Warum steht im Sommer ein elektrisches Schneemobil auf der LASER World of PHOTONICS 2023? Diese Premiere der arktischen Art verdanken die Messebesucher*innen dem finnischen Fahrzeughersteller Aurora Powertrains Oy. Das Startup hat für die arktischen Temperaturen dieser Region kältefeste Batterien mit äußerst hoher Energiedichte entwickelt. Die dazu nötige maßgeschneiderte Fügetechnik stammt von den Laserschweiß-Fachleuten des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT aus Aachen.

Einer der wahrscheinlich kleinsten und sicherlich coolsten Fahrzeughersteller der Welt sitzt im hohen Norden Finnlands. Das Startup Aurora Powertrains Oy aus Rovaniemi hat mit dem eSled eines der weltweit ersten elektrischen Schneemobile entwickelt. Die Motivation für die Forschenden: Nachhaltige Mobilität auch in der Kälte, denn die elektrischen Schneemobile stoßen kein CO2 aus und fahren geräuschreduziert durch die arktische Landschaft. Ein Schneemobil wiegt bis zu 270 Kilogramm und fährt mit einer Ladung je nach Batterieleistung (Energiekapazität: 7 bis 21 kWh) 40 bis 100 Kilometer weit. Auffallend hoch ist mit mehr als 190 Wh/kg die sehr hohe Energiedichte der selbst entwickelten wasser- und staubdichten Batterie mit IP67-Klassifizierung.

Ganzheitliche Betreuung: von der Idee bis zur Großserie
Zum Einsatz kommen Lithium-Ionen-NMC-Pouch-Zellen mit 0,2 mm dünnen elektrischen Kupfer- und Aluminium-Kontakten. Da der Platz bei der Produktion für den effizienten Einsatz von Ultraschallschweißgeräten nicht ausreichte, ließ Aurora Powertrains am Fraunhofer ILT einen maßgeschneiderten Laserschweißprozess entwickeln. »Wir haben die Idee evaluiert, die ersten Muster gefertigt und das finnische Startup bei der Weiterentwicklung begleitet«, erklärt Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen am Fraunhofer ILT. »Jetzt unterstützen wir sie bei der Umsetzung für die Großserien-Fertigung.«

Die Finnen schweißen mit einem Single Mode 1 kW-Faser-Laser mit 1070 nm Wellenlänge und einer Strahlbreite von 30 µm, dessen Steuerungselektronik die Leistung örtlich moduliert.

Der Laserstrahl wird daher nicht geradlinig, sondern auch in Linien mit überlagerten Kreisen über das Bauteil geführt. »Für die Leistungsmodulation spricht, dass wir bei gleicher Laserleistung deutlich an Schweißnahtbreite gewinnen und so die elektrische Leitfähigkeit erhöhen«, erklärt Sören Hollatz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT.

Infrarot-Laser schweißt schnell und effektiv
Die Aachener entschieden sich bei der Verbindung, hier Aluminiumzellableiter auf Kupferableiter, für den konventionellen Infrarot-Laser. »Weil das Aluminium oben liegt, ist der Vorteil der Absorption bei grüner oder blauer Laserwellenlänge nicht so gravierend wie bei Kupfer. Stattdessen haben wir in diesem Fall den Infrarot-Laser mit kleinem Strahldurchmesser bevorzugt«, sagt Sören Hollatz. »Die Strahlqualität fällt bei Grün oder Blau systembedingt aktuell noch schlechter aus. Der Single Mode-Infrarotlaser ist daher die elegantere, schnellere und deutlich kostengünstigere Lösung.«

Das neu konstruierte Batteriekonzept interessiert wegen der hohen Energiedichte und IP67-Klassifizierung bereits Unternehmen aus unterschiedlichsten Branchen. Als Basis dienen Grundmodule, die das Startup über lasergeschweißte Steckkontakte zu einer Batterie verknüpft. Weil sich Größe und Spannungskonzept anpassen lassen, eignen sich die Batterien aus der Arktis auch für Arbeitsmaschinen, Energiespeicher und größere Fahrzeuge.

Skalierbares Batteriekonzept auch für elektrische Lkw geeignet
»Dank der Skalierbarkeit können wir sogar Batterien für elektrisch angetriebene Lastkraftwagen fertigen und das im Vergleich zu herkömmlichen Batteriemodulen mit moderatem Aufpreis für technischen Mehraufwand«, erklärt Matti Autioniemi, Geschäftsführer und Mitgründer von Aurora Powertrains, stolz. »Aktuell entwickeln wir Konzepte für ein finnisches Elektrobootunternehmen und einen Geländewagen, dessen Batterie für 120 kWh ausgelegt ist. Wir haben im April ein neues Projekt begonnen, um ein Konzept für ein spezielles elektrisches Wasserfahrzeug zu entwickeln.«