CN104798241A - 生产电化学电池的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产电化学电池，优选Li离子电池的设备和方法。该设备包含至少一个放置部位(13，15，17，19)，至少一个组装部位(2，4)，具有抓取器(150)的定位系统(3)，具有清洁站的自动移液机(5)，用于密封电池堆的工具以及至少一个具有用于容纳组件的凹槽的托盘，其中凹槽的数目总计≥2，优选≥4，特别优选≥6。为组装电池，将各组件E1-E5放置在托盘中的放置部位上，并通过抓取器自动从该处移至组装区并定位。组件E2和E3之间以及E3和E4之间的区充满电解质。该设备特征包括在改变不同的方法参数，提高的产量和低的废品率方面极其灵活地用于Li离子电池的生产。

Description

生产电化学电池的设备和方法
电化学电池作为储能工具在工业上非常重要。本发明涉及一种生产电化学电池，优选锂离子电池的设备和方法。该设备包含至少一个放置部位(13，15，17，19)，组装部位(2，4)，具有抓取器(150)的定位系统(3)，具有清洁站的自动移液机(5)，用于密封通过堆叠组装的电池的工具以及至少一个具有用于容纳组件的凹槽(depression)的托盘，其中凹槽的数目总计≥2，优选≥4，特别优选≥6。此外，设备也可配有天平(1)和/或相机(25)。设备的模块优选用箱体(8)，优选手套箱封闭。箱体与至少一个气锁(23)有效连接。
用于电化学电池的批量生产的自动化生产线是本领域已知的。然而，用于批量生产的自动化生产线不允许电化学电池制造过程中生产参数的改变。新型并改进了的电化学电池的开发不可使用这类自动化机器。
例如，现有技术，特别是CN 102290602、CN 201540925和CN201829565公开了一种基于转台或输送台的用途的设备。用于生产电池的各制造工位围绕转台排列。元件围绕转台表面上的中心部位环形放置并通过转动移至制造工位的各部位。
此外，CN 102013496还公开了一种用于组装箔壳的设备。此处，使该壳沿设备的纵轴在输送带上传输，其中相同的方法步骤在各部位上重复进行。
现有技术不包含关于封闭各制造设备的箱体的细节。然而，应假定的是，如果已表明制造设备用于生产Li电池，则制造设备必须位于保护区中。因为制造Li电池时，应确保电池在排除了至少氧和大气湿度下制造。
除了上述内容之外，现有技术还公开了可在电池制造中用作模块的各工具。这些工具为可用于处理电池元件的抓取器。
CN 201540925公开了处理箔的工具。
CN 102044663公开了一种层压箔电极的方法和设备。
自动化电池生产方法也描述在文献(例如参见Li，Sha；Wang，Hui；Hu，S.Jack；Lin，Yhu-Tin；Abell，Jeffrey A.，J.of Manufacturing Systems30(2011)，第188-195页)中。自动化电池生产方法通常涉及由多个相同电池制造电池组，其中所述电池尤其为相同的电极和电解质。此处多个电池由敏感性的单个软包装电池的堆叠形成并因此需要严格的处理要求。
开发电化学电池的一个目的为获得具有长的使用寿命且其中储能可在非常短的时间内恢复的电化学电池。迄今生产的Li离子电池具有例如可为70至至多150Wh/kg的储能密度。然而，Li电池的能量密度的理论极限还更高。因此假定能量密度还可进一步提高。除了能量密度之外，其它优化目标为循环能力和额定负荷。相对而言，铅-硫酸蓄电池仅具有30-40Wh/kg的能量密度。由于以前在实践中达到的能量密度与理论上可达到的能量密度之间的差别大，因此研发部门仍有很大潜力去确定显示较好性能特征的新型电化学电池。
本发明的一个目的为提供一种借助其可使电化学电池的生产极其灵活的设备和方法。
上述目的以及其它目的的实现在于提供一种生产电化学电池的设备，其包括至少一个放置部位(13，15，17，19)，组装部位(2，4)，具有抓取器(150)的定位系统(3)，具有清洁站的自动移液机(5)，一种用于密封通过堆叠组装的电池的工具以及至少一个具有用于容纳组件的凹槽的托盘，其中凹槽的数目总计≥2，优选≥4，特别优选≥6。
用于生产电化学电池的设备
在优选实施方案中，设备包含天平(1)和/或至少一个相机(25)，相机(25)设置在设备的底板区域。第一个相机的镜头垂直向上。
通过抓取器抓取的元件的横向部位借助相机测定。部位的测定可使其在定位元件时进行部位校正。元件放置精度增加。同时，在优选实施方案中，可借助相机进行各元件，尤其是电极和/或隔膜的底部的表面分析。表面分析特征数据(优选电极或隔膜)通过顺序控制系统获得并储存在数据库中。在优选实施方案中，将来自相机的图像数据与参比数据相比并用作分类目前抓取部件的决策基础。该方法用顺序控制系统或程序软件实施。
在另一实施方案中，设备组装有第二个相机(25')，其设置在箱体的上部且其镜头直接垂直向着底板。相机优选设置在天平(1)上面的区域。各元件，优选电极和/或隔膜的顶部借助第二个相机分析。表面分析数据通过顺序控制系统获得并储存在数据库中。在另一优选实施方案中，将这些图像数据域参比数据对比并用作分类目前评估的元件的决策基础。该方法借助顺序控制系统或软件进行。
此外，设备还优选包含用于将托盘移至所述至少一个放置部位(13，15，17，19)或将托盘移至放置部位的工具。
在优选实施方案中，本发明设备为生产Li离子电池的设备且设备各模块通过箱体(8)，优选手套箱封闭，以及箱体与至少一个气锁(23)，优选两个气锁(23，10)有效连接。手套箱(8)含用于控制和调理其内部气氛的工具。
在优选实施方案中，本发明设备包含底板；底板例如具有100cm×200cm的尺寸。底板和下文所述元件通过手套箱封闭。手套箱的主要作用为使空气和大气湿度远离组装区。手套箱优选包含用于调理和控制气氛的工具，由此可有目的地预先确定气氛。此外，进气管线还可配有气体提纯工具。
放置部位优选具有识别托盘部位的工具。
在另一优选实施方案中，设备包含位于放置区，组装区和/或气锁区的导向装置。托盘例如可在放置区中沿导向装置移动并在提高的定位精度下固定在所选部位。因此，除了定位过程中的部位识别工具之外，此外还优选存在合适的固定工具。精确的空间定位和固定是特别有利的，因为这意味着抓取器能够在提高的定位精度下抓取元件。
在气锁区，导向装置也可用作容纳托盘的支架。托盘优选可堆叠且多个托盘可在气锁区内相互堆叠。当将托盘从气锁转移进手套箱时，首先可将整堆的多个托盘沿着气锁中的导向装置移向手套箱内部。如果多个负荷托盘同时向内转移时，可在手套箱内部获得更多空间，用于将堆叠的托盘从堆中移至各放置部位。
当将托盘固定在放置区中的特定放置部位时，提高的定位精度非常重要，因为这有助于抓取器移向凹槽并抓取其中定位的元件。用于生产电化学电池的元件部分可能具有非常小的尺寸以及非常低的质量。本发明设备可使抓取器以实际上无故障的方式抓取并处理各元件。
配有凹槽的托盘为本发明的基本特征，因为它们可互换且能够非常灵活地用于本发明设备中。将与各托盘相关的信息储存在顺序控制系统中也非常重要。信息例如包括凹槽数目my，凹槽尺寸以及其形状和定位坐标。凹槽数目由待生产电池的尺寸决定。例如，与用于生产软包装电池的凹槽数目相比，用于生产纽扣电池的凹槽的数目更大。此外还将关于各凹槽如何填充有组件的信息保存在顺序控制系统中。
在放置部位(13，15，17，19)的区域中必须总是可获得至少一个容纳托盘的部位。然而，放置部位优选具有两个或更多个容纳托盘的部位。总是优选将具有相同尺寸的托盘分配至各部位，因为接着可借助进料轨道容易地将其向内转移，定位并固定。
在优选实施方案中，所有托盘具有相同尺寸且可固定在放置部位(13，15，17，19)的所有部位。托盘的互换性对设备的高度灵活使用非常重要。例如，设备可直接从用于生产纽扣电池转换为用于生产软包装电池，反之亦然。如果设备具有既用于密封纽扣电池也用于密封软包装电池的工具，则两种电池类型可交替连续地生产。用于密封电池的工具可优选呈各处理站的形式。
放置区例如沿一个纵向边设置在底板上。沿相对的纵向边设置用于进行生产电池的各方法步骤的多个测量和处理站。在优选实施方案中，处理站包含天平(1)，具有图像识别软件的电子相机(25)，用于密封电化学电池的工具，例如用于制造纽扣电池的压机，用于分配液体电解质的自动移液机(5)和用于清洗自动移液机的尖端的站。在替换实施方案中，提供更复杂的用于制造软包装电池的站代替压机。也可提供用于密封纽扣电池的工具以及用于密封软包装电池的模块。
可借助抓取器(150)到达板上任何部位的定位系统(3)位于手套箱(8)中。所达到的定位精度优选为0.4mm，更优选0.2mm，特别优选0.1mm。使所有所述元件与协调处理站和传输步骤的控制计算机电子通信。附图1显示了平面示意图。定位系统例如可呈台架系统(3)或臂弯曲式机扑(3')的形式。同样可使用任何其它类型的定位。
关于台架系统的抓取器臂和抓取器(150)可以说明的是，抓取器的尺寸适应待放置的物体；优选吸着抓取器，因为其优选为被定位的平面元件。吸着抓取器要求一个或多个平面工作表面。当抓取旋转对称元件时，这尤其重要。当处理非旋转对称元件时，如果例如正在放置三角形或四边形元件，则吸着抓取器经由旋转系统与台架系统连接，以使通过抓取器(150)拣选的元件在各种情况下既可在底板平面上顺时针也可逆时针旋转至少10°，优选22.5°，更优选45°，其中旋转期间分辨率为>0.4°，优选>0.2°，更优选>0.1°。
在优选实施方案中，放置区包含作为导向装置，用于使托盘容纳电池组件的线性导向系统。工具沿着导向装置分配，因为各托盘采用固定并精确预定的部位。托盘的定位进行得高度重复。托盘的定位还包括其可分离的固定。
在优选实施方案中，箱体，优选手套箱(8)与至少一个气锁(23)有效连接。将托盘通过气锁(23)向内移入箱体的放置区并固定在放置区中的规定部位。此外还进一步优选其中气锁(23，10)位于导向装置的两端的排列。
气锁具有用于气体交换的工具且至少一个气锁(23)具有用于加热的工具。在气锁中，将元件在引入箱体之前预处理，以尽可能除去空气组分，以及尤其是水分。这些工具尤其包含施加真空并充满惰性气体的装置。气锁中可达到的减压优选>5毫巴，更优选>1毫巴，特别优选0.1毫巴，以及加热过程中的温度为20-200℃，优选50-180℃，特别优选80-160℃。压力用绝对压力巴(bar)表示。
托盘的导向和连接
进一步优选的是，设备还包含一种用于为托盘导向的装置，该装置例如包含一种或多种导轨和导向元件。将导向元件安装在托盘上。可使用的导向元件尤其为滑动的导向元件，滚筒，滚珠轴承。导向装置优选包含线性导向装置。将配有导向元件的托盘放在导向装置上且可沿着导向装置移至设备中精确预定的部位。预定部位为放置部位(13，15，17，19)。
在优选实施方案中，托盘可配有电力驱动，然后通过该传动可将其移至放置部位(13，15，17，19)。
在另一优选实施方案中，以及在设备安装在手套箱中的情况下，通过人工干预，将托盘沿着导轨从气锁内部移至各放置部位(13，15，17，19)，从一个放置部位移至下一个放置部位或从放置部位移入气锁。术语“放置部位”可指特定的放置部位(13，15，17，19)或全部放置部位。参考符号的使用并非意欲限制该术语。托盘也可以叠加形式存在于放置部位上，就放置部位在气锁中的用途而言，这是尤其优选的。
此外还进一步优选的是，各托盘的端部包含连接件。使用连接件，可将多个托盘连接在一起并随后形成托盘的串联排列。串联连接在一起的托盘既可沿着导向装置推动也可牵引。这显著改进了设备中托盘的处理，因为一整组托盘在单个驱动或单一干涉下在手套箱内部传输。
连接元件优选横向位于托盘上，如附图5.a-5.c所示。连接元件允许托盘沿着导向装置推动或牵引。建立连接件，以使托盘间的优选间隔保持为可使其手动抓住托盘。
用连接件连接的各托盘之间的间隔优选为1-4cm，其中间隔优选为小于3cm。
在另一实施方案中，同样优选的是，连接件如图5.a所示是钩型的，其中钩子为互补型构造，以使在如图5.b所示的相邻托盘的情况下，它们可相互啮合。
钩子优选构造超尺寸，因此导致牵引或推动方向上的间隙，优选<5mm，更优选<4mm，特别优选<3mm。间隙的存在可使托盘沿着导轨定位并固定。定位和固定方法也已知为移位(indexing)。移位例如经由空气驱动的例如插在托盘孔中的金属销进行。移位有利地用于设备的经济操作。
因为这些孔的部位限定得非常精确，托盘相对于定位系统定向。
在另一优选实施方案中，连接元件包含永磁铁(参见图5.c.)。使配有永磁铁的托盘以如下方式相互连接：当两个托盘相邻时，在每种情况下一个具有磁北极的连接元件与一个具有磁南极的连接元件相互接触。
借助操纵杆将磁铁限制在可相对于连接件移动的部位上。此外还将弹性元件，如螺旋弹簧定位在操纵杆上，该弹性元件可以公差为5mm，优选4mm，更优选2mm的间隙将托盘定位在牵引/推动方向上，以使此处移位也是可行的。图6.a为优选实施方案中磁性连接元件的示意图。间隙确保了移位能力，即在空间限定部位上的再定位能力以及因此的固定。
将电池组件，即罩壳部件(E1，E5)，电极(E2，E4)和隔膜(E3)引入放置区中托盘的凹槽。托盘优选包含具有平面的矩形板，其中长度×宽度的范围为10×10cm至50×50cm，且托盘的高度或厚度优选为<5cm，更优选<2cm，特别优选<1cm。凹槽为具有储存在凹槽中的各组件轮廓的井。凹槽优选为矩阵排列。附图3经由实例显示了一个排列。托盘包含通道或研磨部分，当组件在真空气锁中加热时，其允许凹槽内部和托盘外侧之间的气体交换。也非常重要的是，当托盘相互叠加时，各凹槽内部与托盘外侧之间也可进行气体交换。
由于其尺寸小以及层厚小，部分电池组件为箔状性质。这导致了组件相互粘合以及各部件的有目的去除被干扰的问题。如附图2.b所示，在有利的实施方案中，在每种情况下将防止组件(102)粘在一起的隔膜元件(103)插入各组件之间。
这些隔膜元件例如可包括塑料、导电塑料、有导电涂层的塑料或薄金属片。这些隔膜元件优选以压花方法配有导耳(100)和定中心点，以使当两个隔膜元件相互叠加时，其中获得两维的用于容纳箔状组件(102)的间隙。此外，隔膜元件(103)的压花轮廓还具有以5mm，优选2mm，优选1mm公差将箔状电极和隔膜定位于桌面上的任务。隔膜元件还可配有弹性舌簧，其用作防止一侧涂覆的箔卷曲的限位构件。
在优选实施方案中，首先将配有组件的托盘堆叠在气锁(23)中并经调理程序。调理之后，将托盘引入放置区，其中将所述托盘定位并固定。存在用于将托盘填充在放置部位(13，15，17，19)的工具。然而，该步骤例如也可手动进行，如果将具有手套的操作孔(14，16，18，20)安装在箱体，优选手套箱(8)中，则其可使操作人员在箱体中干预。
在优选实施方案中，将自动移液机(5)定位在底板上，可用其将液体组分施加至电池的电极上或隔膜上。自动移液机取出待从储存区分配的电解质L1并以预定量将其分配入待组装的电池。此处分配精度在每分配点分配量10μL下为+/-0.1μL。此处分配装置具有其自身的定位工具或例如与台架系统连接并通过后者至少定位在一个轴上。
在另一优选实施方案中，设备的特征在于其包含多个具有电解质L1-LN的容器，其中N>2。电解质容器数量N优选>10(L1-L10)，更优选电解质容器数量N>20。电解质容器数量N>100也是可以想象且可行的。
电解质储存区包含具有可刺穿闭合膜的容器，其中该膜可被自动移液机的针刺穿。可使用的容器尺寸是可变的且基于特定工作程序确定。如果要研究电解质组成对电化学电池性能特征的影响，则方便的是使用较大数量的储存能力小的电解质容器，如具有10×10容器的矩阵排列形式，其各自具有2-5ml电解质溶液的储存容量。另一方面，如果要研究电极对电化学电池性能特征的影响，则方便的是仅使用少量或甚至仅仅单一电解质。在该情况下，随后使用具有较大储存能力的电解质容器。各自具有20-50ml储存容量的3×3容器的排列例如是合适的。
本发明设备的特征在于，就研究而言，其在实验室中的用途及其灵活。关于尺寸和容量，本发明设备为此受到某些关于产量和设计的限制。灵活性的升高也是设备模块构造的结果。设备也可用于长期操作，通过该方式设备的使用效率也得以提高。
设备的长期操作
另一目的为提供一种生产电化学电池的设备和方法，其在低的花费下长期操作。
本发明设备的一个基本方面为制造特定数量的电池，同时各电池的参数以规定方式变化。由于托盘的使用，制造不涉及大量相同电池的连续生产方法，但实际上涉及多个不同电池的制造。生产经受单元数量方面上限的限制。
优选实施方案利用了使用一种液体以避免其被污染以及用于操作的自动移液机。该液体在下文中称作“系统液体”。系统液体优选包含一种电解质组分，此外还优选包含在标准温度和压力下是液体且完全挥发性的组分。所需系统液体相对于分配量至少10倍过量比。其中一旦使用，则必须将液体从手套箱中除去。系统液体的典型量为每天1-5升数量级。因此，本发明设备包含至少一个用于系统液体的容器和至少一个用于废液的容器。用于系统液体的液体容器的容量为2-20升，更优选5-15升。用于废液的容器的容量大于用于系统液体的容器的容量至少1升，优选至少2升。
容器优选如下设计：使它们也可充满惰性气体，以避免箱体，优选手套箱内部中气氛的污染。
在优选实施方案中，本发明设备包含至少一个用于自动移液机操作的系统液体的容器和至少一个用于废液的容器。用于清洗液的液体容器的容量优选为2-20升，更优选5-15升。用于废液的容器的容量大于用于清洗液的容器的容量至少1升，优选至少2升。
容器优选如下设计：使它们也可充满惰性气体，以避免箱体，优选手套箱内部中气氛的污染。
选择本发明设备组装用于系统液体和废液的容器的方式，以使设备可以很小代价维护且在操作时不额外中断。中断例如当替换用于电解质液体的储存容器时发生。设备操作也常在托盘向内或向外转移过程中中断。
电解质借助用于液体的操作体系，优选借助自动移液机分配。自动移液机需要用于清洗和操作的系统液体。大部分系统液体有利地包含电解质液体的主要组分。就清洗而言，使系统液体经过自动移液机的管线，以使可能已经沉积在自动移液机管线中的任何可能的添加剂被溶解并漂洗掉。
还应记得的是，惰性气体的超压在设备箱体或在手套箱内占优势，从而内部非常有效地防止了当然含有氧气、氮气和水分的空气从设备外部的渗透。
配有用于系统液体和废液的容器的设备优选在每种情况下还包含确保用于系统液体的容器或用于废液的容器与手套箱之间压力平衡的工具。
配有两个容器，即用于系统液体的容器和用于废液的容器的设备的优选实施方案图示在附图6.b中。在该实施方案中，供气装置(250)经由管线(251)，闭合构件(252)和管线(253)与容器的顶部空间(254)有效连接。管线(256)在容器中结束，其中管线的末端在容器底部之上约0.5-5cm的距离处结束。在其中管线浸入液体中的该实施方案中，管线为汲取管。清洗液体通过浸在其中的管线从容器中取出。
管线(257)与闭合构件(260)和(259)有效连接。闭合构件(260)的另一端与手套箱内部有效连接。一端设置闭合构件(259)的管线用于排放惰性气体。
此外，连接件(257)在每种情况下位于容器进料和卸料管线上，借助其连接的容器可从手套箱中解开连接，且其也确保了不管所述的解开连接，手套箱仍保持密封。
用于废液的容器优选以与用于清洗液体的容器相似的方式连接起来。然而，在用于废液的容器中，汲取管由进口管替换。与汲取管对比，进口管仅延伸入容器上部1-5cm。
如果超压在手套箱中占优势，则可忽略零件(250)、(251)和(259)。随后使流出管线(258)直接经由容器顶部空间与闭合构件(252)有效连接。
在另一有利发展中，可有利地将闭合构件(260)和(261)并入各连接件(257)。这可通过使用自闭合快速连接件实现。
设备的优选实施方案的操作模式显示在附图6.b中。在基本状态下，将容器解开连接并将关闭阀(260)闭合。
将容器经由连接件(257)连接至手套箱。一旦废气闭合构件(259)和供气装置闭合构件(252)打开，则气流通过容器顶部空间从供气装置进入废气。容器顶部空间体积应交换至少5次，更优选10次，还更优选20次。随后将闭合构件(252)和(259)闭合。为避免容器中任何压力累积，在延时之后，首先在闭合构件(259)之后将闭合构件(252)闭合。延时为至少10秒。随后打开闭合构件(260)。
在具有自闭合快速连接件的简化形式中，首先连接具有打开的闭合构件的管线(253)。由于手套箱中的超压，惰性气体立即开始流经容器。当容器的顶部空间体积优选用惰性气体交换5次，更优选至少10次，特别优选20次时，足以除去气氛污染物。
例如，如果容器具有3升的自由顶部空间体积，通往该容器的管线具有4mm内径和1m长度，且空气以每小时100标准升流经管线，则交换气体10次将花费约2分钟。
如果超压在手套箱中占优势，则用于使容器惰性化的惰性气体也可直接从手套箱，而不是外部容器中取出。为此，管线(251)直接与手套箱相连。随后，容器中的流出经由管线(258)进行。随后也可忽略阀(260)和相关管线的长度。在该情况下，管线(258)中可调理的节流装置是重要的，以使手套箱中起作用的超压可以维持。
电化学电池的生产
本发明还涉及一种使用本发明设备生产电化学电池的方法。该方法包括组装组件，引入电解质并密封电池。组件E1-E5借助来自至少一个托盘的凹槽的抓取器捡取并在组装室中组装。该方法的特征在于下述步骤：
(i)将下部罩壳元件(E1)定位在组装室(4)的凹部中，其中该组装室位于组装部位上的支架中；
(ii)将电极(E2)定位并排列在组装室凹部中的罩壳元件上；
(iii)将所选电解质的第一部分分配在位于凹部中电极的表面上；
(iv)将隔膜(E3)定位并排列在用电解质润湿的表面上；电极在用电解质润湿的隔膜上；
(v)将所选电解质的第二部分分配在位于凹部中隔膜的表面上；
(vi)将步骤(ii)中设置的电极的对电极(E4)定位在用电解质润湿的隔膜上；
(vii)将上部罩壳元件(E5)定位在组装室凹部中；
(viii)用工具密封电池组件堆，其中各步骤单独或相互组合地进行。
各步骤可组合，因为各组件可在方法进行之前已与其它组件牢固连接。例如，各电极可牢固地连接至已预制造的罩壳的各部位上。
在该方法的优选实施方案中，将各组件在定位在组装室凹部中之前用天平称重。
电极以该方式与离子吸收能力匹配。
称重的组件优选至少包括组件E2和E4(即电极)，其中将它们单独称重。在调理之前将电极称重可使所生产电池的质量显著改进。基于称重数据，进行相匹配的程序，其包括将那些实际上具有相应离子吸收能力的对电极组合在一个电池中。使电极与离子吸收能力匹配的方法步骤明显有助于生产具有特别高精度的电池并因此可使结构和性能特征相关，当将本发明设备和方法用于研究用途时，其具有很大重要性。
重要的是，当匹配电极时，阳极的离子吸收能力为至多大于阴极离子释放能力值30％，优选阳极的离子吸收能力为至多大于阴极离子释放能力20％，特别优选阳极的离子吸收能力为至多大于阴极离子释放能力10％。然而，阳极的离子吸收能力从未小于阴极的离子释放能力。离子吸收能力优选通过控制系统由电极重量计算，其中假定了进一步的限制条件。
由于电极匹配，那些具有不在优选范围内的计算能力的电极未被接收。就此而言，在放置区中(优选在托盘上)存在用于容纳电极(或其它组件)的自由凹槽(或放置凹槽)，其超出窄的公差范围。
放置凹槽未与特定凹槽相连。当存在具有多个凹槽的托盘时，可改变放置凹槽的部位。抓取器可将已放置的组件再分开。位于组件之间的隔膜元件也可放在放置凹槽中。
此外，该方法也可以优选方式进行，其中上述方法步骤(i)-(viii)在以下步骤之后进行：
(x.1)将至少一个填充有组件的托盘，优选多个填充有组件的托盘定位在气锁(23)内部；
(x.2)通过在20-200℃，优选100-180℃，更优选140-160℃的温度范围内，经0.5-48小时，优选2-36小时，更优选4-18小时加热，调理位于托盘上的组件；
(x.3)将所述至少一个具有活化组件的托盘引入充满保护气体的箱体，优选手套箱(8)的放置部位。
当根据步骤(x.2)进行调理时，优选将组件暴露在<5毫巴，优选<1毫巴，更优选<0.1毫巴的降低的压力下。
在向内转移方法期间，各组件，尤其是电极和隔膜的调理对许多类型的电化学电池而言非常重要。然而，还必须记得的是，所述隔膜具有比电极材料低的热稳定性。
在本发明方法的优选实施方案中，将隔膜在室温至至多70℃，优选30-60℃的温度下调理，并将电极在室温至至多150℃，优选40-120℃的温度下调理。例如，用于向内转移的气锁具有两个不同的温区，以使具有隔膜的托盘和具有电极的托盘在气锁的不同温区中同时调理。在另一实施方案中，顺序调理隔膜和电极。
基于手套箱(8)中制造的各类型电化学电池，选择手套箱(8)中的特定保护气氛。
当进行本发明方法时，优选调理并控制箱体中的气氛。如果方法涉及Li离子电池的生产，则优选将氩气用作保护气体，其中保护气体，优选氩气显示了超压，其值为大气压力以上0.1-100毫巴，更优选1-50毫巴。
此外，在生产Li离子电池的方法中还优选的是，手套箱(8)中的水蒸气含量<100ppm，更优选<10ppm，特别优选<1ppm和/或氧气含量优选<1000ppm，更优选<100ppm，还更优选<10ppm。
一种生产根据权利要求8-12中任一项的锂离子电池的方法，其中在所述方法步骤之后进行以下步骤：
(y.1)通过第二气锁(10)将填充有所制造电池的托盘从箱体向外转移。
借助第一气锁(23)使具有组件的托盘空间分离地向内转移并借助第二气锁使成品电池向外转移，这增加了设备的灵活性。就此而言还应提及的是，组件，尤其是电极的调理为费时的方法步骤之一，其影响了整个生产方法的持续性。因此有利的是具有至少一个可获得的其它气锁。然而，第二气锁(10)的设计比第一气锁(23)简单，例如不含加热工具。因此，第二气锁优选用于引入未经过热处理的组件或成品电池的向外转移或排空容器。
纽扣电池的生产
开发方法和设备的不同操作模式详细描述在下文中，但该描述并不意欲限制本发明。
当组装纽扣电池时，在组装区中设置压机。
压机配有可移动模具。在模具中存在凹槽。模具可使用本领域熟练技术人员已知的任何驱动工具驱动，其中优选电动线性轴，线性马达或充气活塞。为简化可达到性，将模具推出至冲床下，并同抽屉一样，移入抓取器系统的抓取区。在该推出部位，连续填充电池组件。就密封电池而言，将含电池的可移动模具移至冲床下并随后使电池与冲床一起压制。
软包装电池的生产
用于制造软包装电池的站包含其中设置了用于容纳电池箔状组件的井的底部。在侧面优选设置钩状结构(像细锯条)或弹性条，其在易于弯曲的箔的情况下，防止箔卷曲。将可横向移动的用于热密封三个侧面上箔外罩的横向突出条的加热工具设置在井上，其可降至基部单元上。将同样可移动的热密封装置设置在用于热密封四个侧面的热密封站中。热密封工具位于真空罩下。在一侧密封条位于其上的侧面上存在可移动的凸槽(tongue)。一旦放置了底部箔壳，则将该凸槽在底部箔壳上推动数毫米，以维持底部和上部箔壳之间的间隙(以与位于闭合的书页之间的书签相似的方式)。
整个站可经由连接点倾斜数度，以使设置凸槽的侧面指向上方。优选可将管道并入凸槽顶部，经由该管道可将液体引入箔袋内部。进一步优选两个或更多个间隔凸槽。
在优选实施方案中，在定位系统(3)的抓取区中设置了扫描仪，优选条形码扫描仪，更优选一维或两维的。各部件或至少成品电池接受条形码，因此确保所制造电池较好的可溯性。在高产量研究领域中，标签和记录对设备的应用领域非常重要，因为其可能生产大量不同电池。各电池的制造参数通过顺序控制系统获得。就本发明设备而言，随后电池的可溯性和身份识别非常重要。
在定位系统(3)的抓取区中的另一部位处，存在向下指的具有图像评估软件的相机(25)。对于肉眼可识别的缺陷，使用该相机以检测电极表面并评估电极，该相机指向下面并具有支撑箔。电极的肉眼检测也有助于改进本发明设备和本发明方法。也可有意研究电极表面结构的影响。
使用本发明设备和本发明方法可生产超过50个电池/天，优选超过100个电池/天，更优选超过200个电池/天。同时可获得非常低的生产废品率，其中废品率<1％，优选<0.5％，还更优选<0.1％。因为本发明设备的特定特征为可在许多方面改变电池的生产参数，使设备产量经受上限。这是因为设备不是用于制造具有相同结构的电池的生产线设备。生产能力的上限为200-800个电池/天，优选200-400个电池/天。特定特征为低的废品率和所制造电池品质的提高。所制造电池的品质提高与定位精度和电极离子吸收能力的匹配相关。
然而可以想到的是，还可进一步通过平行排列各元件或平行操作多个本发明设备增加本发明设备的产量。尽管如此陈述了关于产量的上限，但是通过改变增加产量也不是完全不可想象的。
方法
在方法的优选实施方案中，各生产步骤以固定的预定顺序进行。
在下文中用生产软包装电池的实施方案方法，说明本方法，其中在该实施方案中方法包括以下步骤：
a.1)将下部箔壳放在组装部位(2)
a.2)放置并排列电极，阴极或阳极，
a.3)将预定部分的电解质以数滴的形式分配在电极表面上，
a.4)放置并排列隔膜，
a.5)进一步用预定的第二部分，呈数滴形式的电解质喷洒，
a.6)插入一个或多个隔离物(凸槽)，用于随后填充电解质，
a.7)放置具有与第一个电极相反极性的电极，阳极或阴极，
a.8)在3个侧面密封箔壳，
a.9)倾斜在3个侧面密封的箔堆，以使间隔物指向上方，
a.10)充满最终预定比例的电解质，
a.11)交替施加真空以及导入惰性气体，
a.12)取出间隔物，
a.13)热密封仍旧打开的侧面，
a.14)取出完全焊接的箔堆用于其它用途。
在另一优选实施方案中，设备和方法用于生产纽扣电池。
B.纽扣电池的生产包括以下步骤：
b.1)将罩壳下部放置在组装部位(4)，其中已将用于压制电极的弹簧和压板插入罩壳部分，
b.2)放置电极，阴极或阳极，
b.3)用预定部分的电解质润湿电极，
b.4)放置隔膜，
b.5)用预定的第二部分电解质润湿隔膜，
b.6)放置与第一个电极极性相反的电极，阳极或阴极，
b.7)放置并温和地压制罩壳的上部，
b.8)用水压机压制罩壳，
b.9)取出电池以进一步加工。
将可温度控制的气锁(23)用于使部件(组件)和夹具向内转入箱体(8)，其中离子电池通过各生产单元一起工作而组装。在优选实施方案中，可温度控制的气锁(23)配有真空泵，其可将压力降至<100毫巴，优选<10毫巴，更优选<1毫巴，特别优选<0.1毫巴的值。在另一优选实施方案中，将可温度控制的气锁的内部加热或冷却，其中选择10-150℃，优选20-120℃范围的值。
当取样时，相机(25)也可用于检查电极表面。与用于校正空间部位的那些不同的算法式是图像识别自然需要的。
箱体(8)以及气锁(23)可充满惰性气体。优选将氩气用作惰性气体。在本发明方法的优选实施方案中，使箱体内部处于超压下，其中压力值为大气压力以上0.1-100毫巴，优选1-50毫巴。
箱体中的气氛可精确预定并调理。水蒸气含量优选为<100ppm，更优选<10ppm，特别优选<1ppm。箱体中的氧气含量优选为<1000ppm，更优选<100ppm，还更优选<10ppm。
电化学电池的开发
将借助本发明设备和本发明方法生产的电池就其性能特征进行试验并将试验数据储存在数据库中。在开发周期结束时，根据各生产参数将性能特征进行评价并分析。
在优选实施方案中，本发明设备和本发明方法为开发电化学电池的开发周期的一部分，其包括以下步骤：
I.用于设计电化学电池的制造，特别是电池之间生产参数变化的多个电池的软件
II.控制用于(自动或半自动化)生产(生产参数改变)的设备
III.优选平行地用传感器试验不同的电化学电池，
IV.用于获得结构结果的数据库
V.用于优化周期的算法。
在第一个开发周期结束之后，可将来自电池表征的分析结果用于设计第二次开发周期的生产计划。整个开发周期可在方法参数，尤其是电解质特征和阴极特征改变下重复。
附图的简要说明：
附图1以平面图形式显示了组装设备的示意图。所示设备配有两个气锁(23，10)。放置部位(13，15，17，19)在手套箱内部填充有四个托盘，其中具有电解质容器(没有指示符号)的托盘位于放置部位之上。
附图2.a显示了电池组件(102)的示意图，该组件位于隔膜元件(103)的凹痕(101)中。
附图2.b显示了堆型排列的5个隔膜元件(103)和5个组件(102)的示意图。在各隔膜元件上侧的外部区中设置凹槽，其中将位于其上的隔膜元件的中心突出物固定在其中。
附图2.c显示了托盘(152)的侧视图，其中可看见两个填充了的凹槽以及用于操作元件的抓取器。
附图3显示了配有4个凹槽的托盘的平面示意图。3个凹槽填充有组件和隔膜元件，以及剩下第4个凹槽不含组件。
附图4.a显示了匹配电极元件时方法步骤的示意图，首先将其从堆(200)转移至天平(201)，随后根据称重结果，要么供至组装站(202)，要么供至废物部位(203)。放在废物部位上的元件不意欲进一步使用并被丢弃。
附图4.b显示了相应于附图4.a所示流程图的，匹配电极元件时方法步骤的示意图。与附图4.a所示图相比，该设备配有用于电极元件的隔离物堆，以使阴极和阳极由隔离物堆供应。
附图5.a显示了配有6×3凹槽的托盘的平面示意图，其中托盘的各侧包含两个连接元件(220，222)。(平面图中的钩型连接元件。)
附图5.b显示了经由钩型连接元件(220)相互连接的两个托盘的侧视图。
附图5.c显示了配有6×3凹槽的托盘的示意图，其与附图5.a的托盘相似，但在侧面包含其它磁性连接元件。
附图6.a显示了磁性连接元件的示意图。来自附图5.c的连接元件(220)的详图。
附图6.b显示了配有用于清洗液体或废液的容器的设备示意图。
指示符号如下所列：
1               -     天平
2               -     用于软包装电池的组装站
3               -     用于电池各组件的操作系统，在本发明情况下呈台架系统的形式
4               -     用于纽扣电池的组装站
5               -     用于液体的操作系统，在本发明情况下呈移液臂的形式
6               -     不存在
7               -     轨道系统，操作系统，在本发明情况下呈台架系统的形式
8               -     手套箱，用于组装模块的区
9               -     气锁门
10              -     不具有加热的气锁，其中物体的向内或向外转移不需要热处理。
11              -     不需要热处理的物体的放置部位，如用于液体的小瓶
12              -     位于内部的用于分离组装区和气锁区的气锁门
13，15，17，19  -     用于待组装电池组件的托盘的放置部位。它们为阴极、阳极、隔膜和罩壳部分。将托盘牢固地夹在固定系统上，以获得操作系统的限位。
14，16，18，30  -     手套，提供来自环境的气密封。它们允许操作支架。
21              -     在加热气锁与工作区之间的气锁门
22              -     用于经过调理步骤的物体的放置部位；例如阴极和阳极
23             -            加热的气锁
24             -            通向外侧的气锁门
25             -            测量部位和识别缺陷的相机
100            -            使突出部位于隔膜元件底部的外部区中心
101            -            用于容纳电池组件的压痕
102            -            电池的机械元件，即阴极、阳极、隔膜、外罩部分
103            -            隔膜元件
150            -            操作系统的抓取器
151            -            空的隔膜元件
152            -            托盘
153            -            填充有组件的隔膜元件
180            -            托盘
181            -            凹槽
200            -            阴极或阳极电源
201            -            天平，分辨率为至少+/-0.5mg，优选+/-0.1mg，更优选+/-0.05mg
202            -            组装站
203            -            废物部位
204            -            阴极电源
205            -            阳极电源
206            -            在组件在公差范围内的情况下的方法步骤
207            -            在组件超过公差范围的情况下的方法步骤
220            -            连接件
221            -            磁铁
222            -            钩子
224            -            钩子，与钩子(222)互补
225            -            弹簧
226            -            压力分布盘
227         -           固定工具，如螺母
228         -           操纵杆
250         -           用于惰性气体的供气装置
251         -           供应惰性气体的管线
252         -           用于惰性气体的闭合构件
253         -           进入用于惰性气体的容器的管线
254         -           液体容器
255         -           用于惰性气体的出口管线
256         -           用于清洗液体的容器；所示变型为在用于供应的汲取管下，管线(256)在容器底部之上数厘米终止；在用于排放液体的变型中，管线(256)仅伸入容器数厘米
257         -           用于使容器与装置分开的连接件
258         -           用于排放惰性气体的管线
259         -           用于卸料管线的闭合构件
260         -           设备上用于进料/卸料管线的闭合构件
261         -           设备上用于进料/卸料管线的闭合构件
262         -           手套箱
263         -           在手套箱内部的需要液体的设备

Claims (14)

1.一种用于生产电化学电池的设备，其具有至少一个放置部位(13，15，17，19)，组装部位(2，4)，具有抓取器(150)的定位系统(3)，具有清洁站的自动移液机(5)，用于密封通过堆叠组装的电池的工具以及至少一个具有用于容纳组件的凹槽的托盘，凹槽的数目总计≥2，优选≥4，特别优选≥6。
2.根据权利要求1的用于生产电化学电池的设备，其中所述设备包含天平(1)和/或至少一个相机(25)，相机(25)设置在设备底板区域中。
3.根据权利要求1或2的用于生产电化学电池的设备，其中所述设备包含用于将托盘移至所述至少一个放置部位(13，15，17，19)或将托盘移至放置部位的工具。
4.根据权利要求1-3中任一项的用于生产电化学电池的设备，其中所述电化学电池为Li离子电池且设备模块通过箱体(8)，优选手套箱封闭，以及箱体与至少一个气锁(23)，优选两个气锁(23，10)有效连接。手套箱(8)包含防止标准大气的不希望组分进入的工具。
5.根据权利要求1-4中任一项的用于生产Li离子电池的设备，其中所述至少一个放置部位包含用于识别托盘部位的工具。
6.根据权利要求1-5中任一项的用于生产电化学电池的设备，其中下文所述至少一个区配有导向装置：放置部位(13，15，17，19)，组装区(2，4)和/或气锁区(23，10)。
7.根据权利要求1-6中任一项的用于生产Li离子电池的设备，其中所述至少1个托盘的6个凹槽中的至少5个填充有电池组件，仅一种特定类型的组件设置在5个凹槽的每个单独凹槽中，组件具有堆型排列且隔膜元件(103)在每种情况下排列在堆叠组件之间。
8.一种借助根据权利要求1-7中任一项的设备生产氧化还原电池的方法，其中组件E1-E5通过抓取器从至少一个托盘的凹槽中捡取并在组装室中组装，所述方法的特征在于以下步骤：
(i)将下部罩壳元件(E1)定位在组装室的凹部中，所述组装室位于组装部位上的支架中；
(ii)将电极(E2)定位并排列在组装室凹部中的罩壳元件上；
(iii)将所选电解质的第一部分分配至位于凹部中电极的表面上；
(iv)将隔膜(E3)定位并排列在用电解质润湿的表面上；
(v)将所选电解质的第二部分分配至位于凹部中隔膜的表面上；
(vi)将步骤(ii)中设置的电极的对电极(E4)定位在用电解质润湿的隔膜上；
(vii)将上部罩壳元件(E5)定位在组装室凹部中；
(viii)用工具密封电池组件堆，其中各步骤单独或相互组合地进行
9.根据权利要求8的生产电化学电池的方法，其中在定位在组装室凹部之前，用天平将组件称重且称重的组件至少包含组件E2和E4(即电极)。
10.使用根据权利要求3-7中任一项的设备生产Li离子电池的方法，其中权利要求8中所述方法步骤在以下步骤之后进行：
(x.1)将至少一个填充有组件的托盘，优选多个填充有组件的托盘定位在气锁(23)内部；
(x.2)通过在20-200℃，优选100-180℃，更优选140-160℃的温度范围内，经0.5-48小时，优选2-36小时，更优选4-18小时加热，调理位于托盘上的组件；
(x.3)将所述至少一个具有调理过的组件的托盘引入充满保护气体的箱体，优选手套箱(8)的放置部位。
11.根据权利要求10的生产Li离子电池的方法，其中当进行步骤(x.2)的调理时，将组件暴露在<5毫巴，优选<1毫巴，更优选<0.1毫巴的降低的压力下。
12.根据权利要求10或11的生产Li离子电池的方法，其中在电池生产过程中，将箱体(8)放在保护气氛下，优选用氩气作为保护气体，以及压力值优选大气压力以上0.1-100毫巴，更优选1-50毫巴。
13.根据权利要求10-12中任一项的生产Li离子电池的方法，其中所述方法进行时箱体(1)中的水蒸气含量为<100ppm，更优选<10ppm，特别优选<1ppm和/或氧气含量优选<1000ppm，更优选<100ppm，还更优选<10ppm。
14.根据权利要求8-12中任一项的生产离子电池的方法，其中在所述方法之后进行以下步骤：
(y.1)通过第二气锁(10)将填充有所制造电池的托盘从箱体向外转移。
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