DE102021102223A1

DE102021102223A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdichten

Info

Publication number: DE102021102223A1
Application number: DE102021102223.1A
Authority: DE
Inventors: Harald Gruber; Eugen Schnyder
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: GUARNERI TECHNOLOGY SRL, IT
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-04
Also published as: WO2022161809A1

Abstract

Verfahren und Kalander zum Verdichten eines Materialbands zur Herstellung von Elektroden einer Batteriezelle, wobei das Materialband eine Trägerfolie umfasst, welche zumindest auf einer Seite mit einer Beschichtung versehen ist, und das Verdichten mittels eines Kalandernips erfolgt, welcher durch eine erste Walze und eine zweite Walze gebildet wird, und wobei Lastmittel zur Erzeugung einer Linienlast im Kalandernip vorgesehen sind. Zumindest eine Walze ist als Spaltregelwalze ausgeführt, welche in ihrem Inneren Stellmittel aufweist, um durch Krafteinwirkung den Walzenmantel gezielt zu verformen, wobei diese Stellmittel so ausgeführt sind, dass über die Breite der Walze unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden können, und dass die Verdichtung im Kalandernip mit einer Linienlast zwischen 550 N/mm und 7000 N/mm, insbesondere zwischen 1000 N/mm und 5000 N/mm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten einer Materialbahn Elektrodeneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine geeignete Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
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. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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 meist je einen Stromableiter, auf den ein Funktionselement aufgebracht ist, welches ein elektrochemisches Aktivmaterial aufweist. Das Aktivmaterial für die Kathode enthält beispielsweise ein Metalloxid wie LhMnOs oder eine NCM-Legierung, also eine Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan. Das Aktivmaterial für die Anode enthält beispielsweise Silizium oder Graphit. Zwischen der Kathode und der Anode befindet sich als weiteres Element ein ionisch leitfähiger, elektrisch nichtleitender Separator, beziehungsweise Elektrolyt. Der Elektrolyt kann flüssig oder fest, beispielsweise Polymer, Glas oder Keramik sein.
Das Elektrodenmaterial des Funktionselements umfasst neben dem Aktivmaterial oft weitere Materialien, insbesondere eine elektronische Leitkomponente wie beispielweise Leitruß oder Graphit, sowie eine ionische Leitkomponente wie beispielweise einen flüssigen oder festen Elektrolyt. Zur mechanischen Stabilisierung des Elektrodenmaterials kann beispielweise ein Polymerbinderverwendet werden.
Für die Herstellung solcher Elektroden ist beispielsweise aus der WO 2019 086 241 bekannt, eine Folie mit einer Beschichtung zu versehen, welche beispielsweise eines der beschriebenen Aktivmaterialien aufweisen kann, und diese Beschichtung in einem Kalander geeignet zu komprimieren und dadurch zu verdichten. Dadurch lässt sich die Porosität und die Porengrößen in der Beschichtung deutlich reduzieren und es wird ein guter Kontakt der Bestandteile des Funktionselements, beispielsweise von Körnern, z.B. eines Aktivmaterials, und einer Matrixphase, beispielsweise einer ionenleitende Phase in einer kathodischen Aktivmaterialschicht oder einer anodischen Aktivmaterialschicht, sichergestellt. Weiterhin wird durch die Komprimierung auch die Dicke des Elektrodenmaterials reduziert, so dass eine höhere Packungsdichte in der Batterie möglich wird.
Die Anforderungen in modernen Batterien sind jedoch sehr hoch. Es wird einerseits, wie oben beschrieben, eine starke Komprimierung der Beschichtung gefordert. Andererseits müssen die komprimierten Beschichtungen sehr gleichförmig sein insbesondere eine sehr gleichmäßige Dicke sowohl in Längs- als auch in Querrichtung aufweisen. Zudem wird für die Vielzahl von Anwendungen ein möglichst flexibles Verfahren zur Herstellung solcher Elektroden benötigt.
Der aus dem Stand der Technik bekannte einfache Walzenkalander kommt hier an seine Grenzen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Schwächen des Standes der Technik zu verbessen.
Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine starke Komprimierung zusammen mit einer hohen Gleichförmigkeit der komprimierten Beschichtung ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, dass dieser Prozess auch bei hoher Produktionsgeschwindigkeit stabil und sicher durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Verdichten eines Materialbands zur Herstellung von Elektroden einer Batteriezelle, wobei das Materialband eine Trägerfolie umfasst, welche zumindest auf einer Seite mit einer Beschichtung versehen ist, und wobei das Verdichten mittels eines Kalandernips erfolgt, welcher durch eine erste Walze und eine zweite Walze gebildet wird. Zudem sind Lastmittel zur Erzeugung einer Linienlast im Kalandernip vorgesehen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die erste Walze und/oder die zweite Walze als Spaltregelwalze ausgeführt ist, welche in ihrem Inneren Stellmittel aufweist, um durch Krafteinwirkung den Walzenmantel gezielt zu verformen, wobei diese Stellmittel so ausgeführt sind, dass über die Breite der Walze unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden können, und dass die Verdichtung im Kalandernip mit einer Linienlast zwischen 550 N/mm und 7000 N/mm, insbesondere zwischen 1000 N/mm und 5000 N/mm.
Wird im Rahmen dieser Anmeldung der Begriff Linienlast verwendet, so ist damit, wenn nicht explizit anders erwähnt, die mittlere Linienlast über die Nipbreite bzw. die Breite des Materialbandes gemeint.
Industriewalzen umfassen oftmals einen weitgehend zylindrischen Walzenmantel, der an den beiden Stirnseiten mit je einem Deckel verschlossen ist. An den Deckeln sind dann Zapfen zum Lagern der Walzen angebracht. In alternativen Ausführungen kann stirnseitige Deckel auch ganz oder weitgehend wegfallen, und der Walzenmantel direkt gelagert sein, oder der Lagerzapfen durch eine leichte Verkleinerung des Manteldurchmessers gebildet wird, ohne dass dadurch ein erkennbarer Deckel entsteht. Bei der Verwendung in einem Kalander, wie z.B. in dem aus der WO 2019 086 241 bekannten, wird die Niplast meist auch dadurch erzeugt, dass die Walze in Richtung der Gegenwalze bewegt wird. Durch ein leichtes Schrägstellen der einen Walze gegenüber der anderen Walze lässt sich eine geringe Beeinflussung des Nipprofils über die Kalanderbreite erzielen. Dies ist für die geforderte Genauigkeit jedoch unzureichend, gerade auch bei möglicherweis schwanken Eigenschaften des einlaufenden Materialbandes.
Zur Lösung der Aufgabe macht sich die vorliegende Erfindung die Tatsache zu Nutze, dass derartige Walzen hohl und im Inneren weitgehend leer sind. Somit können im Inneren zumindest einer der Kalanderwalzen Stellmittel eingefügt werden, um durch Krafteinwirkung von innen gegen den Walzenmantel diesen gezielt zu verformen. Es ist dabei vergleichsweise einfach möglich, über die Breite der Walze verteilt mehrere dieser Stellmittel einzubringen. Somit kann in einer solchen Spaltregelwalze das Querprofil des Walzenmantels, und damit auch das Nipprofil, so exakt eingestellt werden, wie benötigt.
Die Erfinder haben erkannt, dass diese Profilierung von Innen auch bei sehr hohen Niplasten noch ohne besonderen Aufwand möglich ist. So können die Stellmittel für die Profilierung von den Lastmitteln zur Erzeugung der meist sehr hohen Niplast getrennt sein. Die Stellmittel müssen dabei nurfür die Erzeugung relativ kleiner Profilkorrekturen ausgelegt sein, während der Hub der Walze bzw. die Last im Nip wie oben beschrieben über die Bewegung der Walze realisiert werden kann.
Hier zeigt sich noch ein weiterer Vorteil gegenüber dem konventionellen Kalander. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Niphöhe -und damit die finale Dicke der Bahn, unabhängig von der Profilierung eingestellt werden. Lastmittel und Stellmittel sind im Wesentlichen entkoppelt, während sich beim konventionellen Kalander durch Verkanten der Achslage immer Niphöhe und Nipprofil gleichzeitig ändern.
Häufig ist eine harte Walzenoberfläche vorteilhaft, um die gewünschte Genauigkeit bei der Verdichtung zu ermöglichen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Oberfläche der ersten Walze und/oder der zweiten Walze eine Härte nach Rockwell von 58 HRC oder mehr, insbesondere zwischen 60 HRC und 65 HRC aufweist.
Während es für die das Verfahren meist vorteilhaft ist, wenn beide Walzen als Spaltregelwalze ausgeführt sind.
Da diese Spaltregelwalzen jedoch aufwändiger, und dadurch teurer sind, als klassische Walzen, kann es ökonomisch vorteilhaft sein, nur eine der Walze als Spaltregelwalze auszuführen. Die oben beschriebenen Vorteile der Erfindung lassen sich auch mit einer einzelnen Spaltregelwalze erzielen.
Üblicherweise wird vorgesehen sein, dass die erste Walze und oder die zweite Walze einen Durchmesser von mehr als 400 mm, insbesondere zwischen 600 mm und 1000 mm, bevorzugt zwischen 700 mm und 800 mm aufweist. Solche großen Durchmesser sind -sowohl bei konventionellen, als auch bei Spaltregelwalzen vorteilhaft, da die Beschichtung im Kalandernip sauberer komprimiert, und das „In-die-Länge-Walzen“ des Beschichtungsmaterials unterdrückt wird.
Insbesondere kann es dabei auch vorteilhaft sein, wenn sich die Durchmesser der ersten Walze und der zweiten Walze um maximal 10% unterscheiden, insbesondere gleich sind.
Die Stellmittel zum gezielten Verformen des Walzenmantels können beispielsweise in Form von hydraulischen Stützelementen realisiert sein. Mehrere dieser Stützelemente können über die Querrrichtung der Walze nebeneinander angeordnet sein. Die Stützelemente können einzeln angesteuert werden und drücken von innen gegen den Walzenmantel. Je kleiner diese Stützelemente sind und je mehr davon vorgesehen sind, desto genauer lässt sich das Querprofil beeinflussen. Zwar kommt es durch das Material des Walzenmantels zu einer gewissen Dämpfung, so dass nur ein Teil des Hubs der Stützelemente an der Außenseite des Mantels als Verformung wirksam wird. Dies ist aber nicht größer störend, da, wie oben beschrieben, mit den Stellgliedern nur das Profil korrigier werden muss -was lediglich kleine Auslenkungen erfordert, während die Niphöhe über separate Mittel angepasst wird.
Eine mögliche Realisierung der Lastmittel zur Erzeugung der gewünschten Niplast kann es sein, eine der Walzen fest zu montieren, und die andere Walze, meist zusammen mit den zugehörigen Lagernböcken hydraulisch, elektrisch oder auf sonstige Weise gegen die erste Walze zu bewegen. Derartige Lastmittel sind vergleichsweise einfach zu realisieren. Sie haben aber den Nachteil, dass damit zwar eine Niplast vorgegeben werden kann, nicht aber eine Niphöhe. Dies kann insbesondere dann nachteilig sein, wenn die Eigenschaften des einlaufenden Materialbands sich ändern, und dadurch bei gleicher Linienlast unterschiedliche Dicken im kalandrierten Band entstehen. Für einen stabilen und gleichmäßigen Betrieb ist es daher bisweilen wünschenswert, statt einer festen Niplast eine feste Niphöhe vorgeben zu können.
Daher können die Lastmittel in vorteilhaften Ausführungen Positioniermittel zum Einstellen der Höhe Kalandernips, vorgesehen sein. Die Positioniermittel sind einstellbar und halten die beiden Walzen auf einem bestimmten festen Abstand zueinander. Dabei müssen sie vergleichsweise solide ausgeführt sein, da sie dem Druck zur Erzeugung der Niplast standhalten müssen. Eine mögliche Realisierung solcher Positioniermittel kann beispielsweise über -meist hydraulische - Mikrohubzylinder erfolgen. Alternativ können die Positioniermittel auch als rotative Positioniermittel ausgeführt sein, die direkt an rotierende Teile der Walze angreifen.
Geeignete, ansteuerbare Positioniermittel ermöglichen es unter anderem auch, die Niphöhe während des Betriebs des Kalanders zu verändern. Die kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn zur Vermeidung einer Havarie der Kalandernip schnell geöffnet werden muss.
So kann in vorteilhaften Ausführungen vorgesehen sein, dass vor dem Kalandernip zumindest eine Eigenschaft des Materialbands bzw. der Beschichtung ermittelt wird, und bei Erreichen eines vorgegebenen kritischen Werts dieser Eigenschaft der Kalandernip mit Hilfe der Positioniermittel geöffnet wird.
Die Ermittlung der Eigenschaft kann dabei auf vielfältige Art, beispielsweise über Sensoren oder Kamerasystem erfolgen.
Beispielsweise kann überwacht werden, ob ein Batzen oder Klumpen auf der Bahn mitgeführt wird. Passiert ein solcher Klumpen den Kalandernip, kann es zu ernsthaften Beschädigungen einer der Walzen kommen. Beim Erkennen eines solchen Batzens kann nun mit den Positioniermitteln sehr schnell der Kalandernip geöffnet, und die Havarie vermieden werden. Die bereits erwähnten Mikrohubzylinder sind hierfür insbesondere gut geeignet. Es hat sich im Übrigen gezeigt, dass es in vielen Fällen zum Vermeiden von Schäden vorteilhaft sein kann, wenn bei dem beschriebenen Öffnen des Kalandernips auch die Stellmittel entlastet werden. Dieses Entlasten kann synchron mit dem Öffnen der Positioniermittel erfolgen. Häufig genügt es, wenn die Stellmittel kurzfristig, i.d.R. weniger als eine Sekunde lang entlastet, und danach wieder belastet werden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Temperatur der ersten Walze und/oder der zweiten Walze an der bandberührenden Oberfläche zwischen 20°C und 150°C, insbesondere zwischen 60°C und 120°C, bevorzugt zwischen 80°C und 100°C beträgt. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn Mittel und Möglichkeiten zum Beheizen und/oder Kühlen der Oberfläche der ersten Walze und oder der zweiten Walze vorgesehen sind. Das Heizen und Kühlen der Walzen kann auf verschiedenste Arten erfolgen, beispielswies induktiv, elektrisch, über Heiz/Kühlmedien etc. Dabei kann die Oberfläche direkt von außen temperiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Temperieren auch im Inneren der Walze erfolgen. Letzteres ist insbesondere bei Spaltregelwalzen häufig der Fall.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn sich beim Einlauf in den Kalandernip die Temperatur des Materialbands und die Temperatur zumindest einer der beiden Kalanderwalzen um weniger als 20°, insbesondere weniger als 10° unterscheiden. Durch die Temperierung kann häufig das Beschichtungsmaterial geschmeidig gehalten werden. Zudem können Risse in der Beschichtung durch den plötzlichen Kontakt mit einer stark unterschiedlich Temperierten Walze vermieden werden. Das Materialband kann dem Kalander in der gewünschten Temperatur bereitgestellt werden. Alternativ kann vor dem Kalandernip eine Einrichtung zum Beheizen oder Kühlen des Materialbands vorgesehen sein. Insbesondere kann eine berührungslose Beheizung beispielsweise durch Bestrahlen der Bahn vorgesehen sein.
In vielen Anwendungen ist es wünschenswert, dass die Dicke der Beschichtung beim Durchlaufen des Kalandernips um mindestens 25%, insbesondere mindestens 33% reduziert wird. Die starke Komprimierung für zu einer guten Reduktion der Porosität sowie der Dicke der späteren Elektrode.
Vorteilhaft kann es sein nach dem Durchlaufen des Kalandernips eine Messung der Dicke insbesondere des Dickenquerprofils des Materialbands erfolgt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Einstellung der Spalthöhe auf Basis der gemessenen Dicke des Materialbands erfolgt. Dies ist besonders in Kombination mit den erwähnten Positionsmitteln von Vorteil.
Erfolgt eine Messung des Dickenquerprofils des Materialbands kann vorteilhafterweise die Einstellung der Stellmittel der Spaltregelwalze auf Basis des Dickenquerprofils erfolgen. Die kann z.B. in Form einer Steuerung oder einer automatischen Regelung erfolgen.
Mit Verfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Erzielung einer hohen Planparallelität der Beschichtung und/oder des Materialbands nach dem Kalandrieren möglich. In vorteilhaften Ausführungen kann die Dicke um weniger als +-3|jm, insbesondere +- 1.5 µm um die mittlere Dicke schwanken, und zwar sowohl in Längsrichtung, als auch in Querrichtung des Materialbands.
Zu dem Materialband sein angemerkt, dass es sich bei der Trägerfolie prinzipiell um eine Kunststofffolie oder eine Metallfolie handeln kann. Häufig kommen für die Verwendung in Kathoden Aluminiumfolien zum Einsatz, zur Verwendung in Anoden Kupferfolien.
Die Trägerfolie kann auf einer Seite beschichtet sein, oder auf beiden Seiten.
Die Beschichtung kann durchgängig sein, oder in Form eines Musters auf die Folie aufgebracht sein, wobei zwischen den einzelnen Elementen bzw. Segmenten des Musters Teile der Folie unbeschichtet sein können.
Beispielsweise kann die Folie mit einer Abfolge aus Segmenten beschichtet sein, wobei die Felder in Größe und Form passend zur späteren Verwendung in der Elektrode gewählt sind.
Für eine gute und gleichmäßige Verdichtung kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Walze und die zweite Walze, bzw. deren jeweiliger Walzenmantel mehr als 100mm, insbesondere mehr als 200 mm breiter sind, als das Materialband. Es hat sich gezeigt, dass sich mittels der Stellmittel die Niphöhe im mittleren Bereich des Kalanders sehr genau einstellen lässt, während das Nipprofil in Richtung der Randbereiche oftmals nicht, oder nur mit sehr großem Aufwand in dieser hohen Genauigkeit bereitgestellt werden kann. Durch Verwendung breiterer Kalanderwalzen bzw. schmalerer Materialbänder können die Probleme im Randbereich vermieden werden.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch einen Kalander zum Verdichten eines Materialbands zur Herstellung von Elektroden einer Batteriezelle mittels eines Verfahrens gemäß einem Aspekt der Erfindung. Der Kalander umfasst eine erste Walze und eine zweite Walze, welche zusammen einen Kalandernip ausbilden sowie Lastmittel zur Erzeugung einer Linienlast im Kalandernip. Dabei ist die erste Walze und/oder die zweite Walze als Spaltregelwalze ausgeführt, welche in ihrem Inneren Stellmittel aufweist, um durch Krafteinwirkung den Walzenmantel gezielt zu verformen, wobei diese Stellmittel so ausgeführt sind, dass über die Breite der Walze unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden können. Der Kalander bzw. die Lastmittel sind dabei dazu eingerichtet ist, im Kalandernip eine Linienlast zwischen 550 N/mm und 7000 N/mm, insbesondere zwischen 1000 N/mm und 5000 N/mm aufzubringen.
Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens müssen im Kalander große Lasten aufgebracht werden. Zudem sind die Walzen im Dauerbetrieb schädigenden Vibrationen ausgesetzt. Dies alles kann Beschädigungen, insbesondere bei den Spaltregelwalzen führen. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn bei die zumindest eine Spaltregelwalze des Kalanders einen Walzenmantel, sowie an jeder Stirnseite einen Deckel und einen Lagerzapfen aufweist, und der Walzenmantel, die Deckel und Lagerzapfen aus einem Stück gefertigt sind. Die Übergänge z.B. zwischen Walzenmantel und Deckel sind üblicherweise Schwachstellen. Bei einer Schraubverbindung können sich die Schrauben beispielsweise durch die fortgesetzen Vibrationen unter hoher Last lockern. Dies lässt sich durch eine einstückige Ausführung dieser Elemente vermeiden.
Eine solche einstückige Ausführung ist bei einer Spaltregelwalze durchaus nicht naheliegend. Es ist dadurch nämlich nicht mehr möglich, durch Öffnen bzw. Entfernen des Deckels Zugriff auf das Walzeninnere zu erhalten. Dort befinden sich aber bei der Spaltregelwalze eine Vielzahl von Einbauten, zuvorderst die Stellmittel zum Verformen des Walzenmantels.
Zur Vereinfachung der Zugänglichkeit der Einbauten ist es daher sehr vorteilhaft, wenn in zumindest einem, bevorzugt in beiden Lagerzapfen der Spaltregelwalze eine Öffnung zum Einführen, Entfernen und Versorgen der Stellmittel vorgesehen ist. Üblicherweise sind diese Öffnungen zentrisch im Lagerzapfen angeordnet. Hat die Walze beispielsweise einen Durchmesser von 800mm, können Lagerzapfen mit einem Durchmesser von ca. 500mm vorgesehen sein. Sieht man hier eine zentrische Öffnung mit einem Durchmesser von 380 mm, verbleibt eine Wandstärke des Lagerzapfens von 60 mm. Diese Wandstärke ist ausreichend, um die auf den Zapfen wirkenden Kräfte aufzunehmen, während die Öffnung ausreichend groß ist, um die Stellmittel in die Walze einzuführen, und gegebenenfalls für Wartungsarbeiten wieder zu entfernen. Auf diese Weise lässt sich entgegen der ersten Intuition durchaus eine oben beschriebenen einstückige Ausführung einer Spaltregelwalze realisieren.
Um das Verhältnis zwischen der Temperatur der Walzenoberfläche und der Temperatur des Materialbands anpassen zu können, sind in dem Kalander häufig geeignete Heizvorrichtungen für die Walzen bzw. Walzenmäntel vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Kalandernip eine Konditioniereinrichtung, insbesondere eine berührungslose Konditioniereinrichtung zum Beheizen und/oder Kühlen des Materialbands vorgesehen sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Figuren erläutert. Die Erfindung ist dabei nicht auf die hier dargestellten Ausführungen beschränkt. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 zeigt eine Spaltregelwalze zur Verwendung in einem Verfahren bzw. Kalander gemäß einem Aspekt der Erfindung.
2 zeigt einen Kalander gemäß einem Aspekt der Erfindung zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung.
2a zeigt einen Kalander gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung.
3 zeigt einen Ausschnitt eines Materialbandes zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung.

1 zeigt einen Schnitt durch eine Spaltregelwalze 5, wie sie in einem Kalander 2bzw. einem Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet werden kann.
Die Spaltregelwalze 5 weist dabei einen zylindrischen Walzenmantel 20 auf, der mit der Materialbahn 1 in Kontakt steht. An den stirnseitigen Endendes Walzenmantels sind Deckel 21 angebracht, an denen wiederum jeweils ein Lagerzapfen 22 befestigt ist. Diese Elemente 20, 21, 22 sind üblicherweise aus Metall gefertigt, meist aus Stahl oder Gusseisen. Zur Erhöhung der Stabilität, insbesondere zu bessern Beständigkeit gegen Vibrationen ist es vorteilhaft, wenn der Mantel 20, die Deckel 21 sowie die Lagerzapfen 22 aus einem Stück gefertigt sind. Prinzipiell können diese Teile aber auch durch Schrauben oder andere geeignete Mittel zusammengefügt sein.
Im Inneren der Spaltregelwalze 5 sind mehrere Stellmittel 6 nebeneinander angeordnet. Diese Stellmittel 5 dienen dazu, durch Krafteinwirkung den Walzenmantel 20 gezielt zu verformen, wobei diese Stellmittel 6 so ausgeführt sind, dass über die Breite der Walze 5 unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden können. Diese Stellmittel 6 können beispielswiese als hydraulische Stützelemente 6 realisiert sein. Es sind aber auch andere Arten von Stellmitteln 6 vorstellbar, beispielsweise eine Reihe nebeneinander angeordneter verstellbarer Lager.
Insbesondere, wenn das Äußere der Spaltregelwalze 5 wie oben beschrieben einstückig ausgeführt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Lagerzapfen 22 Öffnungen aufweisen, die geeignet sind, die Stellmittel 6 ins Walzeninnere einführen und installieren zu können. Die Spaltregelwalze 5 in 1 weist zudem noch ein Joch 3 auf, das ebenfalls durch die Öffnungen in den Lagerzapfen 22 geführt ist. Auf dieses Joch können sich die Stellmittel 6 abstützen.
2 zeigt eine mögliche Ausführung eines Kalanders 2 gemäß einem Aspekt der Erfindung. Der Kalander 2 umfasst eine erst Walze 11 und eine zweite Walze 12, die zusammen einen Kalandernip 13 ausbilden, in dem das Materialbahnd 1 verdichtet wird. 2 zeigt dabei eine Ausfürhung, bei der sowohl die erste Walue 11, als auch die zweite Walze 12 als Spaltregelwalze 5, insbesondere als Spaltregelwalze 5 gemäß 1 ausgeführt sind. Alternativ kann aber auch nur eine der beiden Walzen, beispielsweise die erste Walze 11 als Spaltregelwalze 5 ausgeführt sein, während die zweite Walze 12 als konventionelle Walze ausgeführt ist Beide Walzen 11, 12 sind in jeweiligen Ständern 25 gelagert, wobei bei den Spaltregewalzen 5 der Walzenmantel 20, mit den Deckeln 21 und Lagerzapfen 22 drehbar gelagert sind.
In der in 2 gezeigten Beispiel ist exemplarisch die erste Walze 11 oben angeordnet und über die Ständer 25 fest an einer Tragkonstruktion 26 befestigt. Die zweite Walze 12 ist unterhalb der ersten Walze 11 angeordnet. Sie steht mit den Lastmitteln 7 in Verbindung. Bei diesen Lastmitteln 7 handelt es sind in der Regel um Hydraulikelemente 7, die in der Lage sind, die zweite Walze 12 samt den Ständern 25 gegen die erste Walze 11 zu drücken, und dadurch dir Last im Kalandernip 13 zu erzeugen. Mittels diese Lastelemente 7 lassen sich die für ein Verfahren gemäß eiem Aspekt der Erfindung benötigten hohen Linienlasten in Kalandernip 13 von zwischen 550 N/mm bis 7000 N/mm, insbesondere von 1000 N/mm bis 5000 N/mm erzeugen. Von der Erzeugung der Niplast unabhängig sind die Stellglieder 6 in der ersten Walze 11 und/oder der zweiten Walze 12. Diese dienen der Einstellung eines sehr exakten und gleichmäißgen Nipprofils, wodurch die extreme Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Dicke der kalandrierten Beschichtung 1b erreicht werden können. Weiterhin weist der Kalander in 2 Positioniermittel 8 auf. Diese Positioniermittel 8 dienen als Abstandhalter zwischen den beiden Walzen 11, 12. Durch sie kann - unabhängig von den durch die Lastmittel 7 vorgegebenen Drücken, die Dicke des fertigen, verdichteten Materialbandes exakt vorgebeben werden. Vorteilhafterweise können diese Positioniermittel 8 als hydraulische oder elektrische Mikrohubzylinder 8 ausgeführt sein. Mittels solche Positioniermittel 8 ist es sehr einfach möglich, bei dem Kalander 2 verschiedenen Niphöhen vorzugeben. Dies ermöglicht einerseits einen sehr flexiblen Einsatz des Kalanders. Zudem ermöglicht es auch eine schnelle Reaktion zur Vermeidung einer Havarie. Man kann beispielsweise vor dem Einlauf in den Kalandernip 13 Eigenschaften des Materialbandes erfassen -beispielsweise mittels Sensoren oder mittels eines Kamerasystems. Wird eine möglicherweise kritische Normabweichung erkannt, kann mittels der Positioniermittel 8 schnell und automatisiert der Kalandernip 13 weiter geöffnet, und eine Havarie vermieden werden. Synchron mit den Positioniermitteln 8 können auch die Stellmittel 6 kurzfristig entlastet werden.
Die Positioniermittel 8 sollten in Abhängigkeit von den im Einsatz benötigten, oder besser noch in Abhängigkeit von der durch die Lastmittel 7 erzielbaren Drücken dimesioniert sein. Sie sollten über diesen Druck hinaus noch eine gewisse Überschusskraft von 5%-10% aufweisen, um auch bei bzw. gegen extreme Niplasten noch sicher den Kalandernip 13 öffnen und schließen zu können.
Bei dem in 2 gezeigten Kalander 2 kommen bei beiden Walzen 11, 12 Außenlager 23 zum Einsatz. Diese Lager 23 greifen von außen an die Lagerzapfen 22 der ersten Walze 11 und/oder der zweiten Walze12 an. Insbesondere bei der Verwendung von Präzisionslagern kann bei dieser Ausführungsform besonders in Kombination mit den Stellmitteln 6 und Positioniermitteln 8 wie Mikrohubzylindern 8 eine extrem hohe Genauigkeit des Kalandernips 13 erzielt werden.
In manchen Anwendungen kann jedoch eine nicht ganz so hohe Genauigkeit toleriert werden, wenn sich dadurch der Aufwand und die Kosten für den Kalander 2 reduzieren lassen.
Der in 2a dargestellte Kalander 2 stellt hier eine mögliche Alternative dar, die immer noch eine wesentlich höhere Genauigkeit ermöglicht, als ein herkömmlicher Kalander, jedoch günstiger herstellbar ist, als der Kalander 2 der 1. Die Aufführung der 2a unterscheidet sich von der Ausführung aus 2 im Wesentlichen durch die Lagerung der Walzen 11, 12 bzw. der Walzenmäntel 20.
Bei der ersten Walze 11 und/oder der zweiten Walze 12 kann auf stirnseitige Deckel 21 verzichtet werden. Der Walzenmantel 20 ist hier direkt gelagert, oder die Lagerzapfen 22 sind, wie in der Figur angedeutet, durch eine leichte Verkleinerung des Manteldurchmessers gebildet wird, ohne dass dadurch ein erkennbarer Deckel 21 entsteht. Die Lager 23 sind bei dieser Ausführung innen angebracht. Eine solche Ausführung erlaubt die Verwendung von günstigeren Standardlagern 23, was zu einer merklichen Reduktion der Herstellungskosten führt.
Zwischen dem innen liegenden Lager 23 und dem Joch 3 kann, wie in der ersten Walze 11 der 2a gezeigt, noch ein Ring 24 vorgesehen sein, vorhanden um den Eigenhub zu verhindern. Bei der dargestellten zweiten Walze 12 kann sich der Mantel
20 relativ zum Joch 3 nach oben und unten verschieben. Dies soll die verschiedenen Möglichkeiten bei der Ausgestaltung von Walzen mit innen liegenden Lagern 23 verdeutlichen.
Bei dem Kalander 2 der 2a ist das Vorsehen von Mikrohubzylindern 8, die an den Ständern 25 angreifen, als Positioniermittel 8 schwer möglich. Bei einem völligen Verzicht auf Positioniermittel 8 kann der Kalander 2 jedoch nur in einer kraftkonstanten Fahrweise betrieben werden. Für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch vorteilhaft, eine feste Niphöhe für den Kalandernip 13 vorgeben zu können. Daher sind in 2a exemplarisch Positioniermittel 8 vorgesehen, die direkt an den beiden Walzenmänteln 20, bzw. den Lagerzapfen 22 angreifen. Solche rotativen Positioniermittel 8 sind dann meist weniger präzise, als die Mikrohubzylinder 8, und erlauben auch meist auch keine so schnelle Reaktion auf Störungen. Jedoch ermöglichen sie eine für viele Anwendungen ausreichende gute Vorgabe der Niphöhe.
3 zeigt ein einen Ausschnitt eines Materialbands 1 zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Aspekt fder Erfindung. Das hier gezeigte Materialband weist einer Folie 1a auf. Dies ist in der Regel eine Metallfolie 1a, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer. In 3 ist auf beide Seiten dieser Folie 1a jeweils eine Beschichtung 1b aufgebracht. Dabei kann es sich um das gleiche Beschichtungsmaterial handeln, oder um unterschiedliche Materialien. In alternativen Ausführungen des Verfahrens kann auf lediglich auf einer Seite der Folie 1a eine Beschichtung 1b vorgesehen sein.
Prinzipiell kann die Folie 1 a durchgängig beschichtet sein. 3 zeigt demgegenüber eine vorteilhafte Variante, bei der die Beschichtung 1b auf beiden Seiten der Folie 1a in einem Muster aus separaten Segmenten 1c aufgebracht ist. Diese Segmente 1c korrespondieren mit der Größe der später herzustellenden Elektroden. Häufig sind diese Segmente 1c zwischen 50mm und 150 mm (bevorzugt 55mm bis 105mm) breit und zwischen 500mm und 5000mm (bevorzugt 700mm bis 3000mm) lang.
Die Segmente 1c der Oberseite und der Unterseite sind dabei üblicherweise übereinander angeordnet, wobei sie jedoch meist nicht völlig deckungsgleich sind, sondern Segmente 1c der einen Seite meist etwas größer sind, als die der anderen Seite. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die erste Walze 11 du die zweite Walze 12 jeweils einen Durchmesser von mehr als 400mm, insbesondere von 700 mm und mehr aufweisen, und/oder sich die Durchmesser der ersten Walze 11 und der zweiten Walze 12 um maximal 10% unterscheiden, insbesondere gleich sind.
Bezugszeichenliste

1: Materialband
1a: Folie
1b: Beschichtung
1c: Segment
2: Kalander
3: Joch
4: Kalandernip
5: Spaltregelwalze
6: Stellmittel
7: Lastmittel
8: Positioniermittel
11: erste Walze
12: zweite Walze
13: Kalandernip
20: Walzenmantel
21: Deckel
22: Lagerzapfen
23: Lager
24: Ring
25: Ständer
26: Tragkonstruktion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019086241 [0006, 0013]

Claims

Verfahren zum Verdichten eines Materialbands (1) zur Herstellung von Elektroden einer Batteriezelle, wobei das Materialband (1) eine Trägerfolie (1a) umfasst, welche zumindest auf einer Seite mit einer Beschichtung (1b) versehen ist, wobei das Verdichten mittels eines Kalandernips (4) erfolgt, welcher durch eine erste Walze (11) und eine zweite Walze (12) gebildet wird, und wobei Lastmittel (7) zur Erzeugung einer Linienlast im Kalandernip (4) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Walze (11) und/oder die zweite Walze (12) als Spaltregelwalze (5) ausgeführt ist, welche in ihrem Inneren Stellmittel (6) aufweist, um durch Krafteinwirkung den Walzenmantel (20) gezielt zu verformen, wobei diese Stellmittel (6) so ausgeführt sind, dass über die Breite der Walze (11, 12, 5) unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden können, und dass die Verdichtung im Kalandernip (4) mit einer Linienlast zwischen 550 N/mm und 7000 N/mm, insbesondere zwischen 1000 N/mm und 5000 N/mm.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Walze (11) und/oder die zweite Walze (12) einen Durchmesser von mehr als 400 mm, insbesondere zwischen 600 mm und 1000 mm, bevorzugt zwischen 700 mm und 800 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gezielte Verformen des Walzenmantels (20) der ersten Walze (11) und/oder der zweiten Walze(12) über Stellmittel (6) in Form einer Mehrzahl von hydraulischen Stützelementen (6) erfolgt, die im Inneren der jeweiligen Walze vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastmittel zusätzlich Positioniermittel (8) zum Einstellen der Niphöhe des Kalandernips (4) umfassen, welche bevorzugt in Form von Mikrohubzylindern (8) ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kalandernip (4) zumindest eine Eigenschaft des Materialbands (1) bzw. der Beschichtung (1b) ermittelt wird, und bei Erreichen eines vorgegebenen kritischen Werts dieser Eigenschaft der Kalandernip (4) mit Hilfe der Positioniermittel (8) geöffnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der ersten Walze (11) und/oder der zweiten Walze (12) an der bandberührenden Oberfläche zwischen 20°C und 150°C, insbesondere zwischen 60°C und 120°C, bevorzugt zwischen 80°C und 100°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim Einlauf in den Kalandernip die Temperatur des Materialbands und die Temperatur zumindest einer der beiden Kalanderwalzen um weniger als 20°, insbesondere weniger als 10° unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchlaufen des Kalandernips (4) eine Messung der Dicke insbesondere des Dickenquerprofils des Materialbands (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellung der Spalthöhe auf Basis der gemessenen Dicke des Materialbands (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung des Dickenquerprofils des Materialbands (1) erfolgt und die Einstellung der Stellmittel (6) der Spaltregelwalze (5) auf Basis des Dickenquerprofils erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Walze (11) und die zweite Walze (12) mehr als 100mm, insbesondere mehr als 200 mm breiter sind, als das Materialband (1).
Kalander (2) zum Verdichten eines Materialbands (1) zur Herstellung von Elektroden einer Batteriezelle mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine erste Walze (11) und eine zweite Walze (12), welche zusammen einen Kalandernip (4) ausbilden sowie Lastmittel (7) zur Erzeugung einer Linienlast im Kalandernip (4), wobei die erste Walze (11) und/oder die zweite Walze (12) als Spaltregelwalze (5) ausgeführt ist, welche in ihrem Inneren Stellmittel (6) aufweist, um durch Krafteinwirkung den Walzenmantel (20) gezielt zu verformen, wobei diese Stellmittel (6) so ausgeführt sind, dass über die Breite der Walze unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden können, und wobei der Kalander (2) dazu eingerichtet ist, im Kalandernip (4) eine Linienlast zwischen 550 N/mm und 7000 N/mm, insbesondere zwischen 1000 N/mm und 5000 N/mm aufzubringen.
Kalander nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spaltregelwalze (5) einen Walzenmantel (20), sowie an jeder Stirnseite einen Deckel (21) und einen Lagerzapfen (22) aufweist, und der Walzenmantel (20), die Deckel (21) und Lagerzapfen (22) einstückig gefertigt sind.
Kalander nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kalandernip eine Konditioniereinrichtung, insbesondere eine berührungslose Konditioniereinrichtung zum Beheizen und/oder Kühlen des Materialbands (1) vorgesehen ist.
Kalander nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der ersten Walze (11) und/oder der zweiten Walze (12) eine Härte nach Rockwell von 58 HRC oder mehr, insbesondere zwischen 60 HRC und 65 HRC aufweist.