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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels aus einer Mehrzahl alternierend angeordneter Elektroden nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines solchen Elektrodenstapels nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Aus der Batterietechnik sind so genannte Stapelzellen allgemein bekannt. Sie umfassen einen Stapel aus einer Mehrzahl von Anoden und Kathoden, die in der Regel als dünne Folien ausgebildet sind und durch Zwischenlagen aus einem Separatormaterial voneinander getrennt sind. Der gesamte Elektrodenstapel wird in einem Zellengehäuse aufgenommen, welches eine Elektrolytflüssigkeit oder ein Elektrolytgel aufnimmt, um so die elektrochemische Zeile zu vervollständigen.
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Üblicherweise werden zum Herstellen solcher Elektrodenstapel die Anodenelemente, Kathodenelemente und die Separatoren als zugeschnittene Teile bereitgestellt, mit Sauggreifern ergriffen und alternierend übereinandergestapelt. Hierbei ergibt sich ein Handhabungsproblem insbesondere beim Platzieren des Separators. Für den Separator wird nämlich üblicherweise ein Kunststoffvlies verwendet, welches mit einem Keramikmaterial imprägniert und luftdurchlässig ist. Das Greifen des Separators mit Sauggreifern ist daher nicht prozesssicher durchzuführen. Da das Separatormaterial zudem hygroskopisch ist, muss es in sehr trockenem Zustand verarbeitet werden. Schrumpfung und Ausdehnung des Separators infolge von wechselndem Feuchtigkeitsgehalt hat ebenfalls Einfluss auf die Prozesssicherheit der Fertigung.
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Zur verbesserten Handhabung des Separators ist aus der
DE 10 2010 055 611.4 bekannt, lediglich Anodenelemente als vorgeschnittene Blätter vorzulegen und den Separator stattdessen als vorgefaltetes Endlosband bereitzustellen. Hierdurch kann auf die Verwendung von Sauggreifern zur Handhabung des Separators verzichtet werden, die hygroskopische Natur des Materials führt jedoch noch immer zu Problemen mit der Maßgenauigkeit aufgrund von Schrumpfung bzw. Ausdehnung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6 bereitzustellen, welche eine besonders prozesssichere und maßhaltige Fertigung von Stapelzellen erlauben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenstapels wird zwischen einer Mehrzahl alternierend angeordneter Anodenelemente und Kathodenelemente jeweils ein Separatorelement angeordnet, welches als bandförmiges Endlosmaterial bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass jeweils nach Ablegen eines Anodenelements bzw. Kathodenelements auf dem Elektrodenstapel eine Zwischenlage des Separatorelements appliziert wird, wobei das Separatorelement beim Applizieren mäanderförmig abgelegt wird. Das Separatorelement wird als ungefaltetes Endlosmaterial zugeführt und wird erst nach der Ablage auf dem Elektrodenstapel gefaltet. Die Faltung des Separatorelements ergibt sich durch die aufeinandergestapelten Lagen des Separatormaterials sowie durch eine Niederhaltefunktion, die durch die mittels Greifern zugeführten Anoden- und Kathodenelemente auf die bereits vorhandenen Lagen ausgeübt wird und diese auf dem Stapel fixiert, Mit anderen Worten wird das Separatorelement im Unterschied zum Stand der Technik nicht als vorgefaltetes Endlosmaterial bereitgestellt oder an einem Haltefinger gefaltet, sondern wird erst durch das Aufbringen und Fixieren weiterer Lagen von Separatormaterial auf den bereits bestehenden Stapel schrittweise gefaltet. Dies behebt die Probleme mit der Maßhaltigkeit, die sich bei vorgefaltetem Material aufgrund von Schrumpfung oder Ausdehnung des Separators ergeben können, da der Separator erst im Moment der Applikation maßgenau gefaltet wird. Zudem können translatorisch sehr große Richtungsänderungen (bzw. schnelle Umkehrungen der Ablagerichtung) durchgeführt werden ohne dass das Separatormaterial gedehnt wird. Auf diese Weise können Elektrodenstapel für elektrochemische Stapelzellen besonders einfach und prozesssicher hergestellt werden.
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Vorzugsweise wird hierbei zum Applizieren des Separatorelements ein um eine Achse rotierbar bewegliches Schwingelement verwendet. Dieses bewegt sich zum Applizieren des Separators über die Oberfläche des bestehenden Stapels hinweg, faltet dabei das Separatorelement an der Kante um und sorgt gleichzeitig für ein planes Aufliegen des Separators. Mit einer mechanisch besonders einfachen Lösung kann so eine besonders sichere Prozessführung gewährleistet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Elektrodenstapel nach Applizieren des Separatorelements mittels wenigstens eines Halteelements in Stapelrichtung fixiert. Hierdurch wird ein späteres Verschieben des Stapels, welches die gewünschte Maßhaltigkeit beeinträchtigen konnte, vermieden.
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In weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Anodenelemente und Kathodenelemente linear zu an zwei gegenüberlegenden Seiten des Elektrodenstapels angeordneten Vorabladepositionen zugeführt, dann in einer definierten Relativlage zum Elektrodenstapel vorpositioniert und mittels Sauggreifern auf den Stapel abgelegt. Die lineare Zuführung ermöglicht eine Vorpositionierung der Anodenelemente und Kathodenelemente mit besonders hoher Genauigkeit, sodass diese nurmehr definiert gegriffen und abgelegt werden müssen, um die gewünschte Maßhaltigkeit zu erzielen. Das Problem der Positioniergenauigkeit der Anodenelemente und Kathodenelemente wird somit aus der eigentlichen Stapeleinheit herausgenommen und in den Bereich der Vorpositionierung verlagert. Die genaue Positionierung kann dabei bereits in einer Konfektionieranlage geschehen, in welcher die Anodenelemente und Kathodenelemente zugeschnitten und auf Transporttellern platziert werden. Durch die lineare Zuführung wird dabei ein versehentliches Verschieben der Elemente auf der Transporteinrichtung vermieden. Zweckmäßigerweise können die Sauggreifer zum Aufnehmen und Ablegen der Anodenelemente und Kathodenelemente mit entsprechenden Aussparungen versehen sein, die ein Eingreifen der Halteelemente ermöglichen, sodass der Elektrodenstapel nach Auflegen eines neuen Anodenelements bzw. Kathodenelements sofort wieder fixiert werden kann. Auch dies erhöht die Fertigungsgenauigkeit.
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Es ist ferner zweckmäßig, im Bereich der Vorablagepositionen noch Reinigungseinheiten, beispielsweise in Form von Bürsten oder dergleichen vorzusehen, mittels welcher die Anodenelemente bzw. Kathodenelemente unmittelbar vor der Stapelung gereinigt werden können, um Verunreinigungen des Stapels zuverlässig vermeiden zu können.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Elektrodenstapel auf einem Hubtisch angeordnet, welcher nach Ablegen eines Anodenelements, Kathodenelements oder Separatorelements um einen Höhenbetrag abgesenkt wird, welcher der Dicke des abgelegten Elements entspricht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Positionierung der einzelnen Anodenelemente, Kathodenelemente oder des Separatorelements immer an exakt derselben Position in allen drei Raumdimensionen erfolgt, sodass die einmal kalibrierte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders maßgenau arbeitet.
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Auf dem Hubtisch kann dabei zweckmäßigerweise eine Werkstückträgerkassette aus einer Grundplatte und einem Deckel vorgesehen sein. Zu Beginn der Stapelung wird die Grundplatte auf den Hubtisch aufgelegt, anschließend die Elektroden nach der beschriebenen Art gestapelt und zum Abschluss der Deckel zum Vervollständigen des Gesamtpaketes aufgelegt. Grundplatte und Deckel können dann über Federn gegeneinander fixiert werden, sodass der Elektrodenstapel zuverlässig gehalten wird und problemlos weitertransportiert und weiterverarbeitet werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Herstellen eines Elektrodenstapels aus einer Mehrzahl alternierend angeordneter Anodenelemente und Kathodenelemente zwischen welchen jeweils ein Separatorelement angeordnet ist, welches als bandförmiges Endlosmaterial bereitstellbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Vorrichtung ein Applikationselement zum Applizieren des Separatorelements auf den Elektrodenstapel umfasst, mittels welchem das Separatorelement beim Applizieren mäanderförmig abgelegt wird. Die beschriebene Vorrichtung eignet sich somit zur Verarbeitung von nicht vorgefaltetem Separatormaterial, sodass eventuelle Verformungen aufgrund der hygroskopischen Natur des Separators bei der Applikation keine Rolle spielen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit eine besonders maßhaltige Fertigung von Elektrodenstapeln erzielt werden, da die Faltung des Separators erst unmittelbar bei dessen Applikation stattfindet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Applikationselement als um eine Achse rotierbar bewegliches Schwingelement ausgebildet. Dies ist eine mechanisch besonders einfach ausführbare Implementierung des Applikationselementes, welche daher besonders präzise auszuführen und wartungsarm ist. Durch die einfache Mechanik kann somit auf häufige Nachkalibrierungen des Applikationselementes verzichtet werden, sodass die Vorrichtung besonders prozesssicher und gleichzeitig günstig in ihrem Betrieb ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Halteelement vorgesehen, mittels welchem der Elektrodenstapel in Stapelrichtung fixierbar ist. Mittels des Halteelementes kann ein ungewolltes Verrutschen der bereits aufgelegten Elektrodenelemente vermieden werden, sodass die Maßhaltigkeit gewährleistet bleibt und Ausschuss vermieden wird.
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Vorzugsweise sind für die Anodenelemente und Kathodenelemente jeweilige lineare Zuführeinrichtungen vorgesehen, mittels welcher die genannten Elemente linear zu an zwei gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenstapels angeordneten Vorablagepositionen zuführbar und in einer definierten Relativlage zum Elektrodenstapel vorpositionierbar sind. Die Vorrichtung umfasst ferner zweckmäßigerweise wenigstens einen Sauggreifer zum Greifen der Anodenelemente bzw. Kathodenelemente aus der Vorablageposition, mittels welchem die genannten Elemente auf dem Stapel ablegbar sind. Die Vorpositionierung der Kathodenelemente und Anodenelemente in den Vorablagepositionen kann dabei bereits bei deren Konfektionierung in einer separaten Konfektioniervorrichtung erfolgen. Durch die exakte Positionierung der Elektrodenelemente in den Vorablagepositionen braucht bei der Ablage der Elemente auf dem Stapel durch den Sauggreifer kein Toleranzausgleich mehr stattfinden. Der Sauggreifer kann vielmehr in seiner Bewegung einen fest definierten Raumpfad zwischen seiner Aufnahme- und Ablageposition abfahren, was mechanisch ebenfalls besonders einfach zu realisieren ist, sodass auch dieser Teil der Vorrichtung besonders wartungsarm ist und bei hoher Genauigkeit arbeitet.
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Die Vorrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen Hubtisch, auf welchem der Elektrodenstapel ablegbar ist und welcher in Stapelrichtung bewegbar ist. Durch eine Bewegung des Elektrodenstapels in Stapelrichtung mittels des Hubtisches kann sichergestellt werden, dass zum Ablegen eines Anodenelements, Kathodenelements oder des Separators immer exakt die gleiche Raumposition angefahren werden kann, sodass keine Ausgleichsbewegung der Sauggreifer oder des Applikationselements aufgrund der steigenden Stapelhöhe im Zuge der Fertigung eines einzelnen Stapel notwendig ist. Auch dies ermöglicht die Verwendung einer mechanisch besonders einfach gestalteten Vorrichtung.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2–5 eine perspektivische Detailansicht des Stapelablagebereichs der Vorrichtung gemäß 1 während der Durchführung von vier sequentiell aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung zum Herstellen von Elektrodenstapeln für elektrochemische Zellen umfasst einen Arbeitstisch 12, auf dem der Elektrodenstapel aufgebaut ist. Der Arbeitstisch 12 ist gegenüber einem Gestell 14 über Hubstangen 16 in Hochrichtung verschiebbar.
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In einer ersten Vorablageposition 18 werden vorgeschnittene Anodenfolien bereitgestellt, die mittels einer Fördereinrichtung von einer nicht-gezeigten Konfektioniereinrichtung herantransportiert werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Arbeitstisches 12 ist eine zweite Vorablageposition 20 vorgesehen, auf welcher Kathodenfolien in gleicher Weise bereitgestellt werden. Die Anodenfolien und Kathodenfolien können über entsprechende Sauggreifer 22, 24 aus den Vorablagepositionen 18, 20 zum Arbeitstisch 12 transportiert werden.
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Die Sauggreifer 22, 24 sind dabei in linearen Transportschienen 26 verschiebbar aufgenommen. Zur Herstellung eines Elektrodenstapels werden alternierend Anodenfolien und Kathodenfolien auf dem Arbeitstisch 12 abgelegt. Nach dem Ablegen einer jeweiligen Elektrode wird eine Zwischenschicht aus einem Separatormaterial 28 auf den Elektrodenstapel aufgebracht. Das Separatormaterial 28 wird auf einer Spule 30 als Endlosband vorgehalten und über Umlenkrollen 32, die an einem Gestell 34 gelagert sind, zu einer um eine Achse 38 rotierbaren Schwinge 36 gefördert. Jeweils abgelegte Folien werden über Niederhalter 40 auf dem Stapel fixiert.
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Die Abfolge der Verfahrensschritte zur Herstellung eines Elektrodenstapels ist in den 2–5 veranschaulicht. Zu Beginn des Fertigungsprozesses wird eine Kassette 42 mit einem Deckel 43 auf den Tisch 12 abgelegt und dort fixiert. Der Deckel 43 wird entfernt, sodass der Elektrodenstapel in der Folge auf der Kassette 42 aufgebaut werden kann. Zunächst wird nun mittels der Schwinge 36 eine erste Lage des senkrecht von oben zugeführten Separatormaterials 28 auf der Kassette 42 abgelegt. Die Schwinge 36 bewegt sich dabei auf die linke Seite der Kassette bis der Endanschlag der Rotation um die Achse 38 erreicht ist. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt.
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Mittels des Sauggreifers 24 wird ein exakt vorpositioniertes Kathodenelement ergriffen, woraufhin sich der Sauggreifer 24 in der Führung 26 über die Kassette 42 bewegt und das Kathodenelement dort auf dem Stapel abgelegt. Zwischenzeitlich kann mittels einer Transportvorrichtung ein neues Kathodenblatt auf der Vorablageposition 20 bereitgestellt werden. Durch die exakte Vorpositionierung der Kathodenelemente und Anodenelemente in den jeweiligen Vorablagepositionen 18, 20 kann auch eine exakte Positionskontrolle beim Transport der jeweiligen Elektrodenelemente von den Vorablagepositionen 18, 20 in die Kassette 42 verzichtet werden, die Sauggreifer 22, 24 brauchen sich lediglich zwischen den Endanschlagspositionen der jeweiligen Führungen 26 bewegen.
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Nach Ablegen des Kathodenelements auf dem Stapel verbleibt der Sauggreifer 24 zunächst in Position. Die Schwinge 36 bewegt sich nun nach rechts über den Sauggreifer 24 hinweg, wobei der Separator 28 um die Kante 44 des Sauggreifers 24 gefaltet wird. Hierdurch wird eine exakte Faltung des Separatormaterials 28 an der Kante des Elektrodenstapels erreicht. Sobald sich die Schwinge 36 über die Kante 44 weg bewegt hat, schließt sich das Fixierelement 40, wobei es in entsprechende Aussparungen 46 des Sauggreifers 24 eingreift. Das abgelegte Kathodenelement und das darüber gespannte Separatormaterial 28 sind nun fest bezüglich der Kassette 42 fixiert.
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Der Sauggreifer 24 kann nun zurückfahren und der Vorablageposition 20 ein weiteres Kathodenelement aufnehmen. Auch die Schwinge 36 kann sich zum rechten Anschlag der Achse 38 bewegen, sodass der Stapel wieder freigegeben wird. Der Prozess wiederholt sich nun für ein Anodenelement, welches mittels des Sauggreifers 22 aus dessen Vorablageposition 18 aufgenommen und auf dem Stapel abgelegt wird. Dieses Stadium des Verfahrens ist in 5 gezeigt. Die Schwinge 36 befindet sich während des Ablegens des Anodenelements auf der rechten Seite des Stapels. Sobald das Anodenelement durch den Sauggreifer 22 freigegeben ist, bewegt sich nun die Schwinge 36 in seine Führung 38 nach links, wobei eine Faltung des Separatormaterials 28 an der Kante 44 des Sauggreifers 22 erzielt wird. Ist dieser Schritt abgeschlossen, so fahren die Sauggreifer 22 in ihren jeweiligen Führungen 26 vollständig nach links, sodass die Kassette 42 wieder freigegeben wird und der Arbeitszyklus von neuem beginnen kann.
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Nach jedem Ablegen eines Anodenelements oder Kathodenelements bzw. nach dem Ablegen einer Lage des Separatormaterials 28 wird die Kassette 42 dabei mittels der Hubelemente 16 um einen Höhenbetrag abgesenkt, der der Dicke des aufgelegten Materials entspricht, sodass die Ablage neuer Elemente jeweils in gleicher Höhe erfolgen kann.
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Durch die exakte Vorpositionierung der Anodenelemente und Kathodenelemente in den Vorablagepositionen 18, 20 sowie durch die Fixierung des Stapels zwischen den Arbeitsschritten mithilfe der Fixierelemente 40 und durch die exakte Faltung des Separatormaterials 28 an den Kanten 44 der Sauggreifer 22, 24 wird eine äußerst positionsgenaue Fertigung des Elektrodenstapels erzielt, ohne dass die Sauggreifer 22, 24 oder die Schwinge 36 hierzu besonders anzupassenden Raumkurven folgen müssen. Alle genannten Elemente bewegen sich vielmehr in simplen linearen Führungen, sodass kaum Wartungsarbeiten bezüglich der Justierung der Bewegung der einzelnen Bauteile notwendig werden.
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Nach Beendigung des Stapelvorgangs wird der Deckel 43 wieder auf die Kassette 42 aufgelegt und über Federn mit dieser verspannt, sodass der gefertigte Stapel in Position bleibt. Die Kassette 42 kann nun vom Tisch 12 entnommen und weitertransportiert werden.
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Insgesamt ergibt sich somit ein besonders kostengünstig und prozesssicher durchzuführendes Verfahren zum Fertigen von besonders maßhaltigen elektrochemischen Stapelzellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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