DE102022128232A1 - Apparatus and method for producing battery electrodes - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zur Herstellung von Batterieelektroden (2), zumindest umfassend ein planares Förderband (3) mit einer Auflagefläche (4) für ein Elektrodenbandmaterial (5), wobei das Elektrodenbandmaterial (5) durch das Förderband (3) entlang einer Förderrichtung (6) förderbar ist, sowie eine Laserschneideinrichtung (7), zumindest umfassend einen 3D-Polygonscanner (8), über den ein Laserstrahl (9, 10) hin zu dem auf dem Förderband (3) angeordneten Elektrodenbandmaterial (5) umlenkbar ist. Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden (2) angegeben.Device (1) for producing battery electrodes (2), at least comprising a planar conveyor belt (3) with a support surface (4) for an electrode strip material (5), wherein the electrode strip material (5) can be conveyed by the conveyor belt (3) along a conveying direction (6), and a laser cutting device (7), at least comprising a 3D polygon scanner (8), via which a laser beam (9, 10) can be deflected towards the electrode strip material (5) arranged on the conveyor belt (3). A method for producing battery electrodes (2) is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden.The invention relates to a device and a method for producing battery electrodes.
Elektrisch antreibbare oder angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise einen Elektromotor als Antriebsmaschine auf, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeuginternen elektrischen (Hochvolt-)Energiespeicher gekoppelt ist. Derartige Energiespeicher sind beispielsweise in Form von (Fahrzeug-)Batterien ausgeführt.Electrically driven or powered motor vehicles, such as electric or hybrid vehicles, typically have an electric motor as a drive machine, which is coupled to an internal (high-voltage) electrical energy storage device in the vehicle to supply electrical energy. Such energy storage devices are designed, for example, in the form of (vehicle) batteries.
Unter einer elektrochemischen Batterie ist hierbei insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen, bei welcher eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar ist. Derartige Batterien sind insbesondere als elektrochemische Akkumulatoren, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Batterien typischerweise mehrere einzelne Batteriezellen auf, welche modular verschaltet sind.An electrochemical battery is understood here to be a so-called secondary battery of the motor vehicle, in which a used chemical energy can be restored by means of an electrical charging process. Such batteries are designed in particular as electrochemical accumulators, for example as lithium-ion accumulators. In order to generate or provide a sufficiently high operating voltage, such batteries typically have several individual battery cells which are connected in a modular manner.
Batterien der genannten Art weisen auf einer Batteriezellebene mindestens eine Kathode und eine Anode sowie einen Separator und einen Elektrolyten auf. Die Elektroden, also die Anode sowie die Kathode, sind zumindest aus einem jeweiligen (Elektroden-)Aktivmaterial hergestellt. Insbesondere ist das Aktivmaterial als Beschichtung auf einem Trägermaterial, z. B. einer metallischen Folie, insbesondere beidseitig, aufgetragen.Batteries of the type mentioned have at least one cathode and one anode as well as a separator and an electrolyte on a battery cell level. The electrodes, i.e. the anode and the cathode, are made from at least one respective (electrode) active material. In particular, the active material is applied as a coating to a carrier material, e.g. a metallic foil, in particular on both sides.
Zur Herstellung von Batterien sind beispielsweise Extrusionsverfahren möglich, bei welchen die Batterieelektroden der Batteriezellen aus einer plastischen Masse hergestellt werden. Die Elektrodenpasten werden hierbei als Aktivmaterialbeschichtung auf einen jeweiligen Stromableiter, insbesondere auf eine Kupfer- oder Aluminiumfolie, aufgetragen. Dadurch wird ein streifen- oder bandförmiges Elektrodenbandmaterial hergestellt, welches insbesondere als Endlosmaterial bzw. Rollenmaterial, als sogenannter Elektrodenwickel (Elektrodencoil), konfektioniert und weiter verarbeitet wird. Das endlose Elektrodenbandmaterial weist hierbei eine Länge auf, welche wesentlich größer dimensioniert ist, als dessen Breite oder Dicke beziehungsweise Höhe.For example, extrusion processes are possible for the production of batteries, in which the battery electrodes of the battery cells are made from a plastic mass. The electrode pastes are applied as an active material coating to a respective current conductor, in particular to a copper or aluminum foil. This produces a strip or band-shaped electrode tape material, which is assembled and further processed in particular as endless material or roll material, as a so-called electrode coil. The endless electrode tape material has a length that is significantly larger than its width or thickness or height.
Aus dem Elektrodenbandmaterial wird anschließend eine Anzahl von Batterieelektroden hergestellt. Hierzu wird das Elektrodenbandmaterial an vorgegebenen Schnittstellen vereinzelt, also abgetrennt oder abgelängt. Die Schnittstellen verlaufen hierbei insbesondere entlang der Breite, also quer zur „endlosen“ Länge des Elektrodenbandmaterials.A number of battery electrodes are then produced from the electrode strip material. To do this, the electrode strip material is separated, i.e. severed or cut to length, at predetermined interfaces. The interfaces run particularly along the width, i.e. across the "endless" length of the electrode strip material.
Die Vereinzelung der Batterieelektroden erfolgt beispielsweise mechanisch, insbesondere mittels eines Stanzverfahrens, oder mittels eines Laserstrahls.The battery electrodes are separated, for example, mechanically, in particular by means of a punching process, or by means of a laser beam.
Bei einer mechanischen Vereinzelung ist es beispielsweise möglich, dass die Batterieelektroden mit einem Vollschnitt vom Elektrodenbandmaterial getrennt werden, oder dass die Batterieelektroden in einem zweitgeteilten Trennverfahren, mit einer Einkerbung (Notching) einer Ober- und Unterkante der Schnittstelle und mit einem darauffolgenden Transversalschnitt zur vollständigen Durchtrennung, getrennt werden.In the case of mechanical separation, it is possible, for example, for the battery electrodes to be separated from the electrode strip material with a full cut, or for the battery electrodes to be separated in a two-part separation process, with a notching of an upper and lower edge of the interface and with a subsequent transverse cut for complete severing.
Bei einer Laservereinzelung wird ein Laserstrahl beispielsweise mit einem (Galvo-)Scanner über die Schnittstelle geführt. Der Laserstrahl ablatiert hierbei die Aktivmaterialbeschichtung sowie die Folie. Unter „ablatieren“ oder „Ablation“ ist hierbei insbesondere eine Laser-Ablation zu verstehen, bei welcher ein Laserstrahl ein Material lokal derart erwärmt, dass ein Plasma entsteht, und das Material durch die Aufheizung abgetragen wird. Der Laserstrahl wird hierbei auf das Elektrodenbandmaterial fokussiert, wobei in einer Wärmeeintragszone oder einer Wärmeeinflusszone das Material abgetragen, und somit die Schnittstelle durchtrennt wird. Bei den bekannten Verfahren entstehen dabei regelmäßig Aufwürfe bzw. Grate an dem zu erzeugenden Schneidspalt, die beim Einsatz der so hergestellten Elektroden zu Fehlern bzw. Störungen führen können (z. B. Kurzschlüsse, Feinschlüsse, kürzere Lebensdauer der Batteriezelle, Kapazitätsverlust der Batteriezelle durch thermische oder mechanische Beeinflussung der Elektroden).In laser separation, a laser beam is guided over the interface, for example using a (galvo) scanner. The laser beam ablates the active material coating and the film. “Ablation” or “ablation” refers in particular to laser ablation, in which a laser beam locally heats a material in such a way that a plasma is created and the material is removed by the heating. The laser beam is focused on the electrode strip material, whereby the material is removed in a heat input zone or a heat-affected zone, and the interface is thus severed. In the known processes, bumps or burrs regularly arise in the cutting gap to be created, which can lead to errors or malfunctions when using the electrodes produced in this way (e.g. short circuits, fine circuits, shorter service life of the battery cell, loss of capacity of the battery cell due to thermal or mechanical influences on the electrodes).
Das Elektrodenbandmaterial wird zur Vereinzelung beispielsweise mittels einer Fördereinrichtung entlang seiner Längsrichtung zu einem Bearbeitungs- oder Schneidbereich geführt. Anschließend wird die Fördereinrichtung angehalten, so dass das Elektrodenbandmaterial bei einem Stillstand der Fördereinrichtung mechanisch oder mittels Laser an der jeweiligen Schnittstelle vereinzelt wird. Anschließend wird die Fördereinrichtung wieder gestartet, und somit die vereinzelte Batterieelektrode von dem Schneidbereich weg bewegt, und eine neue Schnittstelle des Elektrodenbandmaterials zum Schneidbereich hin bewegt.The electrode strip material is guided to a processing or cutting area for separation, for example by means of a conveyor device along its length. The conveyor device is then stopped so that the electrode strip material is separated mechanically or by laser at the respective interface when the conveyor device is at a standstill. The conveyor device is then started again, and the separated battery electrode is moved away from the cutting area and a new interface of the electrode strip material is moved towards the cutting area.
Die Folie beziehungsweise der Stromableiter des Elektrodenbandmaterials ist vergleichsweise dünn, und weist beispielsweise eine Foliendicke von lediglich etwa 6 bis 12 µm (Mikrometer) auf. Durch das regelmäßige oder periodische, also getaktete Anhalten und Starten der Fördereinrichtung im Zuge der Vereinzelung wirken Beschleunigungskräfte auf das Elektrodenbandmaterial, welche zu einer Beschädigung der Folie und/oder des Aktivmaterials führen können. Um dennoch die Taktzeit zu reduzieren, und eine wirtschaftliche Fertigung darzustellen, ist es notwendig, die Beschleunigungs- und Abbremsgeschwindigkeiten der Fördereinrichtung zu reduzieren, wodurch die Zeitdauer zur Herstellung der Batterieelektroden nachteilig beeinflusst wird.The foil or the current conductor of the electrode strip material is comparatively thin and has a foil thickness of only about 6 to 12 µm (micrometers). By regularly or periodically, i.e. synchronized stopping and starting of the conveyor in the During the separation process, acceleration forces act on the electrode strip material, which can lead to damage to the film and/or the active material. In order to reduce the cycle time and ensure economical production, it is necessary to reduce the acceleration and deceleration speeds of the conveyor system, which adversely affects the time required to produce the battery electrodes.
Bei einer Laservereinzelung ist bisher ein Stillstand der Fördereinrichtung notwendig, da typische Scanner zur Bewegung des Laserstrahls entlang der Schnittstelle vergleichsweise geringe Laservorschubgeschwindigkeiten im Bereich von 6 m/s (Meter pro Sekunde) bei einem Spiegeldurchmesser von 50 mm (Millimeter) aufweisen. Durch die langsamen Laservorschubgeschwindigkeiten bekannter Scanner muss die Fördereinrichtung bei der Vereinzelung angehalten werden, um einerseits eine hohe Schnittkantenqualität zu realisieren, und um andererseits die Fördereinrichtung nicht zu beschädigen oder zu zerstören. Der Schneidbereich ist hierbei in der Regel als ein Schneid- oder Schnittspalt mit einer beidseitigen Absaugung für das ablatierte Material ausgebildet.Until now, laser separation required the conveyor system to be brought to a standstill, as typical scanners for moving the laser beam along the cutting point have comparatively low laser feed speeds of around 6 m/s (meters per second) with a mirror diameter of 50 mm (millimeters). Due to the slow laser feed speeds of known scanners, the conveyor system must be stopped during separation in order to achieve a high cutting edge quality on the one hand, and to avoid damaging or destroying the conveyor system on the other. The cutting area is usually designed as a cutting or cutting gap with suction on both sides for the ablated material.
Zur Realisierung leistungsstärkerer Batterien oder Batteriezellen sind insbesondere Batterieelektroden mit vergleichsweise großen Abmessungen gewünscht. Daher ist eine Vereinzelung von Elektrodenbandmaterialen mit einer zunehmend größeren Breite, und somit längeren Schnittstellen, notwendig. Dadurch ist es beim Laservereinzeln notwendig, mit dem Scanner einen größeren Bearbeitungsbereich abzudecken. Dies bedingt einen größeren Spotdurchmesser oder Fokusbereich des Laserstrahls, und somit eine entsprechend größere Wärmeeintragszone, wodurch mehr Energie in die Aktivmaterialbeschichtung eingetragen wird. Dadurch wird jedoch die Schnittkantenqualität der Batterieelektrode nachteilig reduziert.To create more powerful batteries or battery cells, battery electrodes with relatively large dimensions are particularly desirable. Therefore, electrode strip materials must be separated with an increasingly larger width, and thus with longer interfaces. This means that during laser separation, it is necessary to cover a larger processing area with the scanner. This requires a larger spot diameter or focus area of the laser beam, and thus a correspondingly larger heat input zone, which means that more energy is introduced into the active material coating. However, this adversely reduces the cutting edge quality of the battery electrode.
Des Weiteren ist somit, insbesondere bei sogenannten on-the-fly-Schnitten (also bei kontinuierlicher Förderung des Elektrodenbandmaterials), ein größerer Schneidspalt, insbesondere eine größere lichte Weite des Schneidspalts, beispielsweise bis zu 100 µm entlang der Länge des Elektrodenbandmaterials, notwendig, wodurch das Problem einer Durchbiegung des Elektrodenbandmaterials beziehungsweise der Schnittstelle im Bereich des Schneidspalts auftritt. Aufgrund der Durchbiegung befinden sich die Aktivmaterialbeschichtung und die Folie einerseits nicht mehr im Fokusbereich des Laserstrahls, wodurch die Schnittkantenqualität der vereinzelten Batterieelektroden weiter reduziert wird. Andererseits stellt eine solche Durchbiegung eine hohe mechanische Belastung für das Elektrodenbandmaterial dar, wodurch Beschädigungen oder Zerstörungen des Elektrodenbandmaterials auftreten können.Furthermore, particularly with so-called on-the-fly cuts (i.e. with continuous conveyance of the electrode strip material), a larger cutting gap, in particular a larger clear width of the cutting gap, for example up to 100 µm along the length of the electrode strip material, is necessary, which gives rise to the problem of bending of the electrode strip material or the interface in the area of the cutting gap. Due to the bending, the active material coating and the film are no longer in the focus area of the laser beam, which further reduces the cutting edge quality of the individual battery electrodes. On the other hand, such bending represents a high mechanical load for the electrode strip material, which can cause damage or destruction to the electrode strip material.
Bei den bekannten Verfahren der Laservereinzelung (Notching oder Vollschnitt) und Schnittgeschwindigkeiten zwischen 2 und 6 m/s werden an der vereinzelten Batterieelektrode Wärmeeinflusszonen erzeugt, die sich ausgehend von dem Schneidspalt und entlang einer Richtung quer zum Schneidspalt über einen Bereich von ca. 100 µm (Anode) bzw. ca. 150 µm (Kathode) erstrecken. Weiter werden Aufwürfe (also lokale Erhöhungen in Dickenrichtung der Batterieelektrode) in der Größenordnung von 20 µm sowie Grate (also lokale Erhöhungen in Längsrichtung der Batterieelektrode) von 20 µm erzeugt.With the known laser separation processes (notching or full cut) and cutting speeds between 2 and 6 m/s, heat-affected zones are created on the separated battery electrode, which extend from the cutting gap and along a direction transverse to the cutting gap over an area of approx. 100 µm (anode) or approx. 150 µm (cathode). Furthermore, bulges (i.e. local elevations in the thickness direction of the battery electrode) of the order of 20 µm and burrs (i.e. local elevations in the longitudinal direction of the battery electrode) of 20 µm are created.
Aufgrund des transversal oder rechtwinkelig zur Länge des Elektrodenbandmaterials durchzuführenden Laserschnittes auf einer sich bewegenden, und bei üblichen Anwendungen trommelförmigen Auflagefläche einer Fördereinrichtung, ist es notwendig, den Laser beziehungsweise den Fokuspunkt des Laserstrahls in X- (Längen-), Y- (Breiten-) und Z-(Dicken-)Richtung nachzuführen, beispielsweise mittels einer Kombination von Polygon- oder Galvo-Scannern. Insbesondere bei der Herstellung von größer dimensionierten Batterieelektroden sind die bekannten Verfahren heutzutage nicht umsetzbar oder realisierbar, da der Laserstrahl mittels eines Galvo-Scanners nicht schnell genug entlang der Z-Richtung nachstellbar ist, während sich das Rad oder die Trommel dreht.Because the laser cut is carried out transversely or at right angles to the length of the electrode strip material on a moving support surface of a conveyor, which in typical applications is drum-shaped, it is necessary to track the laser or the focal point of the laser beam in the X (length), Y (width) and Z (thickness) directions, for example using a combination of polygon or galvo scanners. The known methods are currently not feasible or realizable, particularly when producing larger battery electrodes, because the laser beam cannot be adjusted quickly enough along the Z direction using a galvo scanner while the wheel or drum is rotating.
Aus der
Aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine besonders geeignete Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden anzugeben. Insbesondere soll ein möglichst gleichmäßiger Produktionsfluss realisiert werden, bei welchem die mechanische und thermische Beanspruchung des Elektrodenbandmaterials reduziert, und eine möglichst hohe Schnittkantenqualität der Batterieelektroden gewährleistet wird.The object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art and in particular to provide a particularly suitable device and a method for producing battery electrodes. In particular, a production flow that is as uniform as possible is to be realized, in which the mechanical and thermal stress on the electrode strip material is reduced and the highest possible cutting edge quality of the battery electrodes is ensured.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A device with the features according to
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Herstellung von Batterieelektroden, insbesondere für Fahrzeugbatterien, geeignet und ausgestaltet.The device according to the invention is suitable and designed for producing battery electrodes, in particular for vehicle batteries.
Die Vorrichtung umfasst zumindest ein planares Förderband sowie (mindestens) eine Laserschneideinrichtung. Das Förderband weist eine Auflagefläche für ein (endloses) Elektrodenbandmaterial auf, wobei das Elektrodenbandmaterial durch das Förderband entlang einer Förderrichtung förderbar ist. Die Laserschneideinrichtung umfasst zumindest einen 3D-Polygonscanner, über den ein Laserstrahl hin zu dem auf dem Förderband angeordneten Elektrodenbandmaterial umlenkbar ist.The device comprises at least one planar conveyor belt and (at least) one laser cutting device. The conveyor belt has a support surface for an (endless) electrode strip material, wherein the electrode strip material can be conveyed by the conveyor belt along a conveying direction. The laser cutting device comprises at least one 3D polygon scanner, via which a laser beam can be deflected towards the electrode strip material arranged on the conveyor belt.
Insbesondere wird mit der Vorrichtung ein endloses, also insbesondere band- oder streifenförmiges Elektrodenbandmaterial, insbesondere in Form eines Rollenmaterials (Elektrodencoil, Elektrodenwickel), insbesondere mit einer elektrisch leitfähigen Folie als Stromableiter und mit einer darauf aufgebrachten Aktivmaterialbeschichtung, an vorgegebenen Schnittstellen zu einer Anzahl von Batterieelektroden vereinzelt, also abgetrennt oder abgelängt. Der Begriff „endlos“ meint hierbei insbesondere, dass die Bereitstellung des Elektrodenbandmaterial mit einer Dimension erfolgt, die um ein Vielfaches größer ist, als die Dimension der Batterieelektrode selbst bzw. dass eine Vielzahl von Batterieelektroden daraus erzeugt werden können.In particular, the device is used to separate, i.e. separate or cut to length, an endless, i.e. in particular band- or strip-shaped electrode tape material, in particular in the form of a roll material (electrode coil, electrode winding), in particular with an electrically conductive film as a current conductor and with an active material coating applied thereto, at predetermined interfaces to form a number of battery electrodes. The term "endless" here means in particular that the electrode tape material is provided with a dimension that is many times larger than the dimension of the battery electrode itself or that a large number of battery electrodes can be produced from it.
Die Auflagefläche des Förderbands, zumindest in dem Bereich, in dem der Laserstrahl das Elektrodenbandmaterial beaufschlagt, ist insbesondere planar bzw. eben, also nicht gekrümmt ausgeführt, insbesondere als Vakuumband. Über das Förderband wird das Elektrodenbandmaterial entlang einer Förderrichtung zu der Laserschneideinrichtung gefördert. Die Förderung erfolgt hierbei planar, also im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene. Das Vakuumband erzeugt geeigneter Weise einen Unterdruck, mittels welchem das Elektrodenbandmaterial während der Förderung auf der Auflagefläche fixiert oder gehalten wird.The support surface of the conveyor belt, at least in the area in which the laser beam acts on the electrode strip material, is in particular planar or flat, i.e. not curved, in particular as a vacuum belt. The electrode strip material is conveyed along a conveying direction to the laser cutting device via the conveyor belt. The conveying takes place in a planar manner, i.e. essentially in a horizontal plane. The vacuum belt suitably generates a negative pressure by means of which the electrode strip material is fixed or held on the support surface during conveying.
Der an dem Elektrodenbandmaterial zu erzeugende Schneidspalt ist gegenüber dem Förderband ortsfest, dies bedeutet, dass der Schneidspalt bei der Förderung des Elektrodenbandmaterials gegenüber dem Förderband nicht wandert oder sich bewegt.The cutting gap to be created on the electrode strip material is stationary relative to the conveyor belt, which means that the cutting gap does not wander or move relative to the conveyor belt when the electrode strip material is conveyed.
Die Laserschneideinrichtung als Ganzes ist insbesondere ortsfest angeordnet, so dass das Elektrodenbandmaterial, insbesondere kontinuierlich, an der Laserschneideinrichtung vorbei gefördert wird. Insbesondere sind auch die Komponenten der Laserschneideinrichtung, also z. B. der 3D-Polygonscanner und/oder ein Galvo-Scanner, ortsfest angeordnet, wobei dabei aber eine Drehbewegung des jeweiligen Scanners möglich ist, eine transversale Bewegung des Scanners aber eben nicht.The laser cutting device as a whole is arranged in a stationary manner, in particular, so that the electrode strip material is conveyed past the laser cutting device, in particular continuously. In particular, the components of the laser cutting device, e.g. the 3D polygon scanner and/or a galvo scanner, are also arranged in a stationary manner, whereby a rotary movement of the respective scanner is possible, but a transverse movement of the scanner is not.
Bei einem 3D-Polygonscanner wird ein Laserstrahl insbesondere zweimal durch den Scanner umgelenkt, wobei sich eine besonders gute Strahlregelungsgenauigkeit und eine gute Strahlqualität des Laserstrahls ergibt. Dabei weist der 3D-Polygonscanner also insbesondere mindestens ein Paar von Reflektionsflächen auf, wobei ein Laserstrahl zunächst eine erste Reflektionsfläche beaufschlagt und von dort hin zur zweiten Reflektionsfläche umgelenkt wird. Die Reflektionsflächen sind insbesondere an einem rotierenden Körper angeordnet, werden also nur gemeinsam bewegt. Bei den vorliegenden Verfahren der Laservereinzelung von Batterieelektroden ist eine Rayleighlänge des eingesetzten Laserstrahls vergleichsweise kurz, so dass eine gute Regelung des Laserstrahls für die Qualität des erzeugten Schneidspalts von besonderer Bedeutung ist.In a 3D polygon scanner, a laser beam is deflected twice by the scanner, resulting in particularly good beam control accuracy and good beam quality of the laser beam. The 3D polygon scanner therefore has at least one pair of reflection surfaces, with a laser beam first striking a first reflection surface and then being deflected to the second reflection surface. The reflection surfaces are arranged on a rotating body, i.e. they are only moved together. In the present method of laser separation of battery electrodes, the Rayleigh length of the laser beam used is comparatively short, so that good control of the laser beam is particularly important for the quality of the cutting gap produced.
Demgegenüber wird bei einem 2D-Polygonscanner ein Laserstrahl nur einmal umgelenkt. Bei einem Polygonscanner rotiert ein Körper, der eine Mehrzahl von Reflektionsflächen aufweist, um eine Drehachse (also nur in einer Richtung), so dass ein Laserstrahl nacheinander durch die einzelnen Reflektionsflächen umgelenkt wird.In contrast, with a 2D polygon scanner, a laser beam is only deflected once. With a polygon scanner, a body that has a number of reflective surfaces rotates around an axis of rotation (i.e. only in one direction), so that a laser beam is deflected one after the other by the individual reflective surfaces.
Bei einem Galvo-Scanner oszilliert (hin und her, also nicht rotierend) eine Reflektionsfläche um eine Drehachse.In a galvo scanner, a reflection surface oscillates (back and forth, not rotating) around a rotation axis.
Insbesondere ist der 3D-Polygonscanner so geformt, dass der Laserstrahl ausgehend von einer Strahlquelle (für den Laserstrahl) auf eine erste Reflektionsfläche des 3D-Polygonscanners trifft und von dort auf eine zweite Reflektionsfläche des 3D-Polygonscanners umlenkbar ist, die relativ zur ersten Reflektionsfläche ortsfest angeordnet ist.In particular, the 3D polygon scanner is shaped such that the laser beam, starting from a beam source (for the laser beam), strikes a first reflection surface of the 3D polygon scanner and can be deflected from there onto a second reflection surface of the 3D polygon scanner, which is arranged in a fixed position relative to the first reflection surface.
Insbesondere weist der 3D-Polygonscanner einen Körper auf, an dem die Reflektionsflächen gemeinsam angeordnet sind. Insbesondere weist der Körper eine (zweite) Drehachse auf, um die der Körper und damit die Reflektionsflächen rotieren. Insbesondere ist der Körper als Doppelkegel ausgeführt, wobei eine Mehrzahl von ersten Reflektionsflächen an einer ersten Kegelfläche und eine Mehrzahl von zweiten Reflektionsflächen an einer zweiten Kegelfläche angeordnet sind. Die (zweite) Drehachse ist insbesondere konzentrisch zu den Kegelachsen angeordnet, wobei die Kegelflächen hin zueinander geneigt sind.In particular, the 3D polygon scanner has a body on which the reflection surfaces are arranged together. In particular, the body has a (second) axis of rotation about which the body and thus the reflection surfaces rotate. In particular, the body is designed as a double cone, wherein a plurality of first reflection surfaces are arranged on a first conical surface and a plurality of second reflection surfaces are arranged on a second conical surface. The (second) axis of rotation axis is in particular arranged concentrically to the cone axes, whereby the cone surfaces are inclined towards each other.
Insbesondere umfasst die Laserschneideinrichtung einen Galvo-Scanner, wobei der Galvo-Scanner und der 3D-Polygonscanner so zueinander und zu der Strahlquelle angeordnet sind, dass ein Laserstrahl ausgehend von der Strahlquelle über die erste Reflektionsfläche auf die zweite Reflektionsfläche und von dort hin zu dem Galvo-Scanner umlenkbar ist bzw. im Betrieb der Laserschneideinrichtung umgelenkt wird.In particular, the laser cutting device comprises a galvo scanner, wherein the galvo scanner and the 3D polygon scanner are arranged relative to one another and to the beam source in such a way that a laser beam starting from the beam source can be deflected via the first reflection surface to the second reflection surface and from there to the galvo scanner or is deflected during operation of the laser cutting device.
Insbesondere ist das auf der Auflagefläche angeordnete Elektrodenbandmaterial durch das Förderband gegenüber der Laserschneideinrichtung entlang der Förderrichtung bewegbar, wobei sich ein durch die Laserschneideinrichtung an dem Elektrodenbandmaterial zu erzeugender Schneidspalt entlang einer senkrecht zur Förderrichtung verlaufenden ersten Richtung (also entlang der Breite des Elektrodenbandmaterials) erstreckt. Eine Fokuslage bzw. ein Fokuspunkt des Laserstrahls ist an dem Elektrodenbandmaterial durch den Galvo-Scanner zumindest oder ausschließlich entlang der Förderrichtung (alternativ entlang der ersten Richtung) bewegbar. Die Fokuslage bzw. ein Fokuspunkt des Laserstrahls ist durch den 3D-Polygonscanner zumindest oder ausschließlich entlang der ersten Richtung (also entlang der Breite des Elektrodenbandmaterials; alternativ entlang der Förderrichtung) bewegbar.In particular, the electrode strip material arranged on the support surface can be moved by the conveyor belt relative to the laser cutting device along the conveying direction, wherein a cutting gap to be created on the electrode strip material by the laser cutting device extends along a first direction running perpendicular to the conveying direction (i.e. along the width of the electrode strip material). A focus position or a focus point of the laser beam can be moved on the electrode strip material by the galvo scanner at least or exclusively along the conveying direction (alternatively along the first direction). The focus position or a focus point of the laser beam can be moved by the 3D polygon scanner at least or exclusively along the first direction (i.e. along the width of the electrode strip material; alternatively along the conveying direction).
Insbesondere erstreckt sich eine erste Drehachse des Galvo-Scanners parallel zur Auflagefläche. Eine (bzw. die einzige) Reflektionsfläche des Galvo-Scanners rotiert bzw. oszilliert insbesondere um die erste Drehachse.In particular, a first axis of rotation of the galvo scanner extends parallel to the support surface. One (or the only) reflection surface of the galvo scanner rotates or oscillates in particular about the first axis of rotation.
Insbesondere erstreckt sich eine zweite Drehachse des 3D-Polygonscanners senkrecht zur Auflagefläche.In particular, a second axis of rotation of the 3D polygon scanner extends perpendicular to the support surface.
Eine gegenüber der Auflagefläche bzw. dem Schneidspalt geneigte Anordnung der jeweiligen Drehachse (geneigt bedeutet hier ein kleinster Winkel zwischen Drehachse und Auflagefläche bzw. Drehachse und Schneidspalt beträgt zwischen null - null ausgeschlossen - und 90 - 90 ausgeschlossen - Winkelgrad) kann hier insbesondere vermieden werden, so dass die hier übliche kurze Rayleighlänge keinen wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Schneidspalts haben kann (aufgrund der gut regelbaren Fokuslage des Laserstrahls, insbesondere in Dickenrichtung des Elektrodenbandmaterials.An arrangement of the respective axis of rotation that is inclined relative to the support surface or the cutting gap (inclined here means a smallest angle between the axis of rotation and the support surface or the axis of rotation and the cutting gap is between zero - zero excluded - and 90 - 90 excluded - angular degrees) can be avoided in particular here, so that the short Rayleigh length that is usual here cannot have a significant influence on the quality of the cutting gap (due to the easily controllable focus position of the laser beam, especially in the thickness direction of the electrode strip material.
Insbesondere weist der 3D-Polygonscanner eine Vielzahl von Paaren von jeweils einer ersten Reflektionsfläche und einer zweiten Reflektionsfläche auf, wobei die Paare entlang einer Umfangsrichtung um die zweite Drehachse nebeneinander angeordnet sind.In particular, the 3D polygon scanner has a plurality of pairs of a first reflection surface and a second reflection surface, wherein the pairs are arranged next to one another along a circumferential direction about the second axis of rotation.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden vorgeschlagen. Insbesondere wird das Verfahren mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.A method for producing battery electrodes is also proposed. In particular, the method is carried out using the device described.
Das Verfahren wird insbesondere mit einer Vorrichtung durchgeführt, die zumindest ein planares Förderband sowie eine Laserschneideinrichtung umfasst. Das Förderband weist eine Auflagefläche für ein endloses Elektrodenbandmaterial auf, wobei das Elektrodenbandmaterial durch das Förderband entlang einer Förderrichtung förderbar ist. Die Laserschneideinrichtung umfasst insbesondere zumindest einen 3D-Polygonscanner, über den ein Laserstrahl hin zu dem auf dem Förderband angeordneten Elektrodenbandmaterial umlenkbar ist.The method is carried out in particular with a device that comprises at least one planar conveyor belt and a laser cutting device. The conveyor belt has a support surface for an endless electrode strip material, wherein the electrode strip material can be conveyed by the conveyor belt along a conveying direction. The laser cutting device in particular comprises at least one 3D polygon scanner, via which a laser beam can be deflected towards the electrode strip material arranged on the conveyor belt.
Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen der Vorrichtung und Anordnen des Elektrodenbandmaterials auf der Auflagefläche des Förderbands;
- b) Fördern des Elektrodenbandmaterials entlang der Förderrichtung; und dabei
- c) Beaufschlagen des Elektrodenbandmaterials an einem zu erzeugenden Schneidspalt mit mindestens einem Laserstrahl.
- a) providing the device and arranging the electrode strip material on the support surface of the conveyor belt;
- b) conveying the electrode strip material along the conveying direction; and
- c) Exposing the electrode strip material to a cutting gap to be created with at least one laser beam.
Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis c) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte z. B. während der Einrichtung und/oder des Betriebes der Vorrichtung kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt finden die Verfahrensschritte b) und c) zumindest teilweise gleichzeitig statt. Insbesondere kann Schritt c) bedingt sein und ggf. nur dann ausgeführt werden, wenn Schritt b) durchgeführt wird. Insbesondere wird Schritt c) mehrmals (nämlich durch mehrere Lasereinrichtungen bzw. unter gleichzeitigem Einsatz mehrerer Laserstrahlen bzw. mehrerer Laserquellen) durchgeführt. Insbesondere werden die Schritte a) bis c) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.The above (non-exhaustive) classification of the process steps into a) to c) is primarily intended to serve only as a means of differentiation and does not force a sequence and/or dependency. The frequency of the process steps, e.g. during setup and/or operation of the device, can also vary. It is also possible for process steps to at least partially overlap one another in time. It is particularly preferred that process steps b) and c) take place at least partially simultaneously. In particular, step c) can be conditional and may only be carried out if step b) is carried out. In particular, step c) is carried out several times (namely by several laser devices or with the simultaneous use of several laser beams or several laser sources). In particular, steps a) to c) are carried out in the order given.
Insbesondere beträgt eine erste Geschwindigkeit des Laserstrahls entlang des zu erzeugenden Schneidspalts mindestens 20 m/s [Meter pro Sekunde], bevorzugt mindestens 30 m/s, besonders bevorzugt mindestens 100 m/s. Insbesondere kann die erste Geschwindigkeit höchstens 1.000 m/s, bevorzugt höchstens 150 m/s, betragen.In particular, a first speed of the laser beam along the cutting gap to be created is at least 20 m/s [meters per second], preferably at least 30 m/s, particularly preferably at least 100 m/s. In particular, the first speed can be at most 1,000 m/s, preferably at most 150 m/s.
Insbesondere kann durch die hierbei möglichen hohen Geschwindigkeiten eine Wärmeeinflusszone an dem vereinzelten Elektrodenbandmaterial (also der Elektrode) verringert werden. Insbesondere erfolgt im Rahmen von Schritt c) nahezu ausschließlich ein Verdampfen (und gerade kein Aufschmelzen) des Materials des Elektrodenbandmaterials, so dass dieses vollständig aus dem Bereich des Schneidspalts entfernt werden kann.In particular, the high speeds possible here can reduce a heat-affected zone on the separated electrode strip material (i.e. the electrode). In particular, in step c), the material of the electrode strip material evaporates almost exclusively (and does not melt), so that it can be completely removed from the area of the cutting gap.
Insbesondere ist eine Wärmeeinflusszone erzeugbar, die sich ausgehend von dem Schneidspalt und entlang einer Richtung quer zum Schneidspalt über einen Bereich von höchstens 50 µm, insbesondere höchstens 20 µm, bevorzugt höchstens 10 µm, erstreckt. Insbesondere kann das Entstehen einer Wärmeeinflusszone an dem fertigen Elektrodenbandmaterial vollständig verhindert werden.In particular, a heat-affected zone can be created which extends from the cutting gap and along a direction transverse to the cutting gap over a region of at most 50 µm, in particular at most 20 µm, preferably at most 10 µm. In particular, the formation of a heat-affected zone on the finished electrode strip material can be completely prevented.
Insbesondere weisen im Bereich des erzeugten Schneidspalts Aufwürfe (also lokale Erhöhungen in Dickenrichtung der Batterieelektrode) höchstens eine Erstreckung von 5 µm gegenüber der sonst eben ausgeführten Oberfläche des Elektrodenbandmaterials auf. Insbesondere können Aufwürfe vollständig vermieden werden.In particular, in the area of the cutting gap created, bulges (i.e. local elevations in the thickness direction of the battery electrode) have a maximum extension of 5 µm compared to the otherwise flat surface of the electrode strip material. In particular, bulges can be completely avoided.
Insbesondere weisen im Bereich des erzeugten Schneidspalts Grate (also lokale Erhöhungen in Längsrichtung der Batterieelektrode) eine Erstreckung von höchstens 15 µm, bevorzugt von höchstens 10 µm oder sogar höchstens 5 µm, gegenüber einem gemittelten geraden Verlauf der Schneidkante des Schneidspalts auf.In particular, in the region of the cutting gap produced, burrs (i.e. local elevations in the longitudinal direction of the battery electrode) have an extension of at most 15 µm, preferably of at most 10 µm or even at most 5 µm, compared to an averaged straight course of the cutting edge of the cutting gap.
Insbesondere können die genannten Qualitäten des Schneidspalts bei mit Aktivmaterial beschichteten Trägermaterialien bzw. metallischen Folien erreicht werden, insbesondere bei Elektrodenbandmaterial (mit Aktivmaterial), das für Lithium-Ionen Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyt oder auch mit festem Elektrolyt (sogenannten all-solid-state Batteriezellen, dann nämlich mit Aktivmaterial, Separatormaterial und Elektrolyt) eingesetzt wird.In particular, the mentioned qualities of the cutting gap can be achieved with carrier materials or metallic foils coated with active material, in particular with electrode strip material (with active material) that is used for lithium-ion battery cells with liquid electrolyte or with solid electrolyte (so-called all-solid-state battery cells, namely with active material, separator material and electrolyte).
Insbesondere beträgt eine zweite Geschwindigkeit des Förderbandes gegenüber der Laserschneideinrichtung mindestens 40 m/min [Meter pro Minute], bevorzugt mindestens 60 m/min. Insbesondere beträgt die zweite Geschwindigkeit höchstens 100 m/min.In particular, a second speed of the conveyor belt relative to the laser cutting device is at least 40 m/min [meters per minute], preferably at least 60 m/min. In particular, the second speed is at most 100 m/min.
Insbesondere können entlang der Förderrichtung, zur sukzessiven Beaufschlagung eines zu erzeugenden Schneidspalts mit einem Laserstrahl, mehrere Laserschneideinrichtungen angeordnet sein. In einem solchen Fall kann in einem ersten Schritt das Elektrodenbandmaterial mit einem ersten Laserstrahl beaufschlagt und in einem darauf folgenden zweiten Schritt das Elektrodenbandmaterial mit einem zweiten Laserstrahl beaufschlagt werden. Dabei kann das Elektrodenbandmaterial im Bereich des Schneidspalts zunächst teilweise und später vollständig durchtrennt werden. Das Elektrodenbandmaterial kann hierbei zwischen den Schritten insbesondere abkühlen, so dass die thermische Belastung im Bereich des Schneidspalts vergleichsweise gering ist. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Schnittkantenqualität der Batterieelektroden.In particular, several laser cutting devices can be arranged along the conveying direction for successively applying a laser beam to a cutting gap to be created. In such a case, in a first step, the electrode strip material can be exposed to a first laser beam and in a subsequent second step, the electrode strip material can be exposed to a second laser beam. The electrode strip material can initially be partially severed in the area of the cutting gap and then completely severed later. The electrode strip material can in particular cool down between the steps so that the thermal load in the area of the cutting gap is comparatively low. This subsequently has an advantageous effect on the cutting edge quality of the battery electrodes.
Insbesondere kann nach Erzeugung des Schneidspalts (bzw. nach vollständiger Durchtrennung des Elektrodenbandmaterials) ein sogenannter Reinigungsscan erfolgen, durch den insbesondere ggf. noch vorhandene Aufwürfe entfernt werden können. Insbesondere kann dabei eine leichte Fase an der Schneidkante erzeugt werden. Insbesondere erhöhen die Reinigungsscans eine Taktzeit des Verfahrens (also gemessen an der Zeit, die für eine vollständige Durchtrennung des Elektrodenbandmaterials benötigt wird) um höchstens 10 %.In particular, after the cutting gap has been created (or after the electrode strip material has been completely severed), a so-called cleaning scan can be carried out, which can be used to remove any remaining build-up. In particular, a slight bevel can be created on the cutting edge. In particular, the cleaning scans increase the cycle time of the process (measured in terms of the time required to completely cut through the electrode strip material) by a maximum of 10%.
Durch das planare Förderband ist insbesondere eine Nachführung des Laserstrahls beziehungsweise der Fokuslage des Laserstrahls entlang einer Z-Richtung, also senkrecht zur Oberfläche des Elektrodenbandmaterials, im Wesentlichen nicht notwendig oder zumindest wesentlich reduziert.Due to the planar conveyor belt, tracking of the laser beam or the focus position of the laser beam along a Z-direction, i.e. perpendicular to the surface of the electrode strip material, is essentially not necessary or at least significantly reduced.
Die Schnittstellen bzw. Schneidspalte verlaufen insbesondere quer, also transversal oder senkrecht, zur Längsrichtung bzw. Länge des Elektrodenbandmaterials bzw. zur Förderrichtung des Förderbands. Das Elektrodenbandmaterial weist hierbei beispielsweise eine Breite von mehr als 100 mm [Millimeter], insbesondere zwischen 300 bis 600 mm, auf. Dies bedeutet, dass die vereinzelten Batterieelektroden insbesondere eine Kantenabmessung von mehr als 100 mm, vorzugsweise zwischen 300 bis 600 mm, aufweisen.The interfaces or cutting gaps run in particular transversely, i.e. transversely or perpendicularly, to the longitudinal direction or length of the electrode strip material or to the conveying direction of the conveyor belt. The electrode strip material has, for example, a width of more than 100 mm [millimeters], in particular between 300 and 600 mm. This means that the individual battery electrodes in particular have an edge dimension of more than 100 mm, preferably between 300 and 600 mm.
Das Elektrodenbandmaterial weist insbesondere entlang seiner Längsrichtung einen nicht beschichteten oder unbeschichteten Randbereich des Trägermaterials bzw. der Folie auf, also einen randseitigen Folienbereich, welcher nicht mit der Aktivmaterialbeschichtung versehen ist. Aus diesem Randbereich wird insbesondere im Zuge der Herstellung der Batterieelektroden jeweils ein zugeordnetes Ableiterfähnchen zur elektrischen Kontaktierung der in der Batteriezelle angeordneten Batterieelektrode hergestellt.The electrode strip material has, in particular along its longitudinal direction, a non-coated or uncoated edge region of the carrier material or the film, i.e. an edge region of the film which is not provided with the active material coating. From this edge region, in particular during the manufacture of the battery electrodes, an associated conductor flag is produced for electrically contacting the battery electrode arranged in the battery cell.
Insbesondere wird der Laserstrahl einer Lasereinrichtung während Schritt c) mehrmals hintereinander über den zu erzeugenden Schneidspalt geführt. Dies bedeutet, dass während des Schrittes c) eine Mehrfachüberfahrt des Schneidspalts bzw. der Schnittstelle mit dem Laserstrahl durchgeführt wird. Beispielsweise wird der Laserstrahl hierbei zwischen einem und 100-mal über die Schnittstelle bewegt.In particular, the laser beam of a laser device is guided several times in succession over the cutting gap to be created during step c). This means that during step c) the cutting gap or the interface is passed over several times with the laser beam. For example, the laser beam is moved between one and 100 times over the interface.
Die Mehrfachüberfahrt wird hierbei vorzugsweise mit einer möglichst hohen ersten Geschwindigkeit, also einem möglichst großen Laservorschub, durchgeführt. Dadurch ist es möglich, den Schneidspalt bzw. die Schnittfuge oder Schnittkerbe mit einer besonders geringen oder moderaten Laserleistung zu realisieren, wodurch der Wärmeeintrag beziehungsweise die Wärmeeintragszone im Bereich der Schnittfuge oder Schnittkerbe reduziert wird. Dadurch sind bessere Kantenqualitäten des Schneidspalts, und somit der Batterieelektrodenkante realisierbar.The multiple passes are preferably carried out with the highest possible first speed, i.e. with the largest possible laser feed. This makes it possible to create the cutting gap or the kerf or cutting notch with a particularly low or moderate laser power, which reduces the heat input or the heat input zone in the area of the kerf or cutting notch. This makes it possible to achieve better edge qualities of the cutting gap and thus of the battery electrode edge.
Insbesondere kann durch die schnell durchgeführten Mehrfachüberfahrten ein besonders schmaler Schneidspalt realisiert werden, also ein Schneidspalt mit einer reduzierten lichten Weite. Dadurch wird die mechanische Beanspruchung des Elektrodenbandmaterials im Bereich des Schneidspalts vorteilhaft reduziert. Insbesondere wird somit sichergestellt, dass das Elektrodenbandmaterial beziehungsweise die Schnittstelle im Bereich des Schneidspalts möglichst nicht durchhängt, wodurch das Elektrodenbandmaterial in der Ebene des Fokuspunkts des Laserstrahls gehalten wird. Somit sind auch für größere Batterieelektrodenabmessungen, also für größere Breiten des Elektrodenbandmaterials, möglichst schmale Schneidspalte realisierbar.In particular, the rapid multiple passes make it possible to create a particularly narrow cutting gap, i.e. a cutting gap with a reduced clear width. This advantageously reduces the mechanical stress on the electrode strip material in the area of the cutting gap. In particular, this ensures that the electrode strip material or the interface in the area of the cutting gap does not sag as much as possible, which keeps the electrode strip material in the plane of the focal point of the laser beam. This means that the narrowest possible cutting gaps can also be created for larger battery electrode dimensions, i.e. for larger widths of the electrode strip material.
Durch die Mehrfachüberfahrten ist eine sogenannte Kalt-Ablation des Elektrodenbandmaterials, also eine Ablation mit einer besonders geringen Wärmeeintragszone ermöglicht. The multiple passes enable a so-called cold ablation of the electrode strip material, i.e. an ablation with a particularly small heat input zone.
Insbesondere wird das ablatierte Material des Elektrodenbandmaterials während Schritt c) abgesaugt, also mittels eines Luft- oder Blasstroms entfernt. Im Zuge der Mehrfachüberfahrten wird jeweils lediglich vergleichsweise wenig ablatiertes Material erzeugt, wodurch eine besonders einfache und zuverlässige Absaugung realisierbar ist. Insbesondere ist somit ein besonders hoher Volumenstrom bei einem reduzierten Strömungsdurchmesser ermöglicht. Dadurch wird die Qualität der hergestellten Batterieelektroden weiter verbessert.In particular, the ablated material of the electrode strip material is sucked off during step c), i.e. removed by means of an air or blowing stream. During the multiple passes, only a comparatively small amount of ablated material is produced, which makes particularly simple and reliable suction possible. In particular, this enables a particularly high volume flow with a reduced flow diameter. This further improves the quality of the battery electrodes produced.
Insbesondere erfolgen Schritt b) und c) ohne eine Unterbrechung und/oder ohne ein Abbremsen bzw. Beschleunigen der Förderung des Förderbandes. Die Laservereinzelung der Batterieelektroden erfolgt somit „on-the-fly“, also während einer kontinuierlichen Förderung des Elektrodenbandmaterials. Die Förderung des Elektrodenbandmaterials wird also insbesondere nicht unterbrochen oder abgebremst. Dadurch werden Beschleunigungskräfte auf das Elektrodenbandmaterial im Wesentlichen vollständig vermieden. Damit ist ein besonders gleichmäßiger und zeitreduzierter Produktionsfluss bei der Herstellung der Batterieelektroden gewährleistet.In particular, steps b) and c) take place without interrupting and/or without slowing down or accelerating the conveyor belt. The laser separation of the battery electrodes is thus carried out "on the fly", i.e. during continuous conveyance of the electrode strip material. The conveyance of the electrode strip material is therefore not interrupted or slowed down. This essentially completely avoids acceleration forces on the electrode strip material. This ensures a particularly uniform and time-reduced production flow when manufacturing the battery electrodes.
Der Laser ist insbesondere als ein gepulster (pulsed) oder als ein kontinuierlicher (continuous wave, cw) Faserlaser ausgeführt. Der Faserlaser weist hierbei eine für die Ablation des Elektrodenbandmaterials geeignete Wellenlänge auf, vorzugsweise eine Wellenlänge im grünen oder Infrarot-Bereich (IR), beispielsweise etwa 530 nm oder 1000 nm [Nanometer], auf. Der Laser weist beispielsweise eine Laserleistung im Kilowatt-Bereich (kW) auf.The laser is designed in particular as a pulsed or continuous wave (cw) fiber laser. The fiber laser has a wavelength suitable for ablating the electrode strip material, preferably a wavelength in the green or infrared range (IR), for example around 530 nm or 1000 nm [nanometers]. The laser has, for example, a laser output in the kilowatt range (kW).
Insbesondere umfasst die Lasereinrichtung zusätzlich eine Fokussiereinrichtung, insbesondere eine sogenannte und grundsätzlich bekannte F-theta Linse auf. Diese, auch als Planfeldlinsen bezeichnete Linse wird insbesondere im Zusammenhang mit Galvo-Scannern eingesetzt, um eine einen Laserstrahldurchmesser im Bereich der Fokuslage des Laserstrahls über die gesamte Bearbeitungsebene (also entlang des zu erzeugenden Schneidspalts) möglichst klein und konstant zu halten. Die F-theta Linse wird insbesondere zwischen dem oder den Scannern und dem Elektrodenbandmaterial angeordnet.In particular, the laser device additionally comprises a focusing device, in particular a so-called and basically known F-theta lens. This lens, also known as a plane field lens, is used in particular in connection with galvo scanners in order to keep a laser beam diameter in the area of the focus position of the laser beam as small and constant as possible over the entire processing plane (i.e. along the cutting gap to be created). The F-theta lens is arranged in particular between the scanner(s) and the electrode strip material.
Insbesondere umfasst die Vorrichtung einen oder mehrere (insbesondere optische) Sensoren, über den bzw. die eine Lage des Elektrodenbandmaterials gegenüber der Lasereinrichtung erfassbar ist. Weiter dient der mindestens eine Sensor dazu, das Bandmaterial so auf das Förderband aufzulegen, dass unterhalb des zu erzeugenden Schneidspalts insbesondere ein Spalt im Förderband vorliegt, so dass das Förderband nicht durch den Laserstrahl geschädigt wird.In particular, the device comprises one or more (in particular optical) sensors, via which a position of the electrode strip material relative to the laser device can be detected. Furthermore, the at least one sensor serves to place the strip material on the conveyor belt in such a way that there is in particular a gap in the conveyor belt below the cutting gap to be created, so that the conveyor belt is not damaged by the laser beam.
Insbesondere ist zumindest ein System zur Datenverarbeitung vorgesehen, das Mittel aufweist, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen. Das oder die Mittel ist bzw. sind insbesondere zur Steuerung der Komponenten der Vorrichtung und zur Erfassung und Auswertung von Messwerten geeignet ausgeführt.In particular, at least one data processing system is provided which has means which are suitably equipped, configured or programmed to carry out the method or which carry out the method. The means is or are particularly suitably designed to control the components of the device and to record and evaluate measured values.
Die Mittel umfassen z. B. einen Prozessor und einen Speicher, in dem durch den Prozessor auszuführende Befehle gespeichert sind, sowie Datenleitungen oder Übertragungseinrichtungen, die eine Übertragung von Befehlen, Messwerten z. B. der Sensoren, Daten oder ähnlichem zwischen den angeführten Elementen ermöglichen.The means include, for example, a processor and a memory in which instructions to be executed by the processor are stored, as well as data lines or transmission devices that enable a transmission of instructions, measured values, e.g. from sensors, data or the like between the elements mentioned.
Die „Mittel“ können insbesondere eine oder mehrere folgender Komponenten umfassen: Steuerung(en), Mikrocontroller, Datenspeicher, Datenverbindung, Anzeigegeräte (wie z.B. ein Display), Zähler bzw. Zeitglied (Timer), mindestens ein weiterer Sensor, eine Energiequelle, etc.The “means” may in particular comprise one or more of the following components: controller(s), microcontroller, data storage, data connection, display devices (such as a display), counter or timer, at least one other sensor, an energy source, etc.
Es wird weiter ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.A computer program is further proposed, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the described method or the steps of the described method.
Es wird weiter ein computerlesbares Speichermedium vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.A computer-readable storage medium is also proposed, comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the described method or the steps of the described method.
Die Ausführungen zu der Vorrichtung sind insbesondere auf das Verfahren, das System zur Datenverarbeitung und/oder das computerimplementierte Verfahren (also das Computerprogramm und das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.The statements regarding the device are particularly transferable to the method, the data processing system and/or the computer-implemented method (i.e. the computer program and the computer-readable storage medium) and vice versa.
Insbesondere wird eine mit der Vorrichtung bzw. durch das Verfahren hergestellte Batterieelektrode in einer Batteriezelle und/oder in einer Fahrzeugbatterie verwendet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein gleichmäßiger Produktionsfluss bei der Herstellung der Batterieelektrode realisiert, bei welchem die mechanische und thermische Beanspruchung des Elektrodenbandmaterials reduziert ist. Die Batterieelektrode weist somit eine besonders hohe Schnittkantenqualität auf, was sich vorteilhaft auf die Qualität und Leistung der damit ausgestatteten Batteriezelle überträgt.In particular, a battery electrode produced using the device or the method is used in a battery cell and/or in a vehicle battery. The method according to the invention enables a uniform production flow in the manufacture of the battery electrode, in which the mechanical and thermal stress on the electrode strip material is reduced. The battery electrode therefore has a particularly high cutting edge quality, which has an advantageous effect on the quality and performance of the battery cell equipped with it.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles ("a", "an", "an" and "another"), particularly in the patent claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a number. Terms or components introduced accordingly are therefore to be understood as being present at least once and, in particular, can also be present multiple times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here ("first", "second", ...) primarily serve (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes, and in particular do not necessarily specify a dependency and/or sequence of these objects, sizes or processes. If a dependency and/or sequence is required, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described design. If a component can occur multiple times ("at least one"), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : eine erste Ausführungsvariante einer Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht; -
2 : die Bearbeitung eines Schneidspalts in verschiedenen Ansichten; und -
3 : eine zweite Ausführungsvariante einer Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
-
1 : a first embodiment of a device in a perspective view; -
2 : the machining of a cutting gap in different views; and -
3 : a second embodiment of a device in a perspective view.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein planares Förderband 3 sowie eine Laserschneideinrichtung 7. Das Förderband 3 weist eine Auflagefläche 4 für ein endloses Elektrodenbandmaterial 5 auf, wobei das Elektrodenbandmaterial 5 durch das Förderband 3 entlang einer Förderrichtung 6 förderbar ist. Die Laserschneideinrichtung 7 umfasst einen 3D-Polygonscanner 8, über den ein Laserstrahl 9 hin zu dem auf dem Förderband 3 angeordneten Elektrodenbandmaterial 5 umlenkbar ist.The
Die Laserschneideinrichtung 7 umfasst einen Galvo-Scanner 14, wobei der Galvo-Scanner 14 und der 3D-Polygonscanner 8 so zueinander und zu der Strahlquelle 11 angeordnet sind, dass im Betrieb der Laserschneideinrichtung 7 ein Laserstrahl 9 ausgehend von der Strahlquelle 11 über eine erste Reflektionsfläche 12 des 3D-Polygonscanners 8 auf eine zweite Reflektionsfläche 13 und von dort hin zu einer dritten Reflektionsfläche 24 des Galvo-Scanners 14 umgelenkt wird.The
Bei dem Galvo-Scanner 14 oszilliert die dritte Reflektionsfläche 24 um eine erste Drehachse 18.In the
Die Laserschneideinrichtung 7 als Ganzes ist ortsfest angeordnet, so dass das Elektrodenbandmaterial 5 kontinuierlich an der Laserschneideinrichtung 7 vorbei gefördert wird. Die Komponenten der Laserschneideinrichtung 7, also der 3D-Polygonscanner 8 und der Galvo-Scanner 14 sind ortsfest angeordnet, wobei dabei aber eine Drehbewegung des jeweiligen Scanners 8, 14 möglich ist, eine transversale Bewegung des Scanners 8, 14 aber eben nicht.The
Der 3D-Polygonscanner 8 ist so geformt, dass der Laserstrahl 9 ausgehend von einer Strahlquelle 11 für den Laserstrahl 9 auf eine erste Reflektionsfläche 12 des 3D-Polygonscanners 8 trifft und von dort auf eine zweite Reflektionsfläche 13 des 3D-Polygonscanners 8 umgelenkt wird, die relativ zur ersten Reflektionsfläche 12 ortsfest angeordnet ist.The
Der 3D-Polygonscanner 8 weist einen Körper 21 auf, an dem die Reflektionsflächen 12, 13 gemeinsam angeordnet sind. Der Körper weist eine zweite Drehachse 19 auf, um die der Körper 21 und damit die Reflektionsflächen 12, 13 rotieren. Der Körper 21 ist als Doppelkegel ausgeführt, wobei eine Mehrzahl von ersten Reflektionsflächen 12 an einer ersten Kegelfläche 22 und eine Mehrzahl von zweiten Reflektionsflächen 13 an einer zweiten Kegelfläche 23 angeordnet sind. Die zweite Drehachse 19 ist konzentrisch zu den Kegelachsen bzw. Kegelflächen 22, 23 angeordnet, wobei die Kegelflächen 22, 23 hin zueinander geneigt sind.The
Der 3D-Polygonscanner 8 weist eine Vielzahl von Paaren von jeweils einer ersten Reflektionsfläche 12 und einer zweiten Reflektionsfläche 13 auf, wobei die Paare entlang einer Umfangsrichtung 20 um die zweite Drehachse 19 nebeneinander angeordnet sind.The
Die erste Drehachse 18 des Galvo-Scanners 14 erstreckt sich parallel zur Auflagefläche 4. Die dritte Reflektionsfläche 24 des Galvo-Scanner 14 oszilliert um die erste Drehachse 18.The
Die zweite Drehachse 19 des 3D-Polygonscanners 8 erstreckt sich senkrecht zur Auflagefläche 4.The
Eine gegenüber der Auflagefläche 4 bzw. dem Schneidspalt 15 geneigte Anordnung der jeweiligen Drehachse 18, 19 (geneigt bedeutet hier ein kleinster Winkel zwischen Drehachse 18, 19 und Auflagefläche 4 bzw. Drehachse 18, 19 und Schneidspalt 15 beträgt zwischen null - null ausgeschlossen - und 90 - 90 ausgeschlossen - Winkelgrad) kann hier vermieden werden, so dass die hier übliche kurze Rayleighlänge keinen wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Schneidspalts 15 haben kann (aufgrund der gut regelbaren Fokuslage 17 des Laserstrahls 9, insbesondere in Dickenrichtung des Elektrodenbandmaterials 5).An arrangement of the respective rotation axes 18, 19 inclined relative to the
Die Laserschneideinrichtung 7 umfasst zusätzlich eine Fokussiereinrichtung 32, die zwischen den Scannern 8, 14 und dem Elektrodenbandmaterial 5 angeordnet ist.The
Das auf der Auflagefläche 4 angeordnete Elektrodenbandmaterial 5 ist durch das Förderband 3 gegenüber der Laserschneideinrichtung 7 entlang der Förderrichtung 6 bewegbar, wobei sich ein durch die Laserschneideinrichtung 7 an dem Elektrodenbandmaterial 5 zu erzeugender Schneidspalt 15 entlang einer senkrecht zur Förderrichtung 6 verlaufenden ersten Richtung 16 (also entlang der Breite des Elektrodenbandmaterials 5) erstreckt. Eine Fokuslage 17 bzw. ein Fokuspunkt des Laserstrahls 9 ist an dem Elektrodenbandmaterial 5 durch den Galvo-Scanner 14 ausschließlich entlang der Förderrichtung 6 bewegbar. Die Fokuslage 17 des Laserstrahls 9 ist durch den 3D-Polygonscanner 8 ausschließlich entlang der ersten Richtung 16 bewegbar.The
Das Elektrodenbandmaterial 5 weist entlang seiner Längsrichtung (parallel zur Förderrichtung 6) einen nicht beschichteten oder unbeschichteten Randbereich 29 des Trägermaterials bzw. der Folie auf, also einen randseitigen Folienbereich, welcher nicht mit der Aktivmaterialbeschichtung versehen ist. Aus diesem Randbereich 29 wird im Zuge der Herstellung der Batterieelektroden 2 jeweils ein zugeordnetes Ableiterfähnchen 30 zur elektrischen Kontaktierung der in der Batteriezelle angeordneten Batterieelektrode 2 hergestellt.The
Das ablatierte Material des Elektrodenbandmaterials 5 wird während Schritt c), also während des Beaufschlagens des Elektrodenbandmaterials 5 an einem zu erzeugenden Schneidspalt 15 mit dem Laserstrahl 9, abgesaugt, also mittels eines Luft- oder Blasstroms 31 entfernt.The ablated material of the
In
In
Im Bereich des erzeugten Schneidspalts 15 durch das Beaufschlagen mit dem Laserstrahl 9 üblicherweise entstehende Aufwürfe 26 (also lokale Erhöhungen in Dickenrichtung der Batterieelektrode 2) können vollständig vermieden bzw. durch den Reinigungsscan entfernt werden.In the area of the cutting
Die nach Durchführung des Reinigungsscans erzeugte Fase 27 ist in der
Hier sind entlang der Förderrichtung 6, zur sukzessiven Beaufschlagung eines zu erzeugenden Schneidspalts 15 mit mehreren Laserstrahlen 9, 10, mehrere Laserschneideinrichtungen 7 angeordnet. Dabei wird in einem ersten Schritt das Elektrodenbandmaterial 5 mit einem ersten Laserstrahl 9 beaufschlagt und in einem darauf folgenden zweiten Schritt mit einem zweiten Laserstrahl 10 beaufschlagt. Dabei kann das Elektrodenbandmaterial 5 im Bereich des Schneidspalts 15 zunächst teilweise und später vollständig durchtrennt werden. Das Elektrodenbandmaterial 5 kann hierbei zwischen den Schritten abkühlen, so dass die thermische Belastung im Bereich des Schneidspalts 15 vergleichsweise gering ist. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Schnittkantenqualität der Batterieelektroden 2.Here, several
Die Vorrichtung 1 umfasst mehrere (insbesondere optische) Sensoren 33, über die eine Lage des Elektrodenbandmaterials 5 gegenüber der Laserschneideinrichtung 7 erfassbar ist. Weiter dienen die Sensoren 33 dazu, das Elektrodenbandmaterial 5 so auf das Förderband 3 aufzulegen, dass unterhalb des zu erzeugenden Schneidspalts 15 ein Spalt 34 im Förderband 3 vorliegt, so dass das Förderband 3 nicht durch den Laserstrahl 9, 10 geschädigt wird.The
Für die Kalibrierung der Laserschneideinrichtung 7 sind z. B. mindestens drei Sensoren 33 erforderlich, zwei zur Ermittlung der Lage des Elektrodenbandmaterials 5 gegenüber der Förderrichtung 6 und ein Sensor 33 zur Ermittlung der Lage des Elektrodenbandmaterials 5 gegenüber der ersten Richtung 16.For the calibration of the
Die Vorrichtung 1 umfasst ein System 35 zur Datenverarbeitung, das Mittel aufweist, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen. Das oder die Mittel ist bzw. sind insbesondere zur Steuerung der Komponenten der Vorrichtung 1, z. B. des Förderbands 3, der Laserschneideinrichtungen 7, der Strahlquellen 11, der Einstellung des Luftstroms 31 usw., und zur Erfassung und Auswertung von Messwerten der Sensoren 33 geeignet ausgeführt.The
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- BatterieelektrodeBattery electrode
- 33
- FörderbandConveyor belt
- 44
- AuflageflächeSupport surface
- 55
- ElektrodenbandmaterialElectrode tape material
- 66
- FörderrichtungConveying direction
- 77
- LaserschneideinrichtungLaser cutting device
- 88th
- 3D-Polygonscanner3D polygon scanner
- 99
- erster Laserstrahlfirst laser beam
- 1010
- zweiter Laserstrahlsecond laser beam
- 1111
- StrahlquelleBeam source
- 1212
- erste Reflektionsflächefirst reflection surface
- 1313
- zweite Reflektionsflächesecond reflection surface
- 1414
- Galvo-ScannerGalvo scanner
- 1515
- SchneidspaltCutting gap
- 1616
- erste Richtungfirst direction
- 1717
- FokuslageFocus position
- 1818
- erste Drehachsefirst axis of rotation
- 1919
- zweite Drehachsesecond axis of rotation
- 2020
- UmfangsrichtungCircumferential direction
- 2121
- KörperBody
- 2222
- erste Kegelflächefirst conical surface
- 2323
- zweite Kegelflächesecond conical surface
- 2424
- dritte Reflektionsflächethird reflection surface
- 2525
- WärmeeinflusszoneHeat affected zone
- 2626
- AufwurfThrow-up
- 2727
- Fasechamfer
- 2828
- SchneidkanteCutting edge
- 2929
- RandbereichEdge area
- 3030
- AbleiterfähnchenConductor flags
- 3131
- LuftstromAirflow
- 3232
- FokussiereinrichtungFocusing device
- 3333
- Sensorsensor
- 3434
- Spaltgap
- 3535
- Systemsystem
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102019206124 A1 [0019]DE 102019206124 A1 [0019]
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-
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