CN116918089A - 用于制造电极的压延设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机械压实电极、特别是扁平式电极的压延设备，所述设备具有：压实装置、导向辊，其中，所述导向辊配置成用于在压延设备运行时将电极供应给压实装置，其中，所述导向辊在其滚动面上局部具有第一区域和第二区域，第一和第二区域具有不同的热导率。

Description

用于制造电极的压延设备

技术领域

本发明涉及一种用于制造用于电池单体、特别用于锂离子电池单体的电极的压延设备。

背景技术

电极、特别是具有机械压实的活性材料的电极例如用在用于电动车辆的电池单体中。

在制造电极的框架内，所谓的压延机是已知的。在此，电极具有导电的载体基材(通常由金属制成)以及施加在其上的活性材料，该活性材料在电极在电流元件中的使用方面是电化学相关的，将所述电极在其制造期间暴露于高的机械载荷，以实现高的质量密度、特别是在活性材料中实现高的质量密度。在此，将电极引导穿过两个辊之间，这两个辊对电极施加机械压力，使得电极在引导穿过时经历压实并且从而增加电极的质量密度。电极的较高的质量密度通常能实现在其中使用了所述电极的电池单体的较高的能量密度。

由于在压实过程中对电极的高的机械压力，在电极之内经常产生机械应力，这些机械应力可能导致电极变形。这在进一步的加工过程中、例如在进一步压缩时或在电极后续卷绕在卷上时是不利的。特别是电极的变形的区域会对该进一步的制造过程产生负面影响或者甚至使其不可能。

此外，由于这种变形，在电极基材的未涂层的区域上可靠地施加额外的安全涂层可能变得更加困难或者甚至不可能。

发明内容

本发明的目的是，提供一种改进的压延设备，利用该压延设备可以在压延时抵抗要制造的电极的变形。

这个问题的解决根据独立权利要求的教导来完成。本发明的不同的实施方式和进一步改进方案是从属权利要求的技术方案。

本发明涉及一种用于机械压实电极、特别是扁平式电极的压延设备，所述设备具有：

——压实装置，

——带有滚动面的导向辊，其中，所述导向辊配置成用于在压延设备运行时将电极供应给压实装置，

——其中，所述导向辊在其滚动面上局部具有第一区域和第二区域，第一和第二区域具有不同的热导率。

在本发明的意义上，术语“滚动面”特别是应理解成可构造成柱体或旋转圆柱体的辊的周面，该周面可在辊绕转动轴线滚动一周之后展开。

通过电极的机械压实，在电极之内产生机械应力。电极中的这些应力亦或应力残余主要在其粘合剂结构中产生。这些机械应力的不受控制的释放会导致所谓的回弹效应，在所述回弹效应中电极膨胀并且结果比立即在机械压实之后具有更大的厚度。因此，它有助于避免变形、受控制地释放应力或根本不让应力出现。特别是在高温下，应力可以比在低温下更快地释放。在本发明的意义上高温特别是100℃至160℃、优选为120℃至150℃的温度。因此，有利的是，将电极在加热的状态下供应给压实装置，这尤其可以通过预先加热来实现。在压缩之前供应热能具有的优点是：在机械压实期间在电极之内产生较小的应力。因此，有利的是，在供应的热能的损失尽可能低的情况下将电极供应给压实装置。根据本发明，这通过以下方式实现，即，设备的设置用于将电极供应给压实装置的导向辊在其滚动面上局部地具有第一区域和第二区域，其中，第一和第二区域具有不同的热导率，使得在通过具有较低的热导率的区域输送电极期间至少减小热能从电极到导向辊上或者说经由导向辊的损失。

下面描述本方法的优选实施方式，这些实施方式可以分别任意地相互组合以及与本发明的进一步描述的其他方面组合或者说用作后者的相应实施方式，只要这没有被明确排除或在技术上不可行。

根据一些实施方式，所述导向辊在第一区域上具有至少一个绝热的凹部，该凹部关于导向辊的轴线从滚动面沿径向向内延伸。轴线可以是辊可围绕其转动的轴线。凹部起绝热作用，因为其容积具有环境气体、通常空气，该环境气体的导热性典型地差于构造导向辊所用的材料、例如金属。因此，有利地实现：当电极与导向辊机械接触时，已被供应热能的电极仅将该热能的一小部分输出到导向辊上。

根据一些实施方式，所述至少一个凹部具有凹槽形状、锥形状、半球形状或金字塔形状。除了绝热作用之外，这些形状的凹部还导致：可能积聚在电极表面上并且可能在通过导向辊输送电极期间脱落并落入凹部中的污染颗粒从凹部脱落并又作为干扰部位附着在电极上的概率小。

根据一些实施方式，导向辊具有多个凹部，其中至少两个凹部彼此间具有不同的形状。由此可以在导向辊的滚动面的不同区域中实现不同的绝热程度，这特别是对于具有活性材料的不均匀的电极涂层可以是有利的，以便实现优化地适配于活性材料的相应特性。

根据一些实施方式，导向辊在其滚动面上具有不导电的材料。当应借助感应给导向辊供应热能时，这是有利的。当导向辊具有不导电的材料时，可以避免在电极和导向辊之间的使电极朝向导向辊或远离导向辊运动的电磁力作用。

根据一些实施方式，所述不导电的材料包括陶瓷和/或塑料。陶瓷具有的优点是，它由于其晶体结构而具有机械刚度，并且因此能实现精确地引导电极。塑料可以实施成刚硬的亦或柔性的，并且能容易且低成本地制造。也可想到，导向辊由陶瓷和塑料之一制成，并且凹部用相应另一种材料加强。

根据一些实施方式，导向辊具有至少一个设置在所述至少一个凹部中的绝缘元件。由此，当电极与导向辊机械接触时，实现导向辊相对于电极的额外的绝热作用。

附图说明

本发明的进一步的优点、特征和应用可行性从以下结合附图的详细说明中获得。

图中：

图1a和1b示意性示出一种具有用于加工电极的附加的去应力组件的配置系统。

图2示意性示出去应力模块的实施方案。

图3示意性示出具有不同涂层厚度的区域的电极。

图4示意性示出一种具有一个第二压实单元的配置系统。

图5示意性示出基于通过所述配置系统的加工的电极厚度变化。

图6a-d示意性示出当存在不均匀的涂层时借助导向辊进行热处理的方法步骤。

图7示意性示出具有凹部的导向辊和电极。

图8示意性示出在导向辊中的凹部的不同几何。

具体实施方式

在图中，对于本发明的相同或相互对应的元件，连贯地使用相同的附图标记。

图1a和1b示意性地示出一种用于加工电极150的压实设备100。压实设备100具有一个退绕辊130、一个去应力模块210、一个第一压实单元110和一个卷绕辊140。第一压实单元110以及还有第二压实单元120(见图4)各具有一个辊对(此处未示出)，其中，具有圆柱形形状的辊的主轴线基本上彼此平行地延伸。辊对分别相对彼此带有间距地设置，该间距小于被供应的电极的厚度，并且对应于电极应通过由相应辊对压实而获得的厚度。

电极150设置在退绕辊130上，从该退绕辊相应地退绕电极150并将该电极供应给去应力模块210。在去应力模块210中，通过设置在那里的热能量源250给电极供应热能。通过该热能应避免：由于在压实单元110中的压实而产生机械应力。此后，将电极150供应给第一压实单元110，在该第一压实单元中对该电极进行压缩。在第一压实单元110之后，将电极150卷绕在卷绕辊140上。

根据图1b，去应力模块210与图1a相反地不是设置在第一压实单元110上游、而是设置在该压实单元下游并且在卷绕辊140上游。由此实现：由于在压实单元110中压实而在电极150中已产生的压实重新消退。其他部件与图1a中所示相同地设置。

图2示意性示出去应力模块210的三种可能的实施方案，它们被称为去应力模块-一210a、去应力模块-二210b和去应力模块-三210c。所描述的去应力模块210a、210b、210c分别具有两个或更多个导向辊130，电极150由这些导向辊输送。在此，导向辊130也可以设计成转向辊，使得电极150在其输送期间以一定的角度偏离其原始的运动方向。通过经由附加的路程输送电极150，延长了电极150对于在去应力模块之内的路程所需的时间段。在此时间段中，热能由热能量源250供应给电极150。就此而言，通过延长路程而延长了给电极150供应热能的时间段。如上所述，由此根据地点设置预防了在电极150之内的应力产生，或已经存在的应力重新消退。热能量源250例如是红外线灯加热器或感应装置。热能的温度在100℃至160℃之间。在120℃至150℃之间的、特别是150℃的温度已被证明是有利的。可以根据电极150的材料组成和所使用的热能量源来优化温度。

根据去应力模块-一210a，借助间隔开设置的两个导向辊130输送电极150。导向辊130分别与运动方向错开地设置，使得电极150从其原始方向偏转。由此，一方面延长了电极150的路程。另一方面，经由这两个导向辊130的偏转角度可以控制电极150供应给去应力模块-一210a所沿的角度和电极150从去应力模块-一210a中被导出并且例如供应给压实单元110、120所沿的角度。

根据去应力模块-二210b，经由七个分别间隔开设置的导向辊130输送电极150。在此，在去应力模块-二210b中使电极150在输入侧由一个导向辊130以基本上具有90度的角度偏转。然后，使电极150由三个彼此接续的导向辊分别偏转180度。随后是另一个导向辊130，该另一个导向辊使电极150再次偏转90度，使得电极150再次到达其原始方向。也可设想，通过进一步的180度偏转额外延长路程。根据电极150应沿其重新到达的原始方向是在随后的导向辊130上方、还是下方输送，可以调整180度偏转的数量。

根据去应力模块-三210a，借助分别间隔开设置的11个导向辊130输送电极150。这些导向辊130设置在一条弯曲的多次改变其方向的轨迹上。

图3示意性示出具有不同涂层厚度的区域的电极。电极150具有设置在第一电极涂层160和第二电极涂层180之间的电极箔170。电极涂层160、180是导电的。此外，电极被划分为五个区域，这五个区域分别设置在所示的区域边界x1-x6之间。据此，区域1设置在区域边界x1和x2之间，区域2设置在区域边界x2和x3之间，区域3设置在区域边界x3和x4之间，区域4设置在区域边界x4和x5之间，并且区域5设置在区域边界x5和x6之间。

在区域1中，第一电极涂层160和第二电极涂层180在整个区域上具有相同的恒定的厚度。

在区域2中，第一电极涂层160在整个区域上具有与区域1的涂层厚度相同的恒定的厚度。第二电极涂层180在远离区域1的方向上具有减小的厚度。

在区域3中，第一电极涂层160在远离区域2的方向上具有减小的厚度，并且第二电极涂层180同样如此。第一电涂层160和第二电极涂层180的厚度以及还有厚度的减小是不同的。第二电极涂层180的厚度减小直到零，从而在与区域4的边界处薄膜在一侧未涂层。

在区域4中，箔的一侧未涂层，而第二电极涂层180在另一侧在该区域上减小直到至少接近于零并且位于与区域5的边界处的值。

在区域5中，电极150的箔170是完全未涂层的。

在电极150的区域2至5中，薄膜在这些区域中至少在其一侧以较小的厚度涂层或未涂层，在压缩时可能产生不平坦。这些不平坦可能阻碍电极150的无摩擦的输送。因此，特别是给上述区域供应热能以避免不平坦是有利的。相应地在至少在一侧以较小的厚度涂层的箔子区域190中用热能量源给箔170供应热能。

图4示意性示出一种具有第一压实单元110、第二压实单元120以及去应力模块210的压实设备100，该去应力模块关于电极150的输送设置在第一压实单元110和第二压实单元120之间，使得电极150在第一压实单元110下游并且在第二压实单元120上游通过去应力模块210。去应力模块210具有热能量源250。此外，压实设备100具有导向辊130，该导向辊将电极150供应给第一压实单元110。在第一压实单元110中，将电极压缩到第一厚度。由此，在电极150中出现机械应力。在去应力模块250中通过由热能量源250供应热能消退这些应力。随后，将电极150供应给第二压实单元120，在该第二压实单元中将电极150压缩到小于第一厚度的第二厚度。通过先前的热能供应避免：在第一压缩之后以及也在第二压缩之后不受控制地消退机械应力，并且电极150重新膨胀。

图5示意性示出基于通过根据图4的压实设备100的加工的电极150的厚度变化。电极150具有设置在第一电极涂层160和第二电极涂层180之间的电极箔170。通过第一压实单元110，将电极150从向第一压实单元110供应电极150所具有的原始厚度d1压缩到第一厚度d2。此后，电极150通过去应力模块210，在该去应力模块中将热能通过热能量源250供应给电极150。由此消退在电极150之内的应力。然而，应力可能没有完全消退，并且由于所描述的回弹效应，电极的厚度从第一厚度d2增加到中间厚度d12，但该中间厚度小于电极的原始厚度d1。将电极150以中间厚度d12供应给第二压实单元120并压缩到第二厚度d3。电极150的厚度现在保持恒定在第二厚度d3，该第二厚度对应于目标厚度ds，由于在去应力模块210中消退的应力。

图6a-d示意性示出当存在不均匀的涂层时用于借助导向辊进行热处理的方法步骤。

在图6a中示出了电极150，该电极具有仅在一侧涂覆有第一电极涂层160的电极箔和未涂层的区域165。在压实期间、例如在第一压实单元110中压实期间，仅电极150的被涂层的区域被压缩并且相应地沿电极150的纵轴线拉伸。由于电极150的单侧机械载荷，可能导致电极150的变形。这可导致电极150朝向电极150的未涂层的那侧弯曲，该弯曲可导致在弯曲的区域内的高度差h。

在图6b中示意性示出了电极150，在该电极中示出未涂层的区域165。给未涂层的区域165供应热能，以减弱弯曲。热能可以例如通过感应来供应给未涂层的区域165。

在图6c中示出了电极150，借助感应已给该电极供应了额外的热能。已被供应热能的区域已变形。该变形一方面是由于受热的区域165膨胀，并且另一方面是由于通过感应引起的电磁力的作用。

在图6d中示出了导向辊130，电极150经由该导向辊被引导，并且在此期间给电极150供应热能。为了使未涂层的区域165不由于热量差而变形，必需给未涂层的区域165均匀地供应热能，使得未涂层的区域165在其整个面上具有恒定的温度。对此必需的是：在热能源和未涂层的区域165之间的距离在供应热能期间保持恒定。这要求：导向辊130在供应热能期间离电极150具有恒定的距离。这可以例如通过如下方式实现，即，在电极150和导向辊130之间不存在电磁力交互作用，该电磁力交互作用特别是可当借助感应给电极供应热能并且导向辊具有铁磁材料时出现。如果导向辊具有不导电的材料、例如塑料，则可以避免该电磁力交互作用，并且在导向辊130和电极150之间的距离可保持恒定。

图7示意性示出导向辊130和电极150。所述导向辊还具有带有接触面135的滚动面和凹部260。凹部260关于导向辊的轴线从滚动面沿径向向内延伸。电极150具有电极箔170，该电极箔设置在第一电极涂层160和第二电极涂层180之间。电极涂层160、180是导电的。有利的是，在压缩之前已给电极150供应热能，并且电极150在压缩时具有预定的温度。由此，在压缩期间在电极150之内产生较少的机械应力。在通过导向辊130输送电极150时，通过在电极150和导向辊130之间的机械接触，热能可从电极150传递到导向辊130上。凹部260在此起绝热作用，使得至少减少向导向辊130的热传递。给电极150供应热能可以通过电感应进行(此处未示出)。如果在辊上滚动期间借助电感应给电极150供应热能并且导向辊130或其表面是导电的，则力从电极150作用到辊上。为了防止这一点，有利的是，导向辊由不导电的材料制成。不导电的或者说绝缘的材料例如可以是塑料或陶瓷。

图8示意性示出导向辊130中的凹部260的不同几何，这些凹部从滚动面向内延伸。

在a)中示出了具有矩形横截面的凹部260。凹部260可以具有凹槽、柱体亦或长方体的形状。

在b)中示出了具有三角形横截面的凹部260。凹部260可以具有凹槽或锥的形状。

在c)中示出了具有半圆形横截面的凹部260。凹部260可以具有凹槽或半球的形状。

在d)中示出了具有梯形横截面的凹部。该凹部可以具有凹槽或金字塔的形状、特别是平截金字塔的形状。

本发明适合于制造用于电池单体的电极、特别是用于机动车电池的电池单体的电极。

附图标记列表

100 压实设备

110 第一压实单元

120 第二压实单元

130 导向辊

135 接触面

140 卷绕辊

150 电极

160 第一电极涂层

165 未涂层的区域

170 电极箔

180 第二电极涂层

190 箔子区域

d1、d2、d12、d3、ds 电极厚度

x1、x2、x3、x4、x5、x6 区域边界

210 去应力模块

210a 去应力模块-一

210b 去应力模块-二

210c 去应力模块-三

250 热能量源

260 凹部

Claims (7)

1.用于机械压实电极(150)、特别是扁平式电极的压延设备(100)，所述设备具有

压实装置(110、120)、

导向辊(130)，其中，所述导向辊(130)配置成用于在压延设备运行时将电极(150)供应给压实装置(110、120)，

其中，所述导向辊(130)在其滚动面上局部具有第一区域(260)和第二区域(135)，第一和第二区域(135、260)具有不同的热导率。

2.根据权利要求1所述的压延设备(100)，其中，所述导向辊(130)在第一区域上具有至少一个绝热的凹部(260)，该凹部关于导向辊(130)的轴线从滚动面沿径向向内延伸。

3.根据前述权利要求之一所述的压延设备(100)，其中，所述至少一个凹部(260)具有凹槽形状、锥形状、半球形状或金字塔形状。

4.根据权利要求2或3所述的压延设备(100)，其中，所述导向辊(130)具有多个凹部(260)，其中至少两个凹部(260)彼此间具有不同的形状。

5.根据前述权利要求之一所述的压延设备(100)，其中，所述导向辊(130)在其滚动面上具有不导电的材料。

6.根据权利要求5所述的压延设备(100)，其中，所述不导电的材料包括陶瓷和/或塑料。

7.根据前述权利要求之一所述的压延设备(100)，其中，所述导向辊(130)具有至少一个设置在所述至少一个凹部(260)中的绝缘元件。