DE102010055608A1

DE102010055608A1 - Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels aus Kathode, Anode und Separator

Info

Publication number: DE102010055608A1
Application number: DE102010055608A
Authority: DE
Inventors: Peter Bidian; Dipl.-Ing. Steinmetz Heiko; Dipl.-Ing. Pfister Uwe
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Ein Verfahren dient zur Herstellung eines Elektrodenstapels aus Kathode (5), Anode (4) und Separator (6) für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Eine der Komponenten (4, 5, 6) wird als bandförmiges Endlosmaterial (6) verwendet, welches alternierend gefaltet wird. In die bei der Faltung des bandförmigen Endlosmaterials (6) entstehenden Taschen (15) werden die beiden anderen Komponenten (5, 7) abwechselnd eingelegt. Das Endlosmaterial (6) wird parallel zwischen zwei parallel zueinander angeordnete Bereiche (11, 12) eingebracht. Die Bereiche (11, 12) weisen mehrere parallel zueinander angeordnete Stäbe (13, 14) auf, welche sich parallel zur Breite des Endlosmaterials (6) erstrecken. Die Stäbe (13, 14) der beiden Bereiche (11, 12) werden zuerst aufeinander zu und dann zwischeneinander hindurch bewegt, wodurch das Endlosmaterial (6) alternierend gefaltet wird. Die anderen Komponenten (4, 5) werden alternierend von der einen und der anderen Seite in die dabei entstehenden Taschen (15) eingelegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels aus Anode, Kathode und Separator für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, die einzelnen Schichten zur Herstellung eines Elektrodenstapels einer Batterie, welcher typischerweise aus Anode, Kathode und einem dazwischen angeordneten Separator in mehrfach hintereinander folgender Abfolge besteht, durch das Stapeln von einzelnen Elementen herzustellen. Kathode, Anode und Separator werden dabei in einem Herstellungsprozess unabhängig voneinander hergestellt und auf eine vorbestimmte Größe geschnitten. Diese geschnittenen Einzelelemente werden dann gegriffen und geschichtet. Dieses auch als Pick und Place bezeichnete Stapelverfahren wird häufig durch Roboter ausgeführt, welche die einzelnen Elemente typischerweise über Vakuumsauger greifen und positionsgenau aufeinanderstapeln. Aufgrund der erforderlichen Greifbewegungen ist dabei die zu erzielende Taktzeit trotz immer höher werdender Geschwindigkeiten der Roboter letzen Endes begrenzt. Eine Erhöhung derselben kann lediglich durch zusätzliche Anlagentechnik beziehungsweise parallele Fertigungslinien erreicht werden, dies erfordert jedoch typischerweise sehr hohe Investitionen.
Ein weiteres Problem dieser Technologie besteht darin, dass insbesondere die Separatorschicht bei der Herstellung eines Elektrodenstapels, für eine Batterie oft sehr schwer über die bevorzugt eingesetzten Vakuumgreifer zu greifen ist, da diese eine vergleichsweise hohe Porosität aufweist. Dies führt zu entsprechenden Einschränkungen im Herstellungsprozess und kann letztlich auch dazu führen, dass es zu Fehlern kommt, wenn einzelne Elemente des Separators nicht ausreichend gut an den Vakuumsaugern anhaften. Sie können dann verloren oder falsch positioniert werden, wodurch ein entsprechender Ausschuss entsteht.
Aus der US 6,287,721 B1 ist es bekannt, den Aufbau eines Elektrodenstapels so zu realisieren, dass eine der Elektroden, beispielsweise die Anode, als Endlosmaterial vorliegt und mit dem Separator beschichtet wird. Auf dieses Sandwichtmaterial wird dann die andere Elektrode aufgebracht und das Material wird in eine Z-Form gefaltet. Die gefalteten Elemente liegen dann aufeinander und können so die Batterie ausbilden. Die Problematik bei diesem Herstellungsverfahren besteht darin, dass die Anode zwar als durchlaufendes Material konzipiert und produziert wird, dass jedoch die einzelnen Elemente der Anode keinen direkten Kontakt zueinander aufweisen dürfen. Sie müssen daher entsprechend getrennt werden, was wiederum sehr komplex und aufwändig ist.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der JP 2003-297430 A bekannt. Hierbei werden die Elektroden in Lithium-Ionen-Technologie getrennt voneinander hergestellt und in Form geschnitten. Sie gelangen dann in die Taschen eines Z-förmig alternierend gefalteten Separators und werden mit diesem zu dem Elektrodenstapel komplettiert. Die Anmeldung schweigt sich dabei weitgehend über die eingesetzte Fertigungstechnik aus, sodass dieser Schrift zwar ein gefalteter Separator mit in Taschen eingelegten Elektroden zu entnehmen ist, jedoch keine tiefer gehenden Rückschlüsse über das Herstellungsverfahren zu erfahren sind.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung liegt nun darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batterie anzugeben, wobei eine der Komponenten als bandförmiges Endlosmaterial vorliegt, welches alternierend gefaltet wird und bei welchem die beiden anderen Komponenten in die bei der Faltung entstehenden Taschen eingelegt werden, und welches die oben genannten Nachteile vermeidet und eine einfache, schnelle und prozesssichere Möglichkeit zur Fertigung des Elektrodenstapels angibt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine sehr effiziente und zuverlässige Serienfertigung, welche anders als beim Schneiden, Vereinzeln und Ablegen einen kontinuierlichen Herstellungsprozess ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt wieder einen der Komponenten, vorzugsweise den Separator, als Endlosmaterial. Dieses Endlosmaterial wird dann parallel zwischen zwei parallel zueinander angeordnete Bereiche eingeführt. In diesen Bereichen sind jeweils mehrere parallel zueinander angeordnete Stäbe eingebracht, welche sich parallel zur Breite des Endlosmaterials erstrecken. Nachdem das Endlosmaterial zwischen diese beiden Bereiche eingebracht ist, werden die Stäbe der beiden Bereiche aufeinander zu und die Stäbe des einen Bereichs zwischen den Stäben des anderen Bereichs hindurchbewegt. Das Endlosmaterial wird dabei alternierend gefaltet und nimmt einen Z-förmigen beziehungsweise sägezahnförmigen Verlauf an. Dabei entstehen zwischen den einzelnen in jeweils die eine und die andere Richtung laufenden Bereichen entsprechende Taschen. In diese Taschen werden dann die anderen Komponenten alternierend von der einen oder anderen Seite eingelegt. Die Stäbe können dann seitlich also in ihrer Längsrichtung herausgezogen werden und es entsteht sehr einfach und effizient der fertige Elektrodenstapel aus Kathoden, Anoden und Separator. Dieser kann dann in herkömmlicher Art und Weise weiterverarbeitet werden, beispielsweise in ein Gehäuse oder einen Beutel eingelegt und mit Elektrolyt getränkt werden.
Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Elektroden kann, wie auch im Stand der Technik, dadurch erreicht werden, dass die Elektroden einzelne Kontaktierungsbereiche aufweisen, welche seitlich über die Fläche der Elektrode hinausstehen. Wenn die Elektroden des einen Pols seitlich in der einen Richtung und die Elektroden des anderen Pols seitlich in der anderen Richtung oder auf einer Seite des Elektrodenstapels an dem einen Ende oder dem anderen Ende über den Elektrodenstapel hinausstehen, dann ist die Kontaktierung in an sich bekannter Art und Weise einfach und effizient möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei das Einsparen der Stapelung mindestens einer Einzelkomponente und erlaubt sehr hohe Einlegegeschwindigkeiten, welche typischerweise kleiner als eine Sekunde sind. Damit lassen sich Elektrodenstapel in einer sehr kurzen Taktzeit von beispielsweise ca. 30 Sekunden realisieren.
Außerdem wird die physikalische Trennung der Einzelschichten verbessert, da eine der Schichten entsprechend umläuft und durch die Ausbildung der Taschen eine fehlerhafte Kontaktierung der Elektroden untereinander vermieden werden kann. Letztlich lässt sich auch eine verbesserte Materialeffizienz erzielen, da zumindest bei der als Endlosmaterial genutzten Komponente kein Abfall beim Schneiden derselben anfällt.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die anderen Komponenten über ein Rechenmagazin in die Taschen eingelegt werden. In einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass mehrere, vorzugsweise alle der Komponenten für einen Elektrodenstapel über das wenigstens eine Rechenmagazin beziehungsweise ein Rechenmagazin für die Kathoden und ein Rechenmagazin für die Anoden eingelegt werden. Dies erlaubt eine noch kürzere Taktzeit, da mit einem oder sehr wenigen Einlegevorgängen der Elektrodenstapel insgesamt komplettiert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren das Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 drei parallele Herstellungslinien zur kontinuierlichen Fertigung der Komponenten eines Elektrodenstapels;
2 den Separator zwischen zwei Bereichen mit Spannrollen;
3 den Separator im gespannten/gefalteten Zustand; und
4 das Einlegen von Elektroden über zwei Rechenmagazine.
In der Darstellung der 1 sind drei parallele Herstellungslinien 1, 2, 3 prinzipmäßig angedeutet. Sie dienen jeweils zur kontinuierlichen Fertigung von Elektroden 4, 5 und einer Separatorfolie 6 zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Lithium-Ionen-Batterie. In der mit 1 bezeichneten Fertigungslinie wird dabei die Anode 4 als die eine der Elektroden hergestellt und in dem mit dem Bezugszeichen 7 versehenen Bereich zu einzelnen Anoden 4 ausgeschnitten. Die mit dem Bezugszeichen 4 versehenen Anoden nach dem Ausschneiden werden in einer Bevorratungseinrichtung 8, in Form eines Rechenmagazins, im Bereich des Endes der drei Fertigungslinien 1, 2, 3 zwischengelagert. Vergleichbares gilt für die Herstellungslinie 3, in deren Bereich analog hierzu die Kathoden 5 gefertigt werden. Sie werden in dem mit 9 bezeichneten Bereich ausgeschnitten und dann ebenfalls in einem Rechenmagazin 8 zwischengelagert. In der mittleren der drei parallelen Herstellungslinien 1, 2, 3, also in der mit 2 bezeichneten Herstellungslinie, wird das Separatormaterial 6 als Endlosmaterial gefertigt. Am Ende der Herstellungslinie 2 wird dieses in einem mit 10 bezeichneten – als Box dargestellten – Bereich um 90° verdreht, sodass er mit seiner Breite auf der einen Fläche in Richtung der ersten Herstellungslinie 1 und mit der gegenüberliegenden Fläche in Richtung der dritten Herstellungslinie 3 zeigt. Der Separator 6 ist dabei, wie in 2 zu erkennen, zwischen zwei Bereiche 11, 12 eingebracht, welche parallel zu der Bahn des Separators 6 angeordnet sind. Die beiden Bereiche weisen jeweils mehrere parallel zueinander angeordnete Rollen 13, 14 auf, welche in der 2 jeweils im Querschnitt zu erkennen sind. Jeder der Bereiche 11, 12 weist die Rollen 13, 14 jeweils im selben Abstand parallel zueinander auf. Die Rollen 13 des ersten Bereichs 11 sind gegenüber den Rollen 14 des zweiten Bereichs 12 so versetzt angeordnet, dass diese in idealer Weise jeweils denselben Abstand in der Höhe, also in Richtung der Separatorbahn 6 untereinander aufweisen. Die Rollen 13, 14, welche insbesondere auch als Stäbe ausgeführt sein könnten, haben durch die Ausgestaltung als Rollen den grundsätzlichen Vorteil, dass sie am Material des Separators 6 entlang gleiten, wenn sie diesen spannen beziehungsweise dieses verformen. Dadurch ist es möglich, die Reibung und die Gefahr einer eventuellen Beschädigung des Separators 6 deutlich zu reduzieren.
In der Darstellung der 3 ist nun zu erkennen, wie die Rollen 13 des Bereichs 11 gegen die Rollen 14 des Bereichs 12 bewegt werden. Diese Bewegung geschieht zuerst aufeinander zu und dann werden die Rollen 13 des einen Bereichs 11 zwischen den Rollen 14 des anderen Bereichs 12 hindurchbewegt. Der in der Darstellung der 2 links angeordnete Bereich 11 wandert so nach rechts, während der in der Darstellung der 2 rechts angeordnete Bereich 12 in der Darstellung der 3 nach links gewandert ist. Das zwischen den Rollen 13, 14 befindliche Material des Separators 6 wird dadurch in einer Zick-Zack-Form beziehungsweise Z-Form gefaltet.
Dadurch entstehen zwischen den einzelnen Abschnitten des Separators 6 in der Darstellung der 3 einzelne Taschen 15. In der Darstellung der 4 ist nun zu erkennen, wie die im Rahmen ihrer Herstellung nach dem Schneiden in den Bereichen 7, 9 in den Rechenmagazinen 8 bevorrateten Kathoden 5 beziehungsweise Anoden 4 seitlich in diese Taschen 15 geschoben werden. Je nach Größe des Rechenmagazins 8 und des Aufbaus aus den beiden Bereichen 12, 13 können dabei mehrere Kathoden 5 und mehrere Anoden 4 gleichzeitig in die jeweiligen Taschen 15 in dem gefalteten Separator 6 eingelegt werden. Ein entsprechend großer Aufbau ermöglicht es daher mit einem einzigen Einlagevorgang über die Rechenmagazine 8 den gesamten Elektrodenstapel in einem Takt zu stapeln. Selbst bei einer Stapelung in mehreren Einzeltakten entsteht dennoch ein gravierender zeitlicher Vorteil gegenüber der eingangs beschriebenen Einzelablage der zuvor geschnittenen und separierten Einzelelemente.
Die Rechenmagazine 8 können dabei insbesondere so ausgebildet sein, dass sie die Kathoden 5 beziehungsweise Anoden 4 seitlich in die Taschen 15 einschieben und diese über geeignete (hier nicht dargestellte) Abstreifer in der richtigen Position aus dem Rechenmagazin 8 abstreifen und in der Tasche 15 auf dem jeweiligen Abschnitt des Separatormaterials 6 positionieren.
Der Aufbau ist dabei einfach und effizient und erzielt die eingangs geschilderten Vorteile.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6287721 B1 [0004]
JP 2003-297430 A [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels aus Kathode (5), Anode (4) und Separator (6) für eine Batterie, wobei eine der Komponenten (4, 5, 6) als bandförmiges Endlosmaterial (6) vorliegt, welches alternierend gefaltet wird, und bei welchem die beiden anderen Komponenten (4, 5) in die bei der Faltung entstehenden Taschen (15) eingelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosmaterial (6) parallel zwischen zwei parallel zueinander angeordnete Bereiche (11, 12) mit mehreren parallel zueinander angeordneten Stäben (13, 14), welche sich parallel zur Breite des Endlosmaterials (6) erstrecken, eingebracht wird, wonach die Stäbe (13, 14) der beiden Bereiche (11, 12) aufeinander zu und die Stäbe (14) des einen Bereichs (12) zwischen den Stäben (13) des anderen Bereichs (11) hindurchbewegt werden, und das Endlosmaterial (6) alternierend falten, wonach die anderen Komponenten (4, 5) alternierend von der einen und der anderen Seite in die dabei entstehenden Taschen (15) eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rollen (13, 14) als Stäbe genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der anderen Komponenten (4, 5) über ein Rechenmagazin (8) in die Taschen (15) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise alle, der anderen Komponenten (4, 5) für einen Elektrodenstapel über das wenigstens eine Rechenmagazin (8) gleichzeitig eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Komponenten (4, 5) in den Taschen (15) über in dem Rechenmagazin (8) angebrachte Abstreifer positioniert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (6) als Endlosmaterial genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der drei Komponenten (4, 5, 6) in drei parallel zueinander angeordneten Herstellungslinien (1, 2, 3) vorgenommen wird, wobei die Herstellungslinien (1, 2, 3) im selben Bereich enden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (6) in der mittleren Herstellungslinie (2) als Endlosmaterial hergestellt wird, und die beiden anderen Komponenten (4, 5) am Ende ihrer Herstellungslinie (1, 3) den Taschen (15) des zwischen den Stäben (13, 14) gefalteten Endlosmaterials sichtlich zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Herstellung eines Elektrodenstapels einer Batterie in Lithium-Ionen-Technologie.