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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtrennen eines Aktivmaterials von einem Stromableiter.
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Auf dem Gebiet von Energiespeicherzellen, insbesondere Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, sind vor allem zylindrische, prismatische und pouch-förmige Batteriezellen bekannt. Batteriezellen zur Speicherung elektrischer Energie spielen auf dem Gebiet der sogenannten Elektromobilität sowohl bei Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb als auch bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb eine zentrale Rolle. Zylindrische Lithium-Ionen Batteriezellen können einen Elektrodenwickel, bei dem die Elektroden inklusive Separator in der Folge Separator-Anode-Separator-Kathode spiralförmig um einen Wickelkern aufgewickelt sind, aufweisen.
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Dabei kann die Elektrode durch einen Stromableiter, auf der ein Gemisch aus Aktivmaterial, Binder und Leitadditiven aufgetragen wurde, insbesondere beidseitig, ausgebildet sein.
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Bei einem anschließenden Kalandern kann die Elektrode mit der aufgetragenen Beschichtung zwischen zwei Walzen hindurch befördert werden, welche einen mechanischen Druck auf die Elektrode ausüben, so dass diese beim Befördern eine Verdichtung erfährt und damit die Massendichte der Elektrode erhöht wird. Eine höhere Massendichte von Elektroden ermöglicht dabei regelmäßig eine höhere Energiedichte einer Batteriezelle, in welcher diese Elektroden zum Einsatz kommen.
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Nach Ablauf der Lebensdauer der Batteriezelle oder bei Ausschüssen während eines Herstellungsprozesses ist es aus ökonomischen und ökologischen Aspekten wünschenswert, die jeweiligen Komponenten der Batteriezelle zu recyclen. Dies betrifft nicht zuletzt die Elektroden. Für die Wiederverwertung ist eine Trennung der Materialien erforderlich, insbesondere eine Trennung des Aktivmaterials von dem Stromableiter. Dabei können mechanische Verfahren zu Einsatz kommen, bei denen der beschichtete Stromableiter in kleine Teile zerkleinert wird, die im Anschluss sortiert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung liegt darin, eine verbesserte Trennung des Aktivmaterials von einem Stromableiter zu ermöglichen, so dass das Aktivmaterial und/oder der Stromableiter wiederverwendet werden können.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erster Aspekt der Lösung betrifft ein Verfahren, insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren, zum Abtrennen eines Aktivmaterials von einem Stromableiter, insbesondere einer Stromableiterfolie, wobei der Stromableiter wenigstens auf einer Seite mit einem Materialgemisch aus dem Aktivmaterial und einem Bindemittel beschichtet wurde, mit folgenden automatisierten Schritten: (i) Erhitzen des beschichteten Stromableiters mit einer Erweichungs-Temperatur des Bindemittels; (ii) mechanisches Belasten des erhitzten beschichteten Stromableiters, wodurch das Aktivmaterial wenigstens teilweise aufgebrochen wird, wodurch ein Abtrennen des Aktivmaterials von dem Stromableiter ermöglicht wird.
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Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
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Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
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Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
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Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
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Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) wie er hier verwendet ist zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.
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Unter dem Begriff „Aktivmaterial“ wie er hier verwendet wird ist insbesondere ein Material zu verstehen, das elektro-chemisch aktiv sein kann, und das für eine Be-schichtung von Elektroden für Elektrodenwickel für Batteriezellen geeignet ist, und in das Ionen, insbesondere Lithium-Ionen eingelagert werden können. Dabei kann das Aktivmaterial für die Kathode insbesondere NMC, NCA, NCMA, LCO, LFP, LMFP, LMO, LNMO oder auch ein anderes Material aufweisen. Das Aktivmaterial für die Anode kann insbesondere Graphit, SiOx, SiC, Si oder ein anderes Material aufweisen.
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Unter dem Begriff „Stromableiter“ wie er hier verwendet wird ist dabei insbesondere ein Element zu verstehen, welches aus einem stromleitenden Material, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, hergestellt ist. Es dient zur Leitung von Strom zwischen zwei geometrisch voneinander getrennten Punkten.
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Unter dem Begriff „Bindemittel“ wie er hier verwendet wird ist dabei insbesondere ein Element zur Bindung bzw. Adhäsion des Aktivmaterials an einen Stromableiter zu verstehen. Das Bindemittel kann insbesondere PVDF, PTFE, CMC, SBR, LiPAA oder PAA aufweisen.
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Durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt kann erreicht werden, dass ein Aktivmaterial von einem Stromableiter effektiv abgetrennt werden kann. Durch das Erhitzen des mit dem Aktivmaterial beschichteten Stromableiters mit einer Erweichungs-Temperatur des Bindemittels wird erreicht, dass sich die Bindungswirkung des Bindemittels verschlechtert. Durch ein mechanisches Belasten kann dann das Aktivmaterial gebrochen werden, wodurch es sich von dem Stromableiter lösen lässt, da die Beschichtung an sich spröde und die Folie duktil ist. Dadurch kann das Aktivmaterial und der Stromableiter jeweils separat gesammelt und wiederverwendet werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten kombiniert werden können.
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Bei einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner auf: (i) Erhitzen wenigstens einer ersten Walze mit einer Erweichungs-Temperatur des Bindemittels; (ii) Befördern des beschichteten Stromableiters über die erste Walze, wodurch das Erhitzen des beschichteten Stromableiters durch die erhitzte erste Walze erfolgt. Dadurch kann ein effektives Erhitzen einer längeren Stromableiterbahn durch die erste Walze erfolgen. Darüber hinaus kann bei einer Herstellung eines beschichteten Stromableiters ein Kalandern unter Verwendung einer Walzenanordnung erfolgen. Diese Walzenanordnung kann nun mit geringfügigen Modifikationen für den Erhitzungsschritt verwendet werden, wodurch ein kostengünstiges Verfahren ermöglicht wird.
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Bei einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner auf: (i) Erhitzen einer zweiten Walze mit der Erweichungs-Temperatur des Bindemittels, wobei die erste Walze und die zweite Walze in Bezug auf ihre jeweilige Drehachse im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet angeordnet sind, insbesondere beabstandet mit einem Abstand der im Wesentlichen einer Dicke des beschichteten Stromableiters entspricht; (ii) Befördern des beschichteten Stromableiters zwischen der ersten Walze und der zweiten Walze hindurch, wodurch das Erhitzen des beschichteten Stromableiters durch die erhitzte erste Walze und die erhitzte zweite Walze erfolgt. Hierdurch kann ein schnelles und homogenes Erhitzen des beschichteten Stromableiters erreicht werden, da der beschichtete Stromableiter beim Befördern zwischen der ersten Walze und der zweiten Walze von zwei Seiten erhitzt wird. Beim vorliegenden Erhitzen ist ein mechanischer Kontakt zwischen dem beschichteten Stromableiter und jeweils einer der Walzen vorteilhaft, um die Wärme effektiv mittels Wärmeleitung zu übertragen. Dabei kann insbesondere ein Abstand zwischen der ersten Walze und der zweiten Walze eingestellt werden, bei dem ein vorbestimmter Druck durch die erste und die zweite Walze auf den beschichteten Stromableiter ausgeübt wird, wodurch eine Verspannung in die Beschichtung eingebracht wird. Dadurch kann eine nachfolgende Trennung der Beschichtung von dem Stromableiter erfolgen. Entsprechend kann eine für das Kalandern vorgesehene Walzenanordnung für das vorliegende Erhitzen verwendet werden, und hinsichtlich der Beabstandung der ersten Walze zur zweiten Walze vorteilhaft angepasst werden.
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Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Walze und/oder die zweite Walze ein wärmeleitendes Material, insbesondere Kupfer, auf. Dadurch wird eine besonders gute und effektive Übertragung der Wärme von der ersten Walze und/oder der zweiten Walze auf den beschichteten Stromableiter ermöglicht.
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Bei einigen Ausführungsformen wird das Erhitzen des beschichteten Stromableiters bis zu einer Zersetzungs-Temperatur des Bindemittels fortgeführt. Hierdurch kann die Beschichtung leichter von dem Stromableiter getrennt werden. Zudem kann eine spätere Trennung des Bindemittels von dem Aktivmaterial vermieden werden.
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Bei einigen Ausführungsformen erfolgt das mechanische Belasten des erhitzten beschichteten Stromableiters durch wenigstens eine dritte Walze, auf deren Oberfläche Erhebungen, insbesondere spitz zulaufende Erhebungen, ausgebildet sind, wobei die dritte Walze und eine vierte Walze in Bezug auf ihre jeweilige Drehachse im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet angeordnet sind, insbesondere beabstandet mit einem Abstand der geringer als die Dicke des beschichteten Stromableiters und größer als die Dicke des unbeschichteten Stromableiters ist, wobei das mechanische Belasten durch die Oberfläche mit Erhebungen erfolgt, wenn der erhitzte beschichtete Stromableiter zwischen der dritten Walze und der vierten Walze hindurch befördert wird, und wodurch wenigstens teilweise das Aktivmaterial gebrochen wird. Durch die Verwendung wenigstens einer Walze für das mechanische Belasten kann ein kontinuierlich beschichteter Stromableiter, der beispielsweise auf einer Rolle aufgerollt ist, kontinuierlich befördert werden. In der Zusammenwirkung mit dem vorherigen Befördern des beschichteten Stromableiters durch die erste Walze wird ermöglicht, dass an dem bereits erhitzten beschichteten Stromableiter effektiv und kontinuierlich der nächste Verfahrensschritt des mechanischen Belastens angewendet werden kann.
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Bei einigen Ausführungsformen werden die erste Walze und/oder die zweite Walze und/oder die dritte Walze und/oder die vierte Walze durch einen Motor, insbesondere Elektromotor, angetrieben, wodurch eine Drehung der jeweiligen Walze um ihre Drehachse erfolgt. Durch das Antreiben wenigstens einer der Walzen durch einen Motor wird das Befördern des beschichteten Stromableiters effektiv gesteuert. Insbesondere kann durch den Motor eine Drehgeschwindigkeit und damit die Geschwindigkeit des Beförderns gesteuert werden. Für eine effektive Wärmeübertragung durch die erste Walze und/oder die zweite Walze kann eine vergleichsweise geringe Geschwindigkeit von Vorteil sein.
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Ein zweiter Aspekt der Lösung betrifft eine Vorrichtung zum Abtrennen eines Aktivmaterials von einem Stromableiter, wobei der Stromableiter wenigstens auf einer Seite mit einem Materialgemisch aus dem Aktivmaterial und einem Bindemittel beschichtet wurde, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche auszuführen.
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Bei einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung auf: (i) eine erste Walze und eine zweite Walze, die in Bezug auf ihre jeweilige Drehachse im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet angeordnet sind, und geeignet sind zwischen der ersten Walze und der zweiten Walze hindurch einen beschichteten Stromableiter zu befördern; (ii) eine Heizeinrichtung, die eingerichtet ist, die erste Walze und die zweite Walze mit einer Erweichungs-Temperatur des Bindemittels zu erhitzen, wodurch der beschichtete Stromableiter bei der Beförderung zwischen der ersten Walze und der zweiten Walze hindurch mit der Erweichungs-Temperatur erhitzt wird.
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Bei einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine dritte Walze und eine vierte Walze auf, die in Bezug auf ihre jeweilige Drehachse im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei wenigstens eine von der dritten Walze und der vierten Walze eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen aufweist, derart, dass beim Befördern zwischen der dritten Walze und der vierten Walze hindurch, der beschichtete Stromableiter durch die Oberflächenstruktur mit Erhebungen mechanisch belastet wird, derart, dass das Aktivmaterial wenigstens teilweise aufgebrochen wird, und ein Abtrennen des Aktivmaterials von dem Stromableiter ermöglicht wird.
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Ein dritter Aspekt der Lösung betrifft ein Computerprogramm mit Instruktionen, die bei ihrer Ausführung auf einer Vorrichtung nach dem zweiten Aspekt diese veranlassen, das Verfahren nach dem ersten Aspekt auszuführen
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Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Lösung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren beschriebenen Aspekte.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Figuren.
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Dabei zeigt
- 1 schematisch ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Abtrennen eines Aktivmaterials von einem Stromableiter; und
- 2 schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
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In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente verwendet.
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In 1 ist schematisch ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Abtrennen eines Aktivmaterials von einem Stromableiter 210 gezeigt, wobei der Stromableiter 210 wenigstens auf einer Seite mit einem Materialgemisch aus dem Aktivmaterial 210 und einem Bindemittel beschichtet wurde.
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In einem ersten Schritt 110 des Verfahrens erfolgt ein Erhitzen des beschichteten Stromableiters 210 mit einer Erweichungs-Temperatur des Bindemittels. Das Bindemittel kann insbesondere Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweisen, wobei dessen Erweichungs-Temperatur bei ca. 120°C liegt.
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In einem weiteren Schritt 120 des Verfahrens erfolgt ein mechanisches Belasten des erhitzten beschichteten Stromableiters 210, wodurch das Aktivmaterial wenigstens teilweise aufgebrochen wird, wodurch ein Abtrennen des Aktivmaterials von dem Stromableiter 210 ermöglicht wird.
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In 2 ist schematisch eine Vorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform gezeigt.
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Die Vorrichtung 200 weist ein Gehäuse 230 auf, in dem eine erste Walze 250 und eine zweite Walze 255 angeordnet sind, und die in Bezug auf ihre Drehachsen gegenüberliegend beabstandet zueinander angeordnet sind. Im Gehäuse 230 ist ferner eine Heizeinrichtung 240 angeordnet. Durch die Heizeinrichtung 240 können sowohl die erste Walze 250 und die zweite Walze 255 als auch ein Gehäuseinnenraum des Gehäuses 230 erwärmt bzw. erhitzt werden.
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Das Gehäuse 230 weist ferner eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung auf, die in Bezug auf die Zeichnungsebene auf etwa einer Höhe liegen.
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Durch die Eingangsöffnung wird im Betrieb eine Elektrode 205 zwischen der ersten Walze 250 und der zweiten Walze 255 in einer Beförderungsrichtung befördert. Die Beförderungsrichtung ist durch den Pfeil schematisch gezeigt. Die Elektrode 205 weist einen Stromableiter 210, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, sowie eine Beschichtung 220 jeweils auf einer Oberseite und einer Unterseite des Stromableiters 210 auf. Die Beschichtung 220 setzt sich aus einem Aktivmaterial, einem Bindemittel und Additiven bzw. Leitadditiven zusammen. Die Leitadditive können insbesondere Ruß oder Kohlefasern aufweisen. Die Beschichtung 220 kann als Paste beidseitig auf den Stromableiter 210 aufgebracht werden.
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Beim Befördern des beschichteten Stromableiters 210 zwischen der ersten Walze 250 und der zweiten Walze 255 hindurch erfolgt ein mechanischer Kontakt der Beschichtungen mit der ersten Walze 250 und der zweiten Walze 255, wodurch eine Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung auf die Beschichtungen erfolgt. Die Heizeinrichtung 240 wird dabei so eingestellt, dass die erste Walze 250 und die zweite Walze 255 mit einer Erweichungs-Temperatur des Bindemittels erhitzt wird. Dadurch werden die Beschichtungen beim Befördern zwischen der ersten Walze 250 und der zweiten Walze 255 auf die Erweichungs-Temperatur erwärmt. Daher ist es vorteilhaft, wenn die erste Walze 250 und die zweite Walze 255 ein Material mit einer guten Wärmeleitung aufweist, wie beispielsweise Kupfer.
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Durch das Erhitzen der Beschichtung 220 wird die Bindungswirkung des Bindemittels verringert.
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Das Bindemittel kann Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweisen, bei dem die Erweichungs-Temperatur bei ca. 120°C, und die Temperatur, bei der eine Zersetzung einsetzt, bei 350°C liegt. Die Steuerung der Temperatur der Heizeinrichtung 240 erfolgt durch eine in der Heizeinrichtung 240 integrierte Steuereinrichtung (hier nicht gezeigt).
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Die Vorrichtung weist ferner eine die dritte Walze 260 und eine vierte Walze 265 auf, die in Beförderungsrichtung nach der ersten Walze 250 und der zweiten Walze 255 und außerhalb des Gehäuses 230 angeordnet sind. Die dritte Walze 260 und eine vierte Walze 265 sind in Bezug auf ihre Drehachsen gegenüberliegend und beabstandet zueinander angeordnet. Die dritte Walze 260 und eine vierte Walze 265 weisen jeweils eine Oberflächenstruktur auf, derart, dass beim Befördern des beschichteten Stromableiters 210 zwischen der dritten Walze 260 und der vierten Walze 265 die Oberflächenstruktur den beschichteten Stromableiter 210 mechanisch belastet, wodurch die erhitzten Beschichtungen 220 gebrochen werden, und damit von dem Stromableiter 210 abgetrennt werden können. Um das Brechen der erwärmten Beschichtungen 220 zu verbessern, weist die Oberflächenstruktur hervorstehende Erhebungen, insbesondere spitz zulaufende Erhebungen, beispielsweise pyramidenförmige, kegelförmige oder zahnförmige Erhebungen, auf. Dabei wird die Beabstandung der dritten Walze 260 zur vierten Walze 265 vorteilhaft so gewählt, dass bei der Beförderung die Erhebungen bis etwa zur Oberfläche des unbeschichteten Stromableiters 210 reichen.
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Durch das Brechen wird das Aktivmaterial in kleinere Teile zerlegt, und der Stromableiter 210 in größere Teile. Dadurch kann das Aktivmaterial einfach von dem Elektrodenmaterial getrennt werden, und wieder verwendet werden.
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Die Walzen 250, 255, 260, 265 weisen jeweils eine zylindrische Form auf und werden jeweils durch einen Elektromotor (hier nicht gezeigt) betrieben, worüber auch die Geschwindigkeit einer Rotation der Walzen gesteuert werden kann.
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Die vorliegende Vorrichtung kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn der beschichtete Stromableiter 210 als Bahn-Material ausgebildet ist, da hierdurch der beschichtete Stromableiter 210 im Walze-zu-Walze Verfahren effektiv befördert und prozessiert werden kann.
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Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 100
- Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens
- 110
- Erhitzen des beschichteten Stromableiters
- 120
- Mechanisches Belasten des beschichteten Stromableiters
- 200
- Vorrichtung
- 205
- Elektrode
- 210
- Stromableiter
- 220
- Beschichtung
- 230
- Gehäuse
- 240
- Heizeinrichtung
- 250, 255
- Erste und zweite Walze
- 260, 265
- Dritte und vierte Walze