DE102019135308A1

DE102019135308A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste

Info

Publication number: DE102019135308A1
Application number: DE102019135308.4A
Authority: DE
Inventors: Max Kory; Deniz Bozyigit; Martin Ebner
Original assignee: Battrion AG
Current assignee: Battrion AG
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: US20220384777A1; JP2023507213A; CN114829022A; KR20220127835A; EP4076773A1; WO2021122348A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste (13a, 23a), umfassend: Bereitstellen der Paste (13a, 23a), welche in der Paste ausrichtbare Partikel umfasst, wobei die Paste insbesondere Partikel auf Kohlenstoffbasis, vorzugsweise Graphit, und/oder einen volatilen Stoff, umfasst, sowie Aussetzen der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss eines Kraftfelds, sodass die Partikel durch die Wechselwirkung mit dem Kraftfeld eine Kraft erfahren, durch welche die Partikel relativ zu den Feldlinien des Kraftfeldes ausgerichtet werden. Zur Kosteneinsparung und Verbesserung der Produktivität ist eine Erwärmung der Paste (13a, 23a), um zumindest zeitweilig die Viskosität der Paste (13a, 23a) herabzusetzen und die benötigte Ausrichtungszeit für die Ausrichtung der Partikel im Kraftfeld zu verringern, wobei die Erwärmung der Paste (13a, 23a) vor dem Aussetzen und/oder während des Aussetzens der Paste unter den Einfluss des Kraftfelds durchgeführt wird, vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste sowie ferner ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtung eines Trägers, insbesondere bei der Fertigung von Graphit-beschichteten Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien.
Im Stand der Technik werden derartige Verfahren, bei denen Partikel in einer Paste ausgerichtet werden, beispielsweise bei der Herstellung negativer Elektroden für schnell-ladende Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Eine derartige Ausrichtung kann beispielsweise unter Applizierung magnetischer Felder auf die auf den Träger aufgebrachte Schicht aus der entsprechenden Paste bewirkt werden, wie es zum Beispiel in der WO 2018/047054 A1 beschrieben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren, insbesondere Herstellungs- und Beschichtungsverfahren, die als Verfahrensschritt die Ausrichtung derartiger Partikel in einer Paste vorsehen, im Hinblick auf Kosten und Produktivität verbessern zu können.
Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 sowie durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Die Erfindung löst diese Aufgabe, den ständig wachsenden Anforderungen in Bezug auf Kosten und Produktivität genügen zu können, indem sie ein solches Verfahren zur Ausrichtung der Partikel in der Paste derart weiterentwickelt, dass es in ein kontinuierliches Verfahren, wie beispielsweise ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren integriert werden kann. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausrichtung verschiedenartiger Partikel in einer Paste verwendet werden. Das Verfahren lässt sich zum Beispiel als Teil eines Prozesses zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien anwenden, genauer gesagt zur Herstellung von Elektroden (für die hier verwendeten elektrochemischen Zellen: negativen Elektroden). Bei der Lithium-Ionen-Batterie (bzw. -Akkumulator) umfasst die Anode eine Graphitschicht, in welche Lithium-Ionen interkalieren. Beim Entladevorgang gibt diese Anordnung Elektronen ab, die über den externen Stromkreis, welcher durch die Zelle gespeist werden soll, zur Kathode fließen. Gleichzeitig wandern Lithium-Kationen aus der Interkalationsschicht durch den Elektrolyten der Zelle zur Kathode. Um den Akku später wieder aufladen zu können, wird der Vorgang umgekehrt, wobei die Lithium-Kationen von der Katode wieder in Richtung Anode wandern müssen.
Die schichtartige Struktur des verwendeten Graphits setzt sich aus Graphitpartikeln zusammen, die oftmals in Plättchenform vorliegen. Nach dem Auftragen der Graphitschichten erfolgt meist eine parallele Ausrichtung der Graphitpartikel zur Oberfläche, auf welcher diese aufgetragen wurden. Bei der Wanderung der Lithium-Kationen durch diese Schicht hindurch müssen die Lithium-Ionen um diese Plättchen herum wandern, was zu verworrenen Porengängen und zu vergleichsweise großen Pfadlängen beim Diffundieren der Lithium-Ionen führt. Aus diesem Grunde hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Graphitpartikel auszurichten:

- Zum einen in der Weise, dass die plättchenförmigen Partikel mit ihrer Längsachse, die entlang der längeren Seite der Blättchen vorliegt, möglichst senkrecht zur Oberfläche des Träger ausgerichtet sind.
- Zum anderen kann in vorteilhafter Weise die Ausrichtung so erfolgen, dass die Plättchen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Anode möglichst hintereinander angeordnet bzw. aufgereiht sind.

Dadurch können die Pfadlängen bei der Wanderung der Lithium-Ionen deutlich verkürzt werden. Dies wirkt sich insbesondere in vorteilhafter Weise dadurch aus, dass der Aufladevorgang zeitlich durch diese Maßnahme sehr stark verkürzt werden kann, weil die Ionen weniger Zeit zum diffundieren und somit die Zelle auch weniger Zeit zur Aufladung benötigt.
Nicht zuletzt kann durch die Verkürzung der Diffusionspfadlängen durch Ausrichtung der Partikel auch die Leistung der Batterie deutlich verbessert werden, da beim Entladevorgang die entsprechenden Ladungsträger kürzere Wege zurücklegen müssen und schneller wandern können. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass durch diese Maßnahme die Lebenszeit der Batterien in der Praxis auch verbessert wird.
Bei der industriellen Fertigung von Anoden werden zum Teil aus diesem Grund auch plättchenförmige Graphitpartikel abgerundet. Diese Maßnahme besitzt jedoch den Nachteil, dass zum einen ein zusätzlicher Herstellungsschritt benötigt wird, zum anderen dabei aber auch große Mengen an Graphitmaterial verloren gehen.
Die Ausrichtung der Partikel kann dadurch vorgenommen werden, dass die Paste mit den darin befindlichen Partikeln einem Kraftfeld ausgesetzt wird. Aufgrund ihrer Anisotropie lassen sich die diamagnetischen Graphit-Partikel in einem Magnetfeld ausrichten, wobei zeitlich bzw. örtlich veränderbare magnetische Felder eingesetzt werden.
Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch für weitere Anwendungsfälle eingesetzt werden, bei denen sonstige Partikel
in einer Paste auszurichten sind. Zum Beispiel kann es sich dabei auch um andere magnetisch beeinflussbare Partikel, wie z.B. magnetische Nanopartikel oder Partikel wie beispielsweise Alumina oder Bornitrid, die mit magnetisch beeinflussbaren Partikeln gekoppelt sind, handeln.
Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausrichtung von Partikeln in der entsprechenden Paste zunächst das Bereitstellen der Paste mit den darin befindlichen ausrichtbaren Partikeln. Wie bereits dargestellt, kann es sich dabei zum Beispiel um Partikel auf Kohlenstoffbasis, wie zum Beispiel aus Graphit handeln. Ferner kann die Paste einen volatilen Stoff umfassen. Bei Anwendung des Verfahrens im Zusammenhang mit der Fertigung von Anoden für Lithium-Ionen-Batterien wird eine wässrige Suspension von Graphitpartikeln mit CMC (Carboxymethylcellulose) angerührt und anschließend ein SBR-Binder (Styrol-Butadien-Kautschuk-Latex-Binder) hinzugefügt. Die CMC sorgt einerseits als Oberflächenmodifizierer dafür, dass Graphitpartikel im Wasser gut dispergieren, zum anderen sorgen die CMC-Ketten dafür, dass die entstehende Suspension die Basis für eine stabile Viskosepaste bildet, die wenig Sedimentation aufweist und gleichzeitig bei hohen Scherraten dünnflüssig genug ist, um blasenfrei auf einer Oberfläche (z.B. mit einer Schlitzdüse) aufgetragen werden zu können. Der SBR-Binder sorgt dafür, dass die aufgetragene Beschichtung auf der Trägerfolie haftet und die Beschichtung genügend Elastizität aufweist. Bei dieser Anwendung wird als volatiler Stoff somit Wasser verwendet. Der Wasseranteil kann grundsätzlich aus der Paste heraus verdunsten, vor allem dann, wenn die Umgebungstemperatur der Paste erhöht wird.
Zur Ausrichtung der Partikel in der Paste wird diese unter den Einfluss eines Kraftfeldes gestellt, sodass die Partikel durch die Wechselwirkung mit dem Kraftfeld eine Kraft erfahren, die zu deren Ausrichtung relativ zu den Feldlinien des Kraftfeldes führen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich nun dadurch aus, die Paste zu erwärmen, um zumindest zeitweilig die Viskosität der Paste herabzusetzen und die benötigte Ausrichtungszeit zur Ausrichtung der Partikel im Kraftfeld zu verringern. Dementsprechend erfolgt die Erwärmung der Paste bevor bzw. während diese unter den Einfluss des Kraftfeldes gestellt wird. Wird die Paste bereits erwärmt, bevor sie dem Kraftfeld ausgesetzt ist, so kann diese Maßnahme den Vorteil besitzen, dass die Viskosität in der vorgewärmten Paste bereits reduziert ist, wenn begonnen wird, die Partikel auszurichten. Je höher die Viskosität ist, desto zähflüssiger ist die Umgebung der Partikel und desto mehr Zeit wird benötigt, damit sich die Partikel dem Kraftfeld entsprechend ausrichten können. Neben der Temperatur ist die Viskosität auch vom Feststoffgehalt der Paste abhängig. In vorteilhafter Weise wird infolge dieser Verkürzung der Ausrichtungszeit ermöglicht, diesen Verfahrensschritt der Ausrichtung der Partikel innerhalb der Paste auch in einem Produktionsprozess besser integrieren zu können. Denn das mit Paste beschichtete Trägermaterial muss nicht mehr aus dem Prozess separiert werden, um aufgrund der Länge dieses Arbeitsschritts getrennt die Ausrichtung der Partikel vorzunehmen. Vielmehr kann der Ausrichtungsschritt auch in ein Fließband- bzw. in ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren eingebunden werden. Es kann Zeit eingespart werden, die Produktivität erhöht und somit können insbesondere auch die Kosten verringert werden. Darüber hinaus können auch höhere Ausrichtungsgrade der Partikel in der Paste erzielt werden, weil die Partikel in der niedrigviskosen Umgebung leichter durch ein Kraftfeld gedreht werden können.
Die Erwärmung der Paste kann im Übrigen auch zu weiteren technischen Zwecken eingesetzt werden. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Erwärmung der Paste auch zum Trocknen der Paste eingesetzt werden, was insbesondere auch dazu führen kann, dass die Partikel in der Paste nach ihrer Ausrichtung auch in dieser Position verbleiben. Die Erwärmung der Paste kann somit zusätzlich auch nach dem Aussetzen der Paste unter den Einfluss des Kraftfeldes erfolgen. Wird die Paste getrocknet, wird grundsätzlich auch ihre Viskosität wiederum erhöht, d.h. die Partikel werden zunehmend immobilisiert und verbleiben schließlich in der Position, in die sie sich bei der Ausrichtung gedreht haben. Beim Erwärmen bzw. Trocknen entweicht in der Regel der volatile Stoff. In diesem Zusammenhang ist darauf zu achten, welcher Effekt im Zusammenhang mit der Erwärmung der Paste bewirkt wird und unter welchen Bedingungen dieser Effekt erzielt werden kann. Die Erwärmung an sich führt grundsätzlich zur Herabsetzung der Viskosität. Geht diese Erwärmung aber mit einem erhöhten Verlust des volatilen Stoffs in der Paste einher, so führt dies wiederum zum gegenteiligen Effekt, nämlich einer Zunahme der Viskosität und somit auch zu einer immer stärkeren Immobilisierung der in der Paste befindlichen Partikel.
Insofern kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Erwärmung der Paste zusätzlich dazu verwendet werden, den volatilen Anteil in der Paste zu reduzieren und/oder die Viskosität der Paste nach der zeitweiligen Herabsetzung der Viskosität wieder zu erhöhen, um insbesondere Beweglichkeit der Partikel in der Paste zu reduzieren. Ein rascher Trocknungsprozess, der sich an die Ausrichtung der Partikel anschließt, kann aber auch dazu beitragen, dass der sich anschließende Teil des Produktionsprozesses auch kontinuierlich fortgesetzt werden kann.
Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass der Ausrichtvorgang gemäß der Erfindung und die beschriebene, sich anschließende Immobilisierung in der Regel auch hinsichtlich einer weiteren Bearbeitung ein stabiles Ergebnis liefern, zum Beispiel, wenn derartige Proben bzw. beschichtete Träger noch verpresst werden müssen; die Ausrichtung der Partikel in der Paste kann dennoch weitgehend erhalten bleiben.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die Trocknungsrate der Paste festgesetzt bzw. angepasst werden. Beispielsweise liefert ein Bereich der Trocknungsrate zwischen 0-50 mg/(cm² × min), insbesondere zwischen 0-30 mg/(cm² × min), vorzugsweise zwischen 0-16 mg/(cm² x min) praktikable Werte. Die auf einem Träger ausgebreitete Paste besitzt eine große Oberfläche, was bereits grundsätzlich das Austreten des volatilen Stoffs aus der Paste begünstigt. Dies führt entsprechend im Allgemeinen zur Erhöhung der Viskosität. Die Trocknung der Paste ist grundsätzlich aber erst dann erwünscht, wenn die Partikel in der Paste bereits ausgerichtet sind. Vorher würde eine derartige Trocknung dazu führen, dass Partikel aufgrund der erhöhten Viskosität in der Paste nur (wenn überhaupt) schwieriger und zeitaufwendiger ausgerichtet werden könnten. Aus diesem Grund kann es von Vorteil sein, die Trocknungsrate entsprechend anzupassen. Vor bzw. während der Ausrichtung kann die Trocknungsrate entsprechend verringert werden.
Eine Möglichkeit zur Anpassung der Trocknungsrate an eine erhöhte Umgebungstemperatur besteht darin, die Paste zum Beispiel einer erhöhten Umgebungsluftfeuchtigkeit auszusetzen. Ist der Dampfdruck in der Umgebung höher, so tritt weniger volatiler Stoff (z.B. Wasser) aus der Paste in die Umgebungsluft aus. Im Allgemeinen kann der volatile Stoff in erhöhter Konzentration in die Umgebung der Paste gebracht werden, um zu vermeiden, dass dieser infolge der höheren Temperatur vermehrt aus der Paste austritt. Der volatile Stoff kann z.B. verdampft und in die Umgebung der Paste gebracht werden, wobei die Umgebungsluftfeuchtigkeit aus der Paste mit dem volatilen Stoff selbst stammen kann.
Die Anpassung der Trocknungsrate kann also beispielsweise durch Dampf, über eine Düse, über sonstige Arten der Vernebelung usw. erfolgen. Grundsätzlich kann auch mit dem Umgebungsdruck gearbeitet werden, denn die Trocknungsrate wird in der Regel auch durch Erhöhung des Drucks, dem die Paste ausgesetzt ist, gesenkt.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann die Paste vor, während oder nach der Erwärmung einer bestimmten Trocknungsrate, die entsprechend angepasst wird, ausgesetzt werden. Gleiches gilt für das Aussetzen der Paste unter den Einfluss des Kraftfeldes: Auch hier kann die Trocknungsrate sowohl vor, während oder nach Aussetzen der Paste unter den Einfluss des Kraftfeldes angepasst werden. Die Wahl der Maßnahme hängt im Wesentlichen davon ab, wie im zeitlichen Ablauf einerseits die Ausrichtung der Partikel getriggert, andererseits der Trocknungsprozess der Paste zeitlich eingebunden werden muss.
Die Trocknung setzt vorteilhafterweise bei einem Fertigungsverfahren auch nicht zu spät ein, da sonst eine Einbettung in den kontinuierlichen Prozess aufgrund der Verzögerung schwierig wäre und eine zu späte Immobilisierung der ausgerichteten Partikel, vor allem im Laufe der Fortsetzung des Herstellungsverfahrens, dazu führen könnte, das ein Teil der Partikel seine Ausrichtung wiederum verliert.
Zur Anpassung der Trocknungsrate sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. Zumindest zeitweise kann die Paste in eine Kammer gebracht werden, welche dafür sorgt, dass das Umgebungsvolumen begrenzt ist, um die Trocknungsrate somit einfacher anpassen zu können. Erfolgt beispielsweise die Anpassung der Trocknungsrate über die Anpassung der Umgebungsluftfeuchtigkeit, muss diese nur innerhalb der Kammer entsprechend eingestellt werden. Dies besitzt auch den Vorteil, dass die Trocknungsrate vergleichsweise homogen im Umgebungsvolumen angepasst werden kann, und somit auch in Bezug zur Strecke, über welche die Paste durch die Kammer transportiert wird. Wie bereits dargestellt, kann je nach Ausführungsform zum Beispiel Wasserdampf verwendet werden, der durch Erhitzen erzeugt wird oder über eine Düse durch Vernebelung in die Umgebung gebracht wird. Grundsätzlich kann die Umgebungsluftfeuchtigkeit auch angepasst werden, indem in die Kammer eine bestimmte gesättigte Salzlösung gebracht wird, die dafür sorgt, dass nach einer gewissen Zeit die Umgebungsluftfeuchte einen bestimmten konstanten Wert erhält.
Die Höhe der Luftfeuchtigkeit hängt insbesondere von der Wahl der Salzlösung ab. Denkbar ist auch, die Trocknungsrate über eine Druckerhöhung anzupassen. Auch dies kann in vorteilhafter Weise in einer Kammer erfolgen.
Als Paste kann insbesondere als Ausgangsmaterial eine Suspension verwendet werden, insbesondere eine wässrige Suspension, also ein Gemenge flüssiger und fester Bestandteile. Der flüssige Bestandteil oder ein Teil davon, beispielsweise Wasser, kann dann der Volatilitätsbestandteil sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eines der Ausführungsbeispiele kann insbesondere zur Herstellung von Beschichtungen eines Trägers, vorzugsweise bei der Fertigung von Graphit-beschichteten Anoden für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, nachdem die Paste auf den beschichteten Träger aufgetragen wurde. In vorteilhafter Weise lässt sich somit die Produktivität verbessern und die Kosten erniedrigen, wenn durch die Erfindung ein entsprechender Verfahrensschritt zur Ausrichtung in ein kontinuierliches Verfahren wie beispielsweise ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren integriert werden kann.
Eine entsprechende Vorrichtung zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste gemäß der Erfindung umfasst somit zumindest eine Kraftquelle, um die Paste einem Kraftfeld auszusetzen, sodass die Partikel durch die Wechselwirkung mit dem Kraftfeld eine Kraft erfahren, durch welchen sie relativ zu den Feldlinien ausgerichtet werden können sowie ferner eine Heizvorrichtung. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Infrarotlampe, ein Heizgebläse, beheizte Rollen, die zum Transport des Trägers dienen, eine induktive Wärmequelle, eine Mikrowelle oder auch um heißen Wasserdampf handeln. Heißer Wasserdampf ermöglicht gleichzeitig in vorteilhafter Weise, dass auch das wohl aktive Medium, sofern es sich dabei um Wasser handelt, auch zugeführt wird, also neben der Erwärmung auch dafür gesorgt wird, dass die Trocknungsrate vergleichsweise gering bleibt. Die Heizvorrichtung wird so in Bezug zur Kraftquelle angeordnet oder ist derart kontrollierbar, dass die Paste vor dem Aussetzen bzw. während des Aussetzens der Paste unter den Einfluss des Kraftfeldes erwärmt wird
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann es sich beim Kraftfeld um ein Magnetfeld handeln, sodass zum Beispiel magnetisch anisotrope Graphitpartikel sich danach ausrichten können. Das Magnetfeld, welches erzeugt wird, kann örtlich bzw. zeitlich veränderbar sein. Bei diamagnetischen Graphitpartikeln begünstigt dies über eine Transportstrecke hinweg die Ausrichtung. Beispielsweise können bei der Herstellung von Anoden für Lithium-Ionen-Batterien zeitlich bzw. örtlich veränderbare Felder erzeugt werden, indem Permanentmagnete in sogenannte Boards aneinander gereiht werden, sodass sich die Feldstärke gegenüber einem einzelnen Permanentmagnet erhöht und so angeordnet werden, das die Feldlinien dem gewünschten Feldverlauf entsprechen. Permanentmagnete können in der Regel relativ günstig erworben werden. Sie können in einfachen Führungen stangenartig zusammengesetzt werden, und durch deren Orientierung bzw. Anordnung der Stangen wiederum kann somit ein örtlich sich änderndes Feld erzeugt werden. Die Boards sind in der Regel mindestens so breit wie die Breite der Transportstrecke, sodass quer zur Transportrichtung über den Träger hinweg ein homogenes Feld vorliegt. Wird eine Probe über ein derartiges, örtlich veränderbares Wechselfeld geführt, so entsteht für einen bestimmten Aufpunkt auf der Probe / dem Träger beim Transport der Probe über das örtlich veränderte Magnetfeld ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld. Durch die Verwendung von Permanentmagneten können Kosten, insbesondere auch Stromkosten (im Unterschied z.B. zu einer elektrischen Erzeugung eines Magnetfeldes, etwa durch eine Spulenanordnung) eingespart werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung begünstigen es vor allem, dass die Probe bzw. der Träger von einem Produktionsschritt unmittelbar zum nächsten transportiert wird, also eine Einbettung in einen kontinuierlichen Fertigungsprozess möglich ist. Insbesondere kann der Träger mit der darauf aufgebrachten Paste über Rollen über die Kraftfeldquelle, über das örtlich veränderliche Feld geführt werden, sodass aus Sicht der Paste ein zeitlich veränderliches Feld vorliegt. Dies erleichtert die Integration der Schritte in einen Herstellungsprozess und ermöglicht eine Zeiteinsparung.
Der Erwärmungsvorgang, mit dem zunächst die Viskosität der Paste zum einfacheren Ausrichten der Partikel herabgesetzt wird, kann über eine Heizvorrichtung erfolgen. Diese wiederum kann auch so angeordnet bzw. kontrolliert werden, dass die Paste auch noch nach Ausrichtung der Partikel im Kraftfeld weiterhin erwärmt wird, um die Paste zu trocknen. Hierdurch wird eine Immobilisierung der Partikel ermöglicht, d.h. es wird verhindert, dass die ausgerichteten Partikel ihre Orientierung verlieren.
Ferner kann bei einer Weiterbildung der Erfindung die Kammer als Feuchtigkeitskammer mit einer Luftfeuchtigkeitsquelle ausgebildet sein, um eine bestimmte Trocknungsrate zu erzeugen und die Verdampfung der volatilen Stoffe aus der Paste zu reduzieren, wobei die Feuchtigkeitskammer so angeordnet ist, dass die Paste wenigstens zeitweise durch die Transportvorrichtung durch die Kammer hindurch transportiert wird.
Die Anpassung der Trocknungsrate kann grundsätzlich dem Effekt entgegenwirken, dass die Paste infolge der Erwärmung den volatilen Stoff als Bestandteil verliert. Wird der Trocknung der Paste entgegengewirkt, so begünstigt dies die Beweglichkeit der Partikel, um diese ausrichten zu können. Wird die Trocknung verstärkt, so begünstigt dies grundsätzlich die Immobilisierung der Partikel. Je nachdem, welcher Effekt gewünscht ist, kann die Anpassung der Trocknungsrate also vor, während und/oder nach Aussetzen der Paste unter den Einfluss des Kraftfeldes bzw. vor, während und/oder nach der Erwärmung der Paste erfolgen. Auch diese Maßnahme erleichtert die Integration in einen Fertigungsprozess und erhöht die Produktivität; denn je schneller die Partikel ausgerichtet und anschließend immobilisiert werden, desto leichter ist die Implementierung in die kontinuierliche Fertigung.
Die Trocknungsrate bzw. Parameter, welche die Trocknungsrate beeinflussen, wie Temperatur, Luftfeuchte oder der Umgebungsdruck, dem die Paste ausgesetzt ist, können durch eine Kontrollvorrichtung beeinflusst werden. Eine Kontrolle bedeutet grundsätzlich ein Steuern und/oder Regeln. Zu diesem Zweck kann sich die Kontrollvorrichtung verschiedener Sensoren bedienen, beispielsweise entsprechender Temperatursensoren, Hygrometer, Druckmessgeräte (Barometer) oder dergleichen, um die Umgebungseigenschaften um die Paste herum oder auch in der Paste messen zu können. Hierdurch kann eine besonders konstante Regelung erfolgen, sodass die Proben mit gleichbleibender Qualität gefertigt werden können. Die Kontrollvorrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, einzelne Geräte wie Luftfeuchtigkeitsquellen, Heizvorrichtungen oder Teile der Kraftfeldquelle ganz abzuschalten.
Die Feuchtigkeitskammer kann gegebenenfalls auch in verschiedene Zonen aufgeteilt sein. Hierzu kann es sich anbieten, eine Einteilung in Teilkammern vorzunehmen, wobei insbesondere die Transportvorrichtung die Paste bzw. den mit der Paste beschichteten Träger durch die entsprechenden Teilkammern nacheinander hindurchführt. Hierdurch ist es auch denkbar, die Ausrichtung und die Trocknung der Paste gezielter anpassen zu können.
Beispielsweise kann in der ersten Teilkammer eine Erwärmung mit gleichzeitiger Reduzierung der Trocknungsrate, sei es durch Druckerhöhung oder durch Erhöhung der Luftfeuchtigkeit, erfolgen. Diese Bedingungen werden solange aufrechterhalten, wie die Partikel ausgerichtet werden. Anschließend, wenn die Partikel ausgerichtet sind, soll eine möglichst rasche Trocknung erfolgen, um die Ausrichtung der Partikel zu fixieren bzw. die Partikel zu immobilisieren, sodass der Träger mit Beschichtung bzw. die Paste sogleich weiterverarbeitet, zum Beispiel gepresst werden kann.
Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung kann auch die Kammer oder wenigstens eine der Teilkammern mit einem Gas, insbesondere einem anderen Gas als Luft befüllt bzw. geflutet werden. Gegebenenfalls kann hierdurch das Entweichen eines volatilen Stoffs aus der Paste beeinflusst, insbesondere reduziert werden. Im Übrigen kann in der Kammer oder wenigstens einer der Teilkammern die Trocknungsrate der volatilen Komponente dadurch reduziert werden, dass die Temperatur des über der Paste befindlichen Gases reduziert wird, da grundsätzlich die geringere Temperatur des Gases zu einer geringeren Aufnahme des volatilen Stoffs aus der Paste im darüber befindlichen Gas führt.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausrichtung von Partikeln gem. der Erfindung,
2: eine weitere Vorrichtung zur Ausrichtung von Partikeln gem. der Erfindung, die eine Anpassung der Luftfeuchtigkeit mit Regelung vorsieht, sowie
3: eine Vorrichtung zur Ausrichtung von Partikeln gem. der Erfindung, die eine Anpassung der Luftfeuchtigkeit mit Regelung vorsieht, ein entsprechender Abschnitt der Fertigungsstrecke aber in einzelne Zonen bzw. Teilkammern mit individueller Regelung unterteilt ist.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste gemäß einem grundsätzlichen Aufbau. Diese Vorrichtung 1 umfasst eine Transportvorrichtung 2 für einen Rolle-zu-Rolle-Transport. Über diese Rollen 2 wird ein Träger 3 transportiert, der mit der Paste beschichtet ist. Die Transportvorrichtung 2 zeigt bereits, dass der hier dargestellte Verfahrensschritt als Teil in einen kontinuierlichen Produktionsprozess eingebettet werden kann und der Träger, der zu bearbeiten ist, von Bearbeitungsstation zu Bearbeitungsstation geführt wird.
In 1 wird der beschichtete Träger über die Transportvorrichtung 2 zeitweise in eine Kammer 4 eingebracht, damit der Träger 3 innerhalb dieser Kammer 4 bestimmten Umgebungseigenschaften (z.B. einer bestimmten Luftfeuchtigkeit, einem bestimmten Druck oder dergleichen) ausgesetzt wird. Im Bereich der Kammer 4 ist der Träger 3 einem Kraftfeld ausgesetzt, welches mittels einer Kraftfeldquelle 5 in der Kammer 4 in der Nähe des Trägers 3 erzeugt wird. Diese Kraftfeldquelle 5 kann eine Ausrichtung der Partikel in der Paste bewirken. Darüber hinaus ist eine Heizvorrichtung 6 vorgesehen, welche dafür sorgt, dass der beschichtete Träger 3 erwärmt wird und die Paste an Viskosität verliert, sodass die darin befindlichen Partikel leichter und schneller ausgerichtet werden können. Die Ausrichtung kann insofern in vorteilhafter Weise in der Zeit erfolgen, in der sich der entsprechende Abschnitt des Trägers 3, der über die Transportvorrichtung 2 fortlaufend bewegt wird, in der Kammer 4 im Bereich der Kraftfeldquelle 5 befindet. Kammer 4 und Kraftfeldquelle 5 bzw. Heizvorrichtung 6 können entsprechend dimensioniert werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Kraftfeldquelle 5 und die Heizvorrichtung 6 so angeordnet, dass zeitlich gesehen genau während der Ausrichtung der Partikel auch eine Erwärmung stattfindet. Während des Transports des Trägers 3 ist die Paste somit gleichzeitig der Heizvorrichtung 6 und auch dem durch die Quelle 5 erzeugten Kraftfeld ausgesetzt.
Ein ähnliches Beispiel ist in 2 zu sehen. Die entsprechende Vorrichtung 11 zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste umfasst auch hier eine Transportvorrichtung 12 in Form von Rollen, wobei eine Trägerfolie 13, die mit einer Paste 13a beschichtet ist, transportiert wird. Der Träger 13 mit der Beschichtung 13a wird durch eine Feuchtigkeitskammer 14 transportiert. Unterhalb der Kammer 14 ist als Kraftfeldquelle 15 eine Anordnung aus sogenannten Magnet-Boards vorgesehen, die sich über den gesamten Bereich der Feuchtigkeitskammer 14 in Bezug auf die Transportstrecke des Trägers 13 erstrecken. Diese Magnet-Boards 15 können beispielsweise aus einer stangenartigen Anordnung von Permanentmagneten bestehen, wobei diese Stangen zeilenartig quer oder im Wesentlichen quer (mit einem vorbestimmten Winkel-Offset, abweichend zu einer 90°-Orientierung) zur Transportrichtung angeordnet sind, sodass sich die Ausrichtung der Feldlinien von Zeile zu Zeile ändert und die Beschichtung 13a ein magnetisches Wechselfeld während des Transports durch die Kammer 14 hindurch erfährt. Innerhalb der Kammer 14 ist zunächst in deren Anfangsbereich (in 2: von rechts nach links) eine Heizvorrichtung 16 in Form einer IR-Lampe vorgesehen. Die Luftfeuchtigkeit in der Kammer 14 wird durch eine Dampfquelle bzw. einen Verdampfer 17 erzeugt. Sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit in der Umgebung werden über entsprechende Sensoren 18a, 18b bestimmt. Darüber hinaus ist ein Temperatur Sensor 18c vorgesehen, der jedoch so ausgebildet und angeordnet ist, dass lediglich die Temperatur der Beschichtung bzw. der Paste 13a misst. Die Daten der Sensoren 18a, 18b, 18c werden an eine Kontrollvorrichtung (nicht dargestellt) weitergegeben, die wiederum insbesondere die Heizvorrichtung 16 und die Dampfquelle 17 regelt.
Eine im Grundaufbau analoge Vorrichtung zu der in 2 ist in 3 dargestellt, jedoch ist die Kammer 24 in einzelne Teilkammern 24.1, 24.2, 24.3,..., 24.n unterteilt. 3 zeigt eine Vorrichtung 21 zum Ausrichten von Partikeln, die zunächst jedenfalls eine Transportvorrichtung 22 in Form von Rollen aufweist, über die eine Trägerfolie 23 mit einer Beschichtung 23a geführt und transportiert wird. Analog zu 2 sind unterhalb des Trägerbandes 23 sogenannte Magnet-Boards 25 angeordnet, welche als Kraftfeldquelle dienen. Jede Teilkammer 24.1, 24.2, 24.3,..., 24.n weist eine Heizvorrichtung 26.1, 26.2, 26.3, ... 26.n auf, sowie ferner entsprechende Dampferzeuger 27.1, 27.2, 27.3,..., 27.n zur Einstellung der Luftfeuchte in den jeweiligen Teilkammer 24.1, 24.2, 24.3,..., 24.n. Jede Teilkammer 24.1, 24.2, 24.3,..., 24.n ist individuell mit Sensoren 28.1, 28.2, 28.3,..., 28.n ausgestattet, sodass über eine oder mehrere Kontrollvorrichtungen Luftfeuchtigkeit und Temperatur für jede der Teilkammern individuell geregelt werden können.
Je nach Ausführungsform können die Magnet-Boards 25 sich über sämtliche Teilkammern 24.1, 24.2, 24.3,..., 24.n entlang der Transportstrecke erstrecken oder auch vorher schon enden; dies ist durch Andeutung eines gestrichelt gezeichneten Magnet-Board-Abschnitts 25.n dargestellt. Es ist denkbar, z.B. Luftfeuchte in der darüber liegenden Teilkammer 24.n sogar unter den normalen Umgebungswert zu drücken (durch Silicagel) oder den Druck abzusenken, um hier die Trocknungsrate bewusst zu erhöhen, um die Partikel rasch zu immobilisieren.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Ausrichtung Partikeln in einer Paste
2: Transportvorrichtung
3: Träger
4: Kammer
5: Kraftfeldquelle
6: Heizvorrichtung
11: Vorrichtung zur Ausrichtung Partikeln in einer Paste
12: Transportvorrichtung
13: Träger
13a: Paste / Beschichtung
14: Feuchtigkeitskammer
15: Magnet-Boards
16: IR-Lampe
17: Dampfquelle
18a: Temperatursensor
18b: Feuchtigkeitssensor
18c: Temperatursensor für Beschichtung
21: Vorrichtung zur Ausrichtung Partikeln in einer Paste
22: Transportvorrichtung
23: Träger
23a: Paste / Beschichtung
24: Kammer
24.1: Teilkammer
24.2: Teilkammer
24.3: Teilkammer
24.n: Teilkammer
25: Magnet-Boards
25.n: Magnet-Boards
26.1: IR-Lampe
26.2: IR-Lampe
26.3: IR-Lampe
26.n: IR-Lampe
27.1: Dampfquelle
27.2: Dampfquelle
27.3: Dampfquelle
27.n: Dampfquelle
28.1: Sensor
28.2: Sensor
28.3: Sensor
28.n: Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/047054 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste (13a, 23a), umfassend: • Bereitstellen der Paste (13a, 23a), welche in der Paste (13a, 23a) ausrichtbare Partikel umfasst, wobei die Paste (13a, 23a) insbesondere Partikel auf Kohlenstoffbasis, vorzugsweise Graphit, und/oder einen volatilen Stoff, umfasst, • Aussetzen der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss eines Kraftfelds, sodass die Partikel durch die Wechselwirkung mit dem Kraftfeld eine Kraft erfahren, durch welche die Partikel relativ zu den Feldlinien des Kraftfeldes ausgerichtet werden, gekennzeichnet durch • Erwärmung der Paste (13a, 23a), um zumindest zeitweilig die Viskosität der Paste (13a, 23a) herabzusetzen und die benötigte Ausrichtungszeit für die Ausrichtung der Partikel im Kraftfeld zu verringern, • wobei die Erwärmung der Paste (13a, 23a) vor dem Aussetzen und/oder während des Aussetzens der Paste unter den Einfluss des Kraftfelds durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Paste (13a, 23a) auch zusätzlich nach dem Aussetzen der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss des Kraftfelds durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Paste (13a, 23a) zusätzlich dazu verwendet wird: • den Anteil des volatilen Stoffs in der Paste (13a, 23a) zu reduzieren und/oder • die Viskosität der Paste (13a, 23a) nach der zeitweiligen Herabsetzung der Viskosität wieder zu erhöhen und/oder • die Partikel zu immobilisieren.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste (13a, 23a) auf eine bestimmte Trocknungsrate eingestellt wird, die in einem Bereich von 0 bis 50 mg/(cm² × min), insbesondere von 0-30 mg/(cm² × min), vorzugsweise von 0-16 mg/(cm² × min) liegt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste (13a, 23a) vor und/oder während und/oder nach: • der Erwärmung und/oder • dem (des) Aussetzen(s) der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss des Kraftfelds der bestimmten Trocknungsrate ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der Trocknungsrate: • die Paste (13a, 23a) in einer Kammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) zumindest zeitweise in ein begrenztes Umgebungsvolumen gebracht wird, um lokal die Trocknungsrate der Paste (13a, 23a) anpassen zu können, und/oder • Wasserdampf verwendet wird und/oder • eine gesättigte Salzlösung in die Kammer eingebracht wird und/oder • der Umgebungsdruck angepasst, insbesondere erhöht wird und/oder • die Paste (13a, 23a) in einer Kammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) zumindest zeitweise in ein begrenztes Umgebungsvolumen gebracht und die Temperatur des in der Kammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) in Kontakt mit der Paste (13a, 23a) stehenden Gases verändert, insbesondere zur Reduzierung der Trockenrate reduziert wird und/oder • die Paste (13a, 23a) in einer Kammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) zumindest zeitweise in ein begrenztes Umgebungsvolumen gebracht und die Kammer mit einem Gas geflutet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Paste (13a, 23a) eine insbesondere wässrige Suspension verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen eines Trägers (3, 13, 23), insbesondere bei der Fertigung von Graphit-beschichteten Anoden für Lithium-Ionen-Batterien, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird, nachdem die Paste (13a, 23a) auf den zu beschichtenden Träger (3, 13, 23) aufgetragen wurde.
Vorrichtung (1, 11, 21) zur Ausrichtung von Partikeln in einer Paste (13a, 23a), wobei die Paste (13a, 23a) darin ausrichtbare Partikel umfasst und wobei die Paste insbesondere Partikel auf Kohlenstoffbasis, vorzugsweise Graphit, und/oder einen volatilen Stoff aufweist, umfassend: • eine Kraftfeldquelle (5, 15, 25, 25.n), um die Paste (13a, 23a) einem Kraftfeld auszusetzen, sodass die Partikel durch die Wechselwirkung mit dem Kraftfeld eine Kraft erfahren, durch welche die Partikel relativ zu den Feldlinien des Kraftfeldes ausgerichtet werden, • eine Heizvorrichtung (6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n), insbesondere eine Infrarot-Lampe und/oder ein Heizgebläse und/oder ein Mikrowellengenerator, um die Paste zu erwärmen, die Viskosität der Paste (13a, 23a) zumindest zeitweilig herabzusetzen und die benötigte Ausrichtungszeit für die Ausrichtung der Partikel im Kraftfeld zu verringern, • wobei die Heizvorrichtung (6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n) so in Bezug zur Kraftfeldquelle angeordnet und/oder kontrollierbar ist, dass die Paste (13a, 23a) vor dem Aussetzen und/oder während des Aussetzens der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss des Kraftfelds erwärmt wird.
Vorrichtung (1, 11, 21) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftfeldquelle (5, 15, 25, 25.n), die insbesondere dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, dazu ausgebildet ist, ein örtlich und/oder zeitlich veränderliches Feld zu erzeugen.
Vorrichtung (1, 11, 21) nach einem der Ansprüche 9-10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Transportvorrichtung (2, 12, 22) vorgesehen ist, um die Paste (13a, 23a) und/oder die auf einem Träger (3, 13, 23) aufgebrachte Paste (13a, 23a) entlang der Kraftfeldquelle, insbesondere der ein örtlich veränderliches Feld erzeugenden Kraftfeldquelle (5, 15, 25, 25.n) zu bewegen, sodass an der Paste (13a, 23a) ein zeitlich veränderliches Feld vorherrscht.
Vorrichtung (1, 11, 21) nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n) so in Bezug zur Kraftfeldquelle (5, 15, 25, 25.n) angeordnet ist, dass die Paste (13a, 23a) auch zusätzlich nach dem Aussetzen der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss des Kraftfelds erwärmt wird.
Vorrichtung (1, 11, 21) nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feuchtigkeitskammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) mit einer Luftfeuchtigkeitsquelle (27.1, 27.2, 27.3, 27.n) vorgesehen ist, um eine bestimmte Trocknungsrate zu erzeugen und die Verdampfung der volatilen Stoffe aus der Paste (13a, 23a) zu reduzieren, wobei die Feuchtigkeitskammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) so angeordnet ist, dass die Paste wenigstens zeitweise • vor und/oder während des und/oder nach dem Aussetzen der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss des Kraftfelds und/oder • vor und/oder während und/oder nach der Erwärmung der bestimmten Trocknungsrate ausgesetzt ist, wobei insbesondere die Transportvorrichtung (2, 12, 22) dazu ausgebildet ist, die Paste durch die Feuchtigkeitskammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) hindurch zu transportieren.
Vorrichtung (1, 11, 21) nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrollvorrichtung zur Kontrolle der Luftfeuchtigkeitsquelle (27.1, 27.2, 27.3, 27.n) und/oder der Heizvorrichtung (6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n) vorgesehen ist, um die Trocknungsrate und/oder die Temperatur zu kontrollieren, wobei die Kontrollvorrichtung insbesondere wenigstens einen Sensor (18a, 18b, 18c, 28.1, 28.2, 28.3, 28.n) einen Temperatursensor (18a, 18c) und/oder ein Hygrometer (18b) und/oder ein Druckmessgerät umfasst, um in der Feuchtigkeitskammer (4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) und/oder in der Paste (13a, 23a) die Temperatur und/oder die Luftfeuchtigkeit und/oder den Druck und/oder die Trocknungsrate zu bestimmen.
Vorrichtung (1, 11, 21) nach einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, dass • die Feuchtigkeitskammer (24) in wenigstens zwei Teilkammern (24.1, 24.2, 24.3, 24.n) unterteilt ist, in denen jeweils unterschiedliche Temperaturen und/oder Umgebungsluftfeuchtigkeiten und/oder unterschiedlicher Druck und/oder eine unterschiedliche Trocknungsrate mittels der Kontrollvorrichtung herstellbar ist/sind, • wobei insbesondere die Transportvorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die Paste (23a) durch die Teilkammern (24.1, 24.2, 24.3, 24.n) nacheinander hindurch zu transportieren.
Vorrichtung (1, 11, 21) nach einem der Ansprüche 9-15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kammer vorgesehen ist, die insbesondere eine Vorrichtung zum Einleiten von Gas in die Kammer aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Temperatur des in der Kammer befindlichen und/oder eingeleiteten Gases zu verändern, um eine bestimmte Trocknungsrate zu erzeugen und die Aufnahme der volatilen Stoffe aus der Paste (13a, 23a) in das Gas zu reduzieren, wobei die Kammer so angeordnet ist, dass die Paste wenigstens zeitweise • vor und/oder während des und/oder nach dem Aussetzen der Paste (13a, 23a) unter den Einfluss des Kraftfelds und/oder • vor und/oder während und/oder nach der Erwärmung der bestimmten Trocknungsrate ausgesetzt ist, wobei insbesondere die Transportvorrichtung (2, 12, 22) dazu ausgebildet ist, die Paste durch die Kammer hindurch zu transportieren.