DE102013201485A1

DE102013201485A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Elektrodenfaltstapeln

Info

Publication number: DE102013201485A1
Application number: DE102013201485.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Roscher; Lars Ebert; Hans Stein
Original assignee: ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-07-31
Also published as: WO2014117974A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erzeugen von Elektrodenfaltstapeln vorgeschlagen, wobei in einer ersten Richtung zueinander versetzte erste Faltmittel und zweite Faltmittel in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung aufeinander zu bewegt werden, wobei zwischen den ersten Faltmitteln und den zweiten Faltmitteln ein Faltelement in der ersten Richtung geführt wird, wobei die ersten Faltmittel und die zweiten Faltmittel in die erste Richtung bewegt werden, wobei die Abstände zwischen den ersten Faltmitteln und den zweiten Faltmitteln sowie die Abstände der ersten Faltmittel untereinander und der zweiten Faltmittel untereinander kontinuierlich reduziert werden, wobei das Faltelement zwischen den ersten Faltmitteln und den benachbarten zweiten Faltmitteln durch die Bewegungen der ersten Faltmittel und der zweiten Faltmittel zu einem Stapel gefaltet wird, wobei die Bewegung der ersten Faltmittel und der zweiten Faltmittel derart miteinander synchronisiert werden, dass eine Relativbewegung zwischen den ersten Faltmitteln und dem Faltelement an Kontaktpunkten zwischen den ersten Faltmitteln und dem Faltelement sowie eine Relativbewegung zwischen den zweiten Faltmitteln und dem Faltelement an Kontaktpunkten zwischen den zweiten Faltmitteln und dem Faltelement vermieden wird.

Description

Stand der Technik
Es ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, Elektrodenstapel als Energiespeicherzellen zur Speicherung elektrischer Energie zu verwenden. Solche Elektrodenstapel werden üblicherweise als Batterien oder Kondensatoren bezeichnet und bestehen aus einer Abfolge von durch Separatoren voneinander elektrisch isolierte Flächenanoden und Flächenkathoden. Um eine möglichst große Leistungsdichte zu erzielen, müssen die Anode, die Kathode und der Separator möglichst dünn ausgestaltet sein, um eine hohe Packungsdichte zu erzielen. Ferner sind Vorrichtungen bekannt, mit denen solche Elektrodenstapel durch Falten hergestellt werden. Dabei wird ein Separatorband durch Faltwalzen oder Faltkeile gefaltet und in jeweiligen Falten des gefalteten Separatorenbandes abwechselnd Anodenplatten und Kathodenplatten eingelegt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Faltstapeln, insbesondere Elektrodenfaltstapeln, bereitzustellen, wobei eine schnellere und kostengünstigere Produktion ermöglicht wird. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Elektrodenfaltstapel derart herzustellen, dass das gefaltete Band durch den Faltvorgang keine Beschädigungen erfährt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Faltstapeln, insbesondere Elektrodenfaltstapel für Energiespeicherzellen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Faltelement zwischen entlang einer ersten Richtung aufgereihten ersten Faltmitteln und entlang der ersten Richtung aufgereihten und zu den ersten Faltmitteln versetzt angeordneten zweiten Faltmitteln angeordnet wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die ersten und zweiten Faltmittel entlang einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung ineinander derart bewegt werden, dass das Faltelement zum Faltstapel gefaltet wird, wobei die Bewegungen der ersten und zweiten Faltmittel im zweiten Verfahrensschritt derart miteinander synchronisiert werden, dass während des zweiten Verfahrensschritts jeweils die Position eines ersten Kontaktbereichs zwischen einem ersten Faltmittel und dem Faltelement im Wesentlichen konstant relativ zum Faltelement bleibt und dass jeweils die Position eines zweiten Kontaktbereichs zwischen einem zweiten Faltmittel und dem Faltelement im Wesentlichen konstant relativ zum Faltelement bleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass einerseits eine kostengünstige und schnelle Herstellung des Elektrodenfaltstapels durch Falten des Faltelements mittels der ersten und zweiten Faltelemente erzielt wird und gleichzeitig eine Beschädigung des Faltelements während des Faltvorgangs vermieden wird, da die ersten und zweiten Faltmitteln beim Falten derart bewegt werden, dass in den jeweiligen Kontaktbereichen zwischen dem Faltelement und den ersten bzw. zweiten Faltmitteln keine Relativbewegung zwischen dem Faltelement und dem ersten bzw. zweiten Faltmitteln erfolgt. Im Vergleich zum Stand der Technik wird das Faltelement dabei Insbesondere nicht mehr über Kanten der Faltmittel gezogen. Die Gefahr einer Beschädigung des Faltelements aufgrund von Reibung zwischen dem bandartigen Faltelement und den jeweiligen Faltmitteln wird somit ausgeräumt. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der fertigen Energiespeicherzelle erhöht, da während Faltvorgangs erzeugte Beschädigungen insbesondere von Separatormaterial einen Kurzschluss in der späteren Energiespeicherzelle verursachen können, wodurch möglicherweise ein Brand oder eine Explosion der Energiespeicherzelle ausgelöst werden könnte. Außerdem wird somit eine einfachere Produktion von Elektrodenfaltstapeln ermöglicht, die höhere Taktzeiten ermöglicht, da bisher die Taktzeiten begrenzt werden mussten, um Beschädigungen zu minimieren. Unter einem Elektrodenfaltstapel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Stapel aus einem Separatormaterial und zwei Elektrodenmaterialien, die Anode und die Kathode, zu verstehen, wobei insbesondere immer mindestens ein Separator zwischen der Kathode und der Anode angeordnet sind. Vorzugsweise werden die Elektrodenfaltstapel für Energiespeicherzellen, insbesondere Batterien oder Kondensatoren, verwendet. Vorzugsweise ist das Faltelement ein Separatorband, wobei in die durch den Faltvorgang entstehenden Falten die Elektroden als Blattelemente eingelegt werden. Besonders bevorzugt ist das Faltelement ein kombiniertes Separator-Anoden-Separatorband, wobei in die durch den Faltvorgang entstehenden Falten die Kathoden als Blattelemente eingelegt werden, oder das Faltelement ist ein kombiniertes Separator-Kathoden-Separatorband, wobei dann die Anoden als Blattelemente eingelegt werden. Die erste Richtung ist beliebig im dreidimensionalen Raum wählbar, vorzugsweise ist die erste Richtung die Lotrichtung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird im zweiten Verfahrensschritt ein Faltstapel mit durch die ersten Faltmittel in den ersten Kontaktbereichen erzeugten ersten Knickstellen und mit durch die zweiten Faltmittel in den zweiten Kontaktbereichen erzeugten zweiten Knickstellen hergestellt, wobei während des zweiten Verfahrensschritts die ersten Faltmittel das Faltelement nur im Bereich der zu erzeugenden ersten Knickstellen und die zweiten Faltmittel das Faltelement nur im Bereich der zu erzeugenden zweiten Knickstellen berühren. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine besonders einfache Erzeugung eines Faltstapels ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden im zweiten Verfahrensschritt die ersten und zweiten Faltmittel sowohl entlang der zweiten Richtung ineinander, als auch jeweils entlang der ersten Richtung derart bewegt, dass das Faltelement zu einem Faltstapel gefaltet wird. Besonders bevorzugt werden im zweiten Verfahrensschritt die ersten und zweiten Faltmittel entlang der ersten Richtung derart bewegt, dass die Abstände zwischen den ersten Faltmitteln und den zweiten Faltmitteln entlang der ersten Richtung und/oder die Abstände der ersten Faltmittel untereinander und der zweiten Faltmittel untereinander jeweils entlang der ersten Richtung kontinuierlich reduziert werden. Ganz besonders bevorzugt werden die ersten und zweiten Faltmittel derart entlang der ersten Richtung bewegt, dass entlang der ersten Richtung die Abstände zwischen zwei benachbarten ersten Knickstellen reduziert werden und dass entlang der ersten Richtung die Abstände zwischen zwei benachbarten zweiten Knickstellen reduziert werden. Auf diese Weise bleiben die Positionen der ersten Kontaktbereiche, an denen die ersten Faltmittel das Faltelement berühren, und die Positionen der zweiten Kontaktbereiche, an denen die zweiten Faltmittel das Faltelement berühren, während des Verfahrens konstant, insbesondere ändern sich die Positionen der Kontaktbereiche zwischen den ersten und/oder zweiten Faltmitteln und dem Faltelement im zeitlichen Verlauf von einer ersten Kontaktaufnahme bis zu einer Kontaktaufhebung nicht. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise Beschädigungen, die durch den Reibschluss zwischen Faltelement und Faltmittel bedingt sind und insbesondere dann auftreten, wenn die Faltmittel sich an dem Faltelement entlang bewegen, also die Positionen der Kontaktbereiche zwischen Faltmitteln und Faltelement nicht gleich bleiben, vermieden. Somit wird in vorteilhafter Weise ein Faltstapel erzeugt, ohne dass an dem Faltelement Beschädigungen auftreten, die zu einer Gefährdung durch einen Kurzschluss führen können, insbesondere werden Beschädigungen des Separatormaterials im Bereich der ersten und/oder zweiten Knickstellen vermieden. Ferner ist es hierdurch in vorteilhafter Weise möglich, ein kontinuierliches, sicheres und schnelles Verfahren zum Erzeugen von Faltstapeln bereitzustellen.
Die Bewegung der ersten Faltmittel und der zweiten Faltmittel erfolgt vorzugsweise synchron, insbesondere also spiegelbildlich, abgesehen von einem Versatz in der ersten Richtung. Dies bedeutet, dass die zweiten Faltmittel im Wesentlichen die gleiche Bewegung wie die ersten Faltmittel ausführen, lediglich entlang der ersten Richtung gespiegelt und entlang der ersten Richtung versetzt. Besonders bevorzugt beträgt der Versatz in der ersten Richtung zwischen einem der ersten Faltmittel und einem der zweiten Faltmittel die Hälfte des Abstands zwischen den ersten Faltmitteln untereinander beziehungsweise den zweiten Faltmittel untereinander. Insbesondere sind die Abstände der zweiten Faltmittel untereinander gleich den Abständen der entsprechenden ersten Faltmittel untereinander. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein gleichmäßiges Verfahren ermöglicht, welches einen homogenen Faltstapel gewährleistet und einen besonders störungsfreien Ablauf des Verfahrens. Zudem können so die ersten Faltmittel und die zweiten Faltmittel baugleich produziert werden, was die nötigen Investitionskosten senkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bewegung der ersten Faltmittel und/oder der zweiten Faltmittel in der ersten und/oder zweiten Richtung zyklisch. Dies bedeutet, dass die ersten Faltmittel und/oder die zweiten Faltmittel nach Durchführung des Verfahrens wieder in die gleiche Position bewegt werden, die sie zu Beginn des Verfahrens innehatten und das Verfahren erneut ausgeführt werden kann. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, mit einer begrenzten Anzahl erster und/oder zweiter Faltmittel eine kontinuierliche Produktion durchzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem dritten Verfahrensschritt das Faltelement, wenn der Faltstapel eine vorbestimmte Höhe entlang der ersten Richtung und/oder eine bestimmte Anzahl von übereinander gefalteten Lagen des Faltelements erreicht hat, durchtrennt. Besonders bevorzugt erfolgt die Durchtrennung an der Oberkante des Stapels beziehungsweise in unmittelbarer Nähe der Oberkante des Stapels. Ganz besonders bevorzugt wird die Durchtrennung durch ein Schneideelement, insbesondere ein Messer oder ein Scherenelement durchgeführt. Denkbar ist auch eine Durchtrennung durch einen vorzugsweise erhitzten Schneidedraht und/oder durch einen Laserstrahl oder ein anderes geeignetes, dem Fachmann bekanntes Mittel wie beispielsweise eine Kombination der oben genannten Mittel. Noch mehr bevorzugt wird der fertige Faltstapel nach der Durchtrennung entfernt und insbesondere wird das Verfahren erneut durchgeführt. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, Elektrodenfaltstapel in vorbestimmten und insbesondere gleichen Größen beziehungsweise Höhen zu erzeugen. Außerdem werden hohe Taktzeiten ermöglicht, da die Elektrodenfaltstapel der vorbestimmten Größe beziehungsweise Höhe automatisiert entfernt werden, ohne dass es manueller und damit langsamerer und auch teurerer Maßnahmen bedarf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden während des zweiten Verfahrensschrittes Blattelemente in Falten des Faltelements eingefügt, wenn die ersten Faltmittel und die zweiten Faltmittel voneinander beabstandet sind, besonders bevorzugt wird in jede Falte wenigstens ein Blattelement eingelegt. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, ohne Zeitverlust während des erfindungsgemäßen Verfahrens Blattelemente einzubringen und so höhere Taktzeiten zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem nullten Verfahrensschritt das Faltelement in Form einer beidseitig mit einer dünnen Separatorschicht versehenen Flächenelektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise entsprechend dem Aufbau Separatorband-Anodenband-Separatorband oder Separatorband-Kathodenband-Separatorband, oder in Form eines flächig erstreckten Separators aus einem elektrisch isolierenden Material bereitgestellt. In dem Fall, dass das Faltelement im Wesentlichen aus einer Flächenelektrode besteht, ist diese an den zu erzeugenden ersten und zweiten Knickstellen durch ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere also das Separatormaterial, unterbrochen, um voneinander unabhängige Elektrodenfaltungen zu ermöglichen. Hierdurch ist es möglich, das Verfahren flexibel für verschiedene Arten von Faltelementen und Blattelementen einzusetzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden während des zweiten Verfahrensschritts in die Falten jeweils Blattelemente in Form von einzelnen Flächenelektroden aus einem elektrisch leitfähigen Material und/oder in Form von Separatoren aus einem elektrisch isolierenden Material eingelegt. Wie oben beschrieben erfolgt die Wahl des Materials der Blattelemente im Zusammenhang mit der Wahl des Faltelements. Besonders bevorzugt handelt es sich bei einem Blattelement um ein blattförmiges Anodenmaterial oder Kathodenmaterial. Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, verschieden konzipierte Faltstapel, insbesondere Elektrodenfaltstapel, zu erzeugen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Faltstapeln, insbesondere Elektrodenfaltstapeln für Energiespeicherzellen, wobei die Vorrichtung entlang einer ersten Richtung aufgereihte erste Faltmittel und entlang der ersten Richtung aufgereihte zweite Faltmittel aufweist, wobei die Vorrichtung zum Falten eines zwischen den ersten Faltmitteln und den zweiten Faltmitteln anordenbaren Faltelements zu einem Faltstapel vorgesehen ist, wobei die ersten und die zweiten Faltmittel entlang der ersten Richtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die ersten Faltmittel und die zweiten Faltmittel entlang einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung ineinander bewegbar sind, wobei die Vorrichtung ferner derart konfiguriert ist, dass die ersten und zweiten Faltmittel derart bewegbar sind, dass während des zweiten Verfahrensschritts jeweils die Position eines ersten Kontaktbereichs zwischen einem ersten Faltmittel und dem Faltelement im Wesentlichen konstant relativ zum Faltelement bleibt und dass jeweils die Position eines zweiten Kontaktbereichs zwischen einem zweiten Faltmittel und dem Faltelement im Wesentlichen konstant relativ zum Faltelement bleibt.
Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine kompakte Vorrichtung zum Erzeugen von Elektrodenfaltstapeln bereitzustellen, die hohe Taktzeiten und eine kostengünstige und flexible Produktion ermöglicht, wobei Beschädigungen des Faltelements und damit des Elektrodenfaltstapels während der Erzeugung der Elektrodenfaltstapel vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Transportmechanismus zum Bewegen der ersten und zweiten Faltmittel, wobei der Transportmechanismus zum Bewegen der ersten und zweiten Faltmittel derart ausgebildet ist, das die ersten Faltmittel das Faltelement nur im Bereich von zu erzeugenden ersten Knickstellen des Faltstapels und die zweiten Faltmittel das Faltelement nur im Bereich von zu erzeugenden zweiten Knickstellen des Faltstapels berühren. Insbesondere umfasst der Transportmechanismus erste und zweite Führungsmittel. Vorzugsweise werden die ersten Faltmittel und/oder die zweiten Faltmittel durch die ersten Führungsmittel in die erste Richtung beziehungsweise durch die zweiten Führungsmittel in die zweite Richtung bewegt. Besonders bevorzugt sind die ersten Führungsmittel mit den zweiten Führungsmitteln gekoppelt, insbesondere werden die zweiten Führungsmittel von den ersten Führungsmitteln in die erste Richtung bewegt. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei den ersten Führungsmitteln um Bänder und/oder Ketten, an denen die ersten Faltmittel beziehungsweise die zweiten Faltmittel befestigt sind. Noch mehr bevorzugt umfassen die zweiten Führungsmittel Exzenter, die eine regelmäßige und reversible Bewegung der ersten Faltmittel und/oder der zweiten Faltmittel in die zweite Richtung ermöglichen. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, bereits bekannte und bewährte Führungsmittel zu verwenden und so eine kostengünstige Vorrichtung bereitzustellen. Durch die Verwendung von an umlaufenden Bändern und/oder Ketten befestigten Exzentern wird zudem die Wartung vereinfacht, da Standardkomponenten verwendet werden können und im Störungsfall und/oder Wartungsfall auf die Führungsmittel beziehungsweise Faltmittel, die gerade das Verfahren durchgeführt haben, auf der dem Faltelement abgewandten Seite einfach zugegriffen werden kann. Denkbar ist auch, dass die ersten und/oder zweiten Führungsmittel als Bänder, insbesondere durch einen elektrischen oder hydraulischen oder sonstigen dem Fachmann bekannten Antrieb angetriebene Bänder, ausgestaltet sind, wobei die Bänder wiederum in Führungsschienen angeordnet sind, wodurch eine störungsfreie und gleichmäßige Bewegung mit wenigen Komponenten gewährleistet wird. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass ein Faltstapel ohne Beschädigungen von einer Vorrichtung hergestellt wird, wobei die Vorrichtung einfach und modular aufgebaut ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die ersten Faltmittel und/oder die zweiten Faltmittel Faltmesser. Besonders bevorzugt umfassen die ersten Faltmittel und/oder die zweiten Faltmittel Faltkanten. Ganz besonders bevorzugt umfassen die ersten Faltmittel und/oder die zweiten Faltmittel Faltwalzen. Insbesondere sind die ersten Faltmittel und/oder die zweiten Faltmittel austauschbar vorgesehen. Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine in besonderem Maße flexible Vorrichtung bereitzustellen, die eine einfache Wartung ermöglicht. Je nach verwendeten Materialien für die Blattelemente und/oder das Faltelement weisen unterschiedliche Faltmittel Vor- und/oder Nachteile auf, so dass es vorteilhaft ist, bestimmte Faltmittel zu benutzen. Somit ist es gemäß der obigen Ausführungsform in vorteilhafter Weise möglich, die gleiche Vorrichtung für eine effizientere und vielseitigere Produktion einzusetzen. Faltkanten sind besonders vorteilhaft, da diese einen geringen Raumbedarf aufweisen und somit eine besonders genaue Faltung des Faltelements ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung und insbesondere die ersten und/oder zweiten Faltmittel Haltemittel zum Aufnehmen eines Blattelements auf. Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung und insbesondere die ersten und/oder zweiten Faltmittel Haltemittel zum lösbaren Aufnehmen eines Blattelements, insbesondere eines Anodenblatts oder Kathodenblatts, auf. Ganz besonders bevorzugt umfassen die Haltemittel mechanische und/oder pneumatische Greifer, insbesondere durch Unterdruckgreifer wie beispielsweise Saugnäpfe. Noch mehr bevorzugt weisen die ersten und/oder zweiten Faltmittel mehr als ein Haltemittel auf. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, bereits während des Faltvorgangs die Anoden- und/oder Kathodenblätter in die Falten einzubringen, ohne dass ein separater Verfahrensschritt notwendig ist. Dies ermöglicht höhere Taktzeiten. Durch die Haltemittel wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass die Blattelemente erst zu einem möglichst späten Zeitpunkt in den Falten eingelegt werden und somit ein nachträgliches Verrutschen oder ein Herausfallen ausgeschlossen wird. Unterdruckgreifer sind besonders vorteilhaft, da im Gegensatz zu Greifern eine Gefahr der Beschädigung der Blattelemente weitestgehend ausgeschlossen ist und die Unterdruckgreifer zudem nur einen geringen Raumbedarf aufweisen. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Blattelemente somit zu einem möglichst späten Verfahrenszeitpunkt, wenn die einzelnen Falten bereits annähernd parallel zueinander sind, eingeführt werden um ein Verrutschen der Blattelemente relativ zu dem Faltelement zu verhindern. Vorzugsweise sind die Haltemittel in die ersten und/oder zweiten Faltmittel integriert, wodurch der benötigte Raumbedarf weiter reduziert und ein noch späteres Einlegen der Blattelemente ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung auch eine Aufnahmevorrichtung, wobei die Aufnahmevorrichtung den Faltstapel aufnimmt. Besonders bevorzugt wird die Aufnahmevorrichtung derart entlang der ersten Richtung bewegt, dass die Oberkante des Faltstapels auf einer konstanten Höhe bleibt. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass Beschädigungen des Faltstapels, beispielsweise durch einen Fall, oder ein Verrutschen der Blattelemente durch eine Schieflage des Faltstapels ausgeschlossen werden. Ganz besonders bevorzugt wird die Aufnahmevorrichtung nach dem Erreichen einer vorbestimmten Höhe des Stapels vorzugsweise entlang der zweiten Richtung bewegt um den Faltstapel an eine andere Vorrichtung zu übergeben. Denkbar ist auch, dass der Faltstapel in eine andere als die zweite Richtung bewegt wird, insbesondere in eine dritte Richtung, wobei die dritte Richtung zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung liegt. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass das Verfahren ohne Wartepausen erneut durchgeführt werden kann, was höhere Taktzeiten ermöglicht. Insbesondere ist die Aufnahmevorrichtung mit einem Fließband kombiniert oder an ein Fließband angeschlossen, wodurch mit bewährten und kostengünstigen Mitteln ein Weitertransport des Elektrodenfaltstapels und ein kontinuierliches Verfahren möglich ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Faltstapels, hergestellt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Erste Faltmittel 1 sind parallel zu einer ersten Richtung 100 bewegbar angeordnet. Zweite Faltmittel 2 sind relativ zu den ersten Faltmitteln 1 in der ersten Richtung 100 versetzt angeordnet und ebenfalls parallel zu der ersten Richtung 100 bewegbar. Die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 sind auch entlang einer zu der ersten Richtung 100 senkrechten zweiten Richtung 101 bewegbar, insbesondere sind die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 parallel zu der zweiten Richtung 101 ineinander bewegbar. Zusätzlich sind die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 entlang der ersten Richtung 100 derart bewegbar, dass die Abstände der ersten Faltmittel 1 untereinander und die Abstände der zweiten Faltmittel 2 untereinander zunehmend reduziert werden. Die ersten Faltmittel 1 werden durch erste Führungsmittel und die zweiten Faltmittel 2 werden durch zweite Führungsmittel parallel zu der ersten Richtung 100 und parallel zu der zweiten Richtung 101 bewegt, wobei die ersten Führungsmittel und die zweiten Führungsmittel der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. In 1 sind die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 Faltkanten, denkbar sind jedoch auch Faltmesser oder Faltwalzen. Ein zu faltendes Faltelement 3 ist zwischen den ersten Faltmitteln 1 und den zweiten Faltmitteln 2 angeordnet. Insbesondere sind mit den ersten und zweiten Faltmitteln nur die Elemente gemeint, die in unmittelbaren Kontakt zu dem Faltelement 3 stehen. Die ersten Faltmittel 1 berühren das Faltelement 3 in Kontaktbereichen 10 und die zweiten Faltmittel 2 berühren das Faltelement 3 in Kontaktbereichen 11. Die Positionen dieser Kontaktbereiche 10, 11 bleiben während des Faltvorgangs im Wesentlichen konstant relativ zum Faltelement 3. Das Faltelement 3 wird dadurch zu einem Faltstapel gefaltet, dass die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 sowohl parallel zu der ersten Richtung 100 und gleichzeitig parallel zu der zweiten Richtung 101 ineinander bewegt werden. Durch die kombinierte Bewegung werden die Abschnitte des Faltelements 3 zwischen den ersten Faltmitteln 1 und den benachbarten zweiten Faltmitteln 2 zunehmend geneigt, so dass an den Positionen der ersten Kontaktbereiche 10 erste Knickstellen 12 und an den Positionen der zweiten Kontaktbereiche 11 zweite Knickstellen 13 erzeugt werden. Ein Faltvorgang beginnt mit der Kontaktaufnahme eines ersten Faltmittels 1 beziehungsweise zweiten Faltmittels 2 mit dem Faltelement 3, wie es in 1 für das jeweils oberste erste Faltmittel 1 und zweite Faltmittel 2 dargestellt ist. Der Faltvorgang endet mit der Kontaktaufhebung zwischen dem ersten Faltmittel 1 und dem Faltelement 3 beziehungsweise zwischen dem zweiten Faltmittel 2 und dem Faltelement 3. Dies ist in 1 für das unterste dargestellte erste Faltmittel 1 kurz bevorstehend und für die zweiten Faltmittel 2 ist die Kontaktaufhebung für die beiden untersten zweiten Faltmittel 2 bereits vollzogen und steht für das drittunterste zweite Faltmittel 2 ebenfalls kurz bevor. Der fertige Faltstapel ist nicht dargestellt, wird aber von einer Aufnahmevorrichtung 4 aufgenommen, die so vorgesehen ist, dass die Oberkante des entstehenden Faltstapels auf der gleichen Höhe bleibt, indem die Aufnahmevorrichtung 4 parallel zu der ersten Richtung 100 bewegt wird. Insbesondere wird dies durch eine Abstimmung der Vorschubgeschwindigkeit der Aufnahmevorrichtung 4 parallel zu der ersten Richtung 100 mit der Geschwindigkeit des Faltvorgangs, also der Taktzeit, erreicht. vorzugsweise steuert ein rückgekoppelter Regelkreis den Faltvorgang und/oder die Bewegung der Aufnahmevorrichtung 4 derart, dass eine konstante Position der Oberkante des Elektrodenfaltstapels gewährleistet ist. Dazu wird die aktuelle Höhe der Oberkante des Elektrodenfaltstapels gemessen und bei Abweichungen von einem Sollwert, in diesem Fall einer Soll-Höhe, wird die Abweichung an ein Regelelement übergeben, welches entsprechend seiner Charakteristik die Vorschubgeschwindigkeit der Aufnahmevorrichtung 4 und/oder die Geschwindigkeit des Faltvorgangs anpasst. Dabei kann das Regelelement ein stetig linear Regler sein und/oder ein Proportionalregler und/oder ein Integralregler und/oder ein Differenzialregler. Insbesondere ist es ein unstetiger Regler oder ein nichtlinearer Regler. Jedes erste Faltmittel 1 und jedes zweite Faltmittel 2 durchläuft eine erste Bahnkurve 102 und eine zweite Bahnkurve 103. Sowohl die erste Bahnkurve 102 als auch die zweite Bahnkurve 103 sind exemplarisch für die zweiten Faltmittel 2 in 1 dargestellt. Die ersten Faltmittel 1 durchlaufen entsprechende Bahnkurven 102, 103, diese sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt. Ein erstes Faltmittel 1 und/oder ein zweites Faltmittel 2 durchlaufen während eines Faltvorgangs jeweils eine halbe Bahnkurve 102 und eine halbe Bahnkurve 103. Die restliche Bahnkurve 102, 103 wird durchlaufen wenn das erste Faltmittel 1 beziehungsweise das zweite Faltmittel 2 wieder an den jeweiligen Ausgangspunkt gefahren werden. Dabei wird jede Wegstrecke nur in einer Richtung durchfahren, wie in 1 durch die Pfeile angedeutet.
In 2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Wesentlichen entspricht die in 2 dargestellte beispielhafte zweite Ausführungsform der in 1 dargestellten beispielhaften ersten Ausführungsform. Im Unterschied zu der beispielhaften ersten Ausführungsform weisen die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 Haltemittel 5 auf. Mit diesen Haltemitteln 5 werden Blattelemente 6 lösbar gehalten, die in die Falten des Faltelements 3 eingelegt werden wenn die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 beabstandet sind. Die Haltemittel 5 sind in 2 Vakuumsaugnäpfe beziehungsweise mit Unterdruckgreifer. Die Blattelemente 6 werden dabei zu Beginn des Faltvorgangs durch die Haltemittel 5 aufgenommen und wenn der Abschnitt des Faltelements 3 zwischen einem ersten Faltmittel 1 und einem benachbarten zweiten Faltmittel 2 derartig geneigt ist, dass die Blattelemente 6 nicht verrutschen und/oder aus den Falten herausrutschen können, in die Falten des Faltelements 3 eingelegt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die ersten Knickstellen 12 und die zweiten Knickstellen 13 bereits deutlich ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass die Haltemittel 5 die Verbindung zu den Blattelementen 6 so spät wie möglich während des Faltvorgangs lösen, insbesondere erfolgt das Auflösen der Verbindung zwischen Blattelement 6 und Haltemittel 5 erst unmittelbar vor der Kontaktaufhebung der ersten beziehungsweise zweiten Faltmittel 1, 2 von dem Faltelement 3. Kurz vor Beginn eines neuen Faltvorgangs, beispielsweise auf dem oberen Scheitelpunkt der Bahnkurve 102, wird dann ein neues Blattelement 6 durch die Haltemittel 5 aufgenommen. Eine starre Verbindung zwischen den ersten Faltmitteln 1 und den ersten Führungsmitteln beziehungsweise zwischen den zweiten Faltmitteln 2 und den zweiten Führungsmitteln, wie in 2 für die oberen zweiten Faltmittel 2 gezeigt, hat den Vorteil, dass sich die Haltemittel 5 auf dem Weg zu ihrem Ausgangspunkt auf der Unterseite der ersten Faltmittel 1 beziehungsweise zweiten Faltmittel 2 befinden und sich daher weniger Staub auf ihnen ablagern kann. Dies ist besonders für durch Unterdruckgreifer von Wichtigkeit, da sonst die Dichtigkeit der Verbindung zwischen Haltemittel 5 und Blattelement 6 beeinträchtigt ist.
In 3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Wesentlichen entspricht die in 3 dargestellte beispielhafte dritte Ausführungsform der in 1 dargestellten beispielhaften ersten Ausführungsform. Der Übersichtlichkeit halber sind die Bahnkurven 102, 103 nicht dargestellt. Im Unterschied zu der beispielhaften ersten Ausführungsform sind die ersten Faltmittel 1 und die zweiten Faltmittel 2 Faltwalzen. Insbesondere sind als Faltmittel 1, 2 nur die Teile anzusehen, die in unmittelbaren Kontakt mit dem Faltelement 3 sind. So können die ersten und/oder zweiten Faltmittel 1, 2 Faltkanten ähneln, aber an ihrer Spitze als Faltwalzen ausgebildet sein. Ferner ist in 3 dargestellt, dass die ersten Faltmittel 1 das Faltelement 3 in den ersten Kontaktbereichen 10 berühren und die Positionen dieser ersten Kontaktbereiche 10 unverändert bleiben, so dass im Laufe des Faltvorgangs aus den ersten Kontaktbereichen 10 erste Knickstellen 12 entstehen. Analoges gilt für die Entstehung der zweiten Knickstellen 13 aus den zweiten Kontaktbereichen 11. Auch hier werden die zweiten Faltmittel 2 derart bewegt, dass die Positionen der zweiten Kontaktbereiche 11 der zweiten Faltmittel 2 mit dem Faltelement 3 konstant bleiben.
In 4 ist eine schematische Ansicht eines Faltstapels dargestellt, hergestellt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Faltelement 3 ist vollständig gefaltet mit ersten Knickstellen 12 und zweiten Knickstellen 13. In die entstandenen Falten sind die Blattelemente 6 eingelegt. Dabei handelt es sich bei den Blattelementen 6 vorzugsweise um Elektrodenblätter. Ist das Faltelement 3 ein Separatorband, so handelt es sich bei den durch die ersten Faltmittel 1 eingelegten Blattelementen 6 um Anodenblätter und bei den durch die zweiten Faltmittel 2 eingelegten Blattelementen 6 um Kathodenblätter, beziehungsweise umgekehrt. Ist das Faltelement 3 ein Separatormaterial, in welches beispielsweise Anodenblätter derart eingearbeitet sind, dass sie vollständig von dem elektrisch isolierenden Separatormaterial umschlossen sind, so sind sind die Blattelemente 6 Kathodenblätter, beziehungsweise umgekehrt. Die Elektrodenblätter sind vorzugsweise derart in das Separatormaterial eingearbeitet, dass sie im fertigen Faltstapel jeweils deckungsgleich über den Blattelementen 6 angeordnet sind. Die Trennung der einzelnen Elektrodenblätter in dem Separatormaterial erfolgt insbesondere in dem Bereich der ersten und zweiten Knickstellen 12, 13, um unabhängige Energiespeichereinheiten erzeugen zu können.
Bezugszeichenliste

1: erste Faltmittel
2: zweite Faltmittel
3: Faltelement
4: Blattelement
5: Haltemittel
6: Aufnahmevorrichtung
10: erster Kontaktbereich
11: zweiter Kontaktbereich
12: erste Knickstelle
13: zweite Knickstelle
100: erste Richtung
101: zweite Richtung
102: Bahnkurve eines einzelnen Faltmittels
103: Bahnkurve der zweiten Faltmittel

Claims

Verfahren zur Herstellung von Faltstapeln, insbesondere Elektrodenfaltstapel für Energiespeicherzellen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Faltelement (3) zwischen entlang einer ersten Richtung (100) aufgereihten ersten Faltmitteln (1) und entlang der ersten Richtung (100) aufgereihten und zu den ersten Faltmitteln (1) versetzt angeordneten zweiten Faltmitteln (2) angeordnet wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) entlang einer zur ersten Richtung (100) senkrechten zweiten Richtung (101) gegeneinander derart bewegt werden, dass das Faltelement (3) zum Faltstapel gefaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen der ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) im zweiten Verfahrensschritt derart miteinander synchronisiert werden, dass während des zweiten Verfahrensschritts jeweils die Position eines ersten Kontaktbereichs (10) zwischen einem ersten Faltmittel (1) und dem Faltelement (3) relativ zum Faltelement (3) im Wesentlichen konstant bleibt und dass jeweils die Position eines zweiten Kontaktbereichs (11) zwischen einem zweiten Faltmittel (2) und dem Faltelement (3) relativ zum Faltelement (3) im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Verfahrensschritt ein Faltstapel mit durch die ersten Faltmittel (1) in den ersten Kontaktbereichen (10) erzeugten ersten Knickstellen (12) und mit durch die zweiten Faltmittel (2) in den zweiten Kontaktbereichen (11) erzeugten zweiten Knickstellen (13) hergestellt wird, wobei während des zweiten Verfahrensschrittes die ersten Faltmittel (1) das Faltelement (3) nur im Bereich der zu erzeugenden ersten Knickstellen (12) und die zweiten Faltmittel (2) das Faltelement (3) nur im Bereich der zu erzeugenden zweiten Knickstellen (13) berühren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im zweiten Verfahrensschritt die ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) sowohl entlang der zweiten Richtung (101) ineinander, als auch jeweils entlang der ersten Richtung (100) derart bewegt werden, dass das Faltelement (3) zu einem Faltstapel gefaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei im zweiten Verfahrensschritt die ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) entlang der ersten Richtung (100) derart bewegt werden, dass die Abstände zwischen den ersten Faltmitteln (1) und den zweiten Faltmitteln (2) entlang der ersten Richtung (100) und die Abstände der ersten Faltmittel (1) untereinander und der zweiten Faltmittel (2) untereinander jeweils entlang der ersten Richtung (100) kontinuierlich reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) derart entlang der ersten Richtung (100) bewegt werden, dass entlang der ersten Richtung (100) die Abstände zwischen zwei benachbarten ersten Knickstellen (12) reduziert werden und dass sich entlang der ersten Richtung (100) die Abstände zwischen zwei benachbarten zweiten Knickstellen (13) reduziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Faltmittel (1) und die zweiten Faltmittel (2) in die erste Richtung (100) und/oder in die zweite Richtung (101) zyklisch bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem dritten Verfahrensschritt das Faltelement (3), wenn der Faltstapel eine vorbestimmte Höhe entlang der ersten Richtung (100) und/oder eine bestimmte Anzahl von übereinander gefalteten Lagen des Faltelements (3) erreicht hat, durchtrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des zweiten Verfahrensschrittes Blattelemente (4) in Falten des Faltelements (3) eingefügt werden, wenn die ersten Faltmittel (1) und die zweiten Faltmittel (2) voneinander beabstandet sind, vorzugsweise wird in jede Falte wenigstens ein Blattelement (4) eingelegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem nullten Verfahrensschritt das Faltelement (3) in Form eines beidseitig mit einer dünnen Separatorschicht versehenen Flächenelektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material oder in Form eines flächig erstreckten Separators aus einem elektrisch isolierenden Material bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei während des zweiten Verfahrensschrittes in die Falten jeweils Blattelemente (4) in Form von einzelnen Flächenelektroden aus einem elektrisch leitfähigen Material und/oder in Form von Separatoren aus einem elektrisch isolierenden Material eingelegt werden.
Vorrichtung zur Herstellung von Faltstapeln, insbesondere Elektrodenfaltstapel für Energiespeicherzellen, wobei die Vorrichtung entlang einer ersten Richtung (100) aufgereihte erste Faltmittel (1) und entlang der ersten Richtung (100) aufgereihte zweite Faltmittel (2) aufweist, wobei die Vorrichtung zum Falten eines zwischen den ersten Faltmitteln (1) und den zweiten Faltmitteln (2) anordenbaren Faltelements (3) zu einem Faltstapel vorgesehen ist, wobei die ersten und die zweiten Faltmittel (1, 2) entlang der ersten Richtung (100) zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die ersten Faltmittel (1) und die zweiten Faltmittel (2) entlang einer zur ersten Richtung (100) senkrechten zweiten Richtung (101) gegeneinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner derart konfiguriert ist, dass die ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) derart synchronisiert in die erste Richtung (100) und in die zweite Richtung (101) bewegbar sind, dass jeweils die Position eines ersten Kontaktbereichs (10) zwischen einem ersten Faltmittel (1) und dem Faltelement (3) relativ zum Faltelement (3) im Wesentlichen konstant bleibt und dass jeweils die Position eines zweiten Kontaktbereichs (11) zwischen einem zweiten Faltmittel (2) und dem Faltelement (3) relativ zum Faltelement (3) im Wesentlichen konstant bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung einen Transportmechanismus zum Bewegen der ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) umfasst, wobei der Transportmechanismus zur Bewegung der ersten und zweiten Faltmittel (1, 2) derart ausgebildet ist, das die ersten Faltmittel (1) das Faltelement (3) nur im Bereich von zu erzeugenden ersten Knickstellen (12) des Faltstapels und die zweiten Faltmittel (2) das Faltelement (3) nur im Bereich von zu erzeugenden zweiten Knickstellen (13) des Faltstapels berühren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die ersten Faltmittel (1) und/oder die zweiten Faltmittel (2) Faltmesser, Faltkanten und/oder Faltwalzen umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Vorrichtung und insbesondere die ersten und/oder zweiten Faltmittel (1, 2), Haltemittel (5) zum Aufnehmen eines Blattelements (4) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltemittel (5) mechanische und/oder pneumatische Greifer, insbesondere Unterdruckgreifer, umfassen.