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WO2023052613A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer elektrode - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer elektrode Download PDF

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Publication number
WO2023052613A1
WO2023052613A1 PCT/EP2022/077334 EP2022077334W WO2023052613A1 WO 2023052613 A1 WO2023052613 A1 WO 2023052613A1 EP 2022077334 W EP2022077334 W EP 2022077334W WO 2023052613 A1 WO2023052613 A1 WO 2023052613A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
depression
belt
strip
electrode foil
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/077334
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias JANSEN
Original Assignee
Volkswagen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen Ag filed Critical Volkswagen Ag
Priority to CA3233223A priority Critical patent/CA3233223A1/en
Priority to EP22798112.3A priority patent/EP4406032A1/de
Priority to JP2024519693A priority patent/JP2024537809A/ja
Priority to CN202280065757.1A priority patent/CN118043981A/zh
Priority to KR1020247012971A priority patent/KR20240055901A/ko
Publication of WO2023052613A1 publication Critical patent/WO2023052613A1/de
Priority to US18/623,487 priority patent/US20240238898A1/en

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0838—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction by using an endless conveyor belt
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    • B65H2801/72—Fuel cell manufacture
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a device for producing an electrode for a lithium-ion battery cell, the device comprising a conveyor belt and a laser cutting device. Furthermore, the invention relates to a method for producing an electrode, in particular using the device.
  • An electrically driven motor vehicle typically has a traction battery (high-voltage battery, HV battery) which supplies an electric motor for driving the motor vehicle with energy.
  • An electrically powered motor vehicle is, in particular, an electric vehicle that only stores the energy required for the drive in the traction battery (BEV, battery electric vehicle), an electric vehicle with a range extender (REEV, range extended electric vehicle), a hybrid vehicle (HEV, hybrid electric vehicle), a plug-in hybrid vehicle (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) and/or a fuel cell vehicle (FCEV, fuel cell electric vehicle), which temporarily stores the electrical energy generated by a fuel cell in the traction battery.
  • BEV battery electric vehicle
  • REEV range extended electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • FCEV fuel cell electric vehicle
  • Such a traction battery which is designed as a lithium-ion battery, has at least one battery cell, which in turn comprises at least one anode and at least one cathode.
  • a foil-like and strip-like electrode foil is typically provided with a coating of active material, in particular on both sides. The coating is then compacted by at least one pair of rollers of a calender. The coated electrode foil is then cut to size and/or cut off to form the individual anodes or the individual cathodes.
  • a device with a conveyor belt is known from JP 2013 136437 A, by means of which electrodes are isolated from an electrode foil which is coated intermittently in the (electrode foil) longitudinal direction. To do this, the electrode foil is cut to length and cut to form the contact areas (contact lug, absorber lug) in the uncoated area.
  • the band of the conveyor belt formed from steel plates has through holes. These serve to prevent the cutting tool from acting on the tape during the cutting process of the electrode foil.
  • the strip-shaped electrode foil is continuously coated, with an uncoated area being provided for the contact sections (conductor lugs) in the transverse (electrode foil) direction. If the contact sections are first cut out (“notching”), however, there is a risk, particularly at comparatively high transport speeds and/or with comparatively thin electrode foils, that the cut-out contact sections will buckle or bend when the electrode foil is deflected and/or when the electrode foil is wound onto a supply roll. Due to this, the contact portions are embossed so that their flexural rigidity is increased.
  • the invention is based on the object of specifying a particularly suitable method and a device for producing an electrode for a lithium-ion battery.
  • the electrode should be produced in as time-saving a manner as possible and/or damage to the belt of the conveyor belt should be avoided.
  • the device is intended and set up for producing an electrode for a lithium-ion battery cell.
  • an electrode comprises a film-like substrate, which is also referred to below as an electrode film.
  • This is designed, for example, as a metal foil, in particular an aluminum foil or a copper foil, or as a coated plastic or carbon foil.
  • the electrode foil is expediently provided with a first section, preferably on both sides, with a coating that includes active material.
  • Such an electrode also includes a contact section, by means of which the electrode can be electrically connected to other electrodes, a cell conductor or the like.
  • the device comprises a conveyor belt with a belt, which is also referred to as a belt or as a conveyor belt.
  • the conveyor belt is particularly preferably designed as a vacuum conveyor belt, with the belt expediently having through-going channels or holes, so that on a support side of the belt on which the material to be conveyed - here the coated electrode foil and/or the electrode(s) - rests, a vacuum can be generated and the good can be fixed accordingly to the belt.
  • the band has on its support side (outside, upper side) a first indentation extending in the transverse direction of the band.
  • the indentation is not formed continuously through the strip, ie in the manner of a groove or joint.
  • a depth of the indentation is between one quarter and three quarters of the strip thickness.
  • the depth of the indentation is between 2 mm and 10 mm.
  • the transverse direction of the belt is to be understood as that direction which is oriented perpendicularly to a running direction (conveying direction, longitudinal direction) of the belt and perpendicularly to the normal of a plane spanned by the belt.
  • the band expediently has a plurality of first indentations which are spaced equidistantly from one another in the longitudinal direction of the band. The distance between the first depressions defines the width of the electrode to be produced.
  • the device also includes a laser cutting device (laser beam cutting device).
  • laser cutting device laser beam cutting device
  • This is used to cut an electrode foil lying on the belt, ie one conveyed with the conveyor belt, in the region of the first depression, in particular along the first depression.
  • the electrode foil is cut along the depression.
  • a laser beam generated by the laser cutting device is guided along the recess during cutting.
  • the laser beam is aimed at the support side, so the laser cutter is aimed at the indentation of the support side.
  • the laser cutting device is, for example, a laser scanner or includes several laser scanners.
  • the laser cutter is a polygon laser scanner.
  • the laser cutting device is therefore adjusted and/or oriented in such a way that the cutting of the electrode film takes place over the depression. Because of the indentation, the point at which the laser beam acts on the electrode foil is at a distance from the strip. In summary, the effect of the laser beam on the strip is advantageously avoided due to the first indentation and, as a result, the risk of damage to the strip and/or the risk of the electrodes being welded to the strip is reduced.
  • the band has a second indentation which is L-shaped or stepped.
  • This second indentation is provided for cutting out the contact section of the electrode from the electrode foil using the laser cutter.
  • the second deepening is used for "notching".
  • a first section of the second indentation extends, starting from the first indentation, in the longitudinal direction of the strip, that is to say transversely to the first indentation.
  • a second section of the second indentation extends parallel to the first indentation towards the lateral edge of the band, that is to say in the transverse direction of the band from a middle of the band to the outside of the band.
  • the second indentation is expediently arranged decentrally in the band, that is to say offset in the transverse direction of the band in relation to a central plane of the band.
  • the second depression has an L-shape, it is formed from the first section as a vertical leg of the L and the second section as a horizontal leg of the L. If the second depression has a stepped shape, it is formed from the first and the second in a manner analogous to the L-shape, with a further third section of the second depression extending from a free end of the second section to an end of a further, adjacent first depression extends.
  • the band expediently comprises a plurality of second indentations, the first section of which each extends starting from one of the first indentations.
  • the first indentation and the second indentation are designed to be contiguous, in other words the first indentation, the second indentation, and possibly further first and second indentations form a common, uninterrupted indentation in the band.
  • the material being conveyed in this case the electrode film, is cut to size in such a way that the contact sections of the electrodes protrude in the transverse direction of the belt.
  • a continuously coated electrode foil is expediently used for this purpose, which has an uncoated area for the contact section at the end with respect to the transverse direction of the strip.
  • the laser cutting device is expediently additionally provided and set up to cut the conveyed material in the area of the second depression, in particular along the second depression.
  • the transversal cut ie the cutting to length of the electrode foil and the cutting out of the contact sections, is therefore particularly advantageously carried out together on the strip using the laser cutting device.
  • the electrode foil is wound up and then fed to another device for cutting to length, the relative position of the contact sections and the transverse cut, and thus the end of the electrode in Longitudinal direction of the strip, already defined by the joint cutting process using the laser cutter. An undesired deviation from a predetermined relative position is thus advantageously avoided.
  • the electrode film does not have to be wound up onto a supply roll after notching, so that advantageously embossing of the contact sections or the uncoated area of the electrode film is not necessary.
  • the band has a layered structure with a carrier layer and with a support layer for the electrode foil.
  • the band is formed based on the layered structure.
  • the carrier layer is preferably formed from a metal, a metal alloy or glass fiber or comprises at least one of these materials, so that the tape has a comparatively high dimensional stability. Additionally or alternatively, for the carrier layer such materials are used whose absorption coefficient for the laser radiation used is comparatively low or completely transparent.
  • the overlay layer forms the overlay side of the band, in other words the overlay layer is arranged on the outside of the band and faces the laser cutting device.
  • the layered structure comprises a further lower layer, with the carrier layer being arranged between the support layer and the lower layer.
  • the bottom layer is optional.
  • a material is preferably used for the lower layer which is comparatively abrasion-resistant, flexible, thermally stable and/or easy to clean.
  • a thermoplastic material or the like is suitable for this purpose, for example.
  • a lower layer designed in this way offers tribological advantages in particular with regard to higher adhesive strength, so that there is no or at least a comparatively greatly reduced slip on the drive roller.
  • wear on the belt, in particular on the carrier layer is reduced or can be reduced, smoother running is achieved, and/or a noise level is reduced or can be reduced.
  • the first depression and/or the second depression is suitably formed by means of a groove-like recess in the overlay layer.
  • the recess is continuous through the overlay layer in the direction normal to the tape.
  • the first and/or second depression is therefore not formed using the carrier layer, so that the latter is particularly dimensionally stable.
  • a marking for determining the position of the first indentation and/or the second indentation for the cutting process by the laser cutting device is arranged on the strip.
  • a marking is preferably arranged on the strip for each of the first depressions, with the markings having the same position relative to the respectively associated first depression. The markings are thus spaced equidistantly in the longitudinal direction of the strip.
  • the marking or markings are expediently arranged at the edge, ie on the outside in the transverse direction of the strip, in particular on the support layer, so that they are not covered by the electrode film even when it is being conveyed.
  • the marking is, for example, a pattern on the tape, in particular a QR code, or a structure of the tape, in particular a pattern of holes in the tape.
  • Slippage of the electrode foil ie relative displacement of the conveyed electrode foil to the conveyor belt, which occurs in particular due to the feeding of the electrode foil onto the conveyor belt, can advantageously be determined and possibly corrected using the marking or markings. In this way, non-uniformity in the width of the electrodes to be produced, ie their expansion in the longitudinal direction of the strip, is avoided.
  • the device includes a receiving unit for receiving the electrodes from the strip, the receiving unit being driven in rotation.
  • the electrodes can be picked up comparatively quickly using a rotary-driven pick-up unit, so that the production rate is advantageously increased.
  • the receiving unit is designed as a stacking wheel to which the electrodes are expediently fed using the conveyor belt.
  • the receiving unit comprises one, preferably more than one, gripper or sucker, by means of which the electrodes conveyed by means of the belt can be removed from the belt.
  • the grippers or the suckers can be moved on a circular path about a common (first) axis of rotation.
  • each of the grippers/suckers can preferably be rotated about a further (second) axis of rotation, which is parallel to the first axis of rotation. Based on the rotation of the respective gripper/sucker, its speed can be adjusted to that of the conveyor belt.
  • the strip is deflected between 90° and 180°, in particular by 135°, to form a removal area for removing the electrodes by means of the receiving unit.
  • the (conveying direction) direction of movement of the belt in the cutting area is between 90° and 180°, in particular using a deflection roller of the conveyor belt, inclined against the direction of movement of the belt in the removal area.
  • channels for removing ablation products of the laser cutting process extend from the first depression and/or from the second depression to an underside of the band.
  • the depression thus has a dual function. On the one hand, the effect of the laser on the tape is avoided, on the other hand, they are used to transport away the ablation products of the laser cutting process.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing an electrode, which is designed as a roll-to-sheet process.
  • individual electrodes are produced from a band-shaped coated electrode foil that is unwound from a supply roll.
  • a device is preferably used for this purpose, which is designed in one of the variants presented above with a first and a second recess.
  • the electrode foil is continuously coated, with this having an uncoated area for the contact sections at the end in the transverse direction of the electrode foil.
  • the electrode foil is fed to the conveyor belt, which is designed in particular as a vacuum conveyor belt, so that the electrode foil rests on the belt of the conveyor belt and is conveyed by it.
  • the electrode band does not protrude beyond the band in the transverse direction of the band.
  • both a contour cut for forming the contact portion of the electrode and a transverse cut for separating the electrode from the electrode foil are performed by means of a laser beam.
  • the corresponding cutting area of the electrode foil is arranged completely over the strip.
  • a relative position of the contact sections to the coated area is firmly defined by the cutting to length and by the notching in a common cutting process, and a relative displacement of these to one another is avoided.
  • embossing of the uncoated area of the electrode foil or the contact sections (conductor lugs) is no longer necessary.
  • the electrode is removed from the strip by means of a rotary-driven receiving unit, in particular a receiving unit according to one of the variants presented in connection with the device.
  • a rotary-driven receiving unit in particular a receiving unit according to one of the variants presented in connection with the device.
  • the electrodes can be picked up from the strip and, if necessary, stacked or stored in a magazine relatively quickly.
  • a further advantage of the invention ie of the device and the method, is that the electrode belt and the conveyor belt can be moved continuously and expediently at a constant conveying speed. A process rate is thus increased compared to a stop-and-go method.
  • FIG. 1 shows a schematic of a device for producing an electrode, the device having a conveyor belt for conveying an electrode foil, a laser cutting device for cutting the electrode foil to form the electrode, and a rotary-driven receiving unit for removing the electrode from the conveyor belt,
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the belt of the conveyor belt according to a first variant, the belt having indentations extending in the transverse direction of the belt,
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of the belt of the conveyor belt according to a second variant, the belt additionally having a second indentation extending in a stepped manner
  • Fig. 4a, b shows a schematic cross section through the strip according to the section plane IVa-IVa or along the section plane IVb-IVb of Fig. 3
  • FIG. 6 schematically shows a coated electrode foil and an electrode cut out of it.
  • a device 2 for producing an electrode 4 for a lithium-ion battery cell is shown schematically in a side view.
  • the device 2 is set up to produce at least one electrode, expediently a large number of electrodes, from a strip-shaped electrode film 6 (cf. also FIG. 6) in a roll-to-sheet process.
  • the device 2 comprises a conveyor belt 8 designed as a vacuum conveyor belt, the belt 10 of which is guided and/or driven by means of deflection rollers 12 . Furthermore, the device 2 includes a laser cutting device 14 for cutting the electrode foil 6 conveyed on the belt 10 and lying on it. The band is shown in dot-dash lines in FIG. 1 for better identification of the electrode foil 6 .
  • a first variant and a second variant of the belt 10 is shown schematically in a plan view.
  • the band 10 has continuous vacuum channels 18, so that a vacuum can be generated on the contact side 22 of the band 10 using a pump 20 or using a compressor or the like, so that the electrode foil 6 or the electrode(s) 4 can be fixed on the tape 10.
  • the band 10 has a number of first indentations 24 extending in the transverse direction Q of the band on its support side 22 .
  • the first depressions 24 are arranged equidistantly in the strip 10, a width b of the electrodes 4 to be produced being defined on the basis of the distance between the first depressions 24 and one another.
  • this has a number of second depressions 26 in addition to the first depression 24 .
  • Each of the second depressions 26 is formed in a stepped manner.
  • the second depressions 26 each extend from one of the first depressions 24 to the first depression 24 adjacent to this.
  • a first section 26a of the respective second depression 26 extends, starting from the respective first depression 24, in the longitudinal direction L of the belt 10.
  • a second Section 26b of the second depression 26 extends, starting from that end of the first section 26a which faces away from the first depression 24, in the transverse direction Q of a center plane of the belt 10.
  • first and second sections 26a, 26b form an L-shaped depression, with the first section 26a forming the vertical leg of the L and the second section 26b forming the horizontal leg of the L.
  • the first section 26a extends continuously from the first recess 24 to the second section 26b.
  • a third section 26c of the second depression 26 extends in the longitudinal direction L of the belt, forming a stepped shape of the second depression 26 from the end of the second section 26b facing away from the first section 26a to the adjacent first depression 24.
  • the third section 26c is optional. This is not the case, in particular, if the height hß of an uncoated section 28 of the electrode foil 6 corresponds to a predetermined height hK of the contact section 30, i.e. the extension of the contact section 30 in the electrode foil transverse direction QE (cf. also FIG. 6).
  • the first indentations 24 and the second indentations 26 form a pattern that is periodically repeated in the longitudinal direction L of the strip, along which pattern the electrode foil 6 conveyed by means of the strip 10 is cut using the laser cutting device 14 .
  • the electrode foil 6 is cut in the area, in particular along, the first and second indentations to form the electrode(s) using the laser cutting device 14 .
  • the first depressions 24 extending in the transverse direction Q of the strip are provided for a transverse cut, ie for cutting the electrode foil 6 to length.
  • the second depressions 26 are provided for cutting out the contact section 30 of the respective electrode 4 . Due to the indentations 24, 26, the electrode foil 6 is spaced apart from the strip 10 in the area in which it is cut using the laser cutting device 14, so that the laser beam emitted by the laser cutting device 14 does not affect the strip 10.
  • the tape 10 has a layered structure with a carrier layer 32, which is made of a metal, an alloy, glass fibers, or a material whose absorption coefficient for the laser radiation used is very low or very high .is completely transparent.
  • a support layer 34 is arranged on one side of the carrier layer.
  • the carrier layer forms the support side 22 of the belt, on which the electrode foil 6 rests during conveying.
  • the first recess 24 and the second recess 26 are formed like grooves.
  • the first indentation 24 and the second indentation 26 therefore extend, starting from the contact side 22 , towards a (belt) underside 38 .
  • Each of the first indentations 24 and each of the second indentations 26 are thus formed by means of a groove-like recess 40 in the overlay layer 34 formed. In other words, each of the first and second depressions 24, 26 extends only within the overlay layer 34.
  • channels 42 each extend from the depressions 24, 26 through the band BD, ie through the carrier layer and through the lower layer. These channels 42 serve to carry away ablation products of the laser cutting process.
  • a marking 44 is arranged in an edge region of the strip 10 for each first depression 24 for cutting the electrode foil 6 .
  • This is designed here as a QR code, for example, and is used to determine the position of the first depression 24 for the cutting process, since the depressions 24 , 26 are covered by the electrode film 6 .
  • the laser cutting device 14 accordingly comprises a detection unit (not shown), for example a camera, and an evaluation unit, which is used to set the position of the first depressions 24, 26 and, as a result, the alignment or orientation of the laser beam generated by the laser beam device 14 for the cutting .
  • the strip 10 is deflected by a deflection roller 12 at an angle between 90° and 180°, here by 135° by way of example.
  • a receiving area 48 is formed, in which a rotationally driven receiving unit 50 can receive the electrodes 4 from the band 10 .
  • the pick-up unit 50 deposits the picked-up electrodes 4 in a stack in a magazine 58 .
  • the receiving unit 50 comprises a number of grippers or suckers 60, by means of which the electrodes 4 conveyed by means of the belt 10 are removed from the belt 10.
  • the grippers or the suckers 60 can be moved on a circular path about a common first axis of rotation Ri (axis of rotation).
  • each of the grippers/suckers is rotatable about a second axis of rotation R2, which is parallel to the first axis of rotation Ri and runs on the circular path. Based on the rotation of the respective gripper/sucker about its second axis of rotation R2, its speed can be adapted to that of the belt 10.
  • the first axis of rotation Ri of the receiving unit 50 is always parallel to the transverse direction Q of the band 10.
  • FIG. 1 shows the rotation about the second axis of rotation R2 in only one direction of rotation—counterclockwise in the view of FIG.
  • the respective gripper/sucker can preferably be rotated in both directions of rotation about the second axis of rotation R2.
  • FIG. 5 shows a flowchart that summarizes a roll-to-sheet manufacturing method for an electrode 4 using the device shown above.
  • the band-shaped electrode foil 6 (cf. FIG. 6) is unwound from a supply roll 52 using an unwinding device 54 and fed to the conveyor belt 8 .
  • the strip-shaped electrode foil 6 is conveyed on the belt 10 of the conveyor belt 8 in the conveying direction F into the cutting area 46, where the electrode foil 6 is cut using the laser cutting device 14 both with a contour cut to form the contact section 30 of the respective electrode 4 and with a transverse cut to separate the respective electrode 4 is provided by the electrode foil 6 (step II.).
  • the belt 10 is preferably moved at a constant speed.
  • the corresponding cutting area for the transverse cut and for the contour cut for forming the contact section 30 is arranged completely over the band.
  • the remnants of the electrode foil 6 remaining during the cutting are removed from the conveyor belt 8 by a cleaning concept that is not shown in detail.
  • the electrode 4 that has been cut out is then conveyed from the cutting area 46 to the receiving area 48, where the electrode 4 is removed from the belt 10 by means of the rotary-driven receiving unit 50 and then deposited and stacked in the magazine 58 by means of the receiving unit 50 (step III.).
  • FIG. 6 shows a schematic top view of the coated electrode foil 6 and an electrode 4 cut out of this electrode foil 6 using the device 2 and/or according to the method.
  • the strip-shaped electrode film 6 has a first region 62 in which it is coated, preferably on both sides. In this case, the electrode film 6 is coated continuously, ie without interruption, in the first region 62 with respect to a longitudinal direction LE of the electrode strip.
  • the electrode film 6 At the end in an electrode film transverse direction QE (electrode strip transverse direction QE) oriented perpendicularly to the electrode strip longitudinal direction LE, the electrode film 6 on the uncoated area 28, which is intended to form the contact sections 30.
  • the electrode 4 is formed with the contact section 30 and a coated section 56, that is to say manufactured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Diese umfasst ein Förderband (8) mit einem Band (10), welches auf dessen Auflageseite (22) eine sich in Bandquerrichtung (Q) erstreckende erste Vertiefung (24) aufweist, und ein Laserschneidgerät (14) zum Schneiden einer auf dem Band (10) aufliegenden bandförmigen Elektrodenfolie (6) im Bereich der ersten Vertiefung (24). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere anhand einer solchen Vorrichtung (2).

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Elektrode
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen- Batteriezelle, wobei die Vorrichtung ein Förderband sowie ein Laserschneidgerät umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere anhand der Vorrichtung.
Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise eine Traktionsbatterie (Hochvoltbatterie, HV-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.
Eine solche Traktionsbatterie, welche als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet ist, weist zumindest eine Batteriezelle auf, welche wiederum zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode umfasst. Zur Herstellung solcher Anoden bzw. solcher Kathoden wird typischerweise eine folienartige und bandförmige Elektrodenfolie, insbesondere beidseitig, mit einer Beschichtung mit Aktivmaterial versehen. Die Beschichtung wird anschließend durch zumindest ein Walzenpaar eines Kalanders verdichtet. Darauf folgend wird die beschichtete Elektrodenfolie unter Bildung der einzelnen Anoden bzw. der einzelnen Kathoden zu- und/oder abgeschnitten.
Beispielsweise ist aus der JP 2013 136437 A eine Vorrichtung mit einem Förderband bekannt, anhand welcher aus einer Elektrodenfolie, die in (Elektrodenfolien-)Längsrichtung intermittierend beschichtet ist, Elektroden vereinzelt werden. Hierzu wird die Elektrodenfolie abgelängt und unter Bildung der Kontaktbereiche (Kontaktfahne, Abtieiterfahne) im beschichtungsfreien Bereich zugeschnitten. Das aus Stahlplatten gebildete Band des Förderbands weist dabei durchgehende Löcher auf. Diese dienen zur Vermeidung einer Einwirken des Schneidwerkzeugs auf das Band im Zuge des Schneidvorgangs der Elektrodenfolie.
Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die bandförmige Elektrodenfolie durchgehend beschichtet ist, wobei in (Elektrodenfolien-)Querrichtung ein unbeschichteter Bereich für die Kontaktabschnitte (Ableiterfahnen) vorgesehen ist. Werden zunächst die Kontaktabschnitte ausgeschnitten („Notching“), besteht allerdings insbesondere bei vergleichsweise hohen Transportgeschwindigkeiten und/oder bei vergleichsweise dünnen Elektrodenfolien die Gefahr, dass die ausgeschnittenen Kontaktabschnitte beim Umlenken der Elektrodenfolie und/oder beim Aufwickeln der Elektrodenfolie auf eine Vorratsrolle umknicken oder verbiegen. Aufgrund dessen werden die Kontaktabschnitte geprägt, so dass deren Biegesteifigkeit erhöht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie anzugeben. Insbesondere soll mittels des Verfahrens und/oder mittels der Vorrichtung eine möglichst zeitsparende Herstellung der Elektrode realisiert sein und/oder eine Beschädigung des Bandes des Förderbandes vermieden sein.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Vorrichtung sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
Die Vorrichtung ist zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgesehen und eingerichtet. Eine solche Elektrode umfasst ein folienartiges Substrat, welches im Folgenden auch als Elektrodenfolie bezeichnet wird. Dies ist beispielsweise als eine Metallfolie, insbesondere einer Aluminiumfolie oder einer Kupferfolie, oder anhand als eine beschichtete Kunststoff- oder Kohlenstofffolie ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die Elektrodenfolie, vorzugsweise beidseitig, eine einem ersten Abschnitt mit einer Beschichtung versehen die Aktivmaterial umfasst. Weiterhin umfasst eine solche Elektrode einen Kontaktabschnitt, anhand dessen die Elektrode mit weiteren Elektroden, einem Zellableiter oder dergleichen elektrisch verbunden werden kann. Die Vorrichtung umfasst hierbei ein Förderband mit einem auch als Gurt oder als Transportband bezeichnetem Band. Besonders bevorzugt ist das Förderband als ein Vakuumförderband ausgebildet, wobei das Band zweckmäßig durchgehende Kanäle oder Löcher aufweist, so dass auf einer Auflageseite des Bandes, auf welcher das zu fördernde Gut - hier die beschichtete Elektrodenfolie und/oder die Elektrode(n) - aufliegt, ein Unterdrück erzeugbar und das Gut entsprechend an das Band fixierbar ist.
Das Band weist dabei auf dessen Auflageseite (Außenseite, Oberseite) eine sich in Bandquerrichtung erstreckende erste Vertiefung auf. Die Vertiefung ist dabei nicht durchgehend durch das Band, also nuten- oder fugenartig, ausgebildet. Beispielsweise beträgt eine Tiefe der Vertiefung zwischen einem Viertel und drei Viertel der Banddicke. Beispielsweise beträgt die Tiefe der Vertiefung zwischen 2 mm und 10 mm.
Unter der Bandquerrichtung ist dabei diejenige Richtung zu verstehen, die senkrecht zu einer Laufrichtung (Förderrichtung, Längsrichtung) des Bandes und senkrecht zur Normalen einer mittels des Bandes aufgespannten Ebene orientiert ist.
Zweckmäßigerweise weist das Band mehrere erste Vertiefungen auf, die äquidistant in Bandlängsrichtung zueinander beabstandet sind. Dabei definiert der Abstand der ersten Vertiefungen die Breite der herzustellenden Elektrode.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Laserschneidgerät (Laserstrahlschneidgerät). Dieses dient zum Schneiden einer auf dem Band aufliegenden, also einer mit dem Förderband geförderten, Elektrodenfolie im Bereich der ersten Vertiefung, insbesondere entlang der ersten Vertiefung. Also erfolgt ein Schneiden der Elektrodenfolie entlang der Vertiefung. Mit anderen Worten wird ein vom Laserschneidgerät erzeugter Laserstrahl beim Schneiden entlang der Vertiefung geführt.
Der Laserstrahl ist zweckmäßigerweise auf die Auflageseite gerichtet, also ist das Laserschneidgerät auf die Vertiefung der Auflageseite gerichtet.
Das Laserschneidgerät ist beispielsweise ein Laserscanner oder umfasst mehrere Laserscanner. Alternativ ist das Laserschneidgerät ein Polygonlaserscanner.
Anhand dieser Vorrichtung ist es ermöglicht, die Elektroden durch Ablängen, also durch Abschneiden, der beschichteten Elektrodenfolie anhand eines entsprechend der ersten Vertiefung in Bandquerrichtung verlaufenden Transversalschnitts herzustellen. Das Laserschneidgerät ist also derart eingestellt und/oder derart orientiert, dass das Schneiden der Elektrodenfolie über der Vertiefung erfolgt. Aufgrund der Vertiefung ist also die Stelle des Einwirkens des Laserstrahls auf die Elektrodenfolie beabstandet zum Band. Zusammenfassend ist vorteilhaft aufgrund der ersten Vertiefung eine Einwirkung des Laserstrahls auf das Band vermieden und damit einhergehend die Gefahr einer Beschädigung dessen und/oder die Gefahr eines Anschweißens der Elektroden an das Band reduziert.
Im Vergleich zum eingangs erwähnten Stand der Technik gemäß der JP 2013 136 437 A, bei der durchgehende Löcher in das Band eingebracht sind, ist hier zudem ein besonders stabiles Band bereitgestellt. Die erhöhte Stabilität des Förderbands führt zu einer geringeren Höhenschwankungen in der Bearbeitungsebene und damit einhergehend zu einer homogeneren Schnittkantenqualität.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung weist das Band eine zweite Vertiefung auf, die L-förmig oder stufenförmig ausgebildet ist. Diese zweite Vertiefung ist für das Ausschneiden des Kontaktabschnittes der Elektrode aus der Elektrodenfolie anhand des Laserschneidgeräts vorgesehen. Mit anderen Worten dient die zweite Vertiefung für das „Notching“. Ein erster Abschnitt der zweiten Vertiefung erstreckt sich dabei ausgehend von der ersten Vertiefung in Bandlängsrichtung, also quer zur ersten Vertiefung. Ein zweiter Abschnitt der zweiten Vertiefung erstreckt sich parallel zur ersten Vertiefung zum seitlichen Rand des Bandes hin, also in Bandquerrichtung von einer Bandmitte nach Bandaußen.
Die zweite Vertiefung ist zweckmäßigerweise dezentral im Band angeordnet, also Bandquerrichtung versetzt zu einer Mittelebene des Bandes.
Sofern die zweite Vertiefung eine L-form aufweist, ist diese aus dem erstem Abschnitt als vertikaler L-Schenkel und dem zweiten Abschnitt als horizontaler L-Schenkel gebildet. Sofern die zweite Vertiefung eine stufenform aufweist, ist diese aus dem ersten und dem zweiten in analoger Weise zur L-Form gebildet, wobei ein weiterer dritter Abschnitt der zweiten Vertiefung sich ausgehen von einem Freiende des zweiten Abschnitts zu einem Ende einer weiteren, benachbarten ersten Vertiefung erstreckt.
Zweckmäßigerweise umfasst das Band mehrere zweite Vertiefungen, deren erster Abschnitt sich jeweils von einer der ersten Vertiefungen ausgehend erstreckt. Zusammenfassend sind die erste Vertiefung und die zweite Vertiefung zusammenhängend ausgebildet, mit anderen Worten bildet die erste Vertiefung, die zweite Vertiefung, und ggf. weitere erste und zweite Vertiefungen eine gemeinsame, unterbrechungsfreie Vertiefung im Band.
Zusammenfassend wird das geförderte Gut, hier also die Elektrodenfolie, derart zugeschnitten, dass die Kontaktabschnitte der Elektroden in Bandquerrichtung abstehen. Hierzu wird zweckmäßiger Weise eine durchgehend beschichtete Elektrodenfolie verwendet, welche endseitig hinsichtlich der Bandquerrichtung einen unbeschichteten Bereich für die Kontaktabschnitt aufweist.
Zweckmäßigerweise ist das Laserschneidgerät zusätzlich dazu vorgesehen und eingerichtet, das geförderte Gut im Bereich der zweiten Vertiefung, insbesondere entlang der zweiten Vertiefung zu schneiden.
Besonders vorteilhaft erfolgt also der Transversalschnitt, also das Ablängen der Elektrodenfolie sowie das Ausschneiden der Kontaktabschnitte gemeinsam anhand des Laserschneidgeräts auf dem Band. Im Vergleich zu Verfahren und Vorrichtungen, bei denen zunächst das Ausschneiden der Kontaktabschnitte erfolgt, anschließend die Elektrodenfolie aufgewickelt und darauf folgend einer weiteren Vorrichtung zum Ablängen zugeführt wird, ist hierbei die relative Lage der Kontaktabschnitte und des Transversalschnittes, und damit einhergehend dem Ende der Elektrode in Bandlängsrichtung, bereits durch den gemeinsamen Schneidprozess anhand des Laserschneidgeräts definiert. Eine unerwünschte Abweichung von einer vorgegebenen relativen Lage ist somit vorteilhaft vermieden. Des Weiteren ist bei dem Ablängen und Zuschneiden der Kontaktabschnitte in einem gemeinsamen Schneidprozess auf dem Band ein Aufwickeln der Elektrodenfolie auf eine Vorratsrolle nach dem Notching nicht weiter gegeben, so dass vorteilhaft ein Prägen der Kontaktabschnitte bzw. des unbeschichteten Bereich der Elektrodenfolie nicht notwendig ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist das Band eine Schichtstruktur mit einer Trägerschicht und mit einer Auflageschicht für die Elektrodenfolie auf. Insbesondere ist das Band anhand der Schichtstruktur gebildet.
Die Trägerschicht ist dabei bevorzugt aus einem Metall, einer Metalllegierung oder aus Glasfaser gebildet oder umfasst zumindest eines dieser Materialen, so dass das Band eine vergleichsweise hohe Formstabilität aufweist. Zusätzlich oder alternativ hierzu werden für die Träger- schicht solche Materialien eingesetzt, deren Absorptionskoeffizient für die eingesetzte Laserstrahlung vergleichsweise gering bzw. vollständig transparent sind. Die Auflageschicht bildet die Auflageseite des Bandes, mit anderen Worten ist die Auflageschicht bandaußenseitig angeordnet und dem Laserschneidgerät zugewandt.
Beispielweise umfasst die Schichtstruktur eine weitere untere Schicht, wobei die die Trägerschicht zwischen der Auflageschicht und der unteren Schicht angeordnet ist. Die untere Schicht ist optional. Vorzugsweise wird ein solches Material für die untere Schicht verwendet welches eine vergleichsweise abriebfest, flexibel, thermisch stabil und/oder einfach zu reinigen ist Hierzu ist beispielsweise ein thermoplastischer Kunstsoff oder dergleichen geeignet. Eine derart ausgebildete untere Schicht bietet insbesondere tribologische Vorteile hinsichtlich einer höheren Haftfestigkeit, so dass kein oder zumindest ein vergleichswiese stark reduzierter Schlupf an der Antriebswalze auftritt. Zudem ist mittels der unteren Schicht ein Verschleiß des Bandes, insbesondere der Trägerschicht reduziert oder reduzierbar, eine höhere Laufruhe realisiert, und/oder ein Geräuschpegel reduziert oder reduzierbar.
Geeigneter Weise ist die erste Vertiefung und/oder die zweite Vertiefung mittels einer nutenartigen Aussparung der Auflageschicht gebildet. Beispielsweise ist die Aussparung durchgehend durch Auflageschicht in Richtung der Normalen des Bandes. Die erste und/oder zweite Vertiefung wird also nicht anhand der Trägerschicht gebildet, so dass diese besonders formstabil ist.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist auf dem Band eine Markierung zur Bestimmung der Lage der ersten Vertiefung und/oder der zweiten Vertiefung für den Schneidprozess durch das Laserschneidgerät angeordnet. Vorzugsweise ist für jede der ersten Vertiefungen eine Markierung auf dem Band angeordnet, wobei die Markierungen die gleiche relative Lage zur jeweils zugeordneten ersten Vertiefung aufweisen. Die Markierungen sind somit äquidistant in Bandlängsrichtung beabstandet.
Zweckmäßigerweise ist die Markierung bzw. sind die Markierungen randseitig also in Bandquerrichtung außenseitig, insbesondere auf der Auflageschicht, angeordnet, so dass diese auch bei der Förderung der Elektrodenfolie nicht durch diese verdeckt sind.
Die Markierung ist beispielsweise ein Muster auf dem Band, insbesondere ein QR-Code, oder eine Struktur des Bandes, insbesondere ein Lochmuster des Bandes. Anhand der Markierung bzw. anhand der Markierungen ist vorteilhaft ein Schlupf der Elektrodenfolie, also eine Relativverschiebung der geförderten Elektrodenfolie zum Förderband, der insbesondere aufgrund des Zuführens der Elektrodenfolie auf das Förderband auftritt, bestimmbar und ggf. korrigierbar. Auf diese Weise ist eine Uneinheitlichkeit der Breite der herzustellenden Elektroden, also deren Ausdehnung in Bandlängsrichtung, vermieden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme der Elektroden vom Band, wobei die Aufnahmeeinheit rotatorisch angetrieben ist. Anhand einer rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit ist eine vergleichsweise schnelle Aufnahme der Elektroden realisierbar, so dass eine Herstellungsrate vorteilhaft erhöht ist.
Beispielsweise ist die Aufnahmeeinheit als ein Stapelrad ausgebildet, dem die Elektroden zweckmäßig anhand des Förderbandes zugeführt werden.
Alternativ hierzu umfasst die Aufnahmeeinheit einen, vorzugweise mehr als einen, Greifer oder Sauger, anhand dessen die mittels des Bandes geförderten Elektroden vom Band entnommen werden können. Die Greifer bzw. die Sauger sind dabei auf einer kreisförmigen Bahn um eine gemeinsame (erste) Drehachse verfahrbar. Vorzugsweise zusätzlich ist jeder der Greifer/Sau- ger um eine weitere (zweite) Drehachse rotierbar, die parallel zur ersten Drehachse ist. Anhand der Rotation des jeweiligen Greifers/Saugers ist dessen Geschwindigkeit derjenigen des Förderbandes anpassbar.
Aufgrund der jeweiligen zweiten Drehachse wirken keine Schubkräfte auf die Elektrode, da nicht an der Elektrode vorbei geschliffen wird, sondern auf diese aufsetzt wird. Dies resultiert vorteilhaft auch in einer vergleichsweise hohen Ablagegenauigkeit.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Band nach einem Zuschneidebereich, welcher für das Laserschneiden vorgesehen ist, zwischen 90 ° und 180°, insbesondere um 135°, zur Bildung eines Entnahmebereichs für die Entnahme der Elektroden mittels der Aufnahmeeinheit umgelenkt. Mit anderen Worten ist die (Förderrichtung) Bewegungsrichtung des Bandes im Zuschneidebereich zwischen 90° und 180°, insbesondere anhand einer Umlenkrolle des Förderbandes, gegen die Bewegungsrichtung des Bandes im Entnahmebereich geneigt. Auf diese Weise ist vorteilhaft sowohl eine Entnahme der Elektroden vom Band als auch ein Stapeln der Elektroden oder deren Magazinieren anhand der rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit mit Greifern/Saugern ermöglicht. ln zweckmäßiger Ausgestaltung erstrecken sich von der ersten Vertiefung und/oder von der zweiten Vertiefung Kanäle zum Abtransport von Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses zu einer Unterseite des Bandes. Die Vertiefung hat somit eine Doppelfunktion. Zum einen wird ein Einwirken des Lasers auf das Band vermieden, zum anderen werden diese zum Abtransport der Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses genutzt.
Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, das als Rolle-zu-Blatt-Verfahren („roll-to-sheet-process“) ausgebildet ist. Hierbei wird also aus einer bandförmigen beschichteten Elektrodenfolie, die von einer Vorratsrolle abgewickelt wird, einzelne Elektroden (Elektrodenblätter) hergestellt. Vorzugsweise wird hierzu eine Vorrichtung verwendet, die in einer der oben dargestellten Varianten mit einer ersten und einer zweiten Vertiefung ausgebildet ist.
Die Elektrodenfolie ist dabei durchgehend beschichtet, wobei diese endseitig in Elektrodenfolienquerrichtung einen unbeschichteten Bereich für die Kontaktabschnitte aufweist.
Verfahrensgemäß wird die Elektrodenfolie nach dem Abwickeln dem, insbesondere als Vakuumförderband, ausgebildeten Förderband zugeführt, so dass die Elektrodenfolie auf dem Band des Förderbandes aufliegt und von diesem gefördert wird. Dabei ragt das Elektrodenband nicht in Bandquerrichtung über das Band hinaus.
Weiterhin wird sowohl ein Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts der Elektrode als auch ein Transversalschnitt zur Abtrennen der Elektrode von der Elektrodenfolie mittels eines Laserstrahls durchgeführt. Dabei ist der entsprechende Schnittbereich der Elektrodenfolie vollständig über dem Band angeordnet ist.
Wie bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung dargestellt ist durch das Ablängen und durch das Notching in einem gemeinsamen Schneidprozess eine relative der Lage der Kontaktabschnitte zum Beschichteten Bereich fest definiert und eine Relativverschiebung dieser zueinander vermieden. Zudem ist ein Prägen des unbeschichteten Bereichs der Elektrodenfolie oder der Kontaktabschnitte (Ableiterfahnen) nicht weiter notwendig.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird die Elektrode mittels einer rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit, insbesondere einer Aufnahmeeinheit gemäß einer der im Zusammenhang mit der Vorrichtung dargestellten Varianten, vom Band entnommen. Folglich ist eine Aufnahme der Elektroden vom Band und ggf. ein Stapeln oder Magazinieren der Elektroden vergleichsweise schnell möglich.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung, also der Vorrichtung und des Verfahrens liegt darin, dass das Elektrodenband und das Förderband kontinuierlich, und zweckmäßig mit konstanter Fördergeschwindigkeit, bewegt werden kann. Im Vergleich zu einem Stop-and-Go-Verfahren ist somit eine Prozessrate erhöht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode, wobei die Vorrichtung ein Förderband zum Fördern einer Elektrodenfolie, ein Laserschneidgerät zum Schneiden der Elektrodenfolie unter Bildung der Elektrode sowie eine rotatorisch angetriebene Aufnahmeeinheit zur Entnahme der Elektrode vom Förderband aufweist,
Fig. 2 schematisch das Band des Förderbandes gemäß einer ersten Variante in Draufsicht, wobei das Band sich in Bandquerrichtung erstreckende Vertiefungen aufweist,
Fig. 3 schematisch das Band des Förderbandes gemäß einer zweiten Variante in Draufsicht, wobei das Band zusätzlich eine sich stufenförmig erstreckende zweite Vertiefung aufweist,
Fig. 4a, b schematisch einen Querschnitt durch das Band gemäß der Schnittebene IVa-IVa bzw. entlang der Schnittebene der IVb-IVb der Fig. 3
Fig. 5 anhand eines Flussdiagramms einen Verfahrensablauf zur Herstellung einer Elektrode insbesondere anhand der Vorrichtung gemäß der Fig. 1 mit dem Band gemäß der Fig. 3, und
Fig. 6 schematisch eine beschichtete Elektrodenfolie und eine aus dieser ausgeschnittene Elektrode.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. In der Fig. 1 ist schematisch in einer Seitenansicht eine Vorrichtung 2 zur Herstellung einer Elektrode 4 für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle dargestellt. Die Vorrichtung 2 ist dabei dazu eingerichtet, aus einer bandförmigen Elektrodenfolie 6 (vgl. auch Fig. 6) in einem Rolle-zu-Blatt- Verfahren zumindest eine, zweckmäßigerweise eine Vielzahl, an Elektroden herzustellen.
Die Vorrichtung 2 umfasst ein als Vakuumförderband ausgebildetes Förderband 8, dessen Band 10 anhand von Umlenkrollen 12 geführt und/oder angetrieben ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 2 ein Laserschneidgerät 14 zum Schneiden der auf dem Band 10 geförderten und auf dieser aufliegenden Elektrodenfolie 6. Die Vorrichtung umfasst dabei eine bezüglich des Bandes 10 laserschneidgerätseitige Absaugeinrichtung 16 zum Abtransport von beim Schneidprozess entstehenden Ablationsprodukten. Das Band ist in der Fig. 1 zur besseren Erkennbarkeit der Elektrodenfolie 6 strichpunktiert dargestellt.
In den Figuren 2 und 3 ist eine erste Variante bzw. eine zweite Variante des Bandes 10 schematisch in einer Draufsicht gezeigt. Gemäß beider Varianten weist das Band 10 durchgehende Vakuumkanäle 18 auf, so dass anhand einer Pumpe 20 oder anhand eines Kompressors oder dergleichen ein Unterdrück auf der Auflageseite 22 des Bandes 10 erzeugt werden kann, so dass die Elektrodenfolie 6 bzw. die Elektrode(n) 4 auf dem Band 10 fixiert werden können. Weiterhin ist beiden Varianten gemeinsam, dass das Band 10 auf dessen Auflageseite 22 eine Anzahl an sich in Bandquerrichtung Q erstreckenden ersten Vertiefungen 24 aufweist. Die ersten Vertiefungen 24 sind dabei äquidistant im Band 10 angeordnet, wobei anhand des Abstands der ersten Vertiefungen 24 zueinander eine Breite b der herzustellenden Elektroden 4 definiert ist.
Bei der zweiten Variante des Bandes 10 gemäß der Fig. 3 weist dieses zusätzlich zur ersten Vertiefung 24 eine Anzahl an zweiten Vertiefungen 26 auf. Jede der zweiten Vertiefungen 26 ist stufenförmig ausgebildet. Dabei erstrecken sich die zweiten Vertiefungen 26 jeweils von einer der ersten Vertiefungen 24 zur zu dieser benachbarten ersten Vertiefung 24. Ein erster Abschnitt 26a der jeweiligen zweiten Vertiefung 26 erstreckt sich dabei ausgehend von der jeweiligen ersten Vertiefung 24 in Bandlängsrichtung L des Bandes 10. Ein zweiter Abschnitt 26b der zweiten Vertiefung 26 erstreckt sich ausgehend vom demjenigen Ende des ersten Abschnitts 26a, welcher der ersten Vertiefung 24 abgewandt ist, in Bandquerrichtung Q von einer Mittelebene des Bandes 10 weg. Zusammenfassend bilden der erste und der zweite Abschnitt 26a, 26b eine L-förmige Vertiefung, wobei der erste Abschnitt 26a den vertikalen L-Schenkel und der zweite Abschnitt 26b den horizontaler L-Schenkel bildet. Dabei erstreckt sich der erste Abschnitt 26a durchgehend von der ersten Vertiefung 24 zum zweiten Abschnitt 26b. Ein dritter Abschnitt 26c der zweiten Vertiefung 26 erstreckt sich in Bandlängsrichtung L unter Bildung einer Stufenform der zweiten Vertiefung 26 von dem dem ersten Abschnitt 26a abgewandten Ende des zweiten Abschnitts 26b zur benachbarten ersten Vertiefung 24. Der dritter Abschnitt 26c ist dabei optional. Dieser ist insbesondere dann nicht vorhanden, wenn Höhe hß eines unbeschichteten Abschnitts 28 der Elektrodenfolie 6 einer vorgegebenen Höhe hK des Kontaktabschnitts 30, also der Ausdehnung des Kontaktabschnitts 30 in Elektrodenfolienquerrichtung QE, entspricht (vgl. auch Fig. 6).
Die ersten Vertiefungen 24 und die zweiten Vertiefungen 26 bilden dabei ein sich in Bandlängsrichtung L periodisch wiederholendes Muster, entlang welchem die mittels des Bandes 10 geförderte Elektrodenfolie 6 anhand des Laserschneidgeräts 14 geschnitten wird. Mit anderen Worten wird die Elektrodenfolie 6 im Bereich, insbesondere entlang, der ersten und zweiten Vertiefungen unter Bildung der Elektrode(n) anhand des Laserschneidgeräts 14 geschnitten. Die sich in Bandquerrichtung Q erstreckenden ersten Vertiefungen 24 sind dabei für einen Transversalschnitt, also für ein Ablängen der Elektrodenfolie 6 vorgesehen. Entsprechend sind für das Ausschneiden des Kontaktabschnitts 30 der jeweiligen Elektrode 4 die zweiten Vertiefungen 26 vorgesehen. Aufgrund der Vertiefungen 24, 26 ist die Elektrodenfolie 6 in demjenigen Bereich, in welchem diese anhand des Laserschneidgeräts 14 geschnitten wird, beabstandet vom Band 10, so dass ein Einwirken des vom Laserschneidgerät 14 ausgegebenen Laserstrahls auf das Band 10 vermieden ist.
Wie insbesondere in den Fig. 4a und 4b erkennbar ist, weist das Band 10 eine Schichtstruktur mit einer Trägerschicht 32 auf, welche aus einem Metall, aus einer Legierung, aus Glasfasern , oder aus einem Material, dessen Absorptionskoeffizienten für die eingesetzte Laserstrahlung sehr gering bzw. vollständig transparent ist, gebildet ist. Auf einer Seite der Trägerschicht ist eine Auflageschicht 34 angeordnet. Die Trägerschicht bildet dabei die Auflageseite 22 des Bandes, auf welcher die Elektrodenfolie 6 beim Fördern aufliegt. Auf der anderen Seite der Trägerschicht 32 ist optional eine untere Schicht 36 angeordnet, welche in Kontakt mit den Umlenkrollen 12 ist.
Die erste Vertiefung 24 und die zweite Vertiefung 26 sind nutenartig ausgebildet. Also erstreckt sich die erste Vertiefung 24 und die zweite Vertiefung 26 ausgehend von der Auflageseite 22 ausgehend zu einer (Band-) Unterseite 38 hin. Jede der ersten Vertiefungen 24 und jede der zweiten Vertiefungen 26 sind also mittels einer nutenartigen Aussparung 40 der Auflageschicht 34 gebildet. Mit anderen Worten erstreckt sich jede der ersten und zweiten Vertiefungen 24, 26 lediglich innerhalb der Auflageschicht 34.
Weiterhin erstrecken sich von den Vertiefungen 24,26 jeweils Kanäle 42 durch das Band BD, also durch die Trägerschicht und durch die untere Schicht. Diese Kanäle 42 dienen dem Abtransport von Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses.
Für das Schneiden der Elektrodenfolie 6 sind in einem Randbereich des Bands 10 für jede erste Vertiefung 24 jeweils eine Markierung 44 angeordnet. Diese ist hier beispielhaft als QR-Code ausgebildet und dient der zur Bestimmung der Lage der ersten Vertiefung 24 für den Schneidprozess, da die Vertiefungen 24, 26 von der Elektrodenfolie 6 verdeckt sind. Das Laserschneidgerät 14 umfasst entsprechend eine (nicht weiter dargestellte) Erfassungseinheit, beispielsweise ein Kamera und eine Auswerteeinheit, anhand welcher die Lage der ersten Vertiefungen 24, 26 und damit einhergehend die Ausrichtung bzw. Orientierung des anhand des Laserstrahlgeräts 14 für das Schneiden erzeugten Laserstrahls eingestellt wird.
Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ist das Band 10 nach einem Zuschneidebereich 46, in welchem das Schneiden der Elektrodenfolie 6 erfolgt, anhand einer Umlenkrolle 12 um einen Winkel zwischen 90 ° und 180°, hier beispielhaft um 135° umgelenkt. Auf dieses Weise ist ein Aufnahmebereich 48 gebildet, in welchem eine rotatorisch angetriebene Aufnahmeeinheit 50 die Elektroden 4 vom Band 10 aufnehmen kann.
Die Aufnahmeeinheit 50 legt die aufgenommenen Elektroden 4 auf einem Stapel in einem Magazin 58 ab.
Die Aufnahmeeinheit 50 umfasst eine Anzahl an, Greifern oder Saugern 60, anhand dessen die mittels des Bandes 10 geförderten Elektroden 4 vom Band 10 entnommen werden. Die Greifer bzw. die Sauger 60 sind dabei auf einer kreisförmigen Bahn um eine gemeinsame erste Drehachse Ri (Rotationsachse) verfahrbar. Zusätzlich ist jeder der Greifer/Sauger jeweils um eine zweite Drehachse R2 rotierbar, die parallel zur ersten Drehachse Ri ist und auf der kreisförmigen Bahn verläuft. Anhand der Rotation des jeweiligen Greifers/Saugers um dessen zweite Drehachse R2 ist dessen Geschwindigkeit derjenigen des Bandes 10 anpassbar. Dabei ist stets die erste Drehachse Ri der Aufnahmeeinheit 50 parallel zur Bandquerrichtung Q des Bandes 10. In der Fig. 1 ist die Drehung um die zweite Drehachse R2 lediglich in einer Drehrichtung - in der Ansicht der Fig. 1 gegen den Uhrzeigersinn - dargestellt. Vorzugsweise ist der jeweilige Greifer/Sauger in beide Drehrichtungen um die zweite Drehachse R2 rotierbar. In der Fig. 5 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das zusammenfassend ein als Rolle-zu-Blatt ausgebildetes Herstellungsverfahren einer Elektrode 4 anhand der oben dargestellten Vorrichtung repräsentiert.
Hierbei wird in einem ersten Schritt I. die bandförmige Elektrodenfolie 6 (vgl. ach Fig. 6) von einer Vorratsrolle 52 anhand einer Abwickeleinrichtung 54 abgewickelt und dem Förderband 8 zugeführt.
Die bandförmige Elektrodenfolie 6 wird auf dem Band 10 des Förderbandes 8 in Förderrichtung F in den Zuschneidebereich 46 gefördert, wo die Elektrodenfolie 6 anhand des Laserschneidgeräts 14 sowohl mit einem Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts 30 der jeweiligen Elektrode 4 als auch mit einem Transversalschnitt zur Abtrennen der jeweiligen Elektrode 4 von der Elektrodenfolie 6 versehen wird (Schritt II.). Dabei wird das Band 10 vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit verfahren.
Da die Elektrodenfolie 6 nicht über das Band 10 in Bandquerrichtung Q hinausragt, ist der entsprechende Schnittbereich für den Transversalschnitt und für den Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts 30 vollständig über dem Band angeordnet.
Die beim Zuschneiden verbleibenden Reste der Elektrodenfolie 6 werden über ein nicht weiter dargestelltes Reinigungskonzept vom Förderband 8 entfernt.
Anschließend wird die ausgeschnittene Elektrode 4 aus dem Zuschneidebereich 46 in den Aufnahmebereich 48 gefördert, wo die Elektrode 4 mittels der rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit 50 vom Band 10 entnommen und anschließend im Magazin 58 anhand der Aufnahmeeinheit 50 abgelegt und gestapelt wird (Schritt III.).
In der Fig. 6 ist schematisch in Draufsicht die beschichtete Elektrodenfolie 6 sowie eine anhand der Vorrichtung 2 und/oder gemäß des Verfahrens aus dieser Elektrodenfolie 6 herausgeschnittene Elektrode 4 dargestellt. Die bandförmige Elektrodenfolie 6 weist einen ersten Bereich 62 auf, in welchem diese, vorzugsweise beidseitig beschichtet ist. Dabei ist die Elektrodenfolie 6 im ersten Bereich 62 bezüglich einer Elektrodenbandlängsrichtung LE durchgehend, also unterbrechungsfrei, beschichtet. Endseitig in einer zur Elektrodenbandlängsrichtung LE senkrecht orientierten Elektrodenfolienquerrichtung QE (Elektrodenbandquerrichtung QE) weist die Elektroden- folie 6 den unbeschichteten Bereich 28 auf, der zur Bildung der Kontaktabschnitte 30 vorgesehen ist. Nach dem Transversalschnitt entlang der ersten Vertiefung 24 und dem Konturschnitt entlang der zweiten Vertiefung 26 ist die Elektrode 4 mit dem Kontaktabschnitt 30 und einem beschichteten Abschnitt 56 gebildet, also hergestellt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
Vorrichtung
Elektrode
Elektrodenfolie
Förderband
Band
Umlenkrolle
Laserschneidgerät
Absaugeinrichtung
Vakuumkanal
Pumpe
Auflageseite des Bandes erste Vertiefung zweite Vertiefung a erster Abschnitt der zweiten Vertiefung b zweiter Abschnitt der zweiten Vertiefung c dritter Abschnitt der zweiten Vertiefung unbeschichteter Bereich der Elektrodenfolie
Kontaktabschnitt
Trägerschicht
Auflageschicht
Schicht
Unterseite des Bandes
Aussparung
Kanal
Markierung 46 Zuschneidebereich
48 Aufnahmebereich
50 Aufnahmeeinheit
52 Vorratsrolle
54 Abwickeleinrichtung
56 beschichteter Abschnitt der Elektrode
58 Magazin
60 Greifer/Sauger
62 beschichteter Bereich der Elektrodenfolie b Breite der Elektrode
F Förderrichtung hK Höhe des Kontaktabschnitts hß Höhe des unbeschichteten Bereichs der Elektrodenfolie
L Bandlängsrichtung
LE Elektrodenfolienlängsrichtung
Q Bandquerrichtung
Ri erste Rotationsachse
R2 zweite Rotationsachse
I. Fördern der Elektrode
II. Schneiden der Elektrodenfolie
III. Aufnahme der Elektrode und Ablage der Elektrode

Claims

Patentansprüche Vorrichtung (2) zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere für eine Lithium-Ionen- Batteriezelle, aufweisend
- ein Förderband (8), insbesondere ein Vakuumförderband, mit einem Band (10), welches auf dessen Auflageseite (22) eine sich in Bandquerrichtung (Q) erstreckende erste Vertiefung (24) aufweist, und
- ein Laserschneidgerät (14) zum Schneiden einer auf dem Band (10) aufliegenden Elektrodenfolie (6) im Bereich der ersten Vertiefung (24). Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Band (10) eine L- oder stufenförmige zweite Vertiefung (26) für das Ausschneiden eines Kontaktabschnitts (30) anhand des Laserschneidgeräts (14) aufweist, wobei sich ein erster Abschnitt (26a) der zweiten Vertiefung (26) ausgehend von der ersten Vertiefung (24) in Bandlängsrichtung (L) und ein zweiter Abschnitt (26b) der zweiten Vertiefung (26) parallel zur ersten Vertiefung (24) zum seitlichen Rand des Bandes hin erstreckt. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (10) eine Schichtstruktur mit einer Trägerschicht (32) und mit einer Auflageschicht (34) für die Elektrodenfolie aufweist. Vorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vertiefung (24) und/oder die zweite Vertiefung (VT) mittels einer nutenartigen Aussparung (40) der Auflageschicht (34) gebildet ist. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Band (10) eine Markierung (44) zur Bestimmung der Lage der ersten Vertiefung (24) für den Schneidprozess durch das Laserschneidgerät angeordnet ist. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Aufnahmeeinheit (50) zur Aufnahme der Elektroden (4) vom Band (10), wobei die Aufnahmeeinheit (50) rotatorisch angetrieben ist. Vorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (10) nach einem Zuschneidebereich (46) zwischen 90 ° und 180°, insbesondere um 135°, zur Bildung eines Aufnahmebereichs (48) für die Aufnahme der Elektroden (4) mittels der Aufnahmeeinheit (50) umgelenkt ist. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der ersten Vertiefung (24) und/oder von der zweiten Vertiefung (26) Kanäle (42) zum Abtransport von Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses zu einer Bandunterseite durchgehend erstrecken. Als Rolle-zu-Blatt-Verfahren ausgebildetes Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (4) aus einer Elektrodenfolie (6), insbesondere mittels einer nach einem der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildeten Vorrichtung (2),
- wobei eine bandförmige Elektrodenfolie (6) auf einem Band (10) eines Förderbandes (8) gefördert wird,
- wobei sowohl ein Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts der Elektrode (4) als auch ein Transversalschnitt zur Abtrennen der Elektrode (4) von der Elektrodenfolie (6) mittels eines Laserstrahls durchgeführt wird, wobei der Schnittbereich der Elektrodenfolie (6) vollständig über dem Band (10) angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (4) mittels einer rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit (50) vom Band (10) entnommen werden.
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