DE102017216133A1

DE102017216133A1 - Verfahren zum Trennen bandförmigen Elektroden- und Separatormaterials auf einer gekrümmten Oberfläche

Info

Publication number: DE102017216133A1
Application number: DE102017216133.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kretschmar; Mirko Maier; Adina Kerstin Kanstinger; Bernhard Gossen; Mathias Derra; Martin Scherner; Johannes Proell; Michael Holm; Christian Diessner; Daniel Sauerteig; Andreas Letsch; Juergen Herold; Martin Reusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN111050979B; WO2019052881A1; CN111050979A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abtrennen von Abschnitten (70) von bandförmigem Material (66, 82), welches als Spulenvorrat (140) vorliegt. Ein angetriebenes Rad (92) ist in Umfangsrichtung in einzelne Umfangssegmente (104, 136, 138) unterteilt. Diese sind entweder Vakuum beaufschlagt oder mit Blasluft beaufschlagt. Der Umfangsfläche (94) des angetriebenen Rades (92) ist ein Laser (96) zugeordnet, der einen auf einem der Umfangssegmente (104, 136, 138) fixierten Abschnitt (70) vom bandförmigen Material (66, 82) abtrennt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrennen von Abschnitten von einem Elektroden- und Separatormaterial, welches in Bandform vorliegt, wobei das Abtrennen des Elektrodenmaterials auf einer kontinuierlich bewegten, gekrümmten Fläche erfolgt. Mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden Elektroden-/Separatorstapel erzeugt, die Verwendung in einer Batteriezelle finden.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität mit einer äußerst geringen Selbstentladung aus.
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf dem ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, beispielsweise zu einem Elektrodenstapel gestapelt. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenwickel gebunden sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden.
Wesentliche Bestrebung bei der Entwicklung von neuen Batteriezellen ist, das elektrochemische Nutzvolumen in der Batteriezelle zu erhöhen. Als geeignetste Bauform einer Elektrodeneinheit zur Maximierung des Nutzvolumens hat sich der Elektrodenstapel herausgestellt, da dieser sowohl idealprismatisch als auch in einer beliebigen anderen Geometrie hergestellt werden kann.
DE 10 2014 113 588 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle. Die hergestellte Batteriezelle umfasst gestapelte Elektroden- und Separatorblätter, wodurch mindestens eine Halbzelle hergestellt wird, die zwei Separatorblätter und ein dazwischen angeordnetes Elektrodenblatt enthält. Zunächst wird eine erste Separatorfolienbahn zugeführt, danach erfolgt das Ablegen mindestens eines Elektrodenblattes auf der ersten Separatorfolienbahn. Anschließend wird eine zweite Separatorfolienbahn auf das mindestens eine Elektrodenblatt aufgelegt. Danach wird eine Tasche für das mindestens eine Elektrodenblatt gebildet durch mindestens bereichsweises Verbinden der beiden Separatorfolien außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereiches des Elektrodenblattes, wodurch ein Taschenrand gebildet wird. Danach werden die beiden Separatorfolien entlang des oder der Taschenränder geschnitten, wodurch eine oder mehrere Halbzellen hergestellt werden.
EP 2 930 772 A1 bezieht sich auf eine Separatorfördereinrichtung für eine elektrische Einrichtung sowie ein Förderverfahren. Es wird ein Förderapparat für einen Separator einer elektrischen Einrichtung vorgeschlagen, der abwechselnd eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode einer von der Polarität der ersten Elektroden und verschiedenen Polarität mit einem Separator laminiert, welcher zwischen diesen angeordnet ist.
US 2014/0059875 A1 bezieht sich auf eine Positionsdetektionseinrichtung und ein Positionsdetektionsverfahren. Sogar falls ein Separator oder eine Elektrode deformiert ist, kann diese Deformation detektiert werden und eine Position des Separators oder der Elektrode mit hoher Präzision detektiert werden. Die Positionsdetektionseinrichtung umfasst eine Anpresseinheit, welche ein blattförmiges Element enthält. Dieses ist aus einem bogenförmigen Material ausgeschnitten ist und in einer rollenförmigen Gestalt aufgewickelt. Eine Positionsdetektionseinheit detektiert eine Position des bogenförmigen Abschnitts, welcher gegen eine Referenzfläche angestellt ist, über eine Anpresseinheit. Anschließend wird die Position des bogenförmigen Materials, welches durch die Positionsdetektionseinheit erfasst wird, als eine Positionsinformation über das bogenförmige Material in einem nachfolgenden Verfahrensschritt genutzt.
WO 2014/041588 A1 bezieht sich auf ein Schneidverfahren für ein Elektrodenmaterial für elektronische Komponenten unter Verwendung eines Laserstrahls und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Es wird eine staubfreiarbeitende Schneideinrichtung für bandförmiges Elektrodenmaterial vorgestellt, bei der ein Laserstrahl Verwendung findet.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Abtrennen von Abschnitten von bandförmigem Material, welches als Spulenvorrat vorliegt, vorgeschlagen, die ein angetriebenes Rad aufweist, welches in Umfangsrichtung in einzelne Umfangssegmente unterteilt ist, die entweder unterdruckbeaufschlagt oder mit Blasluft beaufschlagt sind, wobei der Umfangsfläche des Rades ein Laser zugeordnet ist, der einen auf einem der Umfangssegmente fixierten Abschnitt des bandförmigen Materials abtrennt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist gewährleistet, dass bei Durchführung des Laserschnittes, d.h. dem Erzeugen eines Abschnittes vom bandförmigen Material, dieses zuverlässig fixiert ist. Das Festhalten und der Transport des bandförmigen Materials, bei dem es sich um ein erstes bandförmiges Material für eine erste Elektrode handelt, wird mit einem winkelabhängig aufbringbaren und entlang der Umfangsfläche des Rades unterteilten Vakuum gewährleistet. Eine Abgabe des zuvor mittels des Laserschnittes abgetrennten Abschnittes vom ersten bandförmigen Material für die erste Elektrode an einer Übergabestelle erfolgt durch ein unterstützendes Abblasen des zuvor abgetrennten Abschnittes vom jeweiligen Umfangssegment.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung stellen die einzelnen Umfangssegmente jeweils eine gekrümmte Segmentfläche dar, die luftdurchlässig ausgeführt ist, so dass sowohl das Vakuum zur Fixierung des ersten bandförmigen Materials für die erste Elektrode wirksam ist, wie auch ein kontrolliertes Abblasen zuvor per Laserschnitt abgetrennter Abschnitte vom jeweiligen Umfangssegment bzw. dessen gekrümmter Segmentfläche gewährleistet ist.
In weiterer vorteilhafter Ausführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erstreckt sich ein Vakuumbereich des angetriebenen Rades, innerhalb dessen die Umfangssegmente mit Unterdruck beaufschlagt sind, über ca. 270° der Umfangsfläche, während sich ein Abblasbereich des angetriebenen Rades über ca. 90° der Umfangsfläche des angetriebenen Rades erstreckt.
Eine Übergangsstelle, an der die zuvor per Laserabschnitt vom ersten bandförmigen Material für die erste Elektrode abgetrennten Abschnitte von den Umfangssegmenten an eine Transportrichtung übergeben werden, liegt bevorzugter Weise innerhalb des Abblasbereiches.
Bei dem Laser, der den Laserabschnitt zum Abtrennen der Abschnitte vom ersten bandförmigen Material der ersten Elektrode durchführt, handelt es sich um einen kontinuierlich oder gepulst (ns oder ps) arbeitenden Festkörper-Laser.
In vorteilhafter Weise ist das angetriebene Rad durch einen Antrieb angetrieben, der einen Encoder sowie eine Antriebssteuerung umfasst, die das angetriebene Rad derart beschleunigt und abbremst, dass bei der Abgabe der Abschnitte an die Transportrichtung zwischen den Abschnitten definierte Lücken erzeugt werden. Diese Lücken definieren die Abstände der Abschnitte voneinander, die an der Übergabestelle auf einem bandförmigen ersten Separator abgelegt werden, welche einen Materialüberstand erzeugen, der zur Bildung einer Tasche ausreicht.
Darüber hinaus umfasst die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung eine dem angetriebenen Rad an einer Stirnseite zugeordnete Absaugvorrichtung. Diese entfernt während des Laserschnitts entstehende Partikel aus Schnittspalten zwischen den einzelnen in Umfangsrichtung angeordneten Umfangssegmenten, wobei die Partikel innerhalb des Schnittspaltes und oberhalb des Schnittspaltes abgesaugt werden. Beim Schnitt entstehende Partikel werden durch eine quer zur Strahlrichtung des Laserstrahls ausgeformte Strömung abgesaugt. Der Absaugstelle gegenüber liegend erfolgt die Zuführung eines Gasstromes, so dass sich ein stabiler Absaugstrom senkrecht zur Strahlrichtung des Lasers ausbildet. Da sich das angetriebene Rad dreht, fordert ein Trennen senkrecht zur Bewegung des bandförmigen Materials für die Elektroden einen schrägen Schnitt, dessen Schrägungswinkel von der Vorschubgeschwindigkeit abhängt. Um verschiedene Geschwindigkeiten zu realisieren, muss die Laserführung eine angepasste Größe aufweisen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Abtrennen von Abschnitten von bandförmigem Material, das als Spulenvorrat vorliegt, mittels einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Fixieren eines bandförmigen Materials an einer Umfangsfläche aus Umfangssegmenten mit gekrümmten Segmentflächen innerhalb eines Vakuumbereiches des angetriebenen Rades,
b) Durchführung eines kontinuierlichen Laserschnittes zum Abtrennen von Abschnitten vom bandförmigen Material, wobei ein gerader Schnitt mit nahezu konstantem lokalem Vorschub bei in erster Näherung konstanter Drehgeschwindigkeit einer gekrümmten, sich definiert bewegenden Segmentfläche durchgeführt wird,
c) wobei gemäß Verfahrensschritt b) eine Nachführung des Fokuspunktes des Lasers in X-, Y- und Z-Richtung durchgeführt wird,
d) wobei während Verfahrensschritt c) eine Absaugung von Partikeln im und oberhalb und /oder unterhalb des Schnittspaltes erfolgt und
e) die an den Umfangssegmenten jeweils fixierten, abgetrennten Abschnitte an einer Übergabestelle innerhalb eines Abblasbereiches unter Ausbildung von Lücken zwischen den einzelnen Abschnitten an eine Transportvorrichtung übergeben werden.

In vorteilhafter Weise wird beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren der Laserstrahl durch eine Kombination von Polygon- und/oder Galvo-Scannern nachgeführt. Polygon-Scanner umfassen ein schnelldrehendes, verspiegeltes Polygon, Galvo-Scanner weisen einen Antrieb mittels eines Galvo-Antriebes, ähnlich eines Drehspulmessgerätes, auf. Mittels dieser Komponenten kann aus dem durch das angetriebene Rad abgegebenen Encoder Signal und einer entsprechenden Kalibrierung wieder die richtige Stelle auf dem bandförmigen Material zur Durchführung des Schnittes getroffen werden. Dies ermöglicht es, den Laser im Raum mit konstantem lokalem Vorschub, was eine hervorragende Schnittqualität ergibt, auf einer Bahn zu führen, die einen geraden bzw. senkrechten Schnitt ergibt. Durch ein nach der Schnittstelle angeordnetes geeignetes Mess-System mit einer Bildverarbeitung kann ein Regelkreis für Laserführung dargestellt werden.
Die Ablenkung des Strahles erfolgt mittels schnelldrehbarer bzw. kippbarer Spiegel in der Ebene, in der der Partikelabtrag erfolgt und demzufolge der Schnitt durchgeführt wird, und in der Höhe mittels einer aktiven Nachführung z.B. durch verschiebbare Linsen. Die Bahnsteuerung des Laserstrahls ist zur Bahnbewegung des Werkstücks in alle 3 Raumrichtungen synchronisiert.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Lücken an der Übergabestelle zwischen den Abschnitten durch Beschleunigung und Verzögerung des angetriebenen Rades erzeugt. Zum Beschleunigen und Verzögern des angetriebenen Rades werden ca. 40% eines Taktes benötigt, während bei 60% eines Taktes ein konstanter Antrieb erfolgt, so dass die Schnittqualität des Laserschnittes besonders gut ist.
Die gekrümmten Segmentflächen der Umfangssegmente sind entweder mit Unterdruck oder mit Blasluft beaufschlagt.
Optional kann ein optisches Messverfahren eingesetzt werden, mit dem die Qualität des Laserschnittes überprüft wird und die Synchronisierung kalibriert werden kann. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass das angetriebene Rad nach Abgabe der einzelnen getrennten Abschnitte, d.h. der Kathodensegmente bzw. der Anodensegmente, einen zusätzlichen Reinigungsvorgang erfährt.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Herstellung von gestapelten Batteriezellen in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.
Vorteile der Erfindung
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung gemäß Vorrichtung und Verfahren kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass einzelne Abschnitte vom ersten oder zweiten bandförmigen Material für eine erste oder eine zweite Elektrode eines gestapelten Elektrodenensembles mittels eines Lasers abgetrennt werden. In vorteilhafter Weise erfolgt dieser Laserschnitt auf einer sich definiert bewegenden und zusätzlich gekrümmten Fläche, die den schlagenden Vorteil aufweist, dass der jeweilige Abschnitt, d.h. die erste Elektrode oder die zweite Elektrode, äußerst winkeltreu an der Übergabestelle auf eine an dieser entlang transportierten Bahn eines ersten Separators abgelegt werden kann. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich ein hochgenauer, reproduzierbarer Abschnitt zwischen den einzelnen mittels des Lasers abgetrennten Abschnitte durch Einsatz eines präzisen Encoders und einer Antriebssteuerung für das angetriebene Rad erzeugen. Das Ablegen der zuvor mittels Laserschnittes vom ersten bandförmigen Material für eine erste Elektrode bzw. vom zweiten bandförmigen Material für eine zweite Elektrode abgetrennten Abschnitte erfolgt mit einer sehr hohen Ablagerate, die ansonsten nur mit Einlegerobotern gewährleistet werden könnte, die jedoch einen verhältnismäßig hohen Aufwand darstellen und hinsichtlich ihrer Handhabung komplizierter sind.
Um den Laserschnitt zur Abtrennung der Abschnitte vom ersten bandförmigen Material für die erste Elektrode bzw. vom zweiten bandförmigen Material für die zweite Elektrode durchführen zu können, sind die abzutrennenden Abschnitte zuverlässig festzuhalten, was bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung durch Festhalten und Transport des bandförmigen Materials mit einem winkelabhängigen und unterteilten Vakuum gewährleistet wird, mit welchem die Umfangsfläche des angetriebenen Rades bzw. dessen einzelne Umfangssegmente gezielt und winkelabhängig beaufschlagt werden. Durch die Applikation des Vakuums erfolgt die Fixierung und der Transport der durch den Laserschnitt abgetrennten Abschnitte, während eine Übergabe an der Übergabestelle auf eine auf der Transportvorrichtung geförderte Separatorbahn durch ein unterstützendes Abblasen erfolgt.
Zur Erzeugung der Lücken bzw. von Abständen mittels des Laserschnitts abgetrennten Abschnitte bei Ablegen der Abschnitte auf die Separatorbahn des ersten Separators auf der Transportvorrichtung wird das angetriebene Rad gezielt beschleunigt und abgebremst, während der Schnitt dann erfolgt, während das angetriebene Rad mit konstanter Drehgeschwindigkeit rotiert. Aufgrund eines rechtwinklig durchzuführenden Laserschnittes auf einer gekrümmten Fläche, die sich bewegt, wird der Laser bzw. der Fokuspunkt des Laserstrahls in X-, Y- und Z-Richtung nachgeführt, was beispielsweise durch eine Kombination von Polygon- oder Galvo-Scannern erreicht werden kann.
Als weiteren Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist zu nennen, dass bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung dem angetriebenen Rad eine Absaugvorrichtung zugeordnet ist, insbesondere den Schnittspalten zwischen den einzelnen die gekrümmte Umfangsfläche des angetriebenen Rades bildenden Umfangssegmenten. Die Absaugung der beim Laserschnitt auftretenden Partikel erfolgt sowohl oberhalb des Schnittspaltes wie auch im Inneren des Schnittspaltes. Die Absaugvorrichtung ist in vorteilhafter Weise einer der Stirnseiten des angetriebenen Rades der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zugeordnet.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung nachstehend eingehender erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
2 die wesentlichen Komponenten einer Anlage zur Herstellung von Batteriestapeln,
3 eine Seitenansicht des angetriebenen Rades,
4 eine perspektivische Draufsicht auf ein angetriebenes Rad,
5 eine schematische Darstellung von Phasen konstanter Drehgeschwindigkeit des Rades, von Verzögerung und Beschleunigung,
6 eine Darstellung einer gekrümmten Umfangsfläche eines Umfangssegmentes,
7 eine schematische Darstellung einer Partikelabsaugung im Bereich des Schnittspaltes am angetriebenen Rad und
8 eine schematische Darstellung der Laseranordnung.

Ausführungsvarianten
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung lediglich schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3, welches prismatisch, insbesondere quaderförmig ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit angeordnet, welche im vorliegenden Falle als Elektrodenstapel 10 ausgeführt ist. Der Elektrodenstapel 10 weist zwei Elektroden, nämliche eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen ersten bandförmigen Separator 18 voneinander separiert. Der erste bandförmige Separator 18 ist ionisch leitfähig, d.h. für Lithium-Ionen durchlässig. Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41 und einen anodischen Stromableiter 31. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen kathodischen Stromableiter 32. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und ebenfalls aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
2 zeigt in schematischer Darstellung die Komponenten einer Anlage 58 zur Herstellung von Batteriestapeln.
2 zeigt eine Anlage 58 zur Herstellung von Batteriestapeln. An einer Zuführung 60 für einen ersten bandförmigen Separator 18 erfolgt dessen Zuführung auf eine Transportvorrichtung 62. Bei der Transportvorrichtung 62 kann es sich um ein umlaufendes Band oder auch um ein lineares Fördersystem 76 oder dergleichen handeln. Auf der Transportvorrichtung 62 wird der erste bandförmige Separator 18 in Transportrichtung 64 transportiert.
Oberhalb der Transportvorrichtung 62 befindet sich ein Spulenvorrat 140 eines ersten bandförmigen Materials 66 für eine erste Elektrode beispielsweise der Kathode. Die Zufuhr des ersten bandförmigen Materials 66 für die erste Elektrode erfolgt über mehrere hier nicht dargestellte Umlenkrollen an ein angetriebenes Rad 92. Einer Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades ist ein Laser 96 oder eine messerartige Schneideinrichtung zugeordnet. Unterhalb des Lasers 96 oder der Schneideinrichtung erfolgt ein Schnitt 68 des ersten bandförmigen Materials 66 für die erste Elektrode, wodurch ein Abschnitt 70, d.h. ein Kathodensegment 56, erzeugt wird. Der abgetrennte Abschnitt 70 wird an der Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 innerhalb eines Vakuumbereiches 86 fixiert, bevor der jeweilige Abschnitt 70 auf den ersten bandförmigen Separator 18 auf der Transportvorrichtung 62 aufgelegt wird.
Das angetriebene Rad 92 ist mit einem Antrieb 90 versehen, der einen Encoder und eine Antriebssteuerung umfasst, derart, dass das angetriebene Rad 92 während seiner Rotation abwechselnd beschleunigt und verzögert wird, so dass bei der Ablage der Abschnitte 70 auf den ersten bandförmigen Separator 18 auf der Oberseite der Transportvorrichtung 62 definierte Lücken 148 (vgl. 8) erzeugt werden.
Danach erfolgt die Zuführung 72 eines zweiten bandförmigen Separators 19. Dieser wird auf die Transportvorrichtung 62 überführt, so dass der erste bandförmige Separator 18 und die regelmäßig beabstandeten abgetrennten Abschnitte 70 von dem zweiten bandförmigen Separator 19 überdeckt sind.
Anschließend erfolgt innerhalb eines Übergabebereiches 74 die Überführung des ersten bandförmigen Separators 18, der darauf angeordneten voneinander beabstandeten Abschnitte 70 sowie des zweiten bandförmigen Separators 19 an ein lineares Fördersystem 76. Das lineare Fördersystem 76 umfasst beispielsweise einzelne mit Unterdruck beaufschlagbare Schlitten, wobei aus 2 hervorgeht, dass dem linearen Fördersystem 76 an dessen Unterseite einzelne diskrete Stapelvorrichtungen 78 zugeordnet sind.
Nach Passage des Übergabebereiches 74 erfolgt bevorzugt ein Schnitt 80 der an das lineare Fördersystem 76 übergebenen dreilagigen Anordnung aus erstem bandförmigen Separator 18, Abschnitt 70 der ersten Elektrode sowie des zweiten bandförmigen Separators 19. Dieser dreilagig ausgebildete Stapel wird seitlich über Greifvorrichtungen oder Vakuum auf einzelnen voneinander getrennten mit Vakuum beaufschlagbaren Tischen oder Schlitten des linearen Fördersystems 76 fixiert.
Aus 2 geht hervor, dass dem linearen Fördersystem 76 ein weiteres angetriebenes Rad 92 zugeordnet ist. Dieses wird mit einem zweiten bandförmigen Material 82 für eine zweite Elektrode, der Anode, beaufschlagt, welches einen Schnitt 84 bevorzugt durch einen Laser 96 erfährt. Die vom zweiten bandförmigen Material 82 für die zweite Elektrode abgetrennten Abschnitte 70 der Anode, werden innerhalb des Vakuumbereiches 86 auf dem angetriebenen Rad 92 fixiert und auf die von den einzelnen Tischen des linearen Fördersystems 76 herantransportierten Anordnungen aus erstem bandförmigen Separator 18, dem Abschnitt 70 des Kathodensegmentes 56 und den zweiten bandförmigen Separator 19 aufgebracht.
Die erhaltenen, beispielsweise von Greifern des linearen Fördersystems 76 fixierten, nun vierlagigen Stapel, werden im Auslaufbereich des linearen Fördersystems 76 um 180° in Überkopflage gewendet und in einzelnen Stapelvorrichtungen 78 abgelegt.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das angetriebene Rad 92, welches oberhalb des linearen Fördersystems 76 angeordnet ist, ebenfalls einen Vakuumbereich 86 und einen Abblasbereich 88 aufweist. Bezugszeichen 84 bezeichnet den Schnitt des zweiten bandförmigen Materials 82 für die zweite Elektrode bevorzugt mittels des Lasers 96. Alternativ zu dem Laser 96, bei dem es sich bevorzugt um einen kurzgepulsten Festkörper-Laser handelt, kann auch eine messerartige Schneidvorrichtung eingesetzt werden, um die einzelnen Abschnitte 70 an dieser Stelle vom zweiten bandförmigen Material 82 für die zweite Elektrode, d.h. die Kathode abzutrennen.
Der Darstellung gemäß 3 ist die Ansicht des angetriebenen Rades 92 zu entnehmen. Wie aus 3 hervorgeht, ist der Laser 96 oberhalb der Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 angeordnet. Eine Auftrefflinie des Laserstrahls ist mit Bezugszeichen 98 gekennzeichnet. Durch Bezugszeichen 100 ist ein Laserstrahl angedeutet, der gemäß der Darstellung in 3 rechtwinklig auf die Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 auftrifft. Die Umfangsfläche 94 wird durch einzelne Umfangssegmente 104 gebildet. Die Umfangssegmente 104, die die Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 bilden, sind durch Schnittspalte 128 voneinander getrennt. Die einzelnen Umfangssegmente 104 können beispielsweise mit einer Perforation versehen sein. Die Innenräume der einzelnen Umfangssegmente 104 sind über Kanäle 102 entweder mit einer Vakuumquelle oder mit einer Blasluftquelle verbunden, die winkelabhängig den Vakuumbereich 86 bzw. den Abblasbereich 88, vergleiche insbesondere Darstellung gemäß 2, alternierend beaufschlagt.
Mit Position 106 ist ein erster Ring von bogenförmig angeordneten Nieren bezeichnet, über welche die Vakuumquelle via die Kanäle 102 auf die beispielsweise mit Perforation versehenen Umfangssegmente 104 wirkt. Bezugszeichen 108 bezeichnet ebenfalls eine bogenförmige Anordnung von Bohrungen oder nierenförmigen Öffnungen, über welche die Kanäle 102 in ihrer ein Abblasen erzeugenden Winkelstellung, vergleiche Abblasbereich 88 gemäß 2, mit einer Blasluftquelle beaufschlagt werden, so dass die einzelnen mittels Laser 96 abgetrennten Abschnitte 70 an den jeweiligen Übergabestellen 110 (vgl. 4) von der Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 entfernt werden.
Der Darstellung gemäß 4 ist die perspektivische Draufsicht auf das angetriebene Rad 92 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zu entnehmen.
Aus 4 geht hervor, dass das angetriebene Rad 92 durch einen Antrieb 90 angetrieben ist, der einen Encoder und eine Antriebssteuerung umfasst. Das angetriebene Rad 92 bzw. dessen Umfangsfläche 94 ist aus einer Vielzahl von Umfangssegmenten 104 zusammengesetzt. Auf einem dieser Umfangssegmente 104 befindet sich der Abschnitt 70. Dieser ist auf der gekrümmten Segmentfläche 120 eines der Umfangssegmente 104 durch Unterdruckbeaufschlagung fixiert. Aus 4 geht hervor, dass eine Übergabestelle 110 für die Abschnitte 70 in „6 Uhr“-Position liegt, während der Laserstrahl 100 im Wesentlichen in der „12 Uhr“-Position auf die Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 auftrifft. Das angetriebene Rad 92, welches durch den Antrieb 90 angetrieben wird, ist derart ausgestaltet, dass immer dann, wenn von dem ersten bandförmigen Material 66 für die erste Elektrode bzw. von dem zweiten bandförmigen Material 82 für die zweite Elektrode abgetrennte Abschnitte 70 abgelegt werden, eine Beschleunigung 116 bzw. Verzögerung des angetriebenen Rades 92 derart erfolgt, dass bei Abgabe der jeweils abgetrennten Abschnitte 70 auf die Transportvorrichtung 62 jeweils Lücken 148 (vgl. 8) zwischen den einzelnen abgetrennten Abschnitten 70 entstehen.
5 zeigt die Phasen der Rotation des angetriebenen Rades, während derer ein Laserschnitt vorgenommen werden kann, sowie die Beschleunigung 116 bzw. Verzögerung desselben.
Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass das angetriebene Rad 92 mittels des Encoders und der Antriebssteuerung derart angetrieben ist, dass bei Ausführung des Laserschnittes durch den Laser 96 in der „12 Uhr“-Position des angetriebenen Rades 92 eine konstante Drehgeschwindigkeit des angetriebenen Rades 92 vorliegt. In diesem Falle kann der Laser 96 bei entsprechender Nachführung des Fokuspunktes des Laserstrahles 100 in X-, Y- und Z-Richtung den Laserschnitt ausführen. Andererseits wird das angetriebene Rad 92 durch den Encoder bzw. die Antriebssteuerung des Antriebs 90 bei der Übergabestelle 110 so gesteuert, dass eine Abgabe der Abschnitte 70 von den Umfangssegmenten 104 derart erfolgt, dass diese unter Einhaltung definierter Lücken 148 auf dem ersten bahnförmigen Separator 18 mit definierten Lücken 148 (vgl. 8) zwischen den einzelnen Abschnitten 70 abgelegt werden können. In der Darstellung gemäß 5 sind die Beschleunigungsphasen des angetriebenen Rades 92 durch Bezugszeichen 116 gekennzeichnet, während die Bereiche, in denen das angetriebene Rad 92 mit Rotationsgeschwindigkeit rotiert, durch Bezugszeichen 114 gekennzeichnet sind. Schnittbereiche, in denen der Schnitt erfolgt, sind mit Bezugszeichen 112 gekennzeichnet.
Das Umfangssegment 104 ist durch eine Segmentfläche 126 gebildet.
6 zeigt eine gekrümmte Segmentfläche 120 eines Umfangssegmentes104.
Aus der Darstellung gemäß 6 geht hervor, dass auf einer gekrümmten Segmentfläche 120 eines hier nicht näher dargestellten Umfangssegmentes ein Elektrodenmaterial 122 aufgenommen ist. Im Elektrodenmaterial 122 ist eine Form 124 eines Abschnittes 70 samt Kontaktfahne eingetragen.
Aus der Darstellung gemäß 6 geht hervor, dass der Strahl des Lasers 96 dreidimensional nachgeführt wird.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Absaugvorrichtung 130 im Bereich eines Schnittspaltes 128.
Aus 7 geht hervor, dass ein Schnittspalt 128 zwischen einander angrenzenden Umfangssegmenten 136, 138 definiert ist. Die beiden Umfangssegmente 136 bzw. 138, die in 7 nur schematisch dargestellt sind, weisen jeweils eine gekrümmte Segmentfläche 120 auf. Aus 7 geht hervor, dass der Laserstrahl 100 des Lasers 96 in unterschiedlichen Einfallswinkeln 132 bzw. 134 in den Schnittspalt 128 eintrifft. In der Darstellung gemäß 7 sind in Bezug auf den Schnittspalt 128 ein erster Einfallswinkel 132 und ein zweiter Einfallswinkel 134 dargestellt.
Eine Absaugung der beim Laserschnitt entstehenden Partikel erfolgt gemäß der Darstellung in 7 im Wesentlichen in horizontale Richtung in Bezug auf die Achse des angetriebenen Rades 92.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Lasers 96 zum Schneiden eines bandförmigen Materials 66, 82, der einem angetriebenen Rad 92 zugeordnet ist.
VII in 8 bezeichnet die Darstellung gemäß 7.
Aus der Darstellung gemäß 8 geht hervor, dass der Laser 96 im Wesentlichen in vertikaler Ausrichtung in Bezug auf die Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 angeordnet ist. Innerhalb des Schnittbereiches erfolgt eine Abtrennung eines Abschnittes 70 entweder vom ersten bandförmigen Material 66 für die erste Elektrode, d.h. eines Kathodensegmentes 56, oder vom zweiten bandförmigen Material 82 für die zweite Elektrode, d.h. die Anode.
Beide Materialien sind als Spulenvorrat 140 aufgenommen. Beim Schnitt 80, 84 entstehen die bereits erwähnten Abschnitte 70 für die erste Elektrode bzw. die zweite Elektrode, die anschließend unter Ausbildung definierter Lücken 148 zwischen den einzelnen Abschnitten 70 abgelegt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014113588 A1 [0005]
EP 2930772 A1 [0006]
US 2014/0059875 A1 [0007]
WO 2014/041588 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zum Abtrennen von Abschnitten (70) von bandförmigem Material (66, 82), welches als Spulenvorrat (140) vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein angetriebenes Rad (92) in Umfangsrichtung in einzelne Umfangssegmente (104, 136, 138) unterteilt ist, die entweder mit Unterdruck oder mit Blasluft beaufschlagt sind, wobei der Umfangsfläche (94) des angetriebenen Rades (92) ein Laser (96) zugeordnet ist, der einen auf einem der Umfangssegmente (104, 136, 138) fixierten Abschnitt (70) des bandförmigen Materials (66, 82) von diesem abtrennt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Umfangssegmente (104, 136, 138) jeweils eine gekrümmte Segmentfläche (120) aufweisen, die luftdurchlässig ausgeführt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vakuumbereich (86) innerhalb dem die Umfangssegmente (104, 136, 138) mit Unterdruck beaufschlagt sind, sich über ca. 270° der Umfangsfläche (94) erstreckt und ein Abblasbereich (88) sich über ca. 90° der Umfangsfläche (94) des angetriebenen Rades (92) erstreckt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übergabestelle (110), an der die Abschnitte (70) von den Umfangssegmenten (104, 136, 138) an eine Transportvorrichtung (62) übergeben werden, innerhalb des Abblasbereiches (88) liegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (96) ein kurzgepulster Feststoff-Laser ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Rad (92) mittels eines Antriebes (90) angetrieben ist, der einen Encoder und eine Antriebssteuerung umfasst, die das angetriebene Rad (92) derart beschleunigt und abbremst, dass bei der Abgabe der Abschnitte (70) an die Transportvorrichtung (62) definierte Lücken (148) erzeugt werden.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schnittspalten (128) zwischen den Umfangssegmenten (136, 138) eine Absaugvorrichtung (130) zugeordnet ist, die die Partikel im Schnittspalt (128) und oberhalb des Schnittspaltes (128) absaugt und einer Stirnseite des angetriebenen Rades (92) zugeordnet ist.
Verfahren zum Abtrennen von Abschnitten (70) von bandförmigem Material (66, 82), das als Spulenvorrat (140) vorliegt, mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Fixieren eines bandförmigen Materials (66, 82) an einer Umfangsfläche (94) aus Umfangssegmenten (104, 136, 138) mit gekrümmten Segmentflächen (120) in einem Vakuum- oder Unterdruckbereich (86), b) Durchführung eines kontinuierlichen Laserschnitts zum Abtrennen des Abschnitts (70) vom bandförmigen Material (66, 82), wobei ein gerader Schnitt mit nahezu konstantem, lokalen Vorschub bei in erster Näherung konstanter Drehgeschwindigkeit einer gekrümmten, sich definiert bewegenden Segmentfläche (120) durchgeführt wird, c) wobei gemäß Verfahrensschritt b) eine Nachführung des Fokuspunkts des Lasers (96) in X-, Y- und Z-Richtung durchgeführt wird, d) wobei während Verfahrensschritt c) eine Absaugung von Partikeln im und oberhalb und/oder unterhalb des Schnittspaltes (128) erfolgt und e) die an den Umfangssegmenten (104, 136, 138) jeweils fixierten, abgetrennten Abschnitte (70) an eine Übergabestelle (110) innerhalb eines Abblasbereiches (88) unter Ausbildung von Lücken (148) zwischen den Abschnitten (70) an eine Transportvorrichtung (62) übergeben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung des Laserstrahls (100) durch eine Kombination von Polygon- und/oder Galvo-Scannern erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücken (148) zwischen den Abschnitten (70) gemäß Verfahrensschritt e) durch Beschleunigung (116) und Verzögerung des angetriebenen Rades (92) erzeugt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Segmentfläche (120) die eines entweder mit Unterdruck oder mit Blasluft beaufschlagten Umfangssegmentes (104, 136, 138) ist.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung gestapelter Batteriezellen (2) in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.