DE102024207809B3 - Method for separating a material bond between a cell connector and a battery cell - Google Patents

Method for separating a material bond between a cell connector and a battery cell

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DE102024207809B3 DE102024207809.3A DE102024207809A DE102024207809B3 DE 102024207809 B3 DE102024207809 B3 DE 102024207809B3 DE 102024207809 A DE102024207809 A DE 102024207809A DE 102024207809 B3 DE102024207809 B3 DE 102024207809B3
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, zum Trennen einer Stoffschlussverbindung zwischen einem Zellverbinder und einer Batteriezelle, mit einem Bereitstellungsschritt, bei dem eine erste Batteriezelle (3) bereitgestellt wird, die mit einem Zellverbinder (7) in einem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) in Fügeverbindung steht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Trennschritt aufweist, bei dem der Zellverbinder (7) von der ersten Batteriezelle (3) dadurch getrennt wird, dass zumindest teilweise und/oder zeitweise mittels eines von dem Ultrakurzpuls-Laser (41) erzeugten Laserstrahls Material in dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) entfernt wird und/oder neben dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) entfernt wird. The invention relates to a method for separating a material bond between a cell connector and a battery cell, comprising a provisioning step in which a first battery cell (3) is provided which is in a joining connection with a cell connector (7) in a first joining area (21) of the first battery cell (3). According to the invention, the method includes a separation step in which the cell connector (7) is separated from the first battery cell (3) by removing material at least partially and/or temporarily in the first joining area (21) of the first battery cell (3) and/or adjacent to the first joining area (21) of the first battery cell (3) using a laser beam generated by the ultrashort pulse laser (41).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen einer Stoffschlussverbindung zwischen einem Zellverbinder und einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for separating a material bond between a cell connector and a battery cell according to the preamble of claim 1.

In Traktionsbatterien werden Zellstapel - sogenannte Zellstacks - aus mehreren einzelnen, hintereinander gestapelten Batteriezellen eingesetzt. Jeweils benachbarte Batteriezellen eines Zellstapels sind über einen Zellverbinder elektrisch verbunden. Der Zellverbinder steht mit jeder der Batteriezellen in Stoffschlussverbindung, konkret in Schweißverbindung. Jede der Schweißverbindungen erstreckt sich in einem Fügebereich, konkret in einem Schweißverbindungsbereich. Um im Reparaturfall den Zellverbinder wieder von zumindest einer der Batteriezellen zu trennen, weist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Trennen der Schweißverbindung zwischen dem Zellverbinder und der Batteriezelle einen Trennschritt auf, bei dem Material in dem Schweißverbindungsbereich mittels eines Laser abgetragen und so die Schweißverbindung zwischen dem Zellverbinder und der Batteriezelle getrennt wird. Bei dem Trennschritt mittels des Lasers wird jedoch nicht nur Wärme in den Schweißverbindungsbereich eingebracht, sondern stattdessen auch in die Batteriezellen eingebracht. Unter der Erwärmung kann die Batteriezelle thermisch zerstört oder zumindest beschädigt werden. Das Verfahren hat somit den Nachteil, dass die Batteriezelle beim Trennen des Zellverbinders von der Batteriezelle thermisch stark belastet wird.Traction batteries use cell stacks, which consist of several individual battery cells stacked in series. Adjacent battery cells within a cell stack are electrically connected via a cell connector. The cell connector is bonded to each of the battery cells by a weld. Each weld extends across a joint area. To allow for the disconnection of the cell connector from at least one of the battery cells during repairs, a generic method for separating the weld between the cell connector and the battery cell includes a separation step in which material is removed from the weld area using a laser, thus severing the weld between the cell connector and the battery cell. However, this laser separation step introduces heat not only into the weld area but also into the battery cells themselves. This heating can thermally destroy or at least damage the battery cell. Therefore, the method has the disadvantage that the battery cell is subjected to significant thermal stress when the cell connector is separated.

Aus der DE 10 2019 213 417 A1 ist ein kombinierter Schneid-/Schweißprozess für Al und Cu Werkstoffe mit Wärmeakkumulation ultrakurzer Laserpulse bekannt. Die DE 10 2017 216 149 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle. Aus der US 2022 / 0 263 060 A1 ist eine Laserablation für Lithium-Ionen-Batterien bekannt. Die WO 2020 / 192 845 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen von Elektrodensträngen und zum Herstellen von Elektrodenanordnungen. Aus der DE 10 2023 121 905 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls bekannt. Die US 2021 /0 101 231 A1 offenbart ein Laserbearbeitungsverfahren für Dünnschichtstrukturen.From the DE 10 2019 213 417 A1 A combined cutting/welding process for Al and Cu materials using heat accumulation of ultrashort laser pulses is known. DE 10 2017 216 149 A1 Disclosed is a method and a device for manufacturing an electrode stack for a battery cell. From the US 2022 / 0 263 060 A1 Laser ablation is a known treatment for lithium-ion batteries. WO 2020 / 192 845 A1 Disclosed is a device and a method for providing electrode strings and for manufacturing electrode arrangements. From the DE 10 2023 121 905 A1 A device and a method for cutting a workpiece using a laser beam are known. US 2021 /0 101 231 A1 reveals a laser processing method for thin-film structures.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Stoffschlussverbindung zwischen einem Zellverbinder und einer Batteriezelle trennbar ist, ohne dass die Batteriezelle durch Erwärmung zerstört oder beschädigt wird.One object of the invention is to provide a method by which a material bond between a cell connector and a battery cell can be separated without destroying or damaging the battery cell by heating.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.This problem is solved by the features of the independent claim. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Erfindungsgemäß vorgeschlagen ist ein Verfahren zum Trennen einer Stoffschlussverbindung zwischen einem Zellverbinder und einer Batteriezelle, mit einem Bereitstellungsschritt, bei dem eine erste Batteriezelle bereitgestellt wird, die mit einem Zellverbinder in einem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle in Fügeverbindung steht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Trennschritt aufweist, bei dem der Zellverbinder von der ersten Batteriezelle dadurch getrennt wird, dass zumindest teilweise und/oder zeitweise mittels eines Ultrakurzpuls-Laser oder mittels eines von dem Ultrakurzpuls-Laser erzeugten Laserstrahls Material in dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle entfernt wird und/oder, bevorzugt unmittelbar angrenzend, neben dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle entfernt wird. Durch den Einsatz des Ultrakurzpuls-Lasers verdampft und/oder sublimiert das zu entfernende Material und/oder wird sofort in Plasma umgewandelt, und zwar ohne das Wärme in umliegende Bereiche, wie die Batteriezellen, eingebracht wird. Die Batteriezellen werden bei diesem Verfahren somit thermisch weder beschädigt, noch zerstört.The invention proposes a method for separating a material bond between a cell connector and a battery cell, comprising a provisioning step in which a first battery cell is provided which is in a joining connection with a cell connector in a first joining region of the first battery cell. The invention further provides that the method includes a separation step in which the cell connector is separated from the first battery cell by removing material at least partially and/or temporarily from the first joining region of the first battery cell using an ultrashort pulse laser or a laser beam generated by the ultrashort pulse laser, and/or preferably by removing material directly adjacent to the first joining region of the first battery cell. By using the ultrashort pulse laser, the material to be removed vaporizes and/or sublimates and/or is immediately converted into plasma without introducing heat into surrounding areas, such as the battery cells. Thus, the battery cells are neither thermally damaged nor destroyed in this method.

Damit das Verfahren besonders effizient eingesetzt werden kann und/oder eine zuverlässige elektrische Kontaktierung der ersten Batteriezelle gewährleistet ist, ist beispielhaft vorgesehen, dass die erste Batteriezelle ein Zellterminal aufweist, und dass das Zellterminal der ersten Batteriezelle, bevorzugt eine Kontaktplatte des Zellterminals der ersten Batteriezelle zur elektrischen Kontaktierung der ersten Batteriezelle, besonders bevorzugt unmittelbar, mit dem Zellverbinder, in dem ersten Fügebereich in Fügeverbindung steht.To ensure that the method can be used particularly efficiently and/or that reliable electrical contacting of the first battery cell is guaranteed, it is provided, by way of example, that the first battery cell has a cell terminal, and that the cell terminal of the first battery cell, preferably a contact plate of the cell terminal of the first battery cell for electrical contacting the first battery cell, particularly preferably directly, is in joining connection with the cell connector in the first joining area.

Um eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass das Material des Zellverbinders und/oder das Material des Zellterminals der ersten Batteriezelle, bevorzugt einer Kontaktplatte des Zellterminals der ersten Batteriezelle zur elektrischen Kontaktierung der ersten Batteriezelle, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.To achieve particularly good electrical conductivity, it is preferably provided that the material of the cell connector and/or the material of the cell terminal of the first battery cell, preferably a contact plate of the cell terminal of the first battery cell for electrical contacting of the first battery cell, is aluminum or an aluminum alloy.

Um die Vorteile des Verfahrens vollumfänglich nutzen zu können und/oder um die erste Batteriezelle zuverlässig haltbar mit dem Zellverbinder zu verbinden, ist beispielhaft vorgesehen, dass die Fügeverbindung in dem ersten Fügebereich durch eine Schweißverbindung, bevorzugt durch eine Laserschweißverbindung, gebildet ist.In order to fully utilize the advantages of the process and/or to reliably and durably connect the first battery cell to the cell connector, it is exemplified that the joining connection in the first joining area is formed by a welded connection, preferably by a laser welded connection.

Damit bei dem Trennschritt in Tiefenrichtung nicht versehentlich zu viel Material entfernt und dadurch die erste Batteriezelle beschädigt wird, ist bei einer exemplarischen Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt das Material in dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle und/oder, bevorzugt unmittelbar angrenzend, neben dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle, bevorzugt schichtweise, unmittelbar oder direkt verdampft wird.To prevent accidentally removing too much material during the separation step in the depth direction and thereby damaging the first battery cell, an exemplary embodiment provides that during the separation step the material in the first joining area of the first battery cell and/or, preferably immediately adjacent, next to the first joining area of the first battery cell is evaporated, preferably layer by layer, directly or immediately.

Um ein direktes oder unmittelbares Verdampfen des abzutragenden Materials zu erreichen, ist bei einer beispielhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der Ultrakurzpuls-Laser eine Pulsdauer in einem Größenordnungsbereich von 10-18 Sekunden bis 10-15 Sekunden aufweist, und/oder dass der Ultrakurzpuls-Laser ein Titan:Saphir-Laser ist.In order to achieve direct or immediate vaporization of the material to be removed, an exemplary embodiment provides that the ultrashort pulse laser has a pulse duration in the range of 10⁻¹⁸ seconds to 10⁻¹⁵ seconds, and/or that the ultrashort pulse laser is a titanium:sapphire laser.

Um den Trennschritt möglichst zeiteffizient durchführen zu können, ist bei einer exemplarischen Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt das Material zunächst mittels eines gepulsten und/oder hochfrequenten Standardlasers und erst gegen Ende des Trennschrittes mittels des Ultrakurzpuls-Lasers oder des von dem Ultrakurzpuls-Laser erzeugten Laserstrahls entfernt und/oder abgetragen wird.In order to perform the separation step as efficiently as possible, an exemplary embodiment provides that the material is first removed and/or ablated using a pulsed and/or high-frequency standard laser and only towards the end of the separation step using the ultrashort pulse laser or the laser beam generated by the ultrashort pulse laser.

Um die Fügeverbindung in dem ersten Fügebereich besonders schonend und effizient und vor allem drucklos zu trennen, ist bei einer beispielhaften Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt das Material des Zellverbinders und/oder des Zellterminals der ersten Batteriezelle und/oder einer Kontaktplatte des Zellterminals der ersten Batteriezelle in dem ersten Fügebereich oder neben dem ersten Fügebereich mittels Abtragen, bevorzugt mittels des Ultrakurzpuls-Lasers oder des Laserstrahls des Ultrakurzpuls-Lasers, bevorzugt in einer Laserschneidanlage entfernt wird.In order to separate the joining connection in the first joining area particularly gently and efficiently and above all without pressure, an exemplary embodiment provides that during the separation step the material of the cell connector and/or the cell terminal of the first battery cell and/or a contact plate of the cell terminal of the first battery cell in the first joining area or next to the first joining area is removed by ablation, preferably by means of the ultrashort pulse laser or the laser beam of the ultrashort pulse laser, preferably in a laser cutting system.

Damit bei dem Trennschritt keine umliegenden Bauteile oder die erste Batteriezelle selbst beschädigt werden, ist bei einer exemplarischen Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt, bevorzugt ausschließlich, das Material des Zellverbinders und/oder des Zellterminals der ersten Batteriezelle und/oder einer Kontaktplatte des Zellterminals der ersten Batteriezelle zur elektrischen Kontaktierung der ersten Batteriezelle entfernt wird.To prevent damage to surrounding components or the first battery cell itself during the separation step, an exemplary embodiment provides that, preferably exclusively, the material of the cell connector and/or the cell terminal of the first battery cell and/or a contact plate of the cell terminal of the first battery cell for electrical contacting of the first battery cell is removed during the separation step.

Damit bei dem Trennschritt eine zuverlässige und prozesssichere Trennung des Zellverbinders von der ersten Batteriezelle erreicht wird, ist bei einer beispielhaften Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt der Zellverbinder von der ersten Batteriezelle dadurch getrennt wird, dass, bevorzugt ausschließlich, Material, bevorzugt des Zellverbinders, neben dem ersten Fügebereich entfernt wird, das, bevorzugt unmittelbar, an den ersten Fügebereich angrenzt.In order to achieve a reliable and process-safe separation of the cell connector from the first battery cell during the separation step, an exemplary embodiment provides that the cell connector is separated from the first battery cell during the separation step by removing, preferably exclusively, material, preferably of the cell connector, next to the first joining area, which preferably directly borders the first joining area.

Um dieses Verfahren anzuwenden, um eine Batteriezelle kostengünstig und ressourcenschonend aus dem Zellstapel zu entnehmen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Bereitstellungsschritt eine zweite Batteriezelle bereitgestellt wird, die mit dem Zellverbinder in einem ersten Fügebereich der zweiten Batteriezelle verbunden ist.In order to apply this method to remove a battery cell from the cell stack in a cost-effective and resource-saving manner, a preferred embodiment provides that a second battery cell is provided during the provisioning step, which is connected to the cell connector in a first joining area of the second battery cell.

Um eine besonders hohe elektrische Leistungsfähigkeit des Zellstapels zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle unter Zwischenlage eines Zellzwischenmaterials, bevorzugt entlang einer Stapelachse, hintereinander gestapelt sind. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Zellzwischenmaterial durch ein eingeschweißtes Pulver gebildet ist.To achieve a particularly high electrical performance of the cell stack, it is preferably provided that the first battery cell and the second battery cell are stacked one behind the other with an interlayer of cell spacer material, preferably along a stack axis. It is particularly preferred that the cell spacer material is formed by a welded-in powder.

Das Verfahren eignet sich vorrangig für prismatische Batteriezellen. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass die erste Batteriezelle und/oder die zweite Batteriezelle oder alle Batteriezellen des Zellstapels prismatische Batteriezellen sein.The method is primarily suitable for prismatic battery cells. It is therefore preferred that the first battery cell and/or the second battery cell or all battery cells of the cell stack be prismatic battery cells.

Um einen besonders platzsparenden Zellstapel zu erhalten, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Zellverbinder im Bereich der ersten Fügebereiches eine Dicke in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm aufweist, und/oder dass die Kontaktplatte des Zellterminals der ersten Batteriezelle im Bereich der ersten Fügebereiches eine Dicke in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm aufweist.To obtain a particularly space-saving cell stack, it is preferably provided that the cell connector in the area of the first joining area has a thickness in the range of 1 mm to 2 mm, and/or that the contact plate of the cell terminal of the first battery cell has a thickness in the range of 2 mm to 4 mm in the area of the first joining area.

Um sicherzustellen, dass nur so viel Material entfernt wird, dass an den ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle und/oder an den ersten Fügebereich der zweiten Batteriezelle angrenzende Bauteile und Komponenten nicht beschädigt werden, ist bei einer beispielhaften Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt das Material in dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle und/oder neben dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle ausgehend von einer Deckfläche des Zellverbinders in Richtung der ersten Batteriezelle und/oder in einer Tiefenrichtung bis in eine Tiefe entfernt wird, die in einem Bereich zwischen 2 mm bis 6 mm, bevorzugt in einem Bereich 4 mm bis 5 mm, liegt, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die Deckfläche des Zellverbinders der ersten Batteriezelle abgewandt ist.To ensure that only enough material is removed to prevent damage to components and parts adjacent to the first joining area of the first battery cell and/or the first joining area of the second battery cell, an exemplary embodiment provides that, during the separation step, the material in the first joining area of the first battery cell and/or next to the first joining area of the first battery cell is removed from a cover surface of the cell connector in the direction of the first battery cell and/or in a depth direction to a depth in a range between 2 mm and 6 mm, preferably in a range of 4 mm to 5 mm, wherein it is preferably provided that the cover surface of the cell connector faces away from the first battery cell.

Um das Material beim Trennschritt präzise entfernen zu können, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt die erste Batteriezelle und/oder die zweite Batteriezelle in einer Spannvorrichtung eingespannt werden.In order to be able to remove the material precisely during the separation step, a preferred embodiment provides that the first battery cell and/or the second battery cell are clamped in a clamping device during the separation step.

Um das Material beim Trennschritt besonders präzise entfernen zu können, ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem Trennschritt das Material in dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle und/oder neben dem ersten Fügebereich der ersten Batteriezelle automatisiert, bevorzugt vollautomatisiert, entfernt wird.In order to remove the material with particular precision during the separation step, a particularly preferred embodiment provides that the material in the first joining area of the first battery cell and/or next to the first joining area of the first battery cell is removed automatically, preferably fully automatically, during the separation step.

Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.The following are descriptions of embodiments of the invention with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 in einer Ansicht von oben einen Zellstapel mit einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle und einem Zellverbinder;
  • 2 in einer Seitenschnittansicht den Zellstapel der 1;
  • 3 in der Seitenschnittansicht gemäß der 2 den Zellstapel in einer Laserschweißanlage während der Durchführung eines Trennschrittes;
  • 4 in der Seitenschnittansicht gemäß der 2 den Zellstapel in der Laserschweißanlage nach der Durchführung des Trennschrittes;
  • 5 in einer Ansicht von oben den Zellstapel gemäß der 4 nach der Durchführung des Trennschrittes;
  • 6 in einer rein schematischen Seitenschnittansicht die Wirkungszone eines Ultrakurzpuls-Lasers bei dem Trennschritt, und
  • 7 in einer rein schematischen, perspektivischen Ansicht eine aufgeraute Fläche oder Oberflächenstrukturierung, die durch einen Materialabtrag des Ultrakurzpuls-Lasers bei dem Trennschritt erzeugt wurde.
They show:
  • 1 in a top view a cell stack with a first battery cell and a second battery cell and a cell connector;
  • 2 in a side view the cell stack of 1 ;
  • 3 in the side section view according to the 2 the cell stack in a laser welding system during the execution of a separation step;
  • 4 in the side section view according to the 2 the cell stack in the laser welding system after the separation step has been carried out;
  • 5 in a top view the cell stack according to the 4 after the separation step has been carried out;
  • 6 in a purely schematic side-section view the area of effect of an ultrashort pulse laser during the separation step, and
  • 7 In a purely schematic, perspective view, a roughened surface or surface structuring is shown, which was created by material removal by the ultrashort pulse laser during the separation step.

In der 1 ist ein Zellstapel 1 dargestellt. Der Zellstapel 1 weist eine erste, hier lediglich beispielhaft prismatische, Batteriezelle 3 und eine zweite, hier lediglich beispielhaft prismatische, Batteriezelle 5 sowie einen Zellverbinder 7 auf. Die erste Batteriezelle 3 weist ein Zellterminal der ersten Batteriezelle 3 mit einer, beispielsweise in der 2 dargestellten, Kontaktplatte 9 zur elektrischen Kontaktierung der ersten Batteriezelle 3 auf. Die zweite Batteriezelle 5 weist ein Zellterminal der zweiten Batteriezelle 5 mit einer, beispielsweise in der 2 dargestellten, Kontaktplatte 11 zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Batteriezelle 5 auf. Das Material des Zellverbinders 7 sowie das Material der Kontaktplatten 9 und 11 ist hier lediglich beispielhaft eine Aluminiumlegierung.In the 1 A cell stack 1 is shown. The cell stack 1 comprises a first battery cell 3, which is prismatic here only as an example, and a second battery cell 5, which is prismatic here only as an example, as well as a cell connector 7. The first battery cell 3 has a cell terminal with a, for example in the 2 The illustrated contact plate 9 is for electrically contacting the first battery cell 3. The second battery cell 5 has a cell terminal with, for example, a 2 The illustrated contact plate 11 is used for the electrical contact of the second battery cell 5. The material of the cell connector 7 and the material of the contact plates 9 and 11 is shown here as an example only: an aluminum alloy.

Die erste Batteriezelle 3 und die zweite Batteriezelle 5 sind entlang einer Stapelachse S hintereinander gestapelt. Zwischen der ersten Batteriezelle 3 und der zweiten Batteriezelle 5 ist ein Zellzwischenmaterial 13 des Zellstapels 1 angeordnet. Das Zellzwischenmaterial 13 ist hier lediglich beispielhaft ein eingeschweißtes Pulver.The first battery cell 3 and the second battery cell 5 are stacked one behind the other along a stacking axis S. An intermediate cell material 13 of the cell stack 1 is arranged between the first battery cell 3 and the second battery cell 5. Here, the intermediate cell material 13 is merely an example of a sealed powder.

Wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist, steht der Zellverbinder 7 in einem ersten, hier lediglich beispielhaft quaderförmigen oder kreiszylinderförmigen, Fügebereich 21 oder Schweißverbindungsbereich der ersten Batteriezelle 3 und in einem zweiten, hier lediglich beispielhaft quaderförmigen kreiszylinderförmigen, Fügebereich 23 oder Schweißverbindungsbereich der ersten Batteriezelle 3 jeweils in Stoffschlussverbindung, konkret in Laserschweißverbindung, mit der Kontaktplatte 9. Wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist, steht der Zellverbinder 5 in einem ersten, hier lediglich beispielhaft quaderförmigen kreiszylinderförmigen, Fügebereich 31 oder Schweißverbindungsbereich der zweiten Batteriezelle 5 und in einem zweiten, hier lediglich beispielhaft quaderförmigen kreiszylinderförmigen, Fügebereich 33 oder Schweißverbindungsbereich der zweiten Batteriezelle 5 jeweils in Laserschweißverbindung mit der Kontaktplatte 11. Der Zellverbinder 7 weist im Bereich der Fügebereiche 21, 23, 31 und 33 jeweils eine Dicke von, hier lediglich beispielhaft, 2 mm auf. Die Kontaktplatte 9 weist im Bereich der Fügebereiche 21 und 23 jeweils eine Dicke von, hier lediglich beispielhaft, 3 mm auf. Die Kontaktplatte 11 weist im Bereich der Fügebereiche 31 und 33 jeweils eine Dicke von, hier lediglich beispielhaft, 3 mm auf.As this is shown in the 1 and 2 As shown, the cell connector 7 is located in a first joining area 21 or welded joint area of the first battery cell 3, which is here only by way of example cuboid or circular cylinder, and in a second joining area 23 or welded joint area of the first battery cell 3, which is here only by way of example cuboid or circular cylinder, each in a material-bonded connection, specifically in a laser welded connection, with the contact plate 9. As shown in the 1 and 2 As shown, the cell connector 5 is located in a first joining area 31 or weld joint area of the second battery cell 5, which is shown here only as an example of a cuboid or circular cylinder, and in a second, which is shown here The cell connector 7 has a thickness of, for example, 2 mm in the area of joining regions 21, 23, 31 and 33. The contact plate 9 has a thickness of, for example, 3 mm in the area of joining regions 21 and 23. The contact plate 11 has a thickness of, for example, 3 mm in the area of joining regions 31 and 33.

Nachfolgend ist anhand der 1 bis 7 ein Verfahren zum Trennen der Stoffschlussverbindung zwischen dem Zellverbinder 5 und der ersten Batteriezelle 3 in dem ersten Fügebereich 21, wie er insbesondere in den 1 bis 3 gezeigt ist, beschrieben. Selbstverständlich ist dieses Verfahren auf gleiche Weise auch auf die Fügeverbindungen 23, 31 sowie 33 anwendbar, so dass mit dem Verfahren nicht nur eine einzelne der Fügeverbindungen 21, 23, 31 und 33, sondern auch der gesamte Zellstapel 1 trennbar ist.The following is based on the 1 to 7 a method for separating the material bond between the cell connector 5 and the first battery cell 3 in the first joining area 21, as described in particular in the 1 to 3 As shown, described. Naturally, this method is also applicable in the same way to the joining connections 23, 31 and 33, so that not only a single joining connection 21, 23, 31 and 33, but also the entire cell stack 1 can be separated using the method.

Das Verfahren weist einen Bereitstellungsschritt und einen Trennschritt auf. Der Trennschritt schließt sich zeitlich an den Bereitstellungsschritt an.The process consists of a provisioning step and a separation step. The separation step follows the provisioning step in time.

Bei dem Bereitstellungsschritt wird zunächst der Zellstapel 1 bereitgestellt. Wie bereits oben erwähnt, weist der Zellstapel 1 zumindest den Zellverbinder 7, die erste Batteriezelle 3 und die zweite Batteriezelle 5 auf.In the provisioning step, cell stack 1 is provided first. As mentioned above, cell stack 1 includes at least cell connector 7, the first battery cell 3, and the second battery cell 5.

Zeitlich anschließend wird der Trennschritt durchgeführt. Bei dem Trennschritt wird der Zellverbinder 7 von der ersten Batteriezelle 3 dadurch getrennt, dass, bevorzugt ausschließlich, Material des Zellverbinders 7 und Material der Kontaktplatte 9 in dem ersten Fügebereich 21 sowie unmittelbar angrenzend neben dem ersten Fügebereich 21 mittels eines Ultrakurzpuls-Lasers (UKP-Laser) 41 abgetragen oder entfernt wird.The separation step is then carried out. In the separation step, the cell connector 7 is separated from the first battery cell 3 by removing, preferably exclusively, material of the cell connector 7 and material of the contact plate 9 in the first joining area 21 and immediately adjacent to the first joining area 21 using an ultrashort pulse laser (USP laser) 41.

Bei dem Trennschritt, wird das Material des Zellverbinders 7 und das Material der Kontaktplatte 9 jeweils ausgehend von einer Deckfläche 51 des Zellverbinders 7 in Tiefenrichtung T bis zu einer Tiefe entfernt, die in einem Bereich zwischen 2 mm bis 6 mm, bevorzugt in einem Bereich 4 mm bis 5 mm, liegt. Die Tiefenrichtung T erstreckt sich lotrecht zu der Deckfläche 51, welche Deckfläche 51 der ersten Batteriezelle 3 abgewandt ist. Bei dem Trennschritt wird das Material des Zellverbinders 7 und das Material der Kontaktplatte 9 jeweils vollautomatisiert entfernt. Das heißt, dass der Ultrakurzpuls-Laser 41 und/oder der von dem Ultrakurzpuls-Laser 41 erzeugte Laserstrahl während des Trennschrittes vollautomatisch geführt wird. Der Zustand der Fügebereiche 21 und 31 nach der Durchführung des Trennschrittes ist in den 4 und 5 gezeigt.In the separation step, the material of the cell connector 7 and the material of the contact plate 9 are each removed starting from a cover surface 51 of the cell connector 7 in the depth direction T to a depth in the range of 2 mm to 6 mm, preferably in the range of 4 mm to 5 mm. The depth direction T extends perpendicular to the cover surface 51 that faces away from the first battery cell 3. In the separation step, the material of the cell connector 7 and the material of the contact plate 9 are removed fully automatically. This means that the ultrashort pulse laser 41 and/or the laser beam generated by the ultrashort pulse laser 41 are guided fully automatically during the separation step. The condition of the joining areas 21 and 31 after the separation step is described in the 4 and 5 shown.

Der Ultrakurzpulslaser 41 kann ein Titan:Saphir-Laser sein. Der Ultrakurzpuls-Laser 41 ist einer anderen Laserklasse zuzuordnen, als beispielsweise ein lediglich gepulster oder hochfrequenter Laser. Denn der Ultrakurzpuls-Laser 41 weist eine Pulsdauer in einem Größenordnungsbereich zwischen 10-18 Sekunden und 10-15 Sekunden auf. Nur zum Vergleich weist der gepulste Standardlaser höchstens eine Pulsdauer in einem Größenordnungsbereich zwischen 10-9 Sekunden und 10-6 Sekunden auf. Durch die im Vergleich eklatant kürzere Pulsdauer des Ultrakurzpuls-Lasers 41 weist der Ultrakurzpuls-Laser 41 eine eklatant höhere Laserstrahlintensität als beispielsweise der gepulste Standardlaser auf. Mittels des Ultrakurzpuls-Lasers 41 wird das Material beim Abtragen oder Entfernen daher unmittelbar oder direkt verdampft oder geht direkt oder unmittelbar in Plasma über, und wird nicht wie beispielsweise bei dem gepulsten Standardlaser erst erwärmt, dann geschmolzen und dann verdampft. Anders ausgedrückt: Das Material sublimiert unter der Einwirkung eines von dem Ultrakurzpuls-Laser 41 erzeugten Laserstrahls. Das heißt, es geht unmittelbar oder direkt vom festen in den flüssigen Aggregatszustand über. Dadurch wird bei der Durchführung des Trennschrittes mittels des Ultrakurzpuls-Laser 41 keine Wärme auf die Batteriezellen 3 und 5 übertragen und es bildet sich auch keine Wärmeeinflusszone, weil das Material schneller verdampft als eine Wärmeübertragung oder Wärmeleitung auf die Batteriezellen 3 und 5 stattfinden kann. Die Batteriezellen 3 und 5 erwärmen sich daher nicht und werden thermisch - und im Übrigen auch mechanisch, wie ansonsten beispielsweise beim Fräsen - weder beschädigt, noch zerstört. Diese und weitere Unterschiede zwischen dem Ultrakurzpuls-Laser 41 und dem gepulsten oder hochfrequenten Standardlaser sind als Ergänzung in der nachstehenden Tabelle aufgeführt: Verfahrensparameter UKP-Laser qepulster Standardlaser Zeitskala Pulsdauer [s] 10-18 bis 10-15 10-9 bis 10-6 Kristall Titan:Saphir-Laser zum Beispiel CO2 Ablation Direktes Verdampfen(Phasenseparation) Erwärmung - Schmelzen - Verdampfen Wärmebelastung keine Wärmeeinflusszone ähnlichSchweißen Rissbildung keine Mikrorisse aufgrundthermischer Belastung Materialverformung gering ausgeprägt Strukturgrößen > 0,1 µm > 40 µm Rauheit > 1 µm > 2 µm Korrosionsanfälligkeit nein ja The ultrashort pulse laser 41 can be a titanium-sapphire laser. The ultrashort pulse laser 41 belongs to a different laser class than, for example, a simply pulsed or high-frequency laser. This is because the ultrashort pulse laser 41 has a pulse duration in the range of 10⁻¹⁸ seconds to 10⁻¹⁵ seconds. For comparison, a standard pulsed laser has a pulse duration in the range of 10⁻⁹ seconds to 10⁻⁶ seconds. Due to the significantly shorter pulse duration of the ultrashort pulse laser 41, it exhibits a significantly higher laser beam intensity than, for example, a standard pulsed laser. Using the ultrashort pulse laser 41, the material is therefore vaporized or transitions directly into plasma during ablation or removal, unlike, for example, a standard pulsed laser which first heats, then melts, and then vaporizes it. In other words, the material sublimates under the influence of a laser beam generated by the ultrashort pulse laser 41. That is, it transitions directly from the solid to the liquid state. As a result, no heat is transferred to battery cells 3 and 5 during the separation step using the ultrashort pulse laser 41, and no heat-affected zone is formed because the material vaporizes faster than heat transfer or conduction to battery cells 3 and 5 can occur. Therefore, battery cells 3 and 5 do not heat up and are neither thermally nor mechanically damaged, as would otherwise happen, for example, during milling. These and other differences between the ultrashort pulse laser 41 and the pulsed or high-frequency standard laser are listed in the table below: Procedure parameters UKP laser qepulster standard laser Time scale pulse duration [s] 10-18 to 10-15 10⁻⁹ to 10⁻⁶ crystal Titanium:sapphire laser for example CO2 ablation Direct evaporation (phase separation) Heating - Melting - Evaporation Heat stress no Heat-affected zone similar to welding Cracking no Microcracks due to thermal stress Material deformation small amount pronounced Structural parameters > 0.1 µm > 40 µm roughness > 1 µm > 2 µm Susceptibility to corrosion no Yes

Wie dies in der 6 dargestellt ist, weist eine Wirkungszone WZ oder Materialabtragszone des Ultrakurzpuls-Lasers 41 oder des von dem Ultrakurzpuls-Laser 41 erzeugten Laserstrahls die Form eines Kreiskegels auf. Die kreiskegelförmige Wirkungszone WZ erstreckt sich im zu entfernenden oder abzutragenden Material derart, dass eine Spitze des Kreiskegels, an der dem Ultrakurzpuls-Laser 41 abgewandten Seit angeordnet ist, wie dies ebenfalls in der 6 dargestellt ist. Ein weiterer Vorteil der Durchführung des Trennschrittes mittels UltrakurzpulsLaser 41 besteht darin, dass sich durch die Form der Wirkungszone WZ beim Entfernen des Materials am verbleibenden Material eine im Millimeterbereich glatte aber im Mikrometerbereich strukturierte Oberfläche 43 ergibt. Die strukturierte Oberfläche 43 am verbleibenden Material ist in der 7 dargestellt. Eine solche, im Millimeterbereich glatte und im Mikrometerbereich strukturierte Oberfläche 43 eignet sich optimal für ein erneutes Verschweißen eines oder des Zellverbinders mit den Batteriezellen 3 und/oder 5.As this is shown in the 6 As shown, the effective zone WZ or material ablation zone of the ultrashort pulse laser 41 or of the laser beam generated by the ultrashort pulse laser 41 has the shape of a circular cone. The circular cone-shaped effective zone WZ extends in the material to be removed or ablated such that one apex of the circular cone is located on the side facing away from the ultrashort pulse laser 41, as also shown in the 6 is shown. A further advantage of performing the separation step using an ultrashort pulse laser 41 is that, due to the shape of the effective zone WZ, a smooth surface 43 on the remaining material results in a surface 43 on the millimeter scale but structured on the micrometer scale when the material is removed. The structured surface 43 on the remaining material is in the 7 shown. Such a surface 43, smooth in the millimeter range and structured in the micrometer range, is ideally suited for re-welding one or the cell connector to the battery cells 3 and/or 5.

Grundsätzlich kann das Material bei dem Trennschritt auf unterschiedliche Art und Weise, bevorzugt schichtweise, entfernt oder abgetragen werden, wobei der Ultrakurzpuls-Laser 41 für die gesamte Dauer des Trennschrittes oder nur zeitlich begrenzt eingesetzt wird. So ist es beispielsweise möglich, dass zunächst ein Großteil des zu entfernenden Materials mit dem gepulsten oder hochfrequenten Standardlaser entfernt wird und erst gegen Ende des Trennschrittes der Ultrakurzpuls-Laser 41 zum Entfernen oder Abtragen des Materials eingesetzt wird. So werden mindestens zwei Vorteile miteinander kombiniert, und zwar die im Vergleich zu dem Ultrakurzpuls-Laser 41 hohe Materialabtrag-Geschwindigkeit des gepulsten oder hochfrequenten Standardlasers mit der, von dem Ultrakurzpuls-Laser bewirkten, im Millimeterbereich glatten und im Mikrometerbereich strukturierten Oberfläche am verbleibenden Material.In principle, the material can be removed or ablated in various ways during the separation step, preferably layer by layer, with the ultrashort pulse laser 41 being used for the entire duration of the separation step or only for a limited time. For example, it is possible to first remove a large portion of the material to be removed with the pulsed or high-frequency standard laser and only towards the end of the separation step to use the ultrashort pulse laser 41 for material removal or ablation. This combines at least two advantages: the high material ablation rate of the pulsed or high-frequency standard laser compared to the ultrashort pulse laser 41, and the smooth, millimeter-scale, and micrometer-scale structured surface of the remaining material produced by the ultrashort pulse laser.

Der Ultrakurzpuls-Laser 41 kann Teil einer Laserschneidanlage 61 sein. Zum Zweck des Materialabtrages wird die Laserschneidanlage 61 mit entsprechenden Parametern betrieben, so dass mit der Laserschneidanlage 61 der Trennschritt durchführbar ist. Während des Trennschrittes ist der Zellstapel 1, das heißt konkret sind die erste Batteriezelle 3 und die zweite Batteriezelle 5, in einer Spannvorrichtung 63 der Laserschneidanlage 61 eingespannt. Die Laserschneidanlage 61 kann eine Absaugung (nicht dargestellt) aufweisen. Mittels der Absaugung kann das bei dem Trennschritt verdampfte Material abgesaugt werden.The ultrashort pulse laser 41 can be part of a laser cutting system 61. For the purpose of material removal, the laser cutting system 61 is operated with appropriate parameters so that the cutting step can be carried out with the laser cutting system 61. During the cutting step, the cell stack 1, that is, specifically the first battery cell 3 and the second battery cell 5, is clamped in a clamping device 63 of the laser cutting system 61. The laser cutting system 61 can have an extraction system (not shown). The extraction system allows the material vaporized during the cutting step to be extracted.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
ZellstapelCell stack
33
erste Batteriezellefirst battery cell
55
zweite Batteriezellesecond battery cell
77
ZellverbinderCell connectors
99
KontaktplatteContact plate
1111
KontaktplatteContact plate
1313
ZellzwischenmaterialCellular intermediate material
2121
erster Fügebereich der ersten Batteriezellefirst joining area of the first battery cell
2323
zweiter Fügebereich der ersten Batteriezellesecond joining area of the first battery cell
3131
erster Fügebereich der zweiten Batteriezellefirst joining area of the second battery cell
3333
zweiter Fügebereich der zweiten Batteriezellesecond joining area of the second battery cell
4141
Ultrakurzpuls-LaserUltrashort pulse laser
4343
strukturierte Oberflächetextured surface
5151
DeckflächeCover surface
6161
LaserschneidanlageLaser cutting system
6363
SpannvorrichtungClamping device
SS
StapelachseStacking axis
TT
TiefenrichtungDepth direction
WZWZ
WirkungszoneArea of influence

Claims (9)

Verfahren zum Trennen einer Stoffschlussverbindung zwischen einem Zellverbinder und einer Batteriezelle, mit: einem Bereitstellungsschritt, bei dem eine erste Batteriezelle (3) bereitgestellt wird, die mit einem Zellverbinder (7) in einem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) in Fügeverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Trennschritt aufweist, bei dem der Zellverbinder (7) von der ersten Batteriezelle (3) dadurch getrennt wird, dass zumindest teilweise und/oder zeitweise mittels eines von einem Ultrakurzpuls-Laser (41) erzeugten Laserstrahls Material in dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) entfernt wird und/oder neben dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) entfernt wird.Method for separating a material connection between a cell connector and a battery cell, comprising: a provisioning step in which a first battery cell (3) is provided which is in a joining connection with a cell connector (7) in a first joining area (21) of the first battery cell (3), characterized in that the method comprises a separation step in which the cell connector (7) is separated from the first battery cell (3) by removing at least partially and/or temporarily material in the first joining area (21) of the first battery cell (3) and/or material adjacent to the first joining area (21) of the first battery cell (3) by means of a laser beam generated by an ultrashort pulse laser (41). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Trennschritt das Material in dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) und/oder, bevorzugt unmittelbar angrenzend, neben dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3), bevorzugt schichtweise, unmittelbar verdampft wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that during the separation step the material in the first joining area (21) of the first battery cell (3) and/or, preferably immediately adjacent, next to the first joining area (21) of the first battery cell (3), preferably layer by layer, is directly evaporated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultrakurzpuls-Laser (41) eine Pulsdauer in einem Größenordnungsbereich von 10-18 Sekunden bis 10-15 Sekunden aufweist, und/oder dass der Ultrakurzpuls-Laser (41) ein Titan:Saphir-Laser ist.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the ultrashort pulse laser (41) has a pulse duration in the order of 10⁻¹⁸ seconds to 10⁻¹⁵ seconds, and/or that the ultrashort pulse laser (41) is a titanium:sapphire laser. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Trennschritt das Material zunächst mittels eines gepulsten und/oder hochfrequenten Standardlasers und erst gegen Ende des Trennschrittes mittels des von dem Ultrakurzpuls-Laser (41) erzeugten Laserstrahls entfernt und/oder abgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the separation step the material is first removed and/or ablated by means of a pulsed and/or high-frequency standard laser and only towards the end of the separation step by means of the laser beam generated by the ultrashort pulse laser (41). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Trennschritt das Material des Zellverbinders (7) und/oder eines Zellterminals der ersten Batteriezelle (3) und/oder einer Kontaktplatte (9) eines Zellterminals der ersten Batteriezelle (3) in dem ersten Fügebereich (21) oder neben dem ersten Fügebereich (21) mittels Abtragen entfernt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that during the separation step the material of the cell connector (7) and/or a cell terminal of the first battery cell (3) and/or a contact plate (9) of a cell terminal of the first battery cell (3) is removed in the first joining area (21) or next to the first joining area (21) by means of ablation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Trennschritt der Zellverbinder (7) von der ersten Batteriezelle (3) dadurch getrennt wird, dass, bevorzugt ausschließlich, Material, bevorzugt des Zellverbinders (7), neben dem ersten Fügebereich (21) entfernt wird, das, bevorzugt unmittelbar, an den ersten Fügebereich (21) angrenzt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the separation step the cell connector (7) is separated from the first battery cell (3) by removing, preferably exclusively, material, preferably of the cell connector (7), next to the first joining area (21), which preferably directly adjoins the first joining area (21). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bereitstellungsschritt eine zweite Batteriezelle (5) bereitgestellt wird, die mit dem Zellverbinder (7) in einem ersten Fügebereich (31) der zweiten Batteriezelle (5) verbunden ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the provisioning step a second battery cell (5) is provided which is connected to the cell connector (7) in a first joining area (31) of the second battery cell (5). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Trennschritt das Material in dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) und/oder neben dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) ausgehend von einer Deckfläche (51) des Zellverbinders (7) in Richtung der ersten Batteriezelle (3) und/oder in einer Tiefenrichtung (T) bis in eine Tiefe entfernt wird, die in einem Bereich zwischen 2 mm bis 6 mm, bevorzugt in einem Bereich 4 mm bis 5 mm, liegt, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die Deckfläche (51) des Zellverbinders (7) der ersten Batteriezelle (3) abgewandt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the separation step the material in the first joining area (21) of the first battery cell (3) and/or next to the first joining area (21) of the first battery cell (3) is removed starting from a cover surface (51) of the cell connector (7) in the direction of the first battery cell (3) and/or in a depth direction (T) to a depth which lies in a range between 2 mm and 6 mm, preferably in a range of 4 mm to 5 mm, It is preferably provided that the cover surface (51) of the cell connector (7) faces away from the first battery cell (3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Trennschritt das Material in dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) und/oder neben dem ersten Fügebereich (21) der ersten Batteriezelle (3) automatisiert, bevorzugt vollautomatisiert, entfernt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the separation step the material in the first joining area (21) of the first battery cell (3) and/or next to the first joining area (21) of the first battery cell (3) is removed automatically, preferably fully automatically.
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