DE102021006112A1

DE102021006112A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102021006112A1
Application number: DE102021006112.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Zill
Original assignee: Dr Zill Life Science Automation GmbH
Current assignee: Dr Zill Life Science Automation GmbH
Priority date: 2021-12-11
Filing date: 2021-12-11
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023105039A3; WO2023105039A2; EP4444496A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, wo aus Elektrodenbahnen (1, 12) und Separatorbahnen (9, 20) Batteriezellen (24) hergestellt werden. Hierzu sind oval förmige Transportsysteme (2, 18) vorhanden, die mittels Laser (6, 17) Elektroden (1a, 12a) aus Elektrodenbahnen (1, 12) heraustrennen, und diese unter Berücksichtigung eines Abstandes (7b, 16b) auf eine Separatorbahn (9) platzieren, wobei Greifersysteme (26, 27) mit angetriebenen Greifern (28, 29) vorhanden sind, welche die Elektroden (1a, 12a) klemmen und derart fixiert zu nachfolgenden Verarbeitungsvorgängen (22, 23) transportieren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines wiederaufladbaren Energiespeichers; umgangssprachlich auch als Akkumulator oder Batterie bezeichnet, wie z.B. in der Ausführungsform eines Lithium-Ionen-Akkus oder einer Feststoffbatterie.
Stand der Technik
Wiederaufladbare Batterien oder Akkumulatoren - im Folgenden vereinfacht Batterie(n) genannt - sind Energiespeicher, die primär aus 2 gegensätzlichen Elektroden (Anode und Kathode) mit einem dazwischen platzierten Separator bestehen. Prinzipiell kann dieser Verbund durch runde oder ovale Wickelung, oder durch flache Stapelung der einzelnen Bestandteile erzielt werden, wobei die flache Stapelung die größere Energiedichte aufweist und im Nachfolgenden daher bevorzugt behandelt wird.
Sowohl die Elektroden als auch der Separator liegen üblicherweise als aufgewickelte Bahnware vor und müssen zur weiteren Verarbeitung abgespult werden, alsdann die Elektroden einzeln aus der Bahnware herausgetrennt und flach mit dazwischen liegendem Separator aufeinandergestapelt werden. Der Stapel besteht im Wesentlichen aus einer Anode, einer Kathode mit einem dazwischenliegenden Separator und idealerweise einem abschließenden Separator. Normalerweise ist der Separator etwas größer als die spannungserzeugenden Flächen der Elektroden, und verhindert somit einen Kurzschluss zwischen den Elektroden. Um den primären Verbund aus Anode, Kathode und Separatoren - nachfolgend Batteriezelle(n) genannt - leistungsfähiger zu machen, werden mehrere Batteriezellen übereinandergestapelt, und die jeweiligen Stromableiter von Kathode und Anode miteinander verschweißt, sodass ein stabiler Gesamtverbund aus mehreren Batteriezellen mit umgangssprachlich Plus- und Minuspol entsteht. Insbesondere die Stapelgenauigkeit der Elektroden beeinflusst wesentlich die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle, weshalb diesem Aspekt besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss.
Aus der DE 10 2017 216 133 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, wo auf dem Umfang einer rotativ angetriebenen Walze, die aus einer Vielzahl an starren Segmenten besteht, eine Elektrodenbahn zufgeührt wird, dort mit Laser zu Elektrodenstücken geschnitten wird, und die Stücke solange über Unterdruck an den starren Segmenten der Walze fixiert bleiben, bis diese auf eine Separatorbahn abgelegt werden. Der Verbund aus Separatorbahn mit darauf platzierter Elektrode wird mit einer zweiten Separatorbahn überdeckt und zu einer zweiten Walze transportiert, die gleich arbeitet wie die eingangs beschriebene Walze, wo die Gegenelektrode auf der Separatorbahn platziert wird. Anschließend wird der gesamte Verbund in Stücke geschnitten, sodass eine Batteriezelle entsteht.
In der DE 102017215905 A1 werden über mehrere nacheinander angeordnete rotativ arbeitende Schneidsysteme Elektroden als auch die Separatoren aus Bahnen zu Stückgut ausgeschnitten. Ein Transportsystem nimmt jeweils beim Durchfahren der Schneidsysteme die Stückgüter nacheinander auf, sodass eine Stapelung bzw. die Batteriezelle erzeugt wird.
Die US 9,385,395 B2 zeigt ein rotativ- arbeitendes Transportsystem in Form einer Walze auf dem als erstes der Separator als Bahnware aufgebracht wird, danach die ausgeschnittene Elektrode platziert wird, diese wiederum mit einer Separatorbahn bedeckt wird, als dann die Gegenelektrode auf dem gesamten Verbund platziert und dieser über Wärme- und Druckeinwirkung zusammenlaminiert wird. Um die Position der einzelnen Bestandteile während des Transportes auf der Walze bis zu der Laminierung zu gewährleisten, sind mehrere Greifer angebracht, welche den Verbund geklemmt halten.
Der vorgenannte Stand der Technik weist aufgrund der Arbeitsweise oder der Gestaltung der Vorrichtungen eine geringe Ausbringungsmenge an Batteriezellen auf, was die wirtschaftliche Herstellung beeinträchtigt. Weiterhin ist aufgrund der ungenügenden Präzision der Verarbeitung eine hohe Stapelungenauigkeit der Bestandteile zu erwarten, was die Qualität und Leistungsfähigkeit der Batteriezelle und schlussendlich der gesamten Batterie erheblich verschlechtert.
Aufgabenstellung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Batteriezellen zu schaffen, bei dem mit großer Ausbringungsleistung und hoher Genauigkeit

• Elektrode und Gegenelektrode aus Bahnware in Stücke geschnitten werden,
• Stapel aus Elektroden und Gegenelektroden mit dazwischenliegendem Separator gebildet werden,
• die erzeugten Stapel unter Erhaltung der Position der einzelnen gestapelten Bestandteile an nachfolgende Verarbeitungsschritte sicher übergeben werden.

Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Darstellung der Erfindung
Im Nachfolgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren beschrieben. Vorweggenommen die Klärung von oft verwendeten Begrifflichkeiten:

• Elektrodenbahn: Aufgewickeltes bahnförmiges Material, das sinngemäß entweder in Form von Anodenbahn oder Kathodenbahn vorliegt und zur Verarbeitung abgewickelt und als Bahn transportiert wird.
• Elektrode: Aus der Elektrodenbahn ausgeschnittenes blattförmiges Stückgut, das sinngemäß entweder als Anode oder Kathode vorliegt.
• Gegenelektrode: Eine Elektrode, welche die gegensätzliche Polung (z.B. Kathode) der anderen Elektrode (im Beispielfall die Anode) aufweist.
• Separatorbahn: Aufgewickeltes bahnförmiges Material, das zwischen die aktiven Flächen der Elektroden eingebracht wird und zur Verarbeitung abgewickelt und als Bahn transportiert wird.

Um die angestrebte große Ausbringungsmenge zu erreichen, sind alle Verarbeitungsvorgänge der nachfolgend beschriebenen Erfindung in kontinuierlicher Arbeitsweise ausgeführt; was jedoch prinzipiell nicht ausschließt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren auch alternativ intermittierend durchgeführt werden kann.
Bei kontinuierlicher Arbeitsweise werden die Bahnwaren mit konstanter Geschwindigkeit transportiert, währenddessen an ihnen Verarbeitungs- oder Handhabungsvorgänge durchgeführt werden. Besonders schwierig ist die kontinuierliche Verarbeitung dann, wenn ein durchzuführender Arbeitsprozess zeitaufwendig oder komplex ist wie z.B. das Laserschneiden der Elektroden, das präzise Platzieren der Elektroden auf dem Separator, als auch die Weitergabe des gestapelten Verbundes bestehend aus Elektroden und Separatoren zu nachfolgenden Verarbeitungsschritten. Mit der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung bzw. dem Verfahren wird dieses Problem erfindungsgemäß gelöst.
Das Ausschneiden der Elektroden aus einer sich kontinuierlich bewegenden Elektrodenbahn erfolgt mit einem Laserstrahl, wobei dieser während des Schnittes durch eine Ablenkeinheit - z.B. mittels Polygonspiegel - der bewegten Elektrodenbahn synchronisiert folgt, sodass ein exakter Trennschnitt der Elektrodenbahn quer zur Förderrichtung erfolgen kann, wodurch schlussendlich die einzelnen Elektroden als Stückgut entstehen. Bei zu großer Schnittgeschwindigkeit des Lasers leidet jedoch prinzipbedingt die Qualität der Schnittkante, was schlussendlich zu erheblichen Qualitätsproblemen bei der Batterie führt. Die Schnittgeschwindigkeit des Lasers bzw. die damit verbundene Ausbringungsmenge wird weiter reduziert, wenn der Laserschnitt auf einer gekrümmten Fläche erfolgt, wie z.B. wenn die Elektrodenbahn auf einer Walze kontinuierlich transportiert und während des Transportes geschnitten wird, da hier das Lasersystem den Fokuspunkt während des Schneidvorganges ständig auf die sich schnell verändernden Distanzen zur Walzenoberfläche anpassen muss. Um diesen Nachteil zu umgehen, erfolgt bei dieser Erfindung vorteilhafterweise der Laserschnitt der kontinuierlich bewegten Elektrodenbahn auf einer geraden Förderstrecke. Zur Umsetzung der geraden Förderstrecke ist ein erstes oval förmiges Transportsystems vorhanden, das sich idealerweise aus zwei halbkreisförmigen und zwei geraden Förderstecken zusammensetzt. Besonders ideal zeigt sich, dass die geraden Fördertrecken relativ lange Bereiche aufweisen, sodass dort auch mehrere Laser in Reihe angeordnet werden können. Der Einsatz mehrerer Laser bietet den Vorteil, dass jeder der Laser seine Aufgabe unter genügend Zeit bzw. ausreichender Schnittgeschwindigkeit vollziehen kann, sodass es vorteilhafterweise zu einer Erhöhung der Ausbringungsmenge kommt, ohne die Qualität der Schnittkante nachteilig zu beeinflussen. Hierbei kann z.B. jeder Laser eine Elektrode komplett am Stück ausschneiden, oder mehrere Laser schneiden dieselbe Elektrode aus, wobei dann jeder der Laser nur ein Teilstück derselben Elektrode ausschneidet, alle zusammen jedoch das ganze Elektrodenstück ausschneiden.
Das oval förmige Transportsystem weist mehrere angetriebene Segmente auf, die derart gestaltet sind, dass eine ausgeschnittene Elektrode auf jeweils einem Segment Platz findet. Die Segmente bewegen sich entlang der oval förmigen Bahn des Transportsystems, wobei sich die Segmente unterschiedlich schnell auf der oval förmigen Förderbahn bewegen und je nach Bedarf mit Unterdruck oder Überdruck beaufschlagt werden können. Im Speziellen weisen die Segmente an derjenigen Oberfläche, auf welcher die Elektroden bzw. die Elektrodenbahn transportiert wird, kleine luftdurchlässige Querschnitte z.B. in Form von Bohrungen auf, wodurch die Elektroden bzw. die Elektrodenbahn bei Einwirkung eines Unterdruckes auf die Segmente angesaugt und dadurch zum Transport fixiert wird, und durch gezieltes Ablassen des Unterdruckes oder Aufbau eines Überdrucks die Elektroden wieder von den Segmenten gelöst werden können.
Zur Aufnahme der Elektrodenbahn auf das oval förmige Transportsystem sind die Segmente bevorzugt derart eng in Fahrtrichtung zueinander angeordnet, dass ein kleiner Spalt von wenigen zehntel Millimetern zwischen ihnen entsteht, weisen sowohl die gleiche Geschwindigkeit und Richtung wie die Elektrodenbahn auf, sodass die Elektrodenbahn - im Zusammenwirken mit dem an den Segmenten anliegenden Unterdruck - sicher und ohne Schlupf auf die Segmente aufgenommen und befördert werden kann. Unter Erhaltung des Spaltes wird mit einem Laserstrahl die Kontur der Elektroden aus der Elektrodenbahn ausgeschnitten, was beispielsweise im einfachsten Fall durch einen Trennschnitt erfolgt, der 90° zur Transportrichtung der Elektrodenbahn verläuft, und die Elektrodenbahn in einzelne Stücke - die Elektroden - schneidet. Der Trennschnitt erfolgt exakt im Spalt zwischen den Segmenten, sodass der Laser die Elektrodenbahn komplett durchtrennen kann, aber keine Beschädigung der Segmente erzeugt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist es, wenn an dem Spalt ein Unterdruck anliegt, sodass Partikel, die beim Schneiden entstehen, gleich durch den Spalt abgesaugt werden und derart nicht die Elektrode verschmutzen. Wie bereits zuvor beschrieben können auch mehrere Laser zum Ausschneiden der Elektroden auf der geraden Förderstrecke des oval förmigen Transportsystems eingesetzt werden, um die Ausbringungsmenge zu erhöhen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass mit dem Laser während der Trennvorgangs der Elektrode aus der Elektrodenbahn auch die Stromableiter der Elektroden gleich mit ausgeschnitten werden können, insofern diese nicht durch einen vorgeschalteten Herstellungsprozess bereits erzeugt wurden.
In einem weiteren Verarbeitungsschritt wird auf dem oval förmigen Transportsystem der Abstand zwischen den Segmenten samt den sich darauf befindlichen Elektroden vergrößert, wobei dieser Abstand idealerweise größer ist als der bisherige Spalt der Segmente zum Laserschneiden. Weiterhin ist der Abstand derart groß gestaltet ist, dass nachdem die Elektroden auf der Separatorbahn abgelegt sind, dort ein Trennschnitt der Separatorbahn ermöglicht werden kann, ohne die dazwischen angeordneten Elektroden zu beschädigen oder einen Kontakt zu der gegenüber angeordneten Gegenelektrode zu ermöglichen. Der Abstand zwischen den Elektroden wird erzeugt, indem die Segmente solange kurzzeitig beschleunigt und anschießend wieder verzögert werden, bis der gewünschte Abstand erzeugt ist, alsdann unter Beibehaltung des Abstandes wieder mit kontinuierlicher Geschwindigkeit zum Übergabebereich weitertransportiert werden. Im Übergabebereich werden idealerweise die Elektroden als erstes durch angetriebene Greifer geklemmt, durch Ablassen des Unterdrucks oder das Ansetzen eines Überdruckes von den Segmenten gelöst und auf die Separatorbahn übergeben, wobei die Separatorbahn als auch die Greifer die gleiche kontinuierliche Geschwindigkeit aufweist wie die Segmente im Übergabebereich. Nach der Übergabe werden die Segmente auf dem oval förmigen Transportsystem solange verzögert, bis wieder der gewünschte Spalt zwischen den Segmenten zum Aufnehmen und Laserschneiden vorliegt, und derart ein neuer Arbeitszyklus auf dem ovalen Transportsystem erfolgen kann.
Besonders vorteilhaft ist, wenn nicht nur die Aufnahmen und das Laserschneiden auf einer der geraden Förderstecken des ovalen Transportsystems stattfindet, sondern auch die Klemmung der Elektroden durch die Greifer und die Übergabe der Elektroden auf die Separatorbahn, da durch die gerade Förderstrecke diese Vorgänge unter genügend Zeit und somit sehr präzise erfolgen können.
Um sowohl die Elektrode als auch die Gegenelektrode auf die Separatorbahn abzulegen, sind 2 oval förmige Transportsysteme notwendig, wobei eines der Transportsysteme oberhalb der Separatorbahn, das andere unterhalb der Separatorbahn angeordnet sind. Das unterhalb der Separatorbahn angeordnete Transportsystem übergibt die Elektroden von unten auf die Separatorbahn und das zweite oval förmige Transportsystem, das sich oberhalb der Separatorbahn befindet, übergibt die Gegenelektrode von oben auf die Separatorbahn. Das zweite oval förmige Transportsystem weist prinzipiell die gleichen Arbeitsschritte und Merkmale wie das zuvor schon beschriebene erste ovale Transportsystem auf, nämlich die kontinuierliche Aufnahme der Elektrodenbahn auf die Segmente, welche einen kleinen Spalt zueinander aufweisen, das Laserschneiden der Bahn im Spalt um die Elektroden zu erzeugen, das Erzeugen eines größeren Abstandes zwischen den Segmenten, unter Beibehaltung dieses Abstandes die Klemmung mindestens der Elektroden durch die Greifer, als auch das Ablösen der Elektroden von den Segmenten durch Abbau des Unterdruckes.
Bei beiden Transportsystemen erfolgt die Klemmung durch die Geifer und die Übergabe der Elektroden auf die Separatorbahn im jeweiligen Übergabebereich, wobei sich die Übergabebereiche überdecken als auch distanziert voneinander vorliegen können. Im Falle, dass sich die Übergabebereiche überdecken oder sogar deckungsgleich sind, sind die Übergabebereiche beider Transportsysteme parallel gegenüber angeordnet und weisen eine derart große Distanz zwischen den jeweiligen Segmenten auf, dass mindestens die Elektrode, die Separatorbahn als auch die Gegenelektrode sich darin befinden bzw. sicher hindurch transportiert werden können.
Um eine maximale Überdeckung beider Elektroden zu erreichen, werden diese idealerweise deckungsgleich in den Übergabebereichen auf der Separatorbahn übergeben; können jedoch prinzipiell auch versetzt zueinander auf der Separatorbahn übergeben werden. Um den jeweiligen Versatz oder die Deckungsgleichheit der Elektroden zueinander zu erzielen, werden die Segmente der Transportsysteme entsprechend geregelt den Übergabebereichen zugeführt.
Unabhängig davon, wie die Übergabebereiche der beiden Transportsysteme angeordnet sind, oder wie die Elektroden zueinander auf der Separatorbahn platziert werden, sind die spannungserzeugenden Flächen der Elektrode und der Gegenelektrode vollkommen mit der Separatorbahn bedeckt, um einen Kurzschluss zu verhindern. Davon jedoch ausgenommen sind die jeweiligen Stromableiter, die je nach Polung auf entgegengesetzte Seite über den Separator überstehen.
Um den auf den Transportsystemen hergestellten Abstand und die Position der Elektroden, sowohl bei der Übergabe der Elektroden auf die Separatorbahn als auch zur weiteren Beförderung zu gewährleisten, sind beginnende im Übergabebereich Greifersysteme mit angetriebenen Greifern vorhanden, wobei die Greifer mindestens die Elektroden klemmen und entsprechend gesichert weitertransportieren. Denkbar und vorteilhaft sind auch andere Klemmvarianten der Bestandteile durch die Greifer wie z.B. die

• Klemmung der Elektrode oder Gegenelektrode einzeln; oder
• Klemmung der Elektrode und Gegenelektrode gemeinsam; oder
• Klemmung der Elektrode oder Gegenelektrode mit der Separatorbahn; oder
• der gesamte Verbund aus Elektrode, Gegenelektrode und Separatorbahn.

Hierzu ist seitlich und parallel zu der Separatorbahn mindestens ein Greifersystem vorgesehen, welches eine Vielzahl an angetriebenen Greifern mit öffenbaren und schließbaren Greiferfinger aufweist, wobei idealerweise jeder Elektrode ein Greifer zugeordnet ist. Um die gewünschte Klemmfunktion zu erreichen, werden die geöffneten Greifer mit gleicher Geschwindigkeit und Richtung wie die Elektroden bzw. die Separatorbahn in den Übergabebereich gefahren, und vollziehen - idealerweise noch vor dem Ablassen des Unterdruckes der Segmente - ihre Klemmaufgabe durch Schließen der Greiferfinger. Hierzu weisen idealerweise die Segmente an derjenigen Außenseite, welche quer zur Förderrichtung verläuft, eine oder mehrere Aussparungen auf, sodass die Greifer in diesen Bereich die Elektroden klemmen können, oder die Elektroden steht ein wenig seitlich über die Segmente über, sodass im überstehenden Bereich die Klemmung durch das seitlich angeordnete Greifersystem erfolgen kann. Sollte - gemäß der zuvor genannten Klemmvarianten- die Separatorbahn auch in Klemmung durch die Greifer einbezogen werden, so weist diese ebenso einen Überstand über die Segmente auf. Besonders vorteilhaft ist, dass die Stromableiter der Elektroden üblicherweise über die Separatorbahn hinausstehen, sodass z.B. die Elektrode im Bereich ihres Ableiters zusammen mit demjenigen Teil der Separatorbahn geklemmt werden kann, auf dem alleinig der Stromableiter der Elektrode vorkommt. Voraussetzung hierzu ist jedoch, dass die Segmente eine Aussparung aufweisen, oder kleiner ausfallen als die Separatorbahn, um eine Klemmung - wie zuvor beschrieben bei den Elektroden - zu ermöglichen.
Um die Bewegung der Greifer zu gestalten ist es von Vorteil, wenn sich die Greifer auch auf einer oval förmigen Bahn - aufgebaut aus 2 Halbkreise und 2 gerade Förderstrecken - bewegen können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn auch die Greifer ebenso im Übergabebereich der Elektroden auf die Separatorbahn eine gerade und relativ lange Förderstrecke aufweisen, sodass das Schließen der Greifer bzw. die Klemmung der Bestandteile während der kontinuierlichen Verarbeitung unter genügend Zeit sicher erfolgen kann.
Sinn der Klemmung ist die exakte Beibehaltung der Position der geklemmten Bestandteile, zum einem um diese sicher aus dem Übergabebereich heraus zu befördern, als auch um diese zu möglichen nachfolgende Bearbeitungsvorgängen präzise zu transportieren. Die Klemmung der Bestandteile mit den angetriebenen Greifern hat den Vorteil, dass die Greifer insbesondere während der Klemmung und der weiteren Beförderung der geklemmten Bestandteile sehr präzise über Führungsschienen geführt werden können, und derart die geklemmten Bestandteile ebenso präzise positioniert bleiben. Der Stand der Technik löst dieses Problem nur ungenügend, indem üblicherweise die losen auf die Separatorbahn abgelegten Elektroden zwischen zwei Förderbänder geklemmt werden, die Förderbänder jedoch prinzipbedingt verlaufen können, und derart die erzeugte Stapelung unerwünschter Weise undefiniert verschoben wird.
Sollte die Klemmung nicht mehr notwendig sein, öffnen sich die Greifer wieder. Prinzipiell ist die Klemmfunktion nicht mehr notwendig, wenn die geklemmten Bestandteile anderweitig als durch die Greifer kraft-, form, oder stoffschlüssig fixiert werden. Typische nachfolgende Bearbeitungen, die idealerweise unter geschlossenen Greifern vollzogen werden, sind z.B. die Zuführung einer weiteren Separatorbahn, die deckungsgleich zu der ersten zugeführten Separatorbahn auf die Elektroden entweder von oben oder von unten abgelegt wird, oder das Verschweißen der Elektroden mit den Separatorbahnen. Danach können die Separatorbahnen mittels z.B. eines Laserstrahles aufgetrennt werden, wobei der Trennschnitt idealerweise in dem Bereich stattfindet, wo sich keine Elektroden befinden, also in dem Bereich, wo zuvor durch das Transportsystem ein Abstand zwischen den Elektroden erzeugt wurde. Der nun in Stückgut geschnittene Verbund aus Elektrode, Separator, Gegenelektrode und Separator stellt die eingangs beschriebenen Batteriezelle dar.
Grundsätzlich ist es mit der Erfindung auch möglich, die Elektrode und Gegenelektrode in Transportrichtung auf nur einer Separatorbahn von unten und ober anzuordnen und zu fixieren, wobei die Elektroden in Verarbeitungsrichtung zueinander einen Versatz aufweisen, sodass durch z.B. mäanderförmiges Schlingen oder eine Z-förmige Faltung der Separatorbahn mit den darauf befindlichen Elektroden eine gestapelte Batteriezelle entsteht.
Eine vorteilhafte Gestaltung der gesamten Vorrichtung ist es, wenn auf demjenigen Transportsystem, welches die Elektroden von unten auf die Separatorbahn übergibt, auf der der Separatorbahn direkt gegenüber liegenden geraden Förderstrecke sowohl die Zuführung der Elektrodenbahn, das Laserschneiden, die Zuführung der Separatorbahn, als auch die Übergabe der Elektrode zur Separatorbahn erfolgt. Das oberhalb der Separatorbahn angeordnete zweite Transportsystem ist in Verarbeitungsrichtung etwas versetzt, und der Übergabebereich ist hierbei idealerweise deckungsgleich mit dem Übergabebereich des ersten Transportsystems. Die Zuführung der Elektrodenbahn und das Laserschneiden erfolgen auf der oberen gerade Förderstrecke des zweiten Transportsystems, die entgegengesetzt dem Übergabebereich liegt. Durch die Überdeckung der Übergabebereiche beider Transportsysteme liegt sinngemäß nun ein gemeinsamer Übergabebereich für beide Transportsysteme vor, wo die Elektroden durch die Greifer geklemmt und auf die Separatorbahn übergeben werden können. Hier bietet es sich an, beidseitig neben der Separatorbahn bzw. den Transportsystemen Greifersysteme zu haben, welche den Verbund aus „Elektrode - Separatorbahn - Gegenelektrode“ klemmen, und entsprechend lagefixiert weitertransportieren.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

• 1: Eine Darstellung der Vorrichtung in der Seitenansicht; ohne die Darstellung der seitlich angebrachten Greifersysteme und unter stark vereinfachter Darstellung des Schweiß- und abschließenden Ausschneidvorganges.
• 2: Eine Schnittdarstellung der Vorrichtung in Verarbeitungsrichtung, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinie A-A gemäß 1 erfolgt.
• 3: Eine Schnittdarstellung der Vorrichtung in Draufsicht, oberhalb und entlang der auf der Separatorbahn platzierten Elektroden, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinie B-B gemäß 1 erfolgt.

Ausführungsvariante
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung lediglich schematisch dar.
Aus 1 geht hervor, dass eine Elektrodenbahn (1) zu einem Aufnahmebereich (2a) eines ersten oval förmigen Transportsystem (2) mit kontinuierlich Geschwindigkeit (5) zugeführt wird. Das oval förmigen Transportsystem (2) weist eine Vielzahl von angetriebenen Segmenten (3) auf, welche im Aufnahmebereich (2a) dieselbe Geschwindigkeit (4) aufweisen wie die Geschwindigkeit (5) der Elektrodenbahn (1), und zum Transport und Fixieren der Elektrodenbahn (1) mit Unterdruck beaufschlagt sind, sodass die Elektrodenbahn (1) durch Bohrungen auf der Oberseite der Segmente angesaugt werden. Im Aufnahmebereich der Elektrodenbahn (2a) und beim folgenden Schneidbereich (2b) weisen die Segmente zueinander in Fahrtrichtung einen kleinen Spalt (7a) auf, der Partikeln absaugen kann, die beim Schneidvorgang entstehen, sowie es ermöglicht, dass der Trennschnitt komplett durch die Elektrodenbahn (1) erfolgen kann. Der Schnitt wird mit einer Laserquelle (6) erzeugt, indem der Laserstrahl quer (10) zur Förderrichtung und im Spalt (7a) zwischen den Segmenten (3) die Elektrodenbahn (1) in einzelne Elektroden (1a) schneidet. Nach dem Trennschnitt werden die Segmente (3) samt den darauf angesaugten Elektroden (1a) kurzzeitig beschleunigt und wieder verzögert, sodass ein neuer Abstand (7b) zwischen den Segmenten (3) vorliegt, der etwas größer ist als der vorher zum Schneiden benötigte Spalt (7a). Anschließend werden die Segmente (3) bzw. die Elektroden (1a) mit kontinuierlicher Geschwindigkeit (8) und unter Erhaltung des Abstandes (7b) weitertransportiert und im Zuführbereich (2c) mit einer Separatorbahn (9) bedeckt. Die Separatorbahn (9) ist etwas breiter als die spannungserzeugenden Flächen der Elektroden (1a), wobei der Stromableiter (1b) der Elektrode (1a) etwas seitlich über die Separatorbahn (9) hinausragt (siehe hierzu auch 2 oder 3). Die Fördergeschwindigkeit (11) der Separatorbahn (9) ist gleich groß wie die Geschwindigkeit (8) der Segmente (3) bzw. der sich darauf befindenden Elektroden (1a), sodass die Elektroden (1a) unter Erhaltung des Abstandes (7b) als auch die darauf liegende Separatorbahn (9) kontinuierlich zum Übergabebereich (2d) befördert werden. Der Aufnahmebereich (2a), der Schneidbereich (2b), der Zuführbereich (2c) und der Übergabebereich (2d) sind auf dem geraden Bereich (2e) des oval förmigen Transportsystem (2) auf der obenliegenden und direkt gegenüberliegenden Seite zur Separatorbahn (9) angeordnet.
Mit kleinem Abstand oberhalb des ersten Transportsystems (2) und der zugeführten Separatorbahn (9) ist ein zweites oval förmiges Transportsystem (18) vorhanden, das in den Übergabebereich (2d) des ersten Transportsystems (2) leicht versetzt hineinragt. Von der grundsätzlichen Arbeitsweise ähneln sich beide Transportsysteme (2, 3), wobei auf dem ersten Transportsystem (2) das Elektrodenmaterial (1, 1a), auf dem zweiten Transportsystem (18) das Material der Gegen-Elektrode (12, 12a) verarbeitet wird.
Das zweite oval förmigen Transportsystem (18) weist eine Vielzahl von angetriebenen Segmenten (13) auf, welche im Aufnahmebereich (18a) dieselbe Geschwindigkeit (14) aufweisen wie die Geschwindigkeit (15) der Gegen-Elektrodenbahn (12), und zum Transport und Fixieren der Gegen-Elektrodenbahn (12) mit Unterdruck beaufschlagt sind, sodass die Gegen-Elektrodenbahn (12) durch Bohrungen auf der Oberseite der Segmente (13) angesaugt werden. Im Aufnahmebereich der Elektrodenbahn (18a) und beim folgenden Schneidbereich (18b) weisen die Segmente (13) zueinander in Fahrtrichtung einen kleinen Spalt (16a) auf, der Partikeln absaugen kann, die beim Schneidvorgang entstehen, sowie es ermöglicht, dass hier der Trennschnitt vollkommen durch die Gegen-Elektrodenbahn (12) erfolgen kann. Der Schnitt wird mit einer Laserquelle (17) erzeugt, indem der Laserstrahl quer (10) zur Förderrichtung und im Spalt (16a) wischen den Segmenten (13) die Gegen-Elektrodenbahn (12) in einzelne Elektroden (12a) schneidet. Nach dem Trennschnitt werden die Segmente (13) samt den darauf angesaugten Elektroden (12a) kurzzeitig beschleunigt und wieder verzögert, sodass ein neuer Abstand (16b) zwischen den Segmenten (13) vorliegt, der größer ist als der vorher zum Schneiden benötigte Spalt (16a). Anschließend werden die Segmente (13) samt den darauf angesaugten Gegen-Elektroden (12a) unter Erhaltung des Abstandes (16b) mit kontinuierlicher Geschwindigkeit (19) zum Übergabegereich (18c) transportiert.
Beim zweiten Transportsystems (18) ist der Aufnahmebereich (18a) und der Schneidbereich (18b) auf der geraden Förderstrecke (18d) auf der oberen Seite des Transportsystems (18) angeordnet. Der Übergabebereich (18c) befindet sich ebenfalls auf der geraden Förderstrecke (18d), jedoch genau gegenüberliegend dem Aufnahmebereich (18a) und dem Schneidbereich (18b), bzw. direkt oberhalb der Separatorbahn (9) und mit nur geringem Anstand zum Übergabebereich (2d) des ersten Transportsystems (2). Der Übergabebereich (18c) des zweiten Transportsystems (18) ist deckungsgleich und parallel zum Übergabebereich (2d) des ersten Transportsystems (2) angeordnet, wobei der Abstand der beiden Transportsysteme (2, 18) zueinander so groß ausfällt, dass mindestens die Elektroden (12a, 1a) und die Separatorbahn (9) zwischen den sich gegenüberliegenden Segmenten (13, 3) hineinpassen bzw. dort hindurch transportiert werden können.
Bei beiden Übergabebereichen (2d, 18c) sind die Geschwindigkeiten (8, 19) der jeweiligen Segmente (13, 3) bzw. der darauf befindlichen Elektroden (1a, 12a) gleich groß, wie die Geschwindigkeit (11) der Separatorbahn (9), wobei die Elektroden (1a,12a) deckungsgleich zueinander angeordnet sind (siehe hierzu auch 3).
2 und 3 zeigen zwei seitlich neben den Transportsystemen (2, 18) angeordnete Greifersysteme (26, 27), welche angetriebene Greifer (28, 29) besitzen, die auf einer oval förmigen Transportbahn bewegt werden können, wobei sich die Greifer (28, 29) während ihres Klemmbereiches (25) auf einer geraden Strecke (33) und die parallel zu der Separatorbahn (9) angeordnet befinden. Die Geschwindigkeit (32) der Greifer (28, 29) ist während ihrer Klemmfunktion (25) exakt gleich groß wie die kontinuierliche Fördergeschwindigkeit (11) der Separatorbahn (9) bzw. der sich darauf befindlichen Elektroden (1a, 12a).
2 und 3 zeigen weiterhin, dass in diesem Ausführungsbeispiel sowohl die Elektroden (1a und 12a) inklusive derer Ableiter (1b, 12b) als auch der Separator (9) etwas breiter ausfallen als die Segmente (3, 13), sodass ein leichter Überstand (30, 31) entsteht. Sobald die Segmente (13, 3) in den Übergabebereich (2d, 18c) eingefahren sind, klemmen die Geifer (28, 29) den Verbund aus Elektroden (1a, 12a) und Separatorbahn (8) im Bereich des Überstandes (30, 31), alsdann die Elektroden (1a, 12a) durch Ablassen des Unterdrucks der jeweiligen Segmente (13, 3) unter Erhaltung des Abstandes (16b, 7b) auf die Separatorbahn (9) übergeben und derart der geklemmte Verbund (1a, 9, 12a) lagefixiert aus dem Übergabebereich (2d, 18c) zur nachfolgenden Bearbeitung (22, 23) zugeführt werden kann, währenddessen die Segmente (3, 13) wieder zurück zu den jeweiligen Aufnahmebereichen (2a und 18a) bewegt werden, um einen neuen Arbeitszyklus zu beginnen.
1 zeigt weiterhin, dass nachdem der geklemmte Verbund aus Separatorbahn (9) und Elektroden (1a,12a) das zweite Transportsystem (18) verlassen hat, in diesem Ausführungsbeispiel noch eine weitere Separatorbahn (20) auf die Elektroden (12a) deckungsgleich und mit gleicher Geschwindigkeit (21) wie die erste Separatorbahn (9), abgelegt wird. Anschließend erfolgt - schematisch und in Kastenform dargestellt - eine Verschweißung (22) der Elektroden (1a, 12a) mit den Separatorbahnen (9, 20), alsdann - ebenso schematisch und in Kastenform dargestellt - ein Schneidvorgang (23), der quer zur Förderrichtung und im jeweiligen Abstand (16b, 7b) der Elektroden (1a, 12a) erfolgt, sodass am Ende ein gestapelter und verschweißter Verbund (24) aus den folgenden Komponenten vorliegt: Separator (20) - Gegen-Elektrode (12a) - Separator (9) - Elektrode (1a); wobei dieser Verbund (24) - gemäß der eingangs gewählten Wortwahl - die Batteriezelle (24) ergibt.
3 verdeutlicht, dass nachdem durch die Verschweißung (22) ein stabiler Verbund aus den Separatorbahnen (9, 20) und den Elektroden (1a, 12a) erzeugt wurde, die Greifer (28, 29) ihre die Lage und Position fixierende Aufgabe im Klemmbereich (25) erfüllt haben, somit die Greifer (28, 29) werden geöffnet werden können, und fahren anschließend auf der oval förmigen Transportbahn wieder zurück zum Übergabebereich (2d,18c), um einen neuen Arbeitszyklus zu beginnen; das heißt, der Klemmbereich (25) der Greifer (28, 29) beginnt im Übergabebereich (2d, 16b) und endet im Ausführungsbeispiel nach der Verschweißung (22).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017216133 A1 [0004]
DE 102017215905 A1 [0005]
US 9385395 B2 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Energiespeichers (24), indem Elektroden (1a, 12a) aus Elektrodenbahnen (1, 12) mittels Laser (6, 17) ausgeschnitten werden, und die Elektroden (1a, 12a) mit Abstand (7b, 16b) auf einer Separatorbahn (9) platziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) zwei oval förmige Transportsysteme (2, 18) vorhanden sind, die oberhalb und unterhalb der Separatorbahn (9) angeordnet sind, b) die oval förmige Transportsysteme (2, 18) angetriebene Segmente (3, 13) und gerade Förderstrecken (2e, 18d) aufweisen, c) auf den geraden Förderstrecken (2e, 18d) der Aufnahmebereich (2a, 18a) der Elektrodenbahnen (1, 12), der Schneidbereich (2b, 18b) mit Laser (6,1 7) und der Übergabebereich (2d, 18c) zur Separatorbahn (9) untergebracht sind, d) im Übergabebereich (2d, 18c) die Segmente (3, 13) samt den sich darauf befindenden Elektroden (1a, 12a) einen Abstand (7b, 16b) zueinander aufweisen, e) im Übergabebereich (2d, 18c) mindestens ein Greifersystem (26 oder 27) mit angetriebenen Greifern (28, 29) vorhanden ist, und f) die Greifer (28, 29) eine gerade Förderstrecke (33) aufweisen, die parallel zur Separatorbahn (9) verläuft.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifer (28, 29) im Überstand (30, 31) die Elektroden (1a, 12a) einzeln (1a oder 12a), gemeinsam (1a und 12a) oder in Kombination mit der Separatorbahn (9) klemmen.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1a, 12a) seitlich einen Überstand (30, 31) zu den Segmenten (3, 13) aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (9) seitlich einen Überstand (30, 31) zu den Segmenten (3, 13) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 2 Greifersysteme (26, 27) vorhanden sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmbereich (25) der Greifer (28, 29) im Übergabebereich (2d, 18c) beginnt, und sich mindestens bis dahin erstreckt, wo die Elektroden (1a, 12a), durch andere Mittel als durch die Klemmung der Greifer (28, 29), eine Fixierung (22) erfahren.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergabebereich (2d, 18c) die Geschwindigkeit (32) der Greifer (28, 29) gleich groß ist, wie die Geschwindigkeit (8, 19) der Segmente (3, 13), der darauf platzierten Elektroden (1a, 12a) oder die Geschwindigkeit (11) der Separatorbahn (9).
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3, 13) derart groß gestaltet sind, dass darauf jeweils eine Elektrode (1a, 12a) aufgenommen wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufnahmebereich (2a, 18a) und im Schneidbereich (2b, 18b) ein Spalt (7a, 16a) zwischen den Segmenten (3, 13) vorliegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergabebereiche (2d, 18c) der Transportsysteme (2, 18) eine Überdeckung aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten oval förmigen Transportsystem (2) der Aufnahmebereich (2a), der Schneidbereich (2b), der Zuführbereich (2c) und der Übergabebereich (2d) auf der der Separatorbahn (9) direkt gegenüberliegenden Seite der geraden Förderstrecke (2e) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergabebereich (18c) des zweiten oval förmigen Transportsystems (18) auf der der Separatorbahn (9) direkt gegenüberliegenden Seite der geraden Förderstrecke (18d) angeordnet ist, wobei der Zuführbereich (18a) und der Schneidbereich (18a) auf der gegenüberliegenden Seite der geraden Förderstrecken (18d) liegen.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausschneiden der Elektroden (1a, 12a) mehrere Laser (6, 17) im Schneidbereich (2b, 18b) vorhanden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers (24), indem Elektroden (1a, 12a) aus Elektrodenbahnen (1, 12) mittels Laser (6, 17) ausgeschnitten werden, und die Elektroden (1a, 12a) mit Abstand (7b, 16b) auf einer Separatorbahn (9) platziert werden, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) aufnehmen und fixieren von Elektrodenbahnen (1, 12) auf angetriebenen Segmenten (3, 13) oval förmiger Transportsysteme (2, 18), b) ausschneiden von Elektroden (1a, 12a) aus der Elektrodenbahnen (1, 12) mittels Laser (6, 17), c) erzeugen eines Abstandes (7b, 16b) zwischen den Elektroden (1a, 12a), indem die Segmente (3, 13) samt den darauf befindlichen Elektroden (1a, 12a) kurzzeitig beschleunigt und verzögert werden, d) zuführen der Separatorbahn (9) zwischen die oval förmigen Transportsysteme (2, 18), e) klemmen der Elektroden (1a, 12a) durch angetriebene Greifer (28, 29), f) übergeben der Elektroden (1a, 12a) von den Segmenten (3, 13) auf die Separatorbahn (9), g) transportieren der Elektroden (1a, 12a) unter Klemmwirkung der Greifer (28, 29), h) wobei die Verfahrensschritte e) bis g) und unter Beibehaltung des Abstandes (7b, 16b) erfolgen, und i) indem die Verfahrensschritte a), b), e) und f) auf den geraden Förderstrecken (2e, 18d) der oval förmigen Transportsysteme (2,18) erfolgen.
Verfahren gemäß Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Greifer (28, 29) die Elektroden (1a, 12a) einzeln (1a oder 12a), gemeinsam (1a und 12a) oder in Kombination mit der Separatorbahn (9) klemmen.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport unter Klemmeinwirkung (25) der Greifersysteme (27, 26) mindestens solange aufrechterhalten wird, bis eine Verschweißung (22) oder eine andersgeartete Fixierung der Elektroden (1a, 12) und der Separatorbahn (9, 20) abseits der Greifersysteme erzeugt ist.