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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stromableiters für eine Elektrode einer Batteriezelle durch Bereitstellen einer bandförmigen Kollektorfolie, Bewegen der Kollektorfolie in eine Längsrichtung und Führen eines Laserstrahls in mehreren Bahnen über eine Oberseite der besagten Kollektorfolie. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrode für eine Batteriezelle und eine Batteriezelle.
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Stand der Technik
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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 und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
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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 in der Regel metallischen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, beispielsweise zu einem Elektrodenwickel gewunden. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenstapel gestapelt sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden.
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Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Aber auch andere Gehäuseformen, beispielsweise kreiszylindrisch, oder auch flexible Pouchzellen, sind bekannt.
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Zum Aufbringen des Aktivmaterials auf den Stromableiter ist es vorteilhaft, wenn eine Oberfläche des Stromableiters strukturiert oder aufgeraut ist. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise mittels eines Laserstrahls, der über die Oberfläche geführt wird, erzeugt werden.
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Aus dem Artikel „Direct laser interference patterning and ultrafast laser-induced micro/nano structuring of current collectors for lithium-ion batteries" (Proc. of SPIE Vol. 9736 97361B-1) ist ein Verfahren zur Strukturierung von Metallfolien, insbesondere zum Einsatz als Stromableiter in Elektroden von Lithium-Ionen Batterien, bekannt.
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Aus dem Artikel „Laserstrukturierung in der Batterieproduktion" (iwb newsletter 3, 8/2015) ist ebenfalls ein Verfahren zur Laserstrukturierung von Elektrodenfolien von Lithium-Ionen-Batterien bekannt. Dabei werden durch kurze Laserpulse mikroskopisch kleine Vertiefungen in Substratfolien eingebracht.
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Aus dem Dokument
WO 2016/033379 A1 ist eine Dünnfilmbatterie bekannt, welche einen Stromableiter mit einer strukturierten Oberfläche aufweist. Die Strukturierung auf der Oberfläche des Stromableiters wird durch Materialabtrag mittels eines Laserstrahls erzeugt.
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Das Dokument
US 2010/0112452 A1 offenbart einen Stromableiter für eine Batterie, welcher eine Metallfolie aufweist. Eine Oberfläche der Metallfolie weist Vorsprünge und Vertiefungen auf. Die Vorsprünge und Vertiefungen werden mittels eines Laserstrahls erzeugt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stromableiters für eine Elektrode einer Batteriezelle vorgeschlagen. Bei der Elektrode kann es sich dabei um eine Anode oder um eine Kathode handeln. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die nachfolgend aufgeführten Schritte.
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Zunächst wird eine bandförmige Kollektorfolie bereitgestellt. Beispielsweise ist die Kollektorfolie auf einer Rolle aufgewickelt und weist insbesondere verhältnismäßig glatte Oberflächen auf. Wenn der Stromableiter für eine Anode vorgesehen ist, so ist die Kollektorfolie beispielsweise aus Kupfer. Wenn der Stromableiter für eine Kathode vorgesehen ist, so ist die Kollektorfolie beispielsweise aus Aluminium.
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Die Kollektorfolie wird dann in eine Längsrichtung bewegt. Beispielsweise wird die Kollektorfolie von der Rolle abgewickelt.
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Ein Laserstrahl wird in mehreren Bahnen über eine Oberseite der Kollektorfolie in eine Querrichtung geführt, während die Kollektorfolie in die Längsrichtung bewegt wird. Bei dem Laserstrahl kann es sich beispielsweise um einen Nanosekundenlaser oder um einen Continuous-Wave-Laser handeln. Auch weitere Arten von Laserstrahlen sind denkbar.
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Der Laserstrahl tritt dabei aus einer Laserquelle aus und wird vor Erreichen der Oberseite der Kollektorfolie von einem rotierenden Polygonrad eines Polygonscanners umgelenkt. Mittels des rotierenden Polygonrades wird der Laserstrahl immer in die gleiche Richtung insbesondere in parallelen Bahnen über die Oberseite der Kollektorfolie geführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung rotiert das Polygonrad derart, dass der von einer Seitenfläche des Polygonrades umgelenkte Laserstrahl in genau einer Bahn über die Oberseite der Kollektorfolie geführt wird. Der von der folgenden Seitenfläche des Polygonrades umgelenkte Laserstrahl wird dann in der nächsten Bahn über die Oberseite der Kollektorfolie geführt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der von dem Polygonrad umgelenkte Laserstrahl vor Erreichen der Oberseite der Kollektorfolie von einer beweglichen Spiegeleinheit umgelenkt. Durch die Bewegung der Spiegeleinheit kann eine Ausrichtung des Laserstrahls weiter präzisiert werden. Insbesondere kann die Bewegung der Kollektorfolie in Längsrichtung durch eine entsprechende Bewegung der Spiegeleinheit kompensiert werden. Vorzugsweise lenkt das Polygonrad den Laserstrahl in eine als „fast axis“ bezeichnete Richtung ab, und die Spiegeleinheit lenkt den Laserstrahl in eine als „slow axis“ bezeichnete Richtung ab.
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Bevorzugt wird die Spiegeleinheit dabei von einem Galvanometerantrieb bewegt. Galvanometerantriebe sind beispielsweise aus Wikipedia bekannt und dienen zum verhältnismäßig schnellen Antrieb von Spiegeln.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl derart über die Oberseite der Kollektorfolie geführt, dass nahe der Oberseite befindliches Material der Kollektorfolie aufgeschmolzen wird. Dabei wird nur Material bis zu einer bestimmten Eindringtiefe aufgeschmolzen. Insbesondere wird Material der Kollektorfolie, welches sich nahe der Unterseite, welche der Oberseite gegenüber liegt, befindet, nicht aufgeschmolzen, sondern bleibt in festem Zustand. Das Material der Kollektorfolie nahe der Oberseite wird dabei nur kurzzeitig flüssig und erstarrt kurz darauf wieder.
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Insbesondere wird der Laserstrahl dabei derart über die Oberseite der Kollektorfolie geführt, dass aufgeschmolzenes Material der Kollektorfolie Tröpfchen bildet. Die besagten Tröpfchen bilden sich dabei infolge von unterschiedlichen Oberflächenspannungen des flüssigen Materials der Kollektorfolie. Besagter Effekt ist auch als Marangoni-Konvektion bekannt. Die Form der Tröpfchen bleibt dabei zumindest annähernd erhalten, wenn das Material der Kollektorfolie wieder erstarrt. Die erstarrten Tröpfchen bilden nunmehr konvexe Erhebungen, welche sich in eine Vertikalrichtung von der Kollektorfolie erstrecken. Die Vertikalrichtung verläuft rechtwinklig zu der Querrichtung und rechtwinklig zu der Längsrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Querrichtung, in welche der Laserstrahl in mehreren Bahnen über die Oberseite der Kollektorfolie bewegt wird, rechtwinklig zu der Längsrichtung, in welche die Kollektorfolie bewegt wird.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Querrichtung, in welche der Laserstrahl in mehreren Bahnen über die Oberseite der Kollektorfolie bewegt wird, geneigt zu der Längsrichtung, in welche die Kollektorfolie bewegt wird. Das bedeutet, dass die besagte Querrichtung und die besagte Längsrichtung einen Winkel zwischen 0° und 90° zueinander einschließen.
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Es wird auch eine Elektrode für einen Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens einen Stromableiter umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Ferner wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Erzeugung einer verhältnismäßig groben Strukturierung auf einem Stromableiter. Die Strukturierung bildet dabei Verankerungsmöglichkeiten für Aktivmaterial, welches zur Herstellung einer Elektrode auf den Stromableiter aufgebracht wird. Durch die grobe Strukturierung ist die Haftung des Aktivmaterials auf dem Stromableiter bei der Herstellung der Elektrode vorteilhaft verbessert. Dadurch ist die Leitfähigkeit für Ionen und für Elektronen verbessert und die Lebensdauer einer Batteriezelle ist erhöht. Auch ist die Gefahr einer Ablösung des Aktivmaterials von dem Stromableiter im Betrieb der Batteriezelle vermindert. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Stromableiter für Elektroden sowie Elektroden mit extrem hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten, wie es für eine Massenproduktion notwendig ist, herstellbar. Der von dem Laserstrahl ausgeübte thermische Einfluss auf die Kollektorfolie kann dabei vorteilhaft reguliert, gesteuert und für die Erzeugung einer gewünschten Oberflächenaufrauhung an der Kollektorfolie vorteilhaft ausgenutzt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
- 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Herstellung eines Stromableiters in Seitenansicht,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung aus 2 entlang der Schnittlinie A-A,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung aus 2 entlang der Schnittlinie B-B,
- 5 eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung aus 2 entlang der Schnittlinie C-C und
- 6 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Teils der Anordnung zur Herstellung eines Stromableiters aus 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen 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 nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt.
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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.
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Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche beispielsweise als Elektrodenstapel oder als Elektrodenwickel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist dabei ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41 und einen Stromableiter 31. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen Stromableiter 32. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Herstellung eines Stromableiters 31, 32 einer Elektrode 21, 22 der Batteriezelle 2 aus 1 in Seitenansicht. Bei der Elektrode 21, 22 kann es sich dabei um die Anode 21 oder um die Kathode 22 handeln.
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Eine Kollektorfolie 51 ist auf einer Rolle 54 aufgewickelt. Sofern der Stromableiter 31 der Anode 21 hergestellt wird, so ist die Kollektorfolie 51 aus Kupfer. Sofern der Stromableiter 32 der Kathode 22 hergestellt wird, so ist die Kollektorfolie 51 aus Aluminium. Die Kollektorfolie 51 wird von der Rolle 54 abgewickelt, mehrfach umgelenkt und dann in eine Längsrichtung x bewegt. Beispielsweise wird die Kollektorfolie 51 dabei mit einer Geschwindigkeit von 30 m/min bis 150 m/min in Längsrichtung x bewegt.
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Ein Laserstrahl 80 wird über die Kollektorfolie 51 geführt, während die Kollektorfolie 51 in die Längsrichtung x bewegt wird. Durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 80 wird eine Strukturierung in Form von Tröpfchen 57 auf der Kollektorfolie 51 erzeugt. So entsteht der Stromableiter 31, 32 der Elektrode 21, 22. Die Entstehung der besagten Strukturierung auf der Kollektorfolie 51 und des Stromableiters 31, 32 der Elektrode 21, 22 ist in den folgenden Figuren detailliert beschrieben.
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Aus einer Düse 67 wird das Aktivmaterial 41, 42 in Form eines zähflüssigen Schlickers auf den Stromableiter 31, 32 aufgebracht und mittels eines Rakels 65 verteilt. Das Aktivmaterial 41, 42 wird anschließend, beispielsweise mittels einer Infrarot-Strahlung 69, getrocknet. Der Stromableiter 31, 32 mit dem aufgebrachten Aktivmaterial 41, 42 wird anschließend zwischen zwei Walzen 68 eines Kalanders kalandriert. Somit entsteht die Elektrode 21, 22 für die Batteriezelle 2.
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In dem Kalander wird die Dicke des Aktivmaterials 41, 42 auf etwa 20 µm bis 300 µm reduziert. Die Dicke des Aktivmaterials 41, 42 ist dabei die Ausdehnung des Aktivmaterials 41, 42 in eine Vertikalrichtung z, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung x verläuft.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung aus 2 entlang der Schnittlinie A-A. Die Kollektorfolie 51 weist eine Oberseite 55 und eine der Oberseite 55 gegenüber liegende Unterseite 56 auf. Die Oberseite 55 und die Unterseite 56 der Kollektorfolie 51 weisen jeweils eine verhältnismäßig glatte Oberfläche auf. Die Dicke der Kollektorfolie 51 beträgt vorliegend etwa 15 µm. Die Dicke der Kollektorfolie 51 ist dabei die Ausdehnung der Kollektorfolie 51 in die Vertikalrichtung z, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung x und rechtwinklig zu einer Querrichtung y verläuft.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung aus 2 entlang der Schnittlinie B-B. Ein Laserstrahl 80 wird über die Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 in die Querrichtung y geführt, während die Kollektorfolie 51 in die Längsrichtung x bewegt wird. Bei dem Laserstrahl 80 kann es sich beispielsweise um einen Nanosekundenlaser oder um einen Continuous-Wave-Laser handeln.
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Der Laserstrahl 80 dringt dabei in Vertikalrichtung z bis zu einer bestimmten Eindringtiefe in die Kollektorfolie 51 ein. Dabei wird nahe der Oberseite 55 befindliches Material der Kollektorfolie 51 aufgeschmolzen. Das Material der Kollektorfolie 51 wird dabei nur bis zu der besagten Eindringtiefe aufgeschmolzen. Material der Kollektorfolie 51, welches sich nahe der Unterseite 56 befindet, wird dabei nicht aufgeschmolzen, sondern verbleibt in festem Zustand. Das besagte Material der Kollektorfolie 51 nahe der Oberseite 55 wird dabei nur kurzzeitig flüssig und erstarrt kurz darauf wieder.
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung aus 2 entlang der Schnittlinie C-C. Das aufgeschmolzene Material der Kollektorfolie 51 bildet Tröpfchen 57 aus. Die besagten Tröpfchen 57 bilden sich dabei infolge von unterschiedlichen Oberflächenspannungen des flüssigen Materials der Kollektorfolie 51 an der Oberseite 55. Besagter Effekt ist auch als Marangoni-Konvektion bekannt.
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Die Form der Tröpfchen 57 bleibt dabei erhalten, wenn das Material der Kollektorfolie 51 wieder erstarrt. Die erstarrten Tröpfchen 57 bilden konvexe Erhebungen, welche sich in Vertikalrichtung z erstrecken. So entsteht der Stromableiter 31, 32 der Elektrode 21, 22.
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6 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung eines Teils der Anordnung zur Herstellung eines Stromableiters 31, 32 aus 2. Der Laserstrahl 80 tritt aus einer Laserquelle 82 aus und wird vor Erreichen der Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 umgelenkt. Der Laserstrahl 80 wird dabei in mehreren Bahnen 60 über die Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 geführt, während die Kollektorfolie 51 in Längsrichtung x bewegt wird. Die Bahnen 60 verlaufen dabei parallel zueinander in Querrichtung y.
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Der Laserstrahl 80 wird nach Austreten aus der Laserquelle 82 zunächst von einem rotierenden Polygonrad 70 eines Polygonscanners umgelenkt. Das Polygonrad 70 rotiert um eine Rotationsachse 75 und weist mehrere, vorliegend acht, Seitenflächen 71 auf. Die Rotationsachse 75 verläuft dabei parallel zu den Seitenflächen 71. Je zwei benachbarte Seitenflächen 71 stoßen an eine gemeinsame Kante 72 an. Die Anzahl der Seitenflächen 71 entspricht somit der Anzahl der Kanten 72. Die Kanten 72 des Polygonrades 70 verlaufen parallel zu der Rotationsachse 75.
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Vor Erreichen der Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 wird der von dem Polygonrad 70 umgelenkte Laserstrahl 80 zusätzlich von einer beweglichen Spiegeleinheit 90 umgelenkt. Die Spiegeleinheit 90 ist dabei um eine Bewegungsachse 95 beweglich und wird von einem Galvanometerantrieb 92 bewegt. Durch die Bewegung der Spiegeleinheit 90 wird beispielsweise die Bewegung der Kollektorfolie 51 in Längsrichtung x kompensiert.
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Mittels des rotierenden Polygonrades 70 und der Spiegeleinheit 90 wird der Laserstrahl 80 immer in die gleiche Richtung in den parallelen Bahnen 60 über die Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 geführt. Dabei bewegt sich der Laserstrahl 80 auf der Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1000 m/s in den besagten Bahnen 60 in Querrichtung y.
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Der Laserstrahl 80 trifft nach Austreten aus der Laserquelle 82 auf eine der Seitenflächen 71 des Polygonrades 70. Das Polygonrad 70 ist derart ausgerichtet und rotiert derart, dass der von dieser Seitenfläche 71 umgelenkte Laserstrahl 80 in genau einer Bahn 60 über die Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 in Querrichtung y geführt wird. Nach einer Rotation des Polygonrades 70 um die Rotationsachse 75 um einen bestimmten Winkel trifft der Laserstrahl 80 auf eine der Kanten 72 des Polygonrades 70. Danach trifft der Laserstrahl 80 auf die folgende Seitenfläche 71 des Polygonrades 70 und wird dann in der nächsten Bahn 60 über die Oberseite 55 der Kollektorfolie 51 in Querrichtung y geführt.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/033379 A1 [0008]
- US 2010/0112452 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Direct laser interference patterning and ultrafast laser-induced micro/nano structuring of current collectors for lithium-ion batteries“ (Proc. of SPIE Vol. 9736 97361B-1) [0006]
- „Laserstrukturierung in der Batterieproduktion“ (iwb newsletter 3, 8/2015) [0007]
