CN111050979B - 用于使用激光束在弯曲的表面上分开带形的电极材料和分离器材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从带形材料（66、82）分开区段（70）的设备，带形材料作为线圈储备（140）存在。从动轮（92）沿圆周方向被划分成各个圆周节段。所述圆周节段要么用真空加载，要么用吹风加载。为从动轮（92）的圆周面（94）配设激光器（96），该激光器将固定在其中一个圆周节段上的区段（70）从带形材料（66、82）分开。

Description

用于使用激光束在弯曲的表面上分开带形的电极材料和分离 器材料的方法

技术领域

本发明涉及一种用于从电极材料的和分离器材料分开区段的方法，所述材料以带形存在，其中，在连续运动的、弯曲的面上进行电极材料的分开。借助按本发明建议的方法产生了使用在电池单元中的电极堆垛/分离器堆垛。

背景技术

能借助电池来储存电能。电池将化学的反应能转化成电能。在此分为一次电池和二次电池。一次电池仅能运转一次，也称为蓄电池的二次电池则能重复充电。在蓄电池中尤其使用所谓的锂离子电池单元。这种锂离子电池单元的出众之处主要在于高能量密度、伴随极小的自放电的热稳定性。

锂离子电池单元具有也称为阴极的正电极和也称为阳极的负电极。阴极以及阳极包括各一个导电体，活性材料施加在该导电体上。电池单元的电极设计成膜状并且在中间连接将阳极与阴极分开的分离器的情况下例如堆成电极堆垛。电极也可以捆成电极卷包或者以另一种方式形成了电极单元。

研发新型电池单元时的重要目标就是提高电池单元中的电化学的有效容积。电极堆垛被证实是用于最大化有效容积的电极单元的最为合适的构造形式，因为这个电极堆垛既能制造成理想棱柱形，也能制造成任意其它几何形状。

DE 10 2014 113 588 A1涉及一种用于制造电池单元的方法。所制造的电池单元包括经堆垛的电极板和分离器板，由此制造至少一个半电池单元，该半电池单元包含两个分离器板和布置在其间的电极板。先输入第一分离器膜条，之后将至少一个电极板存放在该第一分离器膜条上。紧接着将第二分离器膜条安放到至少一个电极板上。之后通过两个分离器膜在电极板的电化学活性的区域外的至少部分的连接形成了用于至少一个电极板的凹部，由此形成了凹部边缘。之后沿着所述一个或多个凹部边缘切割两个分离器膜，由此制造了一个或一个以上的半电池单元。

EP 2 930 772 A1涉及一种用于电气装置的分离器输送装置以及一种输送方法。建议了一种用于电气装置的分离器的输送器械，该输送器械交替地将第一电极和极性不同于第一电极的极性的第二电极与分离器层压，分离器布置在第一电极和第二电极之间。

US 2014/0059875 A1涉及一种位置探测装置和一种位置探测方法。即使分离器或电极变形，也能探测到这种变形并且以高精确度探测到分离器的或电极的位置。所述位置探测装置包括压紧单元，该压紧单元包含板形的元件。这个板形的元件由弧形的材料切割而出并且以卷筒形的造型卷绕。位置探测单元通过压紧单元探测被靠放在参考面上的弧形的区段的位置。紧接着将通过位置探测单元检测到的弧形的材料的位置在接下来的方法步骤中用作关于弧形的材料的位置信息。

WO 2014/041588 A1涉及一种在使用激光束的情况下用于电子部件的电极材料的切割方法和一种用于实施该方法的设备。提出了一种用于带形电极材料的无尘工作的切割装置，在该切割装置中使用激光束。

发明内容

根据本发明，建议了一种用于从带形材料分开区段的设备，带形材料作为线圈储备存在，所述设备具有从动轮，该从动轮沿圆周方向划分成各个圆周节段，所述圆周节段要么用负压加载，要么用吹风加载，其中，为从动轮的圆周面配设激光器，该激光器分离带形材料的固定在其中一个圆周节段上的区段。

通过按本发明的技术方案确保了，在执行激光切割时，这就是说由带形材料产生区段时，可靠地固定了这种带形材料。用能取决于角度施加的并且沿着所述轮的圆周面划分的真空确保了涉及到用于第一电极的第一带形材料的带形材料的固定保持和运输。通过支持性地吹出相应的圆周节段的之前已分开的区段，实现了在转交部位上输出之前借助激光切割从用于第一电极的第一带形材料分开的区段。

在按本发明所建议的解决方案的一种有利的设计方案中，各个圆周节段分别是弯曲的节段面（其设计成透气的），因而不仅用来固定用于第一电极的第一带形材料的真空是有效的，而且确保了有控制地吹出之前通过激光切割从相应的圆周节段或其弯曲的节段面分开的区段。

在按本发明建议的解决方案的另一种有利的实施方案中，从动轮的真空区域在约270°的圆周面上延伸，而从动轮的吹出区域在从动轮的约90°的圆周面上延伸，其中，在真空区域内用负压加载所述圆周节段。

转交部位优选处在吹出区域内，在转交部位上，之前通过激光切割从用于第一电极的第一带形材料分开的区段从圆周节段转交给了运输装置。

执行用于从第一电极的第一带形材料分开区段的激光切割的激光器，涉及连续工作的或脉冲式（ns或ps）工作的固体激光器。

从动轮有利地由驱动器驱动，该驱动器包括编码器以及驱动控制机构，驱动控制机构这样加速和制动从动轮，使得在所述区段交给运输装置时在所述区段之间产生了限定的缺口。这些缺口限定了区段彼此间的间距，所述区段在转交部位上存放在带形的第一分离器上，所述区段的间距产生了材料超出高度，所述材料超出高度足以形成凹部。

此外，按本发明建议的设备还包括在端侧上配设给从动轮的吸除装置。这个吸除装置将在激光切割期间产生的颗粒从在各个沿圆周方向布置的圆周节段之间的切割间隙去除，其中，吸除在切割间隙内的和切割间隙上方的颗粒。在切割时产生的颗粒通过横向于激光束的激光束方向成形的流动吸除。与吸除部位对置地进行气流的输入，因而形成了垂直于激光器的激光束方向的稳定的吸除流。因为从动轮转动，所以垂直于用于电极的带形材料的运动的分离要求倾斜的切割，倾斜的切割的倾斜角取决于进给速度。为了实现不同的速度，激光导引结构必须具有匹配的尺寸。

本发明还涉及一种用于借助按本发明所建议的设备从座位线圈储备存在的带形材料分开区段的方法，其中，执行下列方法步骤：

a）将带形材料固定在由圆周节段构成的圆周面上，该圆周节段在从动轮的真空区域中具有弯曲的节段面，

b）执行连续的激光切割以从带形材料分开区段，其中，在弯曲的、限定地运动的节段面的第一接近恒定的转动速度下伴随几乎恒定的局部的进给执行笔直的切割，

c）其中，根据方法步骤b）沿X、Y和Z方向执行对激光器的焦点的追踪，

d）其中，在方法步骤c）期间，对在切割间隙中和切割间隙上方和/或切割间隙下方的颗粒进行吸除，并且

e）在各个区段之间构造缺口的情况下，将分别固定在圆周节段上的分开的区段在吹出区域内在转交部位上转交给运输装置。

在按本发明建议的方法中，有利地通过多边形扫描仪和/或振镜扫描仪的组合来追踪激光束。多边形扫描仪包括快速转动的、镜像的多边形，振镜扫描仪具有借助振镜驱动器（与动圈式测量仪类似）的驱动器。借助这些部件能由通过从动轮输出的编码器信号和相应的校准再次在带形材料上采取正确的部位用于执行切割。这使得激光器在空间内能以产生了出色的切割质量的恒定的局部的进给在表明了笔直的或垂直的切割的轨道上导引。通过布置在切割部位后方的带有图像处理的合适的测量系统，可以显示用于激光器导引的调节回路。

激光束的偏转在进行颗粒去除并且因此执行切割的平面内借助能快速转动的或能倾斜的镜完成，并且在高度上借助例如通过能移动的透镜的主动的追踪完成。激光束的轨道控制与工件朝全部三个空间方向的轨道运动同步。

在按本发明建议的方法的有利的扩展设计方案中，在转交部位上在区段之间，通过从动轮的加速和减速产生了缺口。大约需要约40%的周期用于从动轮的加速和减速，60%的周期则进行恒定的驱动，因而激光切割的切割质量特别好。

圆周节段的弯曲的节段面要么用负压加载，要么用吹气加载。

可选可以使用光学的测量方法，用所述光学的测量方法来检查激光切割的质量并且可以校准同步。此外还存在这样的可能性，即，从动轮在输出各个分开的区段，这就是说输出阴极节段或阳极节段之后，经历了附加的清洁过程。

本发明还涉及按本发明所建议的用于制造堆垛式电池单元的设备在电动车辆（EV）、混动车辆（HEV）、插电式混动车辆（PHEV）或消费电子产品中的应用。

用按本发明所建议的根据设备和方法的解决方案，能有利地达到，借助激光器将各个区段从用于堆垛式电极整体的第一或第二电极的第一或第二带形材料分开。这种激光切割有利地在限定地运动的并且额外还弯曲的面上进行，所述面具有突出的优点，即，可以将相应的区段、这就是说第一电极或第二电极，在转交部位上极为角度正确地存放到第一分离器的沿着该转交部位运输的轨道上。通过按本发明所建议的解决方案可以通过使用针对从动轮的精确的编码器和驱动控制机构在各个借助激光器分开的区段之间产生高度精确的、能复制的区段。以极高的存放率来存放之前借助激光切割从用于第一电极的第一带形材料或用于第二电极的第二带形材料分开的区段，否则的话只能用送料机器人来确保所述存放率，但送料机器人花费较高的耗费并且在其操作方面较为复杂。

为了能执行用于将区段从用于第一电极的第一带形材料或从用于第二电极的第二带形材料分开的激光切割，可靠地固定保持有待分开的区段，这在按本发明所建议的解决方案中通过用与角度相关的并且所划分的真空来固定保持和运输带形的材料得到保证，用所述真空能有针对性地并且与角度相关地加载从动轮的或从动轮的各个圆周节段的圆周面。通过施加真空来固定和运输通过激光切割分开的区段，在转交部位上转交到在运输装置上输送的分离器轨道上则通过支持性的吹出完成。

为了借助激光切割分开的区段产生缺口或间距，在所述区段存放到运输装置上第一分离器的分离器轨道上时，从动轮被有针对性地加速和制动，切割则在从动轮以恒定的转动速度旋转时进行。基于在运动的弯曲的面上要直角地执行的激光切割，沿X、Y和Z方向追踪激光器或激光束的焦点，这例如可以通过多边形扫描仪或振镜扫描仪的组合达到。

按本发明所建议的解决方案的其他优点是，在按本发明所建议的解决方案中，为从动轮、特别是为在各个形成了从动轮的弯曲的圆周面的圆周节段之间的切割间隙，配设吸除装置。既在所述切割间隙上方也在所述切割间隙内部吸除在激光切割时出现的颗粒。吸除装置有利地配设给按本发明所建议的设备的从动轮的其中一个端侧。

附图说明

借助附图接下来详细阐释按本发明所建议的解决方案。

图中：

图1是电池单元的示意图；

图2是用于制造电池堆垛的设备的重要部件；

图3是从动轮的侧视图；

图4是从动轮的立体的俯视图；

图5是轮的恒定的转动速度的阶段、减速和加速示意图；

图6是圆周节段的弯曲的圆周面示图；

图7是在从动轮上的切割间隙的区域中进行颗粒吸除的示意图；并且

图8是激光装置的示意图。

具体实施方式

在接下来对本发明的实施方式的说明中，相同的或相似的元件用相同的附图标记标注，其中，个别情况下取消了对这些元件的重复说明。附图仅示意性地示出了本发明的主题。

图1示出了电池单元2的示意图。电池单元2包括壳体3，该壳体可以构造成棱柱形、特别是长方体形。壳体3在当前设计成导电的并且例如由铝制成。电池单元2包括负的接线柱11和正的接线柱12。通过所述接线柱11、12可以对由电池单元2提供的电压进行分压。此外，电池单元2也能通过接线柱11、12充电。

在电池单元2的壳体3内布置着电极单元，电极单元在当前情况下设计成电极堆垛10。电极堆垛10具有两个电极，即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别设计成膜状并且通过第一带形分离器18彼此分离。第一带形分离器18是能离子导电的，这就是说能透过锂离子。阳极21包括阳极的活性材料41和阳极的导电体31。阳极的导电体31设计成能导电的并且由金属制成、例如由铜制成。阳极的导电体31与电池单元2的负的接线柱11电连接。阴极22包括阴极的活性材料42和阴极的导电体32。阴极的导电体32设计成能导电的并且同样由金属制成、例如由铝制成。阴极的导电体32与电池单元2的正的接线柱12电连接。

图2在示意图中示出了用于制造电池堆垛的设备58的部件。

图2示出了用于制造电池堆垛的设备58。在用于第一带形分离器18的给料结构60上进行第一带形分离器到运输装置62上的给料。运输装置62可以涉及环绕的带或也涉及线性的输送系统76或类似物。在运输装置62上沿运输方向64运输第一带形分离器18。

用于例如阴极的第一电极的第一带形材料66的线圈储备140处在运输装置62上方。通过多个在此未示出的转向辊进行用于第一电极的第一带形材料66到从动轮92的给料。为从动轮的圆周面94配设激光器96或刀状的切割装置。在激光器96或切割装置下方进行用于第一电极的第一带形材料66的切割68，由此产生了区段70，这就是说阴极节段56。在相应的区段70安放到运输装置62上的第一带形分离器18上之前，经分开的区段70在从动轮92的圆周面94上固定在真空区域86内。

从动轮92设置有驱动器90，该驱动器包括编码器和驱动控制机构，使得所述从动轮92在其旋转期间被交替地加速和减速，因而在区段70存放到运输装置62的上侧上的第一带形分离器18上时产生了限定的缺口148（参见图8）。

之后进行第二带形分离器19的给料72。这个第二带形分离器被转运到运输装置62上，因而第一带形分离器18和规则地间隔的分开的区段70被第二带形分离器19覆盖。

紧接着在转交区域74内进行第一带形分离器18、布置在其上的彼此间隔的区段70以及第二带形分离器19到线性的输送系统76的转运。线性的输送系统76包括例如能用负压加载的各个滑座，其中，由图2可知，为线性的输送系统76在其底侧上配设各个分散的堆垛装置78。

在经过转交区域74之后，优选对转交给线性的输送系统76的、由第一带形分离器18、第一电极的区段70和第二带形分离器19构成的三层的装置进行切割80。这种三层构造的堆垛在侧向通过抓取装置或真空固定在线性输送系统76的各个彼此分开的、能用真空加载的工作台或滑座上。

由图2可知，为线性的输送系统76配设另一个从动轮92。这个从动轮用用于第二电极即阳极的第二带形材料82加载，该第二带形材料优选通过激光器96进行切割84。阳极的与用于第二电极的第二带形材料82分开的区段70，在真空区域86内固定在从动轮92上并且施加到从线性的输送系统76的各个工作台起运输的、由第一带形分离器18、阴极节段56的区段70和第二带形分离器19构成的装置上。

所获得的、例如由线性的输送系统76的抓具固定的、现在是四层的堆垛，在线性的输送系统76的出口区域中倒置地翻转了180°并且存放在各个堆垛装置78中。

为完整起见，要提到的是，布置在线性的输送系统76上方的从动轮92，同样具有真空区域86和吹出区域88。附图标记84指的是优选借助激光器96切割用于第二电极的第二带形材料82。作为优选涉及短脉冲固体激光器的激光器96的备选，也可以使用刀状的切割装置，以便将各个区段70在此处与用于第二电极、这就是说阴极的第二带形材料82分开。

根据图3的示图可知从动轮92的视图。由图3可知，激光器96布置在从动轮92的圆周面94上方。激光束的撞击线用附图标记98标注。用附图标记100表示激光束，该激光束根据图3中的示图成直角地撞击到从动轮92的圆周面94上。圆周面94由各个圆周节段104形成。形成了从动轮92的圆周面94的圆周节段104通过切割间隙128彼此分开。各个圆周节段104可以例如设置有穿孔。各个圆周节段104的内部空间能通过通道102要么与真空源要么与吹风源连接，真空源或吹风源与角度相关地交替地加载真空区域86或吹出区域88，尤其参见根据图2的示图。

用位置106标注第一圈弧形布置的肾状结构，真空源通过所述肾状结构经由通道102作用到例如设置有穿孔的圆周节段104上。附图标记108同样标注的是钻孔或肾形的开口的弧形装置，通过所述钻孔或肾形的开口，通道102在其产生吹风的角位置中（参见根据图2的吹出区域88）用吹风源进行加载，因而各个借助激光器96分开的区段70在相应的转交部位110处（参见图4）从从动轮92的圆周面94移除。

根据图4的示图可知按本发明所建议的设备的从动轮92的立体的俯视图。

由图4可知，从动轮92由驱动器90驱动，驱动器包括编码器和驱动控制机构。从动轮92或其圆周面94由多个圆周节段104组成。区段70处在这些圆周节段104的其中一个圆周节段上。这个区段通过负压加载固定在其中一个圆周节段104的弯曲的节段面上。由图4可知，用于区段70的转交部位110处在“6点钟”位置，而激光束100则基本上在“12点钟”的位置撞击从动轮92的圆周面94。由驱动器90驱动的从动轮92被这样设计，使得当存放与用于第一电极的第一带形材料66或与用于第二电极的第二带形材料82分开的区段70时，始终这样来对从动轮92加速116或减速，使得在将分别分开的区段70输出给运输装置62时在各个分开的区段70之间分别产生了缺口148（参见图8）。

图5示出了从动轮的旋转的阶段以及从动轮的加速116或减速，在所述阶段内可以进行激光切割。

由根据图5的示图可知，从动轮92借助编码器和驱动控制机构被这样驱动，使得在通过激光器96在从动轮92的“12点钟”位置中实施激光切割时存在从动轮92的恒定的转动速度。在这种情况下，激光器96在相应地沿X、Y和Z方向追踪激光束100的焦点时实施激光切割。另一方面，从动轮92通过驱动器90的编码器或驱动控制机构在转交部位110处被这样控制，使得从圆周节段104这样输出区段70，使得这些区段在保持限定的缺口148的情况下能在第一带形分离器18上以限定的缺口148（参见图8）在各个区段70之间存放。在根据图5的示图中，用附图标记116标注从动轮92的加速阶段，而从动轮92用旋转速度旋转的区域则用附图标记114标注。进行切割的切割区域用附图标记112标注。

圆周节段104由节段面126形成。

图6示出了圆周节段104的弯曲的节段面120。

由根据图6的示图可知，在此处未详细示出的圆周节段的弯曲的节段面120上容纳有电极材料122。在电极材料122中记录了区段70连同接触条的形状124。

由根据图6的示图可知，三维地追踪激光器96的激光束。

图7示出了在切割间隙128的区域中的吸除装置130的示意图。

由图7可知，限定了在彼此邻接的圆周节段136、138之间的切割间隙128。在图7中仅示意性示出的两个圆周节段136或138分别具有弯曲的节段面120。由图7可知，激光器96的激光束100以不同的入射角132或134进入切割间隙128中。在根据图7的示图中，参照切割间隙128示出了第一入射角132和第二入射角134。

根据图7中的示图基本上沿水平方向参照从动轮92的轴线对在激光切割时产生的颗粒进行吸除。

图8示出了用于切割带形材料66、82的激光器96的示意图，该激光器配设给所述从动轮92。

图8中的VII指的是根据图7的示图。

由根据图8的示图可知，激光器96基本上沿竖直的取向参照从动轮92的圆周面94布置。在切割区域内进行区段70要么与用于第一电极（这就是说阴极节段56）的第一带形材料66要么与用于第二电极（这就是说阳极）的第二带形材料82的分开。

两种材料均被作为线圈储备140容纳。在切割80、84时，产生了已经提到的用于第一电极或第二电极的区段70，紧接着在各个区段70之间在构造限定的缺口148的情况下存放所述区段。

本发明并不局限于在此所说明的实施例和实施例中强调的方面。更确切地说，在由权利要求说明的范围内能实现多种本领域技术人员熟练掌握的修改方案。

Claims (11)

1.用于从带形材料（66、82）分开区段（70）的设备，所述带形材料作为线圈储备（140）存在，其特征在于，从动轮（92）沿圆周方向被划分成各个圆周节段（104、136、138），所述圆周节段要么用负压加载，要么用吹风加载，其中，为所述从动轮（92）的圆周面（94）配设激光器（96），该激光器将所述带形材料（66、82）的固定在其中一个圆周节段（104、136、138）上的区段（70）从该带形材料分开，其中，所述从动轮（92）借助驱动器（90）受驱动，所述驱动器包括编码器和驱动控制机构，所述驱动控制机构这样加速和制动所述从动轮（92），使得在将所述区段（70）输出给运输装置（62）时在区段（70）之间产生了限定的缺口（148）。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，各个圆周节段（104、136、138）分别具有弯曲的节段面（120），该弯曲的节段面设计成透气的。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，真空区域（86）在约270°的圆周面（94）上延伸并且吹出区域（88）在所述从动轮（92）的约90°的圆周面（94）上延伸，在所述真空区域内用负压加载所述圆周节段（104、136、138）。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，转交部位（110）处在所述吹出区域（88）内部，在该转交部位上所述区段（70）由所述圆周节段（104、136、138）转交给运输装置（62）。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述激光器（96）是短脉冲固体激光器。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，为在所述圆周节段（136、138）之间的切割间隙（128）配设吸除装置（130），该吸除装置吸除在所述切割间隙（128）中的和所述切割间隙（128）上方的颗粒并且配设给所述从动轮（92）的端侧。

7.用于从带形材料（66、82）分开区段（70）的方法，所述带形材料作为线圈储备（140）存在，该方法用根据权利要求1至6中任一项所述的设备进行，带有下列方法步骤：

a）将带形材料（66、82）固定在由圆周节段（104、136、138）构成的圆周面（94）上，该圆周节段在真空区域或负压区域（86）中具有弯曲的节段面（120），

b）执行连续的激光切割以从带形材料（66、82）分开区段（70），其中，在弯曲的、限定地运动的节段面（120）的第一接近恒定的转动速度下伴随几乎恒定的局部的进给执行笔直的切割，

c）其中，根据方法步骤b）沿X、Y和Z方向执行对所述激光器（96）的焦点的追踪，

d）其中，在方法步骤c）期间，对在切割间隙（128）中和上方和/或下方的颗粒进行吸除，并且

e）在区段（70）之间构造缺口（148）的情况下，将分别固定在圆周节段（104、136、138）上的分开的区段（70）在吹出区域（88）内在转交部位（110）上转交给运输装置（62）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过多边形扫描仪和/或振镜扫描仪的组合来进行对所述激光器（96）的激光束（100）的追踪。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，根据方法步骤e），在所述区段（70）之间的缺口（148）通过所述从动轮（92）的加速（116）和减速而产生。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述弯曲的节段面（120）是要么用负压要么用吹风加载的圆周节段（104、136、138）的节段面。

11.将根据权利要求1至6中任一项所述的设备用于制造电动车辆（EV）、混动车辆（HEV）、插电式混动车辆（PHEV）或消费电子产品中的堆垛式电池单元（2）的应用。

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