DE102010055611A1

DE102010055611A1 - Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels aus Kathode, Anode und Separator

Info

Publication number: DE102010055611A1
Application number: DE102010055611A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Phil. Eng. Bidian Peter; 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 (9) für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Eine der Komponenten (4,5,9) wird als bandförmiges Endlosmaterial (11) verwendet, welches alternierend gefaltet wird. In die bei der Faltung des bandförmigen Endlosmaterials entstehenden Taschen (12) werden die beiden anderen Komponenten (4,5) abwechselnd eingelegt. Das Endlosmaterial (11) wird dabei auf die Abmessungen des fertigen Elektrodenstapels alternierend vorgefaltet, wonach die sukzessive Ablage des Materials von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe erfolgt. Während dieser Ablage werden die anderen Komponenten (4,5) alternierend von der einen und von der anderen Seite in die Taschen (12) 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.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Endlosmaterial auf die Abmessungen des fertigen Stapels alternierend vorgefaltet. Danach erfolgt die sukzessive Ablage des Materials von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe, sodass die Faltungen des Materials bei dieser Ablage geöffnet werden und die bei der alternierenden Faltung entstandenen Taschen sich abwechselnd auf der einen und der anderen Seite öffnen. In diese Taschen werden dann seitlich die anderen Komponenten alternierend eingelegt. Das Ergebnis ist ein Elektrodenstapel, vorzugsweise aus einem Z-förmig gefalteten Separator und in den Taschen liegenden Anoden- und Kathoden. Dieser ist sehr einfach und schnell zu fertigen, da eine seitliche Ablage sehr viel einfacher als eine Ablage über Greifen und Ablegen realisiert werden kann, beispielsweise über ein Rechenregal mit entsprechenden Abstreifern oder dergleichen. Außerdem kann der auf die fertige Größe des späteren Elektrodenstapels vorgefaltete Separator eventuelle Unregelmäßigkeiten in der Ablage der Anode und der Kathode ausgleichen, da dieser die Anode und die Kathode seitlich ohnehin um einen gewissen Rand überlappt, um Kurzschlüsse zwischen Anode und Kathode zu vermeiden. Durch das Verfahren lässt sich also einfach und effizient ein Zellstapel für eine Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Lithium-Polymer-Batterie, herstellen.
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. 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 das Einlegen der Kathode in den vorgefalteten Separator;
3 das Vorbereiten des Einlegens der Anoden in den vorgefalteten Separator; und
4 das Einlegen der Anode in den vorgefalteten Separator.
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 9 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 6 versehenen Bereich zu einzelnen Anoden ausgeschnitten. Die Anoden 4 werden nach dem Ausschneiden im Bereich des Endes der drei Fertigungslinien 1, 2, 3 über eine Fördereinrichtung 7, vorzugsweise ein Förderband 7 in Richtung der Herstellungslinie 2 transportiert. Vergleichbares gilt für die Herstellungslinie 3, in deren Bereich analog hierzu die Kathoden 5 gefertigt werden. Sie werden in dem mit 8 bezeichneten Bereich ausgeschnitten und dann ebenfalls über eine Fördereinrichtung 7 weitertransportiert. In der mittleren der drei parallelen Herstellungslinien 1, 2, 3, also in der mit 2 bezeichneten Herstellungslinie, wird ein Separatormaterial 9 als Endlosmaterial gefertigt. Am Ende der Herstellungslinie 2 wird dieses in einem mit 10 bezeichneten als Box dargestellten Bereich auf die spätere Größe des Elektrodenstapels, also dessen Abmessung in der Länge und Breite alternierend gefaltet. Es entsteht ein Z-förmig gefalteter Streifen 11 des Separatormaterials, welcher in der Darstellung der 2 näher zu erkennen ist. Dem vorgefalteten Separator 11 werden nun alternierend von der einen und der anderen Seite die Anoden 4 und die Kathoden 5 zugeführt. Dies kann insbesondere durch die Förderbänder 7 unmittelbar vom Schneidprozess aus erfolgen.
In der Darstellung der 2 ist zu erkennen, wie ein Teil des vorgefalteten Separators 11 von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe abgelegt wird. Dabei öffnet sich eine zwischen einem ersten Abschnitt 11.1 und einem zweiten Abschnitt 11.2 befindliche durch das Vorfalten entstandene Tasche 12. In diese Tasche 12 wird seitlich die Kathode 5 eingefügt, insbesondere direkt mit dem Förderband 7 von dem im Bereich 8 stattfindenden Schneidprozess. Ein hier nicht dargestellter Tisch, auf welchem der vorgefaltete Separator 11 abgelegt wird, wird dann abgesenkt und der auf dem Teilabschnitt 11.2 folgende Teilabschnitt 11.3 gibt eine weitere Tasche 12 auf der anderen Seite des vorgefalteten Separators 11 frei. In diese Tasche 12 wird dann, wie es in der Darstellung der 3 zu erkennen ist, die Anode 4 eingelegt. Dieser Prozess wird, wie in 4 ersichtlich, so lange wiederholt, bis der gesamte Elektrodenstapel fertig gestapelt ist. Hierfür sollte der hier nicht dargestellte Tisch eine Höhenverstellung aufweisen, um die Tasche 12 jeweils immer auf derselben Höhe bereitzustellen, sodass die Zuführung von Kathode 5 und Anode 4 über die Förderbänder 7 einfach und effizient realisiert werden kann.
Bei der Herstellung der Elektroden 4, 5 kann es dabei vorgesehen sein, dass diese entsprechende Anschlusselemente in Form von seitlich über die Elektrode 4, 5 hinausstehenden Anschlussfahnen aufweisen. Diese können beim Stapeln so positioniert werden, dass jeweils die Anschlussfahnen für die Anode 4 an dem einen Ende einer Seitenkante des fertigen Elektrodenstapels und die Anschlusselemente für die Kathode 5 am anderen Ende dieser Seite des Elektrodenstapels zu liegen kommen. Die Kontaktierung kann dann in an sich bekannter Art und Weise, wie auch beim Stapeln von vereinzelten Teilelementen, einfach und effizient erfolgen. Der Elektrodenstapel wird dann beispielsweise in ein Gehäuse oder einen Folienbeutel eingebracht, mit Elektrolyt getränkt und gegenüber der Umgebung abgedichtet. All dies ist beim herkömmlichen Fertigungsverfahren ebenso gegeben, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels aus Kathode (5), Anode (4) und Separator (9) für eine Batterie, wobei eine der Komponenten (4, 5, 9) als bandförmiges Endlosmaterial (11) vorliegt, welches alternierend gefaltet wird, und bei welchem die beiden anderen Komponenten (4, 5) in die bei der Faltung entstehenden Taschen (12) eingelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosmaterial (11) auf die Abmessungen des fertigen Elektrodenstapels vorgefaltet wird, wonach sukzessive die Ablage des Materials von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe erfolgt, wobei während der Ablage die anderen Komponenten (4, 5) alternierend von der einen oder der anderen Seite in die Taschen (12) eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Komponenten (4, 5) jeweils in ihre Form geschnitten werden, und vom Schneidprozess (6, 8) über eine Fördereinrichtung (7) zu den Taschen (12) gefördert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördereinrichtung ein Förderband (7) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgefaltete Endlosmaterial (11) auf einem höhenverstellbaren Tisch bevorratet und/oder abgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgefaltete Endlosmaterial (11) auf einem seitlich wenigstens in eine Richtung verstellbaren Tisch bevorratet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (9) als Endlosmaterial (11) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der drei Komponenten (4, 5, 9) 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 (9) in der mittleren Herstellungslinie (2) als Endlosmaterial (11) hergestellt wird, und die beiden anderen Komponenten (4, 5) am Ende ihrer Herstellungslinie (1, 3) den Taschen (12) des vorgefalteten Separators (11) seitlich zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Herstellung eines Elektrodenstapels einer Batterie in Lithium-Ionen-Technologie.