Kupfer könnte die Batteriemodule von E-Bikes und E‑Scootern deutlich leichter und effizienter machen. Doch bislang kam das Metall trotz seiner starken Leitfähigkeit kaum im Einsatz. Nun zeigt ein neues Verfahren, wie sich Kupfer ohne teure Anlagen verarbeiten lässt.
Akkus für E-Bikes oder E-Scooter stehen vor einer technischen Hürde. Bisher verschalten Hersteller die einzelnen Zellen meist mit Verbindern aus Stahl. Da Stahl Strom jedoch vergleichsweise schlecht leitet, müssen die Bauteile bei leistungsstarken Batterien immer dicker und schwerer werden.
Das schränkt die Effizienz der mobilen Energiespeicher zunehmend ein. Kupfer bietet in der Batteriebranche schon lange eine bessere Performance für die Verschaltung einzelner Module. Denn das Metall leitet elektrischen Strom rund sechsmal besser als Stahl.
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Durch diese physikalische Eigenschaft ermöglichen deutlich dünnere Verbinder eine Gewichtseinsparung, was das gesamte Batteriemodul am Ende leichter macht. Trotz des höheren Eigengewichts von Kupfer führt die Materialersparnis zu einer Gewichtsreduktion des Gesamtsystems.
Akkus für E-Bikes: Technischen Hürden bei der Kupferverarbeitung
Bisher bremsten die hohen Anforderungen der Fertigungstechnik den flächendeckenden Einsatz von Kupfer aus. Denn das herkömmliche Buckelschweißen, das in der Industrie für Stahlverbinder weitverbreitet ist, funktioniert bei Kupfer nicht zuverlässig genug.
Da das Metall Wärme optimal leitet, transportiert es die beim Schweißen erzeugte Hitze sofort in alle Richtungen ab. Das verhindert die notwendige lokale Energiekonzentration, sodass keine stabile Schweißverbindung entstehen kann. Als Alternative zum klassischen Verfahren bietet sich zwar das Laserschweißen an, doch die Kosten für solche Anlagen sind sehr hoch.
Für mittelständische Batteriehersteller in Deutschland bedeutet das oft eine zu hohe Investitionshürde. Viele Unternehmen müssten ihre gesamte Fertigungslinie für dieses Verfahren komplett umbauen. Ein Forscherteam am Fraunhofer ISE hat nun jedoch eine Lösung präsentiert, die ohne teure neue Maschinen auskommt.
Kupfer-Zellverbinder: Ein neues Verfahren durch Sublimation
Projektleiter Christian Schiller vom Fraunhofer ISE setzt auf ein Kurzzeitschweißen mit einer besonders hohen Wärmestromdichte. Bei diesem ultraschnellen Prozess schmilzt das Metall nicht wie üblich auf, sondern es sublimiert direkt.
Sublimation bedeutet, dass der Feststoff unmittelbar in einen gasförmigen Zustand übergeht. Die Anlage stellt den Schweißpunkt dabei in weniger als 0,6 Sekunden fertig, noch bevor die erzeugte Wärme überhaupt in das umliegende Material abfließen kann.
Besonders erfolgreich testete das Team das Verfahren bereits im industriellen Zellenformat 21700. Nano-Computertomografie-Aufnahmen belegen, dass die unbeschichteten Kupferverbinder sauber auf dem Gehäuseboden sitzen.
Das Verfahren schont dabei die darunterliegende Struktur der Zelle und verhindert gefährliche Beschädigungen während der Produktion. In der automatisierten Schweißzelle übernimmt ein kollaborativer Roboter die präzise Positionierung der Bauteile.
Inline-Messmethoden für die Massenproduktion
Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal des Forschungsprojekts sind die neu entwickelten, nicht invasiven Inline-Messmethoden zur Qualitätskontrolle. Diese Systeme bewerten jeden einzelnen Schweißpunkt automatisch und ohne Zeitverlust direkt in der laufenden Fertigungslinie.
Beim Sublimationsmechanismus gelten andere physikalische Kriterien als beim herkömmlichen Schmelzschweißen. Daher war diese Neuentwicklung für die industrielle Anwendung unverzichtbar. So sichern Hersteller die Zuverlässigkeit der Verbindung, ohne das Bauteil zu zerstören.
Die Forschungsarbeiten finden seit Juni 2023 im Rahmen des Projekts „BatCO₂tiv“ statt und erhalten Fördergelder vom Bundeswirtschaftsministerium. Bis zum geplanten Projektende im Mai 2027 entstehen zudem umfassende Designregeln für Zellverbinder und Zellhalter. Diese Regeln sollen sicherstellen, dass die parallel verschalteten Zellen in einem Modul eine gleichmäßige Bestromung erfahren.
Wirtschaftliche Vorteile für deutsche Hersteller
Das Projekt verfolgt das Ziel, die Effizienz und Lebensdauer der Batteriemodule durch die optimierte Kupferverschaltung weiter zu steigern. Der geringere elektrische Widerstand sorgt dafür, dass weniger Energie als Wärme verloren geht. Davon profitieren vor allem Anwendungen mit hohen Strömen, in denen das Modul effizienter arbeiten muss.
Ein entscheidender Vorteil dieser Innovation liegt in der Weiternutzung bestehender Infrastrukturen. Batteriehersteller müssen ihre vorhandenen Buckelschweißanlagen nicht ersetzen, sondern arbeiten mit angepassten Prozessparametern einfach weiter. Dies senkt die Einstiegshürden erheblich und hilft deutschen Unternehmen dabei, gegenüber dem asiatischen Wettbewerb konkurrenzfähig zu bleiben.
Hersteller nutzen Kupfer so ohne das Risiko teurer Neuinvestitionen in Laserschweißanlagen. Das bayerische Unternehmen Smart Battery Solutions integriert den neuen Prozess als erster Hersteller in seine Fertigungslinie. Die kupferverschalteten Batterien erweitern zukünftig die hauseigene UniPower-Produktfamilie. Diese Module treiben unter anderem E-Bikes und Sharing-Systeme für die städtische Paketzustellung auf der letzten Meile an.
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