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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen sowie einen Stapel von Elektrodenelementen.
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Elektrische Batterien werden heutzutage für die unterschiedlichsten Anwendungen hergestellt, um elektrische Energie bereitzustellen. Gemäß dem Stand der Technik sind beispielsweise Batterien bekannt, welche Anodenelemente und Kathodenelemente in Form von Stapeln umfassen, wobei die einzelnen Elemente jeweils von den anderen Elementen mithilfe von Separatorelementen getrennt vorliegen. Dabei werden zunächst in einzelnen für sich stehenden Herstellungsverfahren die einzelnen Elemente hergestellt und anschließend in abwechselnder Reihenfolge aufgestapelt, sodass ein Stapel von Elektrodenelementen für den Einsatz von elektrischen Batterien gefertigt werden kann. Aufgrund von geometrischen Unterschieden zwischen den Batterieelektroden und Separatoren sind bei den gängig bekannten Stapelverfahren zusätzliche komplexe Maßnahmen erforderlich, um einen gewünschten Stapel mit den gewünschten Eigenschaften zu erstellen. Insbesondere können solche komplexen Maßnahmen zur Lageerkennung und Ausrichtung beispielsweise Kamerasysteme und Lageerkennungsvorrichtungen umfassen, sodass eine zentrische Stapelung der Elemente aufeinander möglich ist. Aus diesen Umständen folgen häufig Einschränkungen der Produktivität im Stapelprozess und zusätzliche Produktionskosten verteuern somit das zu erstellende Produkt. Das Separatorelement soll vor allem die Kathodenelemente und Anodenelemente sowohl räumlich als auch elektrisch trennen. Dabei muss das Separatorelement jedoch gleichzeitig für die Ionen durchlässig sein, welche die Umwandlung der gespeicherten chemischen in elektrische Energie bewirken. Beispielsweise können Separatorelemente aus mikroporösen Kunststoffen sowie Vliesen aus Glasfasern oder Polyethylen hergestellt werden. Diese Separatorelemente können dann jeweils zwischen einem Kathodenelement und einem Anodenelement im Zuge eines Stapelverfahrens vorgesehen werden. Ein gängiges Stapelsystem ist zum Beispiel das sogenannte „Pick and Place“ - System. Dabei werden die einzelnen Elemente jeweils von jeweiligen Stapeln, wo sie magaziniert sind, aufgenommen, um diese dann in abwechselnder Reihenfolge übereinander zu stapeln beziehungsweise einem Stapelträger zuzuführen. In diesem Zusammenhang sind Führungen über Linearachsen als auch Industrieroboter im Stand der Technik als bekannt anzusehen. Wie bereits erwähnt dienen dabei verschiedenste Systeme als Hilfsmittel, um einzelne Elemente auszurichten und in gewünschter Weise innerhalb des Stapels zu platzieren. Methoden zur Lageerkennung sind auch als Visions-Systeme bekannt, wobei eine Ausrichtung beispielsweise über Servo-Antriebssysteme erreicht werden kann. Aufgrund von zusätzlichen Systemen, die es zu bedienen und organisieren geht, folgt meist eine direkte Reduzierung der Ausbringung und eine erhöhte Fehleranfälligkeit. Allgemeine Stapeltechniken können dabei verschiedenste Produkte hervorbringen. Beispielsweise sind Z-Falten und Einzelblatt-Stapel bekannt. Auch ist das Stapeln von Bi-Zellen bekannt. Eine Bi-Zelle ist dabei ein Verbund aus Anode-Separator-Kathode-Separator-Anode. Neben der Stapeltechnik sind auch Techniken wie das Stack-Winding bekannt. Dabei werden Elektroden auf einem kontinuierlichen Separatorband laminiert und anschließend gewickelt.
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Aus der Druckschrift
EP 2 706 592 A1 ist eine Batterie mit präzis positioniertem Aufbau als bekannt zu entnehmen. Dabei weist die Batterie eine Anodenmaterialschicht, eine Kathodenmaterialschicht und einen Separator auf, der als eine Trennschicht zwischen der Anodenmaterialschicht und der Kathodenmaterialschicht ausgebildet ist. Ein Gehäuse umfasst einen Innenraum, der die Anodenmaterialschicht und die Kathodenmaterialschicht umgibt. Das Gehäuse umfasst einen nicht-elektrischen Leitfähigkeitsleiter aus Kunststoffmaterial. Der Separator ragt in einem Oberflächenbereich über die Kathodenmaterialschicht hinaus, sodass der Separator an einer Kante der Kathodenmaterialschicht einen Überhang darüber ausbildet. Zudem ist aus dieser Druckschrift ein Verfahren zum Herstellen solch einer Batterie als bekannt zu entnehmen. Dabei sind folgende Verfahrensschritte aus dem vorgestellten Verfahren nicht als bekannt zu entnehmen: Anordnen von jeweils zumindest einem Separatorelement auf sich gegenüberliegende Seiten von einem jeweiligen Kathodenelement, wobei eine Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement identisch mit einer Außenform und deren Abmaße von jedem Anodenelement ist und wobei ein jeweiliges Kathodenelement maximal die Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement aufweist und Stapeln von je einem bereitgestellten Anodenelement und einem bereitgestellten Kathodenelement mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen mittels einer Stapelvorrichtung, bis eine benutzerdefinierte Anzahl der Anodenelemente und Kathodenelemente mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen zu einem bündigen Stapel angeordnet sind. Auch gemäß Lösung von der Druckschrift
EP 2 706 592 A1 müssen beim Stapeln und Anordnen der einzelnen Elemente gewisse Vorkehrungen getroffen werden, sodass eine gewünschte Ausrichtung der Elemente erreicht werden kann. Insbesondere soll zudem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einzelnen Separatorelementen erreicht werden, wobei offen gelassen wird, inwiefern eine definierte Stapelung im Zuge des vorgestellten Verfahrens erreicht werden soll.
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Zukünftige Verfahren werden aber unter anderem auch daran gemessen werden, inwiefern die Kostenstruktur zu einem immer intensiveren Wettbewerb passt oder vereinbar ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen bereitzustellen, welches eine kostengünstigere Produktion und somit kostengünstige Produkte gewährleistet.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen, insbesondere von Anodenelementen und Kathodenelementen, bereitgestellt wird. Solch ein Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Bereitstellen von mindestens einem Anodenelement, Bereitstellen von mindestens einem Kathodenelement, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: Anordnen von jeweils zumindest einem Separatorelement auf sich gegenüberliegenden Seiten von einem jeweiligen Kathodenelement, wobei eine Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement identisch mit einer Außenform und deren Abmaße von jedem Anodenelement ist und wobei ein jeweiliges Kathodenelement maximal die Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement aufweist, Stapeln von zumindest je einem bereitgestellten Anodenelement und zumindest einem bereitgestellten Kathodenelement mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen in wechselnder Reihenfolge mittels einer Stapelvorrichtung, bis eine benutzerdefinierte Anzahl der Anodenelemente und Kathodenelemente mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen zu einem bündigen Stapel angeordnet ist. Aufgrund der identischen Außenform und deren Abmaße beziehungsweise allgemein einer identischen Geometrie von den Anodenelementen und den Separatorelementen, welche ja die Kathodenelemente umgeben, können komplexe Methoden zur Lageerkennung und Ausrichtung entfallen. Die Elemente können direkt gestapelt werden. Es lässt sich somit die Produktivität des Prozesses des Stapelns an sich mit dem vorgestellten Verfahren steigern. Auf diese Weise können zusätzliche Kosten von Ausrichtungsvorrichtungen oder derartigen Methoden eingespart werden, sodass ein kostengünstigeres Verfahren und somit letztendlich kostengünstige Produkte bereitgestellt werden können. Zusätzlich sind die Kathodenelemente durch die umgebenden Separatorelemente derart angeordnet, dass allgemein eine verbesserte Sicherheit erreicht werden kann. Die identischen Abmessungen führen zudem zu einer erhöhten Raumausnutzung. Die Kathodenelemente können in einer Ausführung maximal die Ausmaße und Außenform der Separatorelemente aufweisen, sodass sie entsprechend dennoch von zumindest je einem Separatorelement gegenseitig eingefasst sind. Der Begriff maximal ist hier als eine Obergrenze aufzufassen, sodass die jeweiligen Kathodenelemente auch kleiner und/oder eine kleinere Geometrie beziehungsweise eine kleinere Außenform und deren Abmaße im Vergleich zu den Separatorelementen aufweisen können.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Stapel von Elektrodenelementen bereitgestellt wird. Solch ein Stapel umfasst dabei mindestens ein Anodenelement und mindestens ein Kathodenelement, wobei jeweils zumindest ein Separatorelement auf sich gegenüberliegenden Seiten von einem jeweiligen Kathodenelement angeordnet ist, wobei eine äußere Konturabmessung von jedem Separatorelement identisch mit einer äußeren Konturabmessung von jedem Anodenelement ist. Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar in gleicher Weise für den vorgestellten Stapel von Elektrodenelementen.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Es ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Anordnen von dem jeweils zumindest einem Separatorelement auf sich gegenüberliegenden Seiten von dem Kathodenelement mittels Laminierung vollzogen wird. So eine Laminierung kann beispielsweise einzeln vollzogen werden, sodass jedes Kathodenelement für sich mit den entsprechenden Separatorelementen versehen wird. So ein Verbund von Kathodenelement mit zumindest jeweils einem Separatorelement auf sich gegenüberliegenden Seiten des Kathodenelements kann in diesem Zusammenhang auch als Laminat bezeichnet werden. Der Prozess der Laminierung sichert nicht nur eine effiziente und somit kostengünstige Herstellung, sondern ermöglicht zudem eine besonders gute Sicherheit in Bezug auf die eingeschlossenen Kathodenelemente.
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Ferner ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass nach und/oder während der Laminierung die Separatorelemente derart zugeschnitten werden, sodass eine Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement identisch mit einer Außenform und deren Abmaße von jedem Anodenelement ist. Diese Form von Laminierung kann beispielsweise dann vorgesehen sein, wenn größere Elemente von Separatorelementen vor der Anordnung an den Kathodenelementen vorhanden sind, welche dann vor oder während der Laminierung zugeschnitten werden. Dies kann in einer Produktionslinie mit dem eigentlichen Stapeln zusammen organisiert werden oder separat vor dem Stapeln vollzogen werden. Auf diese Weise lässt sich somit ein noch kostengünstigeres Verfahren erreichen.
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Auch ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Stapelvorrichtung mindestens zwei Transportvorrichtungen umfasst, wobei die erste Transportvorrichtung Kathodenelemente mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen zu einem traversierenden Magazinträger zuführt und die zweite Transportvorrichtung Anodenelemente zu dem traversierenden Magazinträger zuführt, sodass in dem traversierenden Magazinträger durch abwechselnde Zuführung von den zuvor genannten Elementen ein Stapel von Elektrodenelementen erstellt wird. Die vereinzelten und für den Stapelprozess vorbereiteten Elektroden werden direkt über die jeweiligen Transportvorrichtungen, welche beispielsweise in der Form von Vakuumbändern vorgesehen werden können, dem traversierenden Magazinträger zugeführt. Im Falle der durch die Separatorelemente eingefassten Kathodenelemente könnte dies zum Beispiel direkt nach dem Beschnitt erfolgen. Durch wechselseitiges Zuführen von Anoden und Laminaten (sprich den Kathodenelement/Separatorelementen-Verbund) erfolgt dann ein unmittelbarer Stapelaufbau, wobei eine entsprechende Führung des Magazinträgers die Ausrichtung der Elektroden gewährleistet. Die Transportvorrichtungen beziehungsweise Vakuumbänder können zudem leicht in Richtung des Magazinträgers geneigt sein, sodass mithilfe der Schwerkraft ein leichter Übergang von den Transportvorrichtungen auf den Stapel erfolgen kann. Es erfolgt somit beispielsweise keine zusätzliche Magazinierung der einzelnen Elemente vor dem eigentlichen Stapeln. Somit erfolgt beispielsweise mittig der zwei Transportvorrichtungen eine zeitgleiche Magazinierung und Stapelbildung der einzelnen Elemente zu einem Stapel von Elektrodenelementen. Vielmehr können somit durch eine direkte Hinführung zum Stapelprozess zusätzliche Kosten eingespart werden. Insgesamt lässt sich somit ein noch kostengünstigeres Verfahren bereitstellen. Insbesondere kann somit ein robustes Zuführsystem und ein kontinuierlicher Materialfluss bereitgestellt werden. Auch eine einfache und effiziente Anbindung an Vor-Prozesse ist somit sehr gut möglich.
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Zudem ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Stapelvorrichtung eine Laminationsvorrichtung umfasst, wobei die Laminationsvorrichtung ein Kathodenelementspeicher in Form einer Rollvorrichtung und mindestens zwei Separatorelementspeicher in Form von jeweiligen Rollvorrichtungen umfasst, sodass an gegenüberliegenden Seiten von jeweiligen Kathodenelementen mindestens ein Separatorelement angeordnet werden kann, und die Stapelvorrichtung außerdem einen Anodenelementspeicher in Form einer Rollvorrichtung und mindestens drei Transportsysteme umfasst, wobei ein erstes Transportsystem Anodenelemente und ein zweites Transportsystem Kathodenelemente mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen jeweils zu einem dritten Transportsystem zuführen, sodass in dem dritten Transportsystem durch abwechselndes Stapeln von Anodenelementen und Kathodenelementen mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen ein Stapel von Elektrodenelementen erstellt wird. Beispielsweise kann der Kathodenelementspeicher mittig zwischen den mindestens zwei Separatorelementspeichern derart angeordnet sein, sodass während eines Ausbringungsvorgangs oder Ausrollvorgangs von Kathodenelementen aus dem Kathodenelementspeicher entsprechend die Separatorelemente an sich gegenüberliegenden Seiten der Kathodenelemente angeordnet werden können. Die eigentliche Laminierung dieser einzelnen Bestandteile kann dann in einem weiteren Bereich der Laminationsvorrichtung vollzogen werden, wobei optional hier auch ein Zuschneideprozess stattfinden kann. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn es sich bei den Kathodenelementen und Separatorelementen beispielsweise um aufgerollte Materialien handelt, welche noch nicht die gewünschte passende Größe beziehungsweise Ausmaße und Geometrien aufweisen. Die einzelnen Transportsysteme können beispielsweise optional über eine Mehrzahl von Greifsystemen verfügen, mithilfe derer jeweils einzeln ein einziges Element ergriffen werden kann und dem Stapelprozess zugeführt werden kann. Die vereinzelten Elektroden werden beispielsweise direkt nach der Laminierung und dem Beschnitt über Linearantriebe mit darauf geführten und entkoppelten Greifsystemen zu einer dritten Transportvorrichtung zugeführt.
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Die ersten und zweiten Transportvorrichtungen können beispielsweise umlaufende Systeme mit einer gleichen Bewegungsrichtung sein. Die dritte Transportvorrichtung kann ebenfalls ein umlaufendes System sein, welches allerdings eine entgegengesetzte Bewegungsrichtung aufweist, sodass jeweilige Elemente von den ersten und zweiten Transportvorrichtungen entgegengenommen werden können und somit ein anfänglicher Stapelaufbau im Umlauf generiert werden kann. Die dritte Transportvorrichtung kann auch als zentrales Stapelträgersystem bezeichnet werden. Diese dritte Transportvorrichtung bewegt sich beispielsweise solange im Umlauf, bis der Stapel eine gewünschte Zielhöhe erreicht. Anschließend erfolgt das Ausschleusen der Stapel und zeitgleich das Zuführen neuer Stapelträger im Sinne eines kontinuierlichen Materialflusses. Optional kann zusätzlich je nach gewünschter Größe oder auch unabhängig von der Größe des zu erstellenden Stapels die dritte Transportvorrichtung den Stapeltransfer zum nächsten Prozess, beispielsweise einem Packprozess oder jeglicher weiteren Arbeitsstation im Zuge der Erstellung einer Batterie, gewährleisten.
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Auch ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Stapelvorrichtung einen Magazinträger mit Kathodenelementen mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen und einen Magazinträger mit Anodenelementen umfasst, wobei die Stapelvorrichtung ferner zwei gegenläufig drehbare Zuführsysteme umfasst, welche ausgelegt sind, jeweilige Anodenelemente und Kathodenelementen mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen von den jeweiligen Magazinträgern abwechselnd auf einen Stapel zu bewegen, sodass ein Stapel von Elektrodenelementen erstellt wird. So werden beispielsweise nach dem Vereinzeln die Elektroden/Laminate magaziniert und zwischengepuffert. Der Stapelaufbau erfolgt durch zwei rotierende Zuführsysteme, die über dem Stapelträger ineinandergreifen. Durch Synchronisation der zwei Systeme zueinander erfolgt der Stapelaufbau. Die Führung des Magazinträgers kann dabei die Ausrichtung der Elektroden/Laminate gewährleisten. Die drehbaren Zuführsysteme können optional Trennfächerelemente umfassen, sodass ein jeweiliges Element zumindest teilweise durch ein jeweiliges Trennfächerelement während des Drehvorgangs gehalten und zu dem Stapel geführt werden kann. Die Magazinträger können in Bezug auf das jeweilige Zuführsystem derart angeordnet sein, sodass ein jeweils oben in dem Magazinträger liegendes Element automatisch von dem jeweiligen Zuführsystem aufgenommen und transportiert werden kann. Somit kann das Verfahren besonders effizient und kostengünstig durchgeführt werden, wobei eine besonders gute Automatisierung der einzelnen Verfahrensschritte zu einem besonders effizienten und kostengünstigen Verfahren führt.
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Ferner ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Stapelvorrichtung einen Magazinträger mit Kathodenelementen mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen und einen Magazinträger mit Anodenelementen umfasst, wobei jeder Magazinträger zumindest ein erstes Luftdüsensystem umfasst, welches jeweils ausgelegt ist, ein oberstes Kathodenelement mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen oder Anodenelement anzuheben und wobei jeder Magazinträger ein drehbares Beförderungselement umfasst, welches ausgelegt ist, jeweilige angehobene Elemente von dem jeweiligen Magazinträger wegzubewegen, wobei die Stapelvorrichtung ferner zumindest zwei Transportsysteme mit jeweiligem zweitem Luftdüsensystem umfasst, sodass angehobene und von dem jeweiligen Magazinträger wegbewegte Kathodenelemente mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen und Anodenelemente abwechselnd auf einen Stapel bewegt werden, sodass ein Stapel von Elektrodenelementen erstellt wird. Das drehbare Beförderungselement kann beispielsweise ein im Wesentlichen kreisförmiges Element sein, welches zumindest eine Reibnocke umfasst, mit welcher ein jeweiliges einzelnes Element von dem Magazinträger in Richtung des jeweiligen zweiten Luftdüsensystem transportiert werden kann. Die zweiten Luftdüsensysteme können zudem in Bezug auf eine horizontale Ebene von dem jeweiligen Magazinträger leicht in Richtung des zu fertigenden Stapels geneigt sein, sodass mithilfe der Schwerkraft eine Zuführung der einzelnen Elemente zum Stapelaufbau vollzogen werden kann. Die zweiten Luftdüsensysteme können derart ausgelegt sein, dass eine Kissenbildung mithilfe der ausströmenden Luft in Richtung der aufliegenden Elemente erfolgen kann. Beispielsweise werden nach dem Vereinzeln die Elektroden/Laminate magaziniert und zwischengepuffert. Der Stapelaufbau erfolgt dann durch wechselseitiges Abfördern von Elektroden/Laminaten aus den zwei Magazinträgern. Die Abförderung erfolgt zum Beispiel durch besagte Reibnocken oder vergleichbare Elemente, wobei die Reibnocken mittels eines Exzenterantriebs die jeweils oberste Elektrodenlage abfördern können. Durch Synchronisation der zwei Systeme zueinander erfolgt der Stapelaufbau. Der Transport der Elektroden erfolgt auf Luftkissen. Zudem kann die Führung des Magazinträgers die Ausrichtung der Elektroden/Laminate gewährleisten. Auch auf diese Weise kann ein besonders effizientes und somit kostengünstiges Verfahren bereitgestellt werden.
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Es ist zudem in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Stapelvorrichtung zumindest ein Anschlagelement umfasst, welches ausgelegt ist, Anodenelemente und Kathodenelemente mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen bündig zueinander auszurichten. Auf diese Weise können die Elemente mit identischen Ausmaßen noch besser und effizienter gestapelt werden, sodass ein kostengünstiges Verfahren erreicht werden kann.
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Schlussendlich ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Stapelvorrichtung eine Absenkvorrichtung umfasst, sodass ein gefertigter Stapel von Elektrodenelementen während und/oder nach der Erstellung abgesenkt werden kann.
Auf diese Weise können bereits gefertigte Stapel derart abgesenkt werden, sodass oberhalb gleichzeitig mit einem weiteren Stapel begonnen werden kann. Somit kann ein Herstellungsprozess während des abwechselnd Aufeinanderstapelns der einzelnen Elemente zusätzlich begünstigt werden, sodass das zusätzlich ein kostengünstiges Verfahren auf diese Weise unterstützt werden kann.
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In den einzelnen vorgestellten Ausführungen des Verfahrens kann mit dem Stapelbau optional gleichzeitig auch ein Fixierungsschritt vollzogen werden. Somit kann in jedem Ausführungsbeispiel eine vereinfachte Fixierung der Elektroden und Laminate in dem Stapelträger vorgesehen werden, sodass der zu fertigende Stapel letztendlich als eine Produkteinheit einem weiteren Bestimmungszweck zugeführt werden kann. Eine stark vereinfachte Fixierung der Elektroden und Laminate in dem Stapelträger ist somit möglich, sodass eine maximierte Ausbringung erreicht werden kann. Ein Bestimmungszweck beziehungsweise eine Verwendung des Stapels von Elektrodenelementen kann beispielsweise in MEB Batteriezellen (MEB = Modularer Elektrobaukasten) aber auch in großformatigen Batteriezellen in mobilen und stationären Anwendungen, welche in hoher Stückzahl produziert werden, in Betracht gezogen werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Stapelvorrichtung für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen;
- 2 eine weitere Stapelvorrichtung für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen;
- 3 eine weitere Stapelvorrichtung für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen;
- 4 eine weitere Stapelvorrichtung für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen;
- 5 Stapel von Elektrodenelementen; und
- 6 ein Prozessablaufdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen.
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1 zeigt eine Stapelvorrichtung 10A für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen 12. Dabei sind zwei Transportvorrichtungen 14, welche jeweils links und rechts, bezogen auf die Bildebene, von einem traversierenden Magazinträger 16 angeordnet. Die Transportvorrichtungen 14 können beispielsweise in der Form von Vakuumbändern vorgesehen sein. Auf der linken Transportvorrichtung 14 sind drei einzelne Kathodenelemente 18 mit jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 zu erkennen. Auf der rechten Transportvorrichtung 14 sind drei einzelne Anodenelemente 22 zu erkennen. Mittig von den beiden Transportvorrichtungen 14 ist zudem ein einzelnes Anodenelement 22 zu erkennen, welches sich in einem Übergangsbereich 24 zwischen der rechten Transportvorrichtung 14 und dem traversierenden Magazinträger 16 befindet. Dieses Anodenelement 22 wird also gerade auf den oberen Stapel von Elektrodenelementen 12 platziert. Der oberen Stapel von Elektrodenelementen 12 befindet sich zudem auf einer Absenkvorrichtung 26 von dem traversierenden Magazinträger 16. Ein weiterer Stapel von Elektrodenelementen 12 ist in dem traversierenden Magazinträger 16 auf einer weiteren Absenkvorrichtung 26 unterhalb des oberen Stapels von Elektrodenelementen 12 dargestellt. Der traversierende Magazinträger 16 weist zwei Begrenzungswandungen 28 auf. Diese Begrenzungswandungen 28 sind derart voneinander beabstandet, sodass die einzelnen Elektrodenelemente, konkret die einzelnen Kathodenelemente 18, mit jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 und die Anodenelemente 22, entsprechend im Wesentlichen passend innerhalb dieser Begrenzungswandungen 28 bündig zu dem Stapel von Elektrodenelementen 12 gestapelt werden können. Die Transportvorrichtungen 14 sind in Richtung des traversierenden Magazinträgers 16 geneigt, wobei beispielsweise bezogen auf eine horizontale Ebene einer oberen Begrenzungskante 30 des traversierenden Magazinträgers 16 ein Winkel von 15°, insbesondere von 20°, insbesondere ein Winkel von 30° oder ein Winkel in einem Intervall zwischen 15° und 45° eingerichtet werden kann, sodass ein Transport der einzelnen Elemente aufgrund einer Schwerkrafteinwirkung begünstigt wird. Beispielsweise könnten die Transportvorrichtungen 14 in Form von Vakuumbändern jeweilige Elemente zurückhalten und mittels einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit entsprechend abwechselnd zwecks Bildung des Stapels freigeben, sodass aufgrund der Schwerkrafteinwirkung ein jeweiliges Element über den Übergangsbereich 24 benutzerdefiniert in Richtung des traversierenden Magazinträgers 16 bewegt wird, um somit letztendlich den vorgesehenen Platz in dem Stapel von Elektrodenelementen 12 einzunehmen. Mit dem Stapelaufbau kann zudem gleichzeitig eine Fixierung des Stapels an sich vollzogen werden.
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2 zeigt eine weitere Stapelvorrichtung 10B für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen 12. Diese Stapelvorrichtung 10B ist mit einer zugehörigen Laminationsvorrichtung 32 dargestellt. Die Laminationsvorrichtung 32 ist mit einem zugehörigen Kathodenelementspeicher 34 in Form einer Rollvorrichtung und zwei Separatorelementspeichern 36 in Form von jeweiligen Rollvorrichtungen dargestellt. Von dem Kathodenelementspeicher 34 wird Kathodenelementmaterial 38 abgerollt. Mittels einer Trennvorrichtung 40 werden benutzerdefinierte Kathodenelemente 18 aus dem Kathodenelementmaterial 38 hervorgebracht. Beispielsweise könnte dies mittels eines Schneidevorgangs geschehen. Von den zwei Separatorelementspeichern 36 wird jeweils Separatorelementmaterial 42 abgerollt und oberhalb und unterhalb (bezogen auf die Bildebene) dem jeweiligen Kathodenelement 18 zugeführt, sodass diese Komponenten zusammen einer Verarbeitungsstation 44 der Laminationsvorrichtung 32 zugeführt werden. In der Verarbeitungsstation 44 werden dann Kathodenelemente 18 mit auf sich gegenüberliegenden Seiten befindlichen Separatorelementen 20 gefertigt. Die Stapelvorrichtung 10B weist zudem einen Anodenelementspeicher 46 auf, welcher in der 2 unterhalb der Verarbeitungsstation 44 dargestellt ist. Von diesem Anodenelementspeicher 46 wird Anodenelementmaterial 48 abgerollt und von einer weiteren Trennvorrichtung 50 zu einzelnen Anodenelementen 22 weiterverarbeitet. Ein erstes Transportsystem 52 nimmt die einzelnen Anodenelemente 22 entgegen. Einzelne Greifsystemelemente 54 nehmen dabei jeweils ein Anodenelement 22 auf. Das erste Transportsystem 52 ist rotierend gestaltet und führt die Anodenelemente 22 mittels der Greifsystemelemente 54 zu einem Stapelgenerierungsbereich 56. Die Kathodenelemente 18 mit auf sich gegenüberliegenden Seiten befindlichen Separatorelementen 20 werden gleichzeitig von einem zweiten Transportsystem 58, welches ebenfalls rotierend ausgestaltet ist, mit dort angeordneten Greifsystemelementen 60 von der Verarbeitungsstation 44 in Richtung eines dritten Transportsystems 62 transportiert. Auch das dritte Transportsystem 62 ist rotierend dargestellt und weist ebenfalls jeweilige Greifsystemelemente 64 auf. So können die einzelnen Kathodenelemente 18 mit den angeordneten Separatorelementen 20 von dem zweiten Transportsystem 58 zu dem dritten Transportsystem 62 transportiert werden, wo sie übergeben werden und von dem dritten Transportsystem 62 ihrerseits zu dem Stapelgenerierungsbereich 56 transportiert werden. In dem Stapelgenerierungsbereich 56 können dann abwechselnd Kathodenelemente 18 mit den angeordneten Separatorelementen 20 und Anodenelemente gestapelt werden, sodass Stapel von Elektrodenelementen 12 generiert werden. Das dritte Transportsystem 62 bewegt sich also solange im Umlauf, wobei die einzelnen Elemente im Stapelgenerierungsbereich 56 entsprechend zueinander angeordnet werden, bis der zu fertigende Stapel eine Zielhöhe erreicht. Ein fertiger Stapel kann dann in einem Stapeltransferbereich 57 beispielsweise zu einem nächsten Prozess oder zu einer Lagerung weitertransportiert werden. Die einzelnen Transportsysteme 52, 58, 62 können beispielsweise jeweils in der Form eines extended Transport-Systems sein. Eine mögliche Vorschubgeschwindigkeit kann dabei bei 4 m/s liegen. Auch in dieser Variante kann mit dem Stapelaufbau zudem gleichzeitig eine Fixierung des Stapels an sich vollzogen werden.
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3 zeigt eine weitere Stapelvorrichtung 10C für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen 12. Die Stapelvorrichtung 10C weist dabei einen Magazinträger 66 mit Kathodenelementen 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 und einen Magazinträger 67 mit Anodenelementen 22 auf. Der Magazinträger 66 ist links (bezogen auf die Bildebene) dargestellt, wobei bezogen auf eine horizontale Bildebene eine Auflagefläche 68 des Magazinträgers 66 in einem Winkel größer als 45° angehoben dargestellt ist, sodass die auf der Auflagefläche 68 aufliegenden Kathodenelemente 18 leicht schräg gelagert sind. Unterhalb der Auflagefläche 68 ist ein Stützelement 70 des Magazinträgers 66 zu erkennen. Neben dem Magazinträger 66 ist ein drehbares Zuführsystem 72 dargestellt. Ein dargestellter Pfeil gibt dabei die Drehrichtung des Zuführsystems 72 an. Das drehbare Zuführsystem 72 weist in diesem Fall drei Trennfächerelemente 74 auf, wobei in jedem Trennfächerelement 74 ein Kathodenelement 18 mit angeordneten Separatorelementen 20 dargestellt ist. Die Trennfächerelemente 74 sind hier auf drei beschränkt. In nicht dargestellter Weise könnten es auch mehr als drei oder weniger Trennfächerelemente 74 sein. Die einzelnen Trennfächerelemente 74 weisen eine im Wesentlichen längliche Dreiecksform auf, wobei sie mit einer Breitseite mit dem Zuführsystem 72 verbunden sind und zwei Schenkel auf eine gegenüberliegende Spitze hinzu verlaufen. Mittels der Trennfächerelemente 74 werden die Kathodenelemente 18 mit angeordneten Separatorelementen 20 zu einem Stapel mit Elektrodenelementen 12 transportiert, welcher sich rechts von dem Zuführsystem 72 befindet. Rechts von dem Stapel mit Elektrodenelementen 12 ist ein weiteres Zuführsystem 76 dargestellt, welches ähnlich zu dem bereits beschriebenen Zuführsystem 72 ist. Lediglich eine Drehrichtung ist gegenläufig zu einer Drehrichtung des Zuführsystems 72. Das Zuführsystem 76 führt entsprechend Anodenelemente 22 ausgehend von dem Magazinträger 67 zu dem Stapel mit Elektrodenelementen 12. Mit anderen Worten ist die Stapelvorrichtung 10C ausgelegt mittels zwei gegenläufig drehbarer Zuführsysteme 72, 76 Anodenelemente 22 und Kathodenelementen 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 von den jeweiligen Magazinträgern 66, 67 abwechselnd auf einen Stapel von Elektrodenelementen 12 zu bewegen. Auch in dieser Variante kann mit dem Stapelaufbau zudem gleichzeitig eine Fixierung des Stapels an sich vollzogen werden.
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4 zeigt eine weitere Stapelvorrichtung 10D für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen 12. Die Stapelvorrichtung 10D weist einen Magazinträger 78 mit Kathodenelementen 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 und einen Magazinträger 80 mit Anodenelementen 22 auf. Die Magazinträger 78, 80 weisen jeweils eine Vorschubvorrichtung 82 auf, mit welcher die einzelnen Elemente, welche in den Magazinträgern 78, 80 aufliegen, nach oben transportiert werden. Jeder Magazinträger 78, 80 weist zumindest ein erstes Luftdüsensystem 84 auf, welches jeweils ausgelegt ist, ein oberstes Kathodenelement 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 oder Anodenelement 22 anzuheben und wobei jeder Magazinträger 78, 80 ein drehbares Beförderungselement 86 umfasst, welches ausgelegt ist, jeweilige angehobene Elemente von dem jeweiligen Magazinträger 78, 80 wegzubewegen. Die jeweiligen Beförderungselemente 86 weisen jeweils einen Nockenbereich 88 auf, mit welchem jeweilige Elemente zum Zwecke des Transports erfasst werden können. Die Beförderungselemente 86 sind zudem mit Pfeilen dargestellt, welche jeweils eine Drehrichtung von den Beförderungselementen 86 zeigen, wobei die Drehrichtungen von den jeweiligen Beförderungselementen 86 gegenläufig sind. Mit anderen Worten dreht sich das links dargestellte Beförderungselemente 86 gegen den Uhrzeigersinn und das rechts dargestellte Beförderungselement 86 dreht sich mit dem Uhrzeigersinn. Dabei können die Nockenbereiche 88 in nicht gezeigter Weise äußerlich jeweils ein Reibelement aufweisen, welches beispielsweise aus einem im Wesentlichen gummiartigen Material aufgebaut sein kann. Ferner ist die Stapelvorrichtung 10D mit zwei Transportsystemen 90, 92 dargestellt, welche jeweils ein zweites Luftdüsensystem 94, 96 aufweisen. Von dem jeweiligen Magazinträger 78, 80 können somit Kathodenelemente 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 und Anodenelemente 22 abwechselnd auf einen Stapel bewegt werden, sodass ein Stapel von Elektrodenelementen 12 erstellt wird. Auch in dieser Variante kann mit dem Stapelaufbau zudem gleichzeitig eine Fixierung des Stapels an sich vollzogen werden.
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5 zeigt einen Stapel von Elektrodenelementen 12. Im Detail sind ein Anodenelement 22 und ein Kathodenelement 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 dargestellt. Das dargestellte Kathodenelement 18 ist dabei kleiner dimensioniert als die oben und unten jeweils angeordneten Separatorelemente 20. Die Separatorelemente 20 wiederum sind derart dimensioniert, sodass eine Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement 20 identisch mit einer Außenform und deren Abmaße von dem Anodenelement 22 ist.
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6 zeigt ein Prozessablaufdiagramm 100 für ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels von Elektrodenelementen 12. Im ersten Schritt 110 wird mindestens ein Anodenelement 22 bereitgestellt. Im zweiten Schritt 120 wird mindestens ein Kathodenelement 18 bereitgestellt. Im dritten Schritt wird jeweils zumindest ein Separatorelement 20 auf sich gegenüberliegenden Seiten von einem jeweiligen Kathodenelement 18 angeordnet, wobei eine Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement 20 identisch mit einer Außenform und deren Abmaße von jedem Anodenelement 22 ist und wobei ein jeweiliges Kathodenelement 18 maximal die Außenform und deren Abmaße von jedem Separatorelement 20 aufweist. Im vierten Schritt 140 wird das Stapeln von zumindest je einem bereitgestellten Anodenelement 22 und zumindest einem bereitgestellten Kathodenelement 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 in wechselnder Reihenfolge mittels einer Stapelvorrichtung 10A, B, C, D vollzogen, bis eine benutzerdefinierte Anzahl der Anodenelemente 22 und Kathodenelemente 18 mit den jeweiligen angeordneten Separatorelementen 20 zu einem bündigen Stapel von Elektrodenelementen 12 angeordnet ist. Mit dem Stapelaufbau kann zudem gleichzeitig eine Fixierung des Stapels an sich vollzogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10A
- Stapelvorrichtung
- 10B
- Stapelvorrichtung
- 10C
- Stapelvorrichtung
- 10D
- Stapelvorrichtung
- 12
- Stapel von Elektrodenelementen
- 14
- Transportvorrichtung
- 16
- traversierender Magazinträger
- 18
- Kathodenelement
- 20
- Separatorelement
- 22
- Anodenelement
- 24
- Übergangsbereich
- 26
- Absenkvorrichtung
- 28
- Begrenzungswandung
- 30
- Begrenzungskante
- 32
- Laminationsvorrichtung
- 34
- Kathodenelementspeicher
- 36
- Separatorelementspeicher
- 38
- Kathodenelementmaterial
- 40
- Trennvorrichtung
- 42
- Separatorelementmaterial
- 44
- Verarbeitungsstation
- 46
- Anodenelementspeicher
- 48
- Anodenelementmaterial
- 50
- Trennvorrichtung
- 52
- Transportsystem
- 54
- Greifsystemelement
- 56
- Stapelgenerierungsbereich
- 57
- Stapeltransferbereich
- 58
- Transportsystem
- 60
- Greifsystemelement
- 62
- Transportsystem
- 64
- Greifsystemelement
- 66
- Magazinträger
- 67
- Magazinträger
- 68
- Auflagefläche
- 70
- Stützelement
- 72
- Zuführsystem
- 74
- Trennfächerelement
- 76
- Zuführsystem
- 78
- Magazinträger
- 80
- Magazinträger
- 82
- Vorschubvorrichtung
- 84
- Luftdüsensystem
- 86
- Beförderungselement
- 88
- Nockenbereich
- 90
- Transportsystem
- 92
- Transportsystem
- 94
- Luftdüsensystem
- 96
- Luftdüsensystem
- 100
- Prozessablaufdiagramm
- 110
- erster Schritt
- 120
- zweiter Schritt
- 130
- dritter Schritt
- 140
- vierter Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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