Kupfer in Batterien: Freiburger Forschern gelingt, was lange als unmöglich galt
Freiburger Forscher schweißen Kupfer auf Batteriezellen. Ihr Verfahren könnte Stahl ersetzen, ohne teure neue Maschinen zu erfordern.
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 rund sechsmal besser als Stahl. Weil für die gleiche Stromtragfähigkeit deutlich dünnere Verbinder ausreichen, kann das Batteriemodul insgesamt sogar leichter werden. 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.
Update 30.03.2026: Der am 23.03.2026 erstveröffentlichte Artikel wurde mit Antworten des Projektleiters Christian Schiller auf Fragen von Ingenieur.de aktualisiert und in einzelnen Passagen präzisiert.
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. 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.
Durch die Sublimation werden die Oberflächen von Verschmutzungen und Oxiden befreit, erklärte Projektleiter Christian Schiller vom Fraunhofer ISE auf Anfrage von Ingenieur.de. Die Schweißelektroden pressen die so aktivierten Flächen in atomaren Abstand zusammen. Erst dadurch bildet sich die Verbindung aus. Schweißlinsen entstehen dabei keine, und ihre Nichtexistenz sei kein Versagenskriterium, so Schiller.
Bis zu 80 % leichtere Verbinder
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-Computertomografie-Aufnahmen zeigen, dass die Kupferverbinder sauber auf dem Gehäuseboden der 21700er-Zellen sitzen, ohne die darunterliegende Struktur zu schädigen.
Laut Projektleiter Schiller ergibt sich durch die Kupferverbindungen bei gleicher Leitfähigkeit eine Gewichtsersparnis von rund 80 % gegenüber Stahl. In der Praxis dürfte es allerdings sinnvoll sein, einen Teil davon gegen eine bessere Leitfähigkeit zu tauschen, um die Verlustleistung weiter zu senken.
Ein Roboter schweißt
Weniger als 0,6 s 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. Da der Prozess zudem keine Vorbehandlung oder Beschichtung des Kupfers erfordere, entfielen auch diese Kosten, sagt Schiller. Eine präzise Gesamtersparnis lasse sich allerdings schwer beziffern – die Kupfer- und Stahlpreise schwankten stark.
Dennoch senkt das Sparpotenzial die Einstiegshürde erheblich, gerade in einem Markt, in dem deutsche Hersteller gegenüber asiatischen Wettbewerbern unter hohem 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.
Bessere Leitfähigkeit ist kein Allheilmittel
Der Wechsel von Stahl zu Kupfer bei den Verbindern wird die Batterieleistung nicht revolutionieren. Der zentrale Vorteil ist der deutlich geringere elektrische Widerstand: Weniger Energie geht als Wärme verloren, die Zellen werden gleichmäßiger bestromt, und bei hohen Strömen arbeitet das Modul effizienter. Dass für die gleiche Leitfähigkeit dünnere Verbinder genügen, kann zusätzlich Gewicht sparen, auch wenn Kupfer als Material selbst schwerer ist als Stahl.
Ob sich der Prozess auch auf andere Zellformate und größere Produktionsvolumen skalieren lässt, dürfte sich im Laufe der verbleibenden Projektlaufzeit zeigen. Im nächsten Schritt werde man gemeinsam mit SBS die Kupferverbinder in die UniPower-Produktfamilie integrieren, kündigt Schiller gegenüber Ingenieur.de an. Details zum Verfahren stellt er am 28. April auf den Freiburg Battery Days vor.
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