungsfähiger und größer. Die Stahl-Verbindungen sollten entsprechend mitwachsen – und werden so zunehmend zum Flaschenhals.
Kupfer: besseres Material mit Fertigungsproblem
Kupfer leitet elektrischen Strom rund sechsmal besser als Stahl und ist zudem leichter. In der Batteriebranche ist deshalb schon lange klar, dass die Zukunft der Verschaltung beim Kupfer liegt. Doch Ingenieuren bereitet der Werkstoff auch Kopfschmerzen, weil er sich beim klassischen Buckelschweißen völlig anders verhält als Stahl.
Das Metall leitet nämlich nicht nur Strom, sondern auch Wärme extrem gut. Somit fließt die beim Schweißen erzeugte Hitze sofort in alle Richtungen ab. Das verhindert genau die punktuelle Energiekonzentration, die das herkömmliche Buckelschweißen braucht. Dort entsteht normalerweise eine sogenannte Schweißlinse, also ein lokaler Bereich, in dem das Metall aufschmilzt und wieder erstarrt. Bei Kupfer funktioniert das nicht zuverlässig. Bislang galt es deshalb als unmöglich, unbeschichtetes Kupfer auf Buckelschweißanlagen zu verarbeiten.
Die Alternative: Laserschweißen. Damit lässt sich Kupfer problemlos verbinden, doch die Anlagen sind deutlich teurer und erfordern einen kompletten Umbau der Fertigungslinie. Für große Konzerne ist das machbar, für mittelständische Batteriehersteller – und davon gibt es in Deutschland einige – oft nicht.
Nicht schmelzen, sondern verdampfen
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg haben nun gemeinsam mit dem bayerischen Batteriehersteller Smart Battery Solutions einen grundlegend anderen Ansatz entwickelt: das Kurzzeitschweißen mit hoher Wärmestromdichte. Anders als beim klassischen Buckelschweißen entstehen hier keine Schweißlinsen. Stattdessen wird in Bruchteilen einer Sekunde so viel Energie in den Kontaktpunkt gepumpt, dass das Material dort sublimiert (also direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht). Der Schweißpunkt ist fertig, bevor die Wärme ins umliegende Kupfer abfließen kann.
In der Folge lässt sich unbeschichtetes Kupfer laut dem Fraunhofer ISE so auf handelsüblichen Buckelschweißanlagen direkt auf Batteriezellen schweißen, ohne dass das Kupfer zuvor verzinnt oder anderweitig vorbehandelt werden muss, und ohne die Zellen dabei zu beschädigen. Mikro-Computertomographie-Aufnahmen zeigen, dass die Kupferverbinder sauber auf dem Gehäuseboden der 21700er-Zellen sitzen, ohne die darunterliegende Struktur zu schädigen.
Weniger als 0,6 Sekunden braucht ein einzelner Schweißpunkt laut den Freiburger Forschern. In der automatisierten Schweißzelle des Projekts übernimmt ein kollaborativer Roboter die Positionierung. Für die Qualitätskontrolle haben die Wissenschaftler nach eigenen Angaben nicht-invasive Inline-Messmethoden entwickelt, die jeden Schweißpunkt automatisch bewerten. Das ist nötig, weil beim Sublimationsmechanismus andere Prüfkriterien gelten als beim klassischen Schmelzschweißen.
Funktioniert das Verfahren auch außerhalb des Labors, müssen Batteriehersteller ihre bestehenden Anlagen also nicht durch teure Laserschweißanlagen ersetzen. Stattdessen könnten sie mit angepassten Prozessparametern auf den vorhandenen Maschinen weiterarbeiten. Das senkt die Einstiegshürde erheblich, gerade in einem Markt, in dem deutsche Hersteller gegenüber asiatischen Wettbewerbern ohnehin unter Kostendruck stehen.
Wer das neue Verfahren als erstes nutzen wird
Das mittelständische Unternehmen Smart Battery Solutions aus Bayern wird den neuen Prozess als erster Hersteller in seine Fertigungslinie integrieren. Die kupferverschalteten Batterien sollen Teil der hauseigenen UniPower-Produktfamilie werden. Dabei handelt es sich um Batteriemodule, die unter anderem in E-Scootern, E-Bikes und Sharing-Systemen für die städtische Last-Mile-Delivery zum Einsatz kommen.
Die Forschung läuft seit Juni 2023 im Rahmen des Projekts »BatCO₂tiv« und wird vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Bis zum Projektende im Mai 2027 sollen neben dem Kupfer-Schweißprozess auch Designregeln für Zellverbinder und Zellhalter entstehen, die eine gleichmäßige Bestromung der parallel verschalteten Zellen sicherstellen.
Leichtere Batterien sind kein Allheilmittel
Der Wechsel von Stahl zu Kupfer bei den Verbindern wird die Batterieleistung nicht revolutionieren, denn die dünnen Metallkomponenten machen nur einen kleinen Teil des Gesamtgewichts aus. Doch bei der Batterieherstellung geht es um jedes Gramm und jeden Prozentpunkt Wirkungsgrad. Von daher sind auch inkrementelle Verbesserungen durchaus relevant. Hinzu kommt, dass die geringeren Widerstände im Kupfer auch weniger Wärmeentwicklung im Betrieb bedeuten. Das könnte auch die Lebensdauer der Batterie positiv beeinflussen.
Ob sich der Prozess auch auf andere Zellformate und größere Produktionsvolumen skalieren lässt, dürfte sich im Laufe der verbleibenden Projektlaufzeit zeigen. Christian Schiller, Projektleiter am Fraunhofer ISE, stellt die bisherigen Ergebnisse Ende April bei den Freiburg Battery Days 2026 vor.
Ein Beitrag von:
