CN103250288A - 用于制造电化学能量存储的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在用于生产用于电化学能量存储的电极堆栈的方法中，其中阳极(5)和阴极(8)交替地被堆叠并且在每种情况下由至少一个分离器(6，7)分隔开，该方法提供至少一个阳极(5)或阴极(8)和至少一个分离器(6，7)。至少一个阳极(5)或阴极(8)和至少一个分离器(6，7)由至少一个夹持器(19，20，21，22，24-29)夹持并且被堆积以形成电极堆栈。

Description

用于制造电化学能量存储的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于制造电化学能量存储的方法和装置。
背景技术
US 5,456,000描述了用于制造二次锂离子电池的方法，其中以增塑聚合物基体层的形式的电极、电解质和分离器元件是层压的以便于形成整体的电池结构。US 5,470,357是与前述文献同族的一部分。
US 5,688,293描述了用于制造在两个电极之间具有可渗透分离器元件的可再充电的电化学电池的方法，其中给电极或分离器中的至少一个提供包含其中分散电解质活性材料的凝胶聚合物的粘贴层。因此，两个电极固定在分离器元件的相反侧。本文献公开了具有四个平行运行辊的制造设备，然而凭此，不必堆叠材料。
US 6,287,721 B1描述了用于制造电化学电池(特别地聚合物锂离子电池)的制造方法和相应的系统。在制造过程中，将具有侧向偏移引线的离散阳极彼此紧接着地纵向定位在由弹性材料组成的伸长平面分离器上。将具有相应尺寸的侧向偏移引线的相应阴极定位在分离器的相反侧。基于此基板被折叠以便于形成折叠的电极堆栈。
US 6,752,842 B2描述了使用层压处理来制造柔性薄电化学电池，其中该电池包括包含由分离器分隔开的两个电极的多个层。因此，该电极层压在分离器上。
DE 102 16 677 A1描述了用于根据将阳极块和阴极块预加工成具有集成的电解质的薄膜带并且将绝缘糊状中间相作为其间的分离器来制造锂聚合物电池的方法，根据上述方法，将电极块、分离器和至少一个电解质流分别地馈送到其中组合这些块的处理单元，在上述组合之前，分离器直接暴露于并且填充有电解质流，所组合的块与提供的电解质一起滚动并且被压缩成蜂窝状的复合物，其随后以适合用作接触有、焊接有、提供有封装材料的电池的形式被纳入到处理单元中。
发明内容
本发明基于指定可以用于制造能够在最大可能程度上避免或克服已知方法的潜在缺点或限制的电化学能量存储的最有效技术教导的目的。根据独立权利要求中的任何一个独立权利要求的方法、相应的产品实现本目的。从属权利要求涉及本发明的进一步有利的发展。
根据本发明，提供了用于制造用于电化学能量存储的电极堆栈的方法，其中阳极(5)和阴极(8)被交替地堆叠并且在每种情况下由至少一个分离器(6，7)分隔开。在该过程中，优选地实现下面的步骤：
●提供至少一个阳极(5)或阴极(8)；
●提供至少一个分离器(6，7)；
●通过至少一个夹持器(19，20，21，22，24-29)夹持至少一个阳极(5)或阴极(8)和至少一个分离器(6，7)；以及
●堆积(deposit)所夹持的物体(5，6，7，8)以形成电极堆栈。
根据本发明，另外提供了用于制造电化学能量电池的电极堆栈的设备，该设备具有用于提供至少一个阳极(5)或阴极(8)的第一馈送装置(1，4)、用于提供至少一个分离器(6，7)的第二馈送装置(2，3)和用于夹持至少一个阳极(5)或阴极(8)和至少一个分离器(6，7)并且堆积所夹持的物体(5，6，7，8)以便于形成电极堆栈的至少一个夹持器(19，20，21，22，24-29)。
馈送装置优选地被设计成输送机装置，尤其优选地被设计成用于提供阳极、阴极和分离器的平行运行带。本发明的设备优选地包括可移动地纵向布置在垂直于平行运行带(1，2，3，4)而对齐的至少一个轴线(9，10，11，12，13，14，15，16，23)上的多个夹持器(24，25，26，27，28，29)。
在本发明的含义内，电化学能量存储被理解成以化学形式存储能量并且能够以电的形式释放能量的任何装置。电化学能量存储的重要示例是原电池或多个原电池的装配。以此特别包括的是能够以电的方式吸收能量并且以化学的方式存储所吸收的能量的电性可充电(“二次”(secondary))电化学能量存储。
电极堆栈指的是至少两个电极和布置在两个相应的电极之间的分离器的装配件。电极堆栈由此用于存储化学能并且将其转换为电能。在二次能量存储的情况下，电极堆栈还能够用于将电能转换为化学能。
从本发明的意义上说，阳极应当与常见语言的使用相一致地理解成发生氧化反应的电极，因此其中物质要被氧化的化学反应发出电子。相应地，阴极应当被理解成发生还原反应的电极，凭此电子转移到分子。在放电的原电池的情况下，阳极是带负电荷的并且阴极是带正电荷的。当对原电池进行充电时，由在带正电荷的阳极处取出的电子引起氧化反应。在这种情况下，阳极是正端子；相应地阴极是负端子。
电化学能量存储的至少一个电极(特别优选阴极)优选地包括LiMPO4化学式的化合物，借此M是来自元素周期表的第一行的至少一个过渡金属阳离子。优选地过渡金属阳离子选自由锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)和钛(Ti)或者这些元素的组合组成的分组。化合物优选地展示橄榄石结构，借此铁(Fe)是特别优选的。特别地，(Mg、Fe、Mn)SiO4、CaMnSiO4(钙锰橄榄石)、Ca2SiO4、Al2BeO4(金绿玉)、Mg2GeO4、LiFePO4和Na2BeF4结晶在橄榄石结构中。
在本发明的其它实施例中，电化学能量存储的至少一个电极(特别优选至少一个阴极)优选地包括锰酸锂(优选尖晶石类型的LiMn2O4)、钴酸锂(优选LiCoO2)或镍酸锂(优选LiNiO2)或这些氧化物中的两种或者三种的混合物或包含锰、钴和/或镍的混合锂氧化物。
分离器是适合于避免阳极和阴极之间的电短路的任何装置，其中同时使离子传输能够通过分离器或者通过分别润湿或填充分离器的电解质，使得电化学反应能够发生。结合本发明优选地使用不传导电子或者较差地传导电子的、并且由至少部分地材料可渗透的基板组成的分离器。
一个优选的基板优选使用无机材料涂在至少一边上。优选地设计成无纺布纤维材料的有机材料优选地用作至少部分地材料可渗透的基板。优选地包括聚合物、并且特别优选地包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的有机材料被涂敷有无机的、优选地为离子导电材料，其进一步优选地为在从-40℃到200℃的温度范围内离子导电。无机的材料优选地包括来自具有锆(Zr)、铝(Al)或锂(Li)元素中的至少一种元素的氧化物、磷酸盐、硫酸盐、钛酸盐、硅酸盐和铝硅酸盐的组中的至少一种化合物，特别优选氧化锆(zirconia))。包括具有直径不超过100nm的粒子的无机的离子导电材料是特别地优选的。这种分离器的示例由赢创集团(Evonik AG)在德国以“Separion”商标进行销售。
结合本发明，电极(因此阳极或阴极)和分离器是优选地片状物体，该片状物体优选地从用于制造电化学能量存储的设备的平行带上运行的相应薄膜中被冲压(punch)。根据本发明的优选实施例，从包括由至少一个夹持器一起夹持的并被添加到电极堆栈的阳极、阴极和分离器的物体的组中提供两个物体。借此，至少两个物体的协调夹持能够以不同的方式发生。
根据本发明的一个优选实施例，从包括由不同夹持器同时夹持的并被其添加到电极堆栈的阳极、阴极和分离器的物体的组中提供至少两个物体。本发明的另一个优选实施例从包括由至少一个夹持器接连地累积夹持的并被添加到电极堆栈的阳极、阴极和分离器的物体的组中提供至少两个物体。因此，表述“累积夹持”意思是相应的夹持器首先抓取第一物体，并且然后在没有堆积事先夹持的第一物体的情况下抓取至少一个第二物体，并且其后将两个物体或所有的物体或者物体中的一些一起添加到电极堆栈，例如通过将两个物体一起堆积到电极堆栈上。
根据本发明的一个优选实施例，提供了至少一个优选地片状的物体，其是对空气至少部分地可渗透的并且能够被真空夹持器抓取。因此，真空夹持器指的是使用低压来吸住被夹持的物体的特殊类型的夹持器，其中被夹持的物体由于在所述被夹持物体的另一边上盛行的较高环境气压(标准气压)而被压至真空夹持器。特别优选地，结合其中由真空夹持器连续地累积夹持至少两个物体的本发明的这种实施例来使用部分地空气可渗透的、优选地片状物体。
根据本发明的又一个优选实施例，提供了展示比至少一个第二物体更大的表面的至少一个第一物体。这在真空夹持器累积抓取至少两个物体时是特别有利的，第一夹持的物体具有比随后夹持的物体小的表面，这是因为更大物体的多余表面由此仍可经受真空夹持器的真空作用。在本发明的本实施例和其它实施例中特别有利的是在至少一个优选地片状物体周围提供环状间隙。优选地，环状间隙被形成为使得在抓取具有较小表面的物体之后，环状间隙保持为其中仍然被抓取的较大物体经受真空夹持器的真空作用。
根据本发明的又一个优选实施例，提供了连续地累积夹持而被一起堆积在电极堆栈上的物体。多个物体的累积夹持允许实现运输时间上的可观减少，这有利地影响制造生产率。
包括可移动地纵向布置在垂直于平行运行带而对齐的至少一个轴线上的多个夹持器的设备优选地用于实现该方法。
本发明的又一个优选实施例提供了包括至少一个阳极带、至少一个阴极带和布置在每个阳极带和每个阴极带之间的至少一个分离器带的设备。具有至少一个阳极带、至少一个阴极带和布置在每个阳极带和每个阴极带之间的至少一个分离器带的设备是特别优选的。
用于实现本发明的方法的设备优选地包括用于在至少两个分离器带之间堆叠物体的装置。在本发明的一些实施例中堆叠装置优选地设计为使得物体还临时地被堆积在堆栈上并且随后其至少部分能够再次从所述堆栈拿走。
在本发明的一些实施例中，在堆叠时将物体优选地相对于彼此以偏移和/或旋转的方式放置在彼此顶部或者上部。将这些物体放置在彼此顶部或者覆盖它们的概念在该上下文中应被理解成创建或维持物体的表面进行接触的所述物体的布置。因此，物体的表面优选地基本上垂直于重力的方向而平放。根据本发明的本描述，当物体被堆积在彼此的顶部而在正切于它们表面的方向上彼此移位或者偏移时，物体位于彼此的顶部并且相对于彼此偏移。当物体被堆积在彼此的顶部以便绕着垂直于它们表面的轴线旋转时，物体在彼此的顶部以旋转方式放置。这些偏移、移位或旋转过程还能够在覆盖这些物体时以任何期望的方式被组合。
根据优选的实施例，本发明在当移出位于至少一个第一物体之上的至少一个第二物体时提供了被保持的至少一个第一物体。由此，根据本发明的本描述，当第二物体在第一物体上施加其重力时，与常见语言使用一致地第二物体位于第一物体之上。
本发明的一个优选实施例在当由从上面施加到所述物体的至少一个点或一部分上的压力来移出位于至少一个第一物体之上的至少一个第二物体时提供被保持的至少一个第一物体。由此所述物体的至少一个点或至少一部分优选地处于该物体的表面的边缘处。特别地，本发明的该实施例在当优选地片状物体展示较低的固有稳定性(特别地比由纸制成的片状物体的固有稳定性更低的固有稳定性，这是用于构造电化学能量存储的电极或分离器材料的经常情况)时证实了是特别有利的。
当使用的物体是至少部分地空气可渗透的物体时是特别优选的。本发明的优选地片状物体的优选地偏移和/或旋转的堆积允许特别有效地、可靠地、简单地分隔开这些优选地片状物体，特别是在当其由于其材料属性和相关联的附着性或相干性而稍微具有彼此粘附的倾向时、或当真空升降机吸住多个片状物体时，特别在至少部分地空气可渗透的物体的情况下。又优选地提供至少一个片状物体，以能够作为用于构造电化学能量存储的电极或分离器或者这种电极或分离器的一部分。
优选地提供使用绕着纵轴旋转的和/或在水平面上可移位的升降设备来移出和/或堆积物体，所述升降设备借由使用信息技术来识别被移出的物体的位置的装置来对齐和/或定位。由此，优选的升降装置是机械夹持装置、静电升降装置或真空升降机。由此，可行的用于识别被移出的物体的位置的设备是适于使用信息技术(优选地通过信号处理和特别优选通过模式识别)来识别被移出的物体的位置的所有装置。
在使用(通过使用信息技术来识别被移出的物体的位置的)装置来定位和/或对齐绕着纵轴旋转的和/或在水平面上可移位的升降装置中，升降装置的操作元件(优选真空升降机的吸盘)优选地被对齐和/或放置使得上述升降装置的操作元件尽可能多的覆盖被移出的物体的表面(特别被提升的物体的表面)，并且升降装置的所述操作元件优选不与其它物体(特别在被提升的或被移出的物体下面的那些物体)接触或者相互作用。
本发明的又一实施例或已经引用的实施例优选地提供至少一个升降装置(特别优选真空升降机)，其被布置在升降设备上以便于可绕着纵轴旋转和/或在水平面上可移位。由此，纵轴优选地被布置为基本上平行于重力的方向并且因此基本上正交于所堆积或提升的物体的表面。水平面优选地垂直于纵轴来对齐。
本发明的本实施例或又一实施例优选地展示至少一个压紧(hold down)元件，其在当移出位于至少一个第一物体上的至少一个第二物体时保持至少一个第一物体。在该上下文中，压紧元件指的是适于保持位于第二物体下面的第一物体的任何装置；即避免其由于附着力或粘合力而与被提升的物体一起被提升。优选想到的压紧元件是机械夹持装置、静电保持装置或通过负压或真空来操作的压紧元件。
压紧元件优选地刚性连接到真空升降机或其它升降装置或至少被连接为使得当真空升降机或其它升降装置相对于堆积的或定位的物体水平地移动时压紧元件和真空升降机之间的相对运动在是不可能的。
由此，至少一个真空升降机优选地包括多个压力室。所述压力室可优选地彼此独立地经受真空。特别优选地，压力室能够被彼此水平可移位地布置。这与能够将压力室的位置适应到优选地片状物体的形式的优势相关联。
本发明的装配优选地包括用于识别被移出的物体的位置的IT装置。本发明的装配也优选地包括如下的IT装置：其用于基于由如同一IT装置或另一IT装置识别的被移出的物体的位置来对齐和/或定位升降装置。由此，用于识别被移出的物体的位置的IT装置优选地包括相机。
本发明所描述的和其它的实施例的特征有利地结合了更多的实施例的特征。
附图说明
下面将关联于附图利用优选实施例来更详细地描述本发明。示图为：
图1是根据本发明的优选实施例的本发明制造设备的细节的示意图；
图2是根据本发明的优选实施例的用于实现本发明方法的设备的横截面的示意图；
图3是根据本发明的又一优选实施例的用于实现本发明方法的设备的横截面的示意图；以及
图4是根据本发明的优选实施例的用于实现本发明方法的设备的细节。
具体实施方式
图1示意性地描绘了本发明设备的一个优选实施例。如箭头所示，在仅局部描绘的带1上从左到右连续不断地将阳极5馈送到该设备。在平行于带1运行的带2上将分离器6提供给该设备。类似地在带4上将阴极8并且在带3上将分离器7馈送到该设备。在平行运行的带1、2、3和4之间提供了用于堆叠优选地片状物体的装置17，其也同样优选地又被设计成输送机装置，使得装配的电极堆栈18可从左至右移出。其上可移动地布置夹持器19、20、21、22的轴9、10、11、12、13、14、15和16被放置为垂直于所述输送机装置，所述夹持器被提供用于抓取优选地片状物体、电极和/或分离器并且将它们堆积在用于堆叠电极堆栈的装置17上。
夹持器能够可移动地纵向被布置到轴并且垂直于彼此独立的附图平面，使得所述夹持器能够将在传送带1、2、3和4上被抓取的电极和/或分离器在装置17上进行装配以用于将优选地片状物体堆积和/或堆叠到其中由至少一个分离器分隔开相应的相邻电极的电极堆栈中。
图2示意性地描绘了将电极和/或分离器装配到电极堆栈的过程。在本发明的该实施例中，四个夹持器24、25、26和27沿着轴线23布置并且是可竖直移动的，使得所述夹持器能够从带1、2、3和4抓取电极5和8以及分离器6和7并且将它们添加到装置17上的电极堆栈18。
由此，图2所示的夹持器可被配置为，使得其还适于累积夹持多个优选地片状物体。
图3示出了图2所示的装配的变型，在该变型中仅提供了两个夹持器28和29，其中在从带1在夹持电极5的阶段处示出了夹持器28以将电极5随后添加到堆积装置17上的电极堆栈18(优选地在所述夹持器28在没有事先堆积电极5的情况下首先已从带2抓取了分离器6之后)。图3使用夹持器29的示例来示出了累积抓取，该示例被描绘在如下的阶段处：其中，已经累积抓取了电极8和分离器7以将两个优选地片状物体一起堆积在电极堆栈18上。
图4某种程度上再次更清晰地示出了该过程，其中夹持器30传输具有比分离器7更小表面的电极8。夹持器30已经累积爪持两个优选地片状物体，以现在将它们堆积在堆积装置17的电极堆栈上，其已包括在每一情况中由分离器6/7分隔开的异极的一系列电极。由于将阳极示出为电极堆栈上的最顶部的电极5，所以仍在夹持器中添加累积夹持的优选地片状物体7和8导致了起作用的电极堆栈。

Claims (13)

1.一种用于制造用于电化学能量存储的电极堆栈的方法，在所述电极堆栈中，阳极(5)和阴极(8)被交替地堆叠并且在每种情况下由至少一个分离器(6，7)分隔开的，所述方法包括以下步骤：
●提供至少一个阳极(5)或阴极(8)；
●提供至少一个分离器(6，7)；
●通过至少一个夹持器(19，20，21，22，24-29)夹持所述至少一个阳极(5)或阴极(8)和所述至少一个分离器(6，7)；以及
●堆积所夹持的物体(5，6，7，8)以形成电极堆栈。
2.根据权利要求1所述的方法，其中来自包括阳极、阴极和分离器的物体的组中的至少两个物体由至少一个夹持器被一起夹持并且被添加到电极堆栈。
3.根据权利要求2所述的方法，其中来自包括阳极、阴极和分离器的物体的组中的至少两个物体由不同的夹持器同时夹持并且被添加到电极堆栈。
4.根据权利要求2所述的方法，其中来自包括阳极、阴极和分离器的物体的组中的至少两个物体由至少一个夹持器(29)连续地累积夹持并且被添加到电极堆栈。
5.根据权利要求4所述的方法，其中至少一个物体是至少部分地可空气渗透的并且被真空夹持器夹持。
6.根据权利要求4或5中的一项所述的方法，其中至少一个第一物体展示了比至少一个第二物体更大的表面。
7.根据权利要求4-6中的任一项所述的方法，其中在至少一个物体周围提供了环状间隙。
8.根据权利要求4-6中的任一项所述的方法，其中所述连续地累积夹持的物体(7，8)被一起沉放在电极堆栈上。
9.一种用于制造用于电化学能量存储的电极堆栈的设备，包括：
●第一馈送装置(1，4)，其用于提供至少一个阳极(5)或阴极(8)；
●第二馈送装置(2，3)，其用于提供至少一个分离器(6，7)；
●至少一个夹持器(19，20，21，22，24-29)，其用于夹持所述至少一个阳极(5)或阴极(8)和所述至少一个分离器(6，7)；并且用于
●堆积所夹持的物体(5，6，7，8)以便形成电极堆栈。
10.根据权利要求9所述的设备，其特别用于实现根据前述方法权利要求中的任一项的方法，所述设备包括：平行运行带(1，2，3，4)，其用于提供阳极、阴极和分离器；和多个夹持器(24，25，26，27，28，29)，所述夹持器可移动地纵向布置在垂直于所述平行运行带(1，2，3，4)而对齐的至少一个轴线(9，10，11，12，13，14，15，16，23)上。
11.根据权利要求10所述的设备，包括至少一个阳极带(1)、至少一个阴极带(4)和布置于每个阳极带和每个阴极带之间的至少一个分离器带。
12.根据权利要求11所述的设备，包括至少一个阳极带、至少一个阴极带和布置于每个阳极带和每个阴极带之间的至少两个分离器带(2，3)。
13.根据权利要求12所述的设备，包括用于在所述至少两个分离器带之间堆叠优选地片状物体的装置(17)。
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