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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Akkumulatorzellen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Elektroden für Akkumulatorzellen und sie betrifft einen Akkumulator.
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Akkumulatoren, wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren, sind aktuell weit verbreitet. Sie kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen zum Einsatz und werden hier zum Beispiel als sogenannte Antriebsbatterien genutzt, also als Energiespeicher zur Versorgung elektrischer Antriebsmaschinen.
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Häufig weist ein entsprechender Akkumulator mehrere miteinander verschaltete Akkumulatorzellen auf, wobei die Akkumulatorzellen hierbei üblicherweise im Wesentlichen einheitlich ausgestaltet sind. Dabei weist jede Akkumulatorzelle zwei Elektroden, einen Separator sowie einen Elektrolyten auf.
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In manchen Fällen werden die Elektroden aus einem vorgefertigten Materialband hergestellt. Das Materialband liegt dabei typischerweise als sogenanntes Endlosmaterial, Rollenmaterial oder als sogenannter Elektrodenwickel (Elektrodencoil) vor und wird zur Herstellung der Elektroden zugeschnitten.
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Dabei wird das Materialband in einigen Fällen zunächst längsgeschnitten und hierdurch in Bahnen aufgeteilt. Dieses Längsschneiden erfolgt mechanisch mit Hilfe von Rollmessern, insbesondere Rollenscherenmessern. Dadurch wird zwar eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht, jedoch nutzen sich Rollenmesser mit der Zeit ab. Dies führt zu relativ hohen Werkzeugkosten und zu Stillstandzeiten. Darüber hinaus ist die erreichbare Schnittkantenqualität begrenzt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Akkumulatorzellen anzugeben sowie eine vorteilhaft ausgestaltete Vorrichtung zur Herstellung von Elektroden für Akkumulatorzellen und einen vorteilhaft ausgebildeten Akkumulator.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einen Akkumulator mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung und/oder den Akkumulator übertragbar und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient dabei der Herstellung von Elektroden für Akkumulatorzellen und ist dementsprechend hierfür ausgelegt. Ausgeführt wird das Verfahren bevorzugt mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche ihrerseits eingerichtet ist zur Herstellung von Elektroden für Akkumulatorzellen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Durch Anwendung des Verfahrens werden dann Elektroden für Akkumulatorzellen, weiter bevorzugt Akkumulatorzellen und insbesondere erfindungsgemäße Akkumulatoren hergestellt, wobei jeder Akkumulator wenigstens eine Akkumulatorzelle aufweist mit zumindest einer Elektrode, welche hergestellt ist durch das erfindungsgemäße Verfahren.
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In den meisten Fällen weist der erfindungsgemäßer Akkumulator jedoch mehrere miteinander verschaltete Akkumulatorzellen auf, wobei die Akkumulatorzellen hierbei üblicherweise im Wesentlichen einheitlich ausgestaltet sind. Dabei weist jede Akkumulatorzelle zweckdienlicherweise zwei Elektroden, einen Separator sowie einen Elektrolyten auf. Weiter ist der Akkumulator bevorzugt als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet. Je nach Anwendungsfall ist er zum Beispiel für eine Verwendung in einem Kraftfahrzeugen ausgelegt, also beispielsweise als Energiespeicher zur Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine.
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Im Zuge der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Materialband mithilfe von Laserstrahlung bearbeitet und insbesondere zugeschnitten. Dazu wird das Materialband in einer Bearbeitungsstation, welche typischerweise Teil der zuvor genannten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, entlang einer Förderrichtung gefördert. Weiter wird das Materialband in der Bearbeitungsstation durch Laserbestrahlung in Förderrichtung durchschnitten, sodass das Materialband in zumindest zwei Bahnen aufgetrennt wird. Jede dieser zumindest zwei Bahnen ist dabei geeignet, davon Elektroden abzutrennen oder daraus Elektroden herauszutrennen und zweckdienlicherweise werden im Zuge des Verfahrens von jeder dieser zumindest zwei Bahnen Elektroden abgetrennt bzw. es werden Elektroden herausgetrennt oder herausgeschnitten.
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Je nach Anwendungsfall erfolgt im Zuge der Ausführung des Verfahrens nicht nur eine Auftrennung in zwei Bahnen sondern in drei oder mehr Bahnen, wobei jede dieser Bahnen geeignet ist, davon Elektroden abzutrennen oder daraus Elektroden herauszutrennen. Der Einfachheit halber werden nachfolgend jedoch lediglich Verfahrensvarianten näher beschrieben, bei denen lediglich eine Auftrennung in zwei Bahnen erfolgt. Die beschriebenen Konzepte und Prinzipien lassen sich jedoch ohne weiteres auf Fälle übertragen, in denen eine Auftrennung in mehr als zwei Bahnen erfolgt und je nach Anwendungsfall ist eine entsprechende Umsetzung vorgesehen. Da eine Übertragung der entsprechenden Konzepte und Prinzipien jedoch für den zuständigen Fachmann ohne weiteres möglich ist, werden entsprechende Verfahrensvarianten nachfolgend nicht explizit dargelegt.
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Wie bereits zuvor ausgeführt erfolgt im Zuge der Ausführung des Verfahrens eine Bearbeitung eines Materialbandes. Bei einem solchen Materialband handelt es sich typischerweise um ein vorgefertigtes Bandmaterial, welches üblicherweise eine Metallfolie, beispielsweise eine Kupferfolie oder eine Aluminiumfolie, aufweist. Die Metallfolie ist hierbei typischerweise auf zumindest einer Seite beschichtet mit einem Aktivmaterial, nämlich einem sogenannten Elektrodenaktivmaterial. Bevorzugt ist die Metallfolie jedoch beidseitig mit einem Aktivmaterial beschichtet, insbesondere auf beiden Seiten mit den gleichen Aktivmaterial. Zudem weist das Materialband üblicherweise zumindest einen sich entlang einer Längsrichtung oder Längsausdehnung des Materialbandes erstreckenden nicht beschichteten oder unbeschichteten Streifen auf, also einen Folienbereich, welcher nicht mit der Aktivmaterialbeschichtung versehen ist.
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Außerdem liegt das Materialband typischerweise als sogenanntes Endlosmaterial, als Rollenmaterial oder als sogenannter Elektrodenwickel (Elektrodencoil) vor. Das Materialband weist hierbei eine Länge auf, welche wesentlich größer dimensioniert ist, als dessen Breite oder Dicke beziehungsweise Höhe. Dabei weist das Materialband beispielsweise eine Breite von mehr als 100 mm auf, bevorzugt mehr als 300 mm und insbesondere mehr als 900 mm, also zum Beispiel etwa 1200 mm.
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Das zuvor beschriebene Materialband wird nun im Zuge der Ausführung des Verfahrens in der zuvor genannten Bearbeitungsstation, welche typischerweise Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist oder die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet, bearbeitet. Dazu weist die Bearbeitungsstation zweckdienlicherweise ein laserbasiertes Schneidwerkzeug auf, also ein Schneidwerkzeug, bei dem Laserstrahlung genutzt wird, um Material zu schneiden, hier also um das Materialband zu schneiden oder zu zerschneiden. Teil des laserbasierten Schneidwerkzeugs ist hierbei typischerweise eine Laserlichtquelle, mit deren Hilfe im Betrieb ein Laserstrahl erzeugt wird.
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Die Laserlichtquelle ist hierbei je nach Bedarf als ein gepulster (pulsed) Laser oder als ein kontinuierlicher (continuous wave, CW) Laser, auch Dauerstrichlaser genannt, ausgeführt. Die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung liegt dabei zweckdienlicherweise im Bereich zwischen 530 nm und 1100 nm. Die Laserleistung liegt typischerweise im Kilowatt-Bereich, also zum Beispiel im Bereich zwischen 0,5 kW und 10 kW. Beispielsweise bildet ein Faserlaser die Laserlichtquelle aus.
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Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Laserlichtquelle weist das laserbasierte Schneidwerkzeug üblicherweise weiterhin einen steuerbaren Spiegelscanner auf. Mittels des Spiegelscanners wird der mit Hilfe der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl abgelenkt, wobei die Ablenkung steuerbar ist. D.h., dass die Position eines zum Schneiden genutzten Fokus des Laserstrahls veränderbar ist und durch Ansteuerung des steuerbaren Spiegelscanners vorgegeben und verändert wird.
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Teil dieses Spiegelscanners ist dabei vorzugsweise ein rotierender Polygonspiegel. Dieser dient weiter bevorzugt zur Variation der Ablenkung des Laserstrahls in Förderrichtung, also insbesondere zur Verschiebung des zum Schneiden genutzten Fokus in Förderrichtung, und mit Hilfe des rotierenden Polygonspiegels wird im Betrieb der Bearbeitungsstation der mittels der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl abgelenkt, um das Materialband in der Bearbeitungsstation durch Laserbestrahlung in Förderrichtung durchzuschneiden.
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Jenes Durchschneiden des Materialbandes in Förderrichtung wird nachfolgend auch als Längsschneiden oder Slitten bezeichnet und erfolgt bevorzugt in einem kontinuierlichen Prozess, bei dem das Materialband kontinuierlich in Förderrichtung gefördert wird und kontinuierlich durch Laserbestrahlung durchschnitten wird. Das Längsschneiden erfolgt somit also bevorzugt „on-the-fly“.
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Von Vorteil sind weitere Verfahrensvarianten, bei denen das Materialband längsgeschnitten wird, also in Förderrichtung durchschnitten wird, indem Material von einer Schnittstelle am Materialband durch Laser-Ablation abgetragen wird. Dabei wird das Material durch den Laserstrahl lokal soweit erwärmt, dass ein Plasma entsteht und das Material durch die Aufheizung abgetragen wird. Der Laserstrahl wird hierzu auf das Materialband fokussiert, wobei in einer Wärmeeintragszone oder einer Wärmeeinflusszone das Material abgetragen und somit die Schnittstelle durchtrennt wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung wird das Material von der Schnittstelle am Materialband schichtweise abgetragen. Hierzu wird dann typischerweise der Laserstrahl mehrfach über die Schnittstelle geführt, wobei bei jeder Überführung oder Überfahrt eine Materialschicht abgetragen wird. In diesem Zusammenhang wird auch von Mehrfachüberfahrten oder Multi-Überfahrten gesprochen. Je nach Anwendungsfall wird der Laserstrahl hierbei zwischen einem und 100-mal über die Schnittstelle bewegt.
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Eine entsprechende Mehrfachüberfahrt wird hierbei vorzugsweise mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit, also einem möglichst großen Laservorschub, durchgeführt. Dadurch ist es möglich, eine Schnittfuge oder Schnittkerbe mit einer besonders geringen oder moderaten Linienenergie zu realisieren, wodurch der Wärmeeintrag beziehungsweise die Wärmeeintragszone im Bereich der Schnittfuge oder Schnittkerbe reduziert wird. Dadurch sind bessere Kantenqualitäten der Schnittfugen oder Schnittkerben, und somit der Elektrodenkanten realisierbar.
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Insbesondere im Falle von Verfahrensvarianten mit schichtweiser Abtragung von Material wird für das Abtragen des Materials weiter bevorzugt lediglich ein durch die Laserbestrahlung induzierter Dampfdruck genutzt. D. h., dass insbesondere auf einen Einsatz eines zusätzlichen Prozessgases verzichtet wird.
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Außerdem ist es je nach Anwendungsfall von Vorteil, wenn das abgetragene Material abgesaugt wird. In einem solchen Fall weist dann die Bearbeitungsstation eine Absaugvorrichtung auf, mit der das ablatierte Material abgesaugt wird, also mittels eines Luft- oder Blasstroms entfernt wird.
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Wie zuvor bereits dargelegt wird das Materialband im Betrieb der Bearbeitungsstation entlang der Förderrichtung gefördert. Die Förderung erfolgt hierbei bevorzugt mit einer Geschwindigkeit, die in einem Bereich zwischen 25 m/min und 120 m/min liegt. Zudem wird die Geschwindigkeit vorzugsweise konstant gehalten, während das Materialband mithilfe der Laserbestrahlung bearbeitet wird. Weiter bevorzugt wird die Geschwindigkeit auch dann konstant gehalten, wenn der Laserstrahl mehrfach über die Schnittstelle geführt wird, um schichtweise Material vom Materialband abzutragen und das Materialband auf diese Weise zu durchschneiden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist der zuvor beschriebene Spiegelscanner und somit das laserbasierte Schneidwerkzeug zusätzlich einen Schwenkspiegel mit Galvanometerantrieb auf. Dieser dient vorzugsweise zur Steuerung der Ablenkung des Laserstrahls in eine Querrichtung quer zur Förderrichtung. Der Schwenkspiegel mit Galvanometerantrieb erlaubt in diesem Fall also eine Verschiebung des zum Schneiden genutzten Fokus in Querrichtung.
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Üblicherweise weist das laserbasierte Schneidwerkzeug weiterhin einen Kollimator auf. Dieser ist typischerweise der Laserlichtquelle nachgelagert. Dem Spiegelscanner ist der Kollimator in der Regel vorgelagert. Außerdem ist es von Vorteil, wenn das laserbasierte Schneidwerkzeug ein Objektiv, insbesondere ein sogenanntes F-Theta-Objektiv, aufweist. Das Objektiv ist dann zweckdienlicherweise dem Spiegelscanner nachgelagert.
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Zweckdienlicherweise ist dem laserbasierte Schneidwerkzeug außerdem eine Reinigungseinheit zugeordnet oder beigestellt. Die Reinigungseinheit ist dabei dann entweder als kontaktlose Reinigungseinheit (Crossjet oder Absaugung) oder als materialberührende Reinigungseinheit (Bürstenreinigung) ausgebildet. Mittels der Reinigungseinheit werden die Oberflächen/Schnittkanten der Bahnen nach dem Schnitt gesäubert.
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Bevorzugt ist das zuvor beschriebene Längsschneiden des Materialbandes nicht der einzige Schneidprozess, der Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Stattdessen ist vorteilhafterweise zumindest ein weiterer Schneidprozess Teil des Verfahrens und insbesondere sind zwei weitere Schneidprozesse Teil des Verfahrens. Dabei ist dann typischerweise für jeden weiteren Schneidprozess ein weiteres laserbasiertes Schneidwerkzeug vorgesehen. Je nach Anwendungsfall ist ein solches weiteres laserbasiertes Schneidwerkzeug zum Beispiel Teil der zuvor genannten Bearbeitungsstation oder Teil einer eigenen Bearbeitungsstation.
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Zweckdienlich ist dabei ein weiterer Schneidprozess, durch den ein sogenanntes Notchen erfolgt. Ein solcher Schneidprozess ist zum Beispiel in der
DE 10 2019 209 183 A1 beschrieben und dementsprechend wird hiermit ausdrücklich auf den Inhalt der
DE 10 2019 209 183 A1 Bezug genommen. Der entsprechende Schneidprozess dient der Ausbildung der sogenannten Anschlussfähnchen oder Ableiterfähnchen der Elektroden. Ein solches Notchen erfolgt je nach Ausführungsvariante vor oder nach dem Längsschneiden.
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Alternativ oder zusätzlich zum Notchen-Schneidprozess ist ein Schneidprozess Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens, der zur Realisierung eines Transversalschnitts dient, also eines Schnittes quer zur Förderrichtung. Auch ein solcher Schneidprozess ist in der
DE 10 2019 209 183 A1 näher beschrieben und dementsprechend wird auch in diesem Zusammenhang ausdrücklich auf die
DE 10 2019 209 183 A1 Bezug genommen. Ein solches Transversalschneiden erfolgt typischerweise nach dem Längsschneiden und gegebenenfalls auch nach dem Notchen.
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Insbesondere für den Schneidprozess, mit dem das Längsschneiden erfolgt, ist es außerdem von Vorteil, wenn das Materialband im Wirkbereich des Laserstrahls mit hoher Positionsgenauigkeit am laserbasierten Schneidwerkzeug vorbeigeführt wird. Zu diesem Zweck weist das die Bearbeitungsstation vorzugsweise eine Fördereinrichtung auf, bei der das Materialband im Wirkbereich des Laserstrahls mittels Vakuumbändern oder Transportwalzenpaaren gefördert wird. Dabei ist dann typischerweise für jede Bahn, die aus dem Materialband hergestellt werden soll, ein Vakuumband bzw. ein Transportwalzenpaar vorgesehen.
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Zusammenfassend beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren einen Hochgeschwindigkeitsprozess zum Längsschneiden von Materialbändern mit Hilfe zumindest eines Laserstrahls. Dadurch ist es möglich, eine Materialband (Muttercoil), insbesondere ein Materialband für die Herstellung von Elektroden für Akkumulatorzellen, welches typischerweise mindestens zwei beschichtete Streifen aufweist, in zwei oder mehr Bahnen (Tochtercoils) längszuschneiden.
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Die hochdynamische Ablenkung des Laserstrahls erfolgt dabei bevorzugt mit Hilfe eines Spiegelscanners, der einen rotierenden Polygonspiegel aufweist. Das Scanregime eines Polygonspiegels ist systembedingt immer rasternd. Dabei wird durch die Drehbewegung des Polygonrades der Laserstrahl entlang einer schnellen Achse (fast axis) abgelenkt. Durch das gezielte, zur Bewegung synchronisierte Zu- bzw. Abschalten der Laserstrahlung können innerhalb des Scanfeldes der Optik nahezu beliebige „geradlinige“ Vektoren mit definierter Länge laserbearbeitet werden.
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Weiter bevorzugt weist der Spiegelscanner außerdem einen Schwenkspiegel mit Galvanometerantrieb auf. Durch die zusätzliche Bewegung des Schwenkspiegels im System können die Bearbeitungslinien bei Bedarf innerhalb des Scanfeldes senkrecht zur schnellen Achse (slow axis) verschoben werden.
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Die von der Laserlichtquelle emittierte Strahlung wird vorteilhafterweise durch Reflexion an dem rotierenden Polygonspiegel bewegt und mittels eines F-Theta-Objektivs fokussiert. Im Fokusbereich oder kurz Fokus der Laserstrahlung befindet sich das zu bearbeitende Werkstück, also das Materialband. Durch die im Fokus auftretenden hohen Intensitäten wird das bestrahlte Material schlagartig aufgeschmolzen bzw. verdampft. Der Längsschneidprozess wird falls notwendig mehrfach wiederholt (Multi-Überfahrten) und dadurch das Material stufenweise abgetragen.
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Anders als bei klassischen Laserschneidprozessen, bewirkt bevorzugt nur der induzierte Dampfdruck den Materialaustrieb aus der Bearbeitungszone. Zusätzliche Prozessgase sind nicht zwingend notwendig.
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Der Laser ist beispielsweise als ein gepulster (pulsed) oder als ein kontinuierlicher (continuous wave, CW) Faserlaser ausgeführt. Der Faserlaser weist hierbei eine, für die Ablation des Materials des Materialbandes geeignete Wellenlänge auf, vorzugsweise eine Wellenlänge im grünen oder Infrarot-Bereich (IR), beispielsweise etwa 530 nm oder 1100 nm (Nanometer), auf. Der Laser weist beispielsweise eine Laserleistung im Kilowatt-Bereich (kW) auf. Weiterhin kann das Verfahren mit Femtosekunden-, Nanosekunden- oder Pikosenkundenlaser umgesetzt werden.
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Der Einsatz eines rotierenden Polygonspiegels für das Verfahren erlaubt gegenüber der Methode mit herkömmlichen Scansystemen (reine Galvanometerscanner) wesentlich höhere Strahlablenkgeschwindigkeiten, womit die lokale Einwirkzeit der Laserstrahlung verringert wird. In der Regel kann durch die höhere Scangeschwindigkeit eine größere Laserleistung im Prozess umgesetzt werden, so dass die Prozessrate (hier die effektive Schneidgeschwindigkeit) steigt.
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Einzigartig ist zudem, dass die Energiemenge durch die bevorzugten Multi-Überfahrten exakt gesteuert werden kann, wodurch eine annähernd optimale Schnittkantenqualität im Randbereich des Schnittspaltes (Wärmeeinflusszone, Delamination und Gratbildung) erreicht werden kann.
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Nach aktuellen Stand der Technik weisen alle konventionellen Verfahren erhebliche Defizite der Schnittkantenqualität/Randqualität der Geometrien auf. Die Erfindung bietet demnach erstmals eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Umsetzung der Technologie in Großserie unter annähernd perfekter Schnittkantenqualität (Keine Wärmeeinflusszone, eine Delamination <10µm und keinerlei Gratbildung).
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Die Bearbeitung des Materialbandes kann dabei statisch oder „on-the-fly“ erfolgen. Das Schneiden kann unter Vakuum, unter reduzierter Atmosphäre oder unter Atmosphäre geschehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der schematischen Zeichnungen. Darin zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht einen Teil eines ersten Schneidwerkzeugs einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Materialbändern zusammen mit einem ersten Teilabschnitt eines ersten Materialbandes,
- 2 in einer Aufsicht einen zweiten Teilabschnitt des ersten Materialbandes,
- 3 in einer Aufsicht einen Teilabschnitt eines zweiten Materialbandes,
- 4 in einer ersten Seitenansicht einen Teil der Vorrichtung zur Bearbeitung von Materialbändern mit einer ersten Fördereinrichtung in einer ersten Bearbeitungsstation,
- 5 in einer zweiten Seitenansicht die erste Fördereinrichtung,
- 6 in der ersten Seitenansicht die erste Fördereinrichtung in einer alternativen Ausführung, und
- 7 in der zweiten Seitenansicht die erste Fördereinrichtung in der alternativen Ausführung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine nachfolgend exemplarisch beschriebene Vorrichtung 2 ist ausgebildet zur Bearbeitung von Materialbändern 4 für die Herstellung von Elektroden 6 für Akkumulatorzellen. Es handelt sich somit bei der Vorrichtung 2 um eine Vorrichtung 2 zur Herstellung von Elektroden 6 für Akkumulatorzellen.
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Mit Hilfe der Vorrichtung 2 wird im Betrieb ein vorgefertigten Materialband 4 zugeschnitten und auf diese Weise bearbeitet. Das Materialband 4 liegt dabei typischerweise als sogenanntes Endlosmaterial, Rollenmaterial oder als sogenannter Elektrodenwickel (Elektrodencoil) vor und wird für die Bearbeitung zunächst von einer nicht mit abgebildeten Trommel abgewickelt. Es besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Metallfolie 8, die beidseitig deckungsgleich mit einem Elektrodenaktivmaterial 10 beschichtet ist.
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In 1 und 2 ist ein Ausschnitt oder Teilabschnitt des Materialbandes 4 in einer ersten Ausführung skizziert. Bei dieser Ausführung ist die Metallfolie 8 randseitig unbeschichtet. Die Beschichtung ist somit auf jeder Seite des Materialbandes 4 als zentral angeordneter Streifen ausgebildet. 3 zeigt eine alternative zweite Ausführung des Materialbandes 4. Hier ist eine Beschichtung realisiert, durch die auf jeder Seite des Materialbandes 4 zwei räumlich voneinander getrennte Streifen Elektrodenaktivmaterial 10 ausgebildet sind. Hierdurch sind dann auf jeder Seite des Materialbandes 4 zwei streifenförmige Bereiche der Metallfolie 8 unbeschichtet, nämlich ein randseitig angeordneter streifenförmiger Bereiche und ein mittig angeordneter streifenförmiger Bereiche.
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In 2 und 3 sind außerdem gepunktete Umrisse dargestellt. Jeder dieser Umrisse gibt die Schneidkanten 12 einer Elektrode 6 wieder. Durch Schneiden entlang der Schneidkanten 12 werden Elektroden 6 aus dem Materialband 4 herausgeschnitten und auf diese Weise aus dem Materialband 4 hergestellt.
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Das abgewickelte Materialband 4 wird nun im Ausführungsbeispiel zunächst einer ersten Bearbeitungsstation 14 zugeführt. Teile dieser ersten Bearbeitungsstation 14 sind in 1 dargestellt. Sie weist eine erste Fördereinrichtung 16 und ein erstes laserbasiertes Schneidwerkzeug 18 auf. Die erste Bearbeitungsstation 14 ist ausgebildet das zugeführte Materialband 4 längszuschneiden. Im Ausführungsbeispiel wird das Materialband 4 dabei entlang einer Mittellängsachse 20 durchgeschnitten und auf diese Weise in genau zwei Bahnen 22 zerteilt. Die Mittellängsachse 20 verläuft hierbei abschnittsweise entlang der Schneidkanten 12 von Elektroden 6.
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Das Längsschneiden erfolgt hierbei derart, dass das Materialband 4 mit der ersten Fördereinrichtung 16 in einer Förderrichtung 26 gefördert wird und hierdurch unter den ersten laserbasierten Schneidwerkzeug 18 hindurchgeführt wird. Dieses generiert währenddessen einen Laserstrahl 24, mit dem Materialband 4 entlang seiner Mittellängsachse 20 durchtrennt wird.
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Abgesehen von einer nicht explizit dargestellten Laserlichtquelle weist das erste laserbasierte Schneidwerkzeug 18 einen steuerbaren Spiegelscanner 28 auf. Mittels des Spiegelscanners 28 wird der mit Hilfe der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl 24 abgelenkt, wobei die Ablenkung steuerbar ist. D.h., dass die Position eines zum Schneiden genutzten Fokus des Laserstrahls 24 veränderbar ist und durch Ansteuerung des steuerbaren Spiegelscanners 28 vorgegeben und verändert wird.
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Teil dieses Spiegelscanners 28 ist dabei gemäß 1 ein rotierender Polygonspiegel 30. Dieser dient bevorzugt zur Variation der Ablenkung des Laserstrahls 24 in Förderrichtung 26, also insbesondere zur Verschiebung des zum Schneiden genutzten Fokus in Förderrichtung 26, und mit Hilfe des rotierenden Polygonspiegels 30 wird im Betrieb der ersten Bearbeitungsstation 14 der mittels der Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl 24 abgelenkt.
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Bevorzugt erfolgt das Längsschneiden, indem Material von einer Schnittstelle entlang der Mittellängsachse 20 am Materialband 4 durch Laser-Ablation abgetragen wird. Dabei wird das Material durch den Laserstrahl 24 lokal soweit erwärmt, dass ein Plasma entsteht und das Material durch die Aufheizung abgetragen wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung wird das Material von der Schnittstelle am Materialband 4 schichtweise abgetragen. Hierzu wird dann typischerweise der Laserstrahl 24 mehrfach über die Schnittstelle geführt, wobei bei jeder Überführung oder Überfahrt eine Materialschicht abgetragen wird. In diesem Zusammenhang wird auch von Mehrfachüberfahrten oder Multi-Überfahrten gesprochen. Je nach Anwendungsfall wird der Laserstrahl hierbei zwischen einem und 100-mal über die Schnittstelle bewegt.
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Wie zuvor bereits dargelegt wird das Materialband 24 währenddessen entlang der Förderrichtung 26 gefördert. Die Förderung erfolgt hierbei bevorzugt mit einer Geschwindigkeit, die in einem Bereich zwischen 25 m/min und 120 m/min liegt. Zudem wird die Geschwindigkeit vorzugsweise konstant gehalten, während das Materialband 4 mithilfe der Laserbestrahlung bearbeitet wird. Weiter bevorzugt wird die Geschwindigkeit auch dann konstant gehalten, wenn der Laserstrahl 24 mehrfach über die Schnittstelle geführt wird, um schichtweise Material vom Materialband 4 abzutragen und das Materialband 4 auf diese Weise zu durchschneiden.
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Weiter weist der Spiegelscanner 28 gemäß 1 einen Schwenkspiegel 32 mit Galvanometerantrieb auf. Dieser dient vorzugsweise zur Steuerung der Ablenkung des Laserstrahls 24 in eine Querrichtung 34 quer zur Förderrichtung 26. Der Schwenkspiegel 32 mit Galvanometerantrieb erlaubt in diesem Fall also eine Verschiebung des zum Schneiden genutzten Fokus in Querrichtung 34.
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Zudem weist das erste laserbasierte Schneidwerkzeug 18 gemäß 1 ein sogenanntes F-Theta-Objektiv 36 aufweist. Das F-Theta-Objektiv 36 ist dabei dem Spiegelscanner 28 nachgelagert.
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In 4 und 5 ist eine erste Ausführung der ersten Fördereinrichtung 16 skizziert. Diese weist zwei in Querrichtung 34 nebeneinander angeordnete Vakuumbänder 28 auf, zwischen denen ein Spalt realisiert ist. Über diesem Spalt ist das erste laserbasierte Schneidwerkzeug 18 so positioniert, dass der Laserstrahl 24 durch den Spalt hindurchstrahlen kann. 4 zeigt die erste Ausführung der ersten Fördereinrichtung 16 dabei in einer ersten Seitenansicht mit Blick in Querrichtung 34. 5 zeigt die erste Ausführung der ersten Fördereinrichtung 16 in einer zweiten Seitenansicht mit Blick in Förderrichtung 26.
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Eine zweite Ausführung der ersten Fördereinrichtung 16 ist in 6 und 7 angedeutet. Diese weist zwei in Querrichtung 34 nebeneinander angeordnete Transportwalzenpaare 40 auf, zwischen denen wiederum ein Spalt realisiert ist. Relativ zu diesem Spalt ist das erste laserbasierte Schneidwerkzeug 18 so positioniert, dass der Laserstrahl 24 durch den Spalt hindurchstrahlen kann. 6 zeigt die zweite Ausführung der ersten Fördereinrichtung 16 dabei in einer ersten Seitenansicht mit Blick in Querrichtung 34. 7 zeigt die zweite Ausführung der ersten Fördereinrichtung 16 in einer zweiten Seitenansicht mit Blick in Förderrichtung 26.
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Bei beiden Ausführungen der ersten Fördereinrichtung 16 ist im Prinzip ein mitlaufender Schneidtisch mit Schneidspalt realisiert, bei dem eine Relativgeschwindigkeit zwischen Materialband 4 und Schneidtisch sicher ausgeschlossen werden kann und eine präzise Führung des Materialbandes 4 ermöglicht ist.
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Zusätzlich zur ersten Bearbeitungsstation 14 weist die Vorrichtung 2 eine zweite Bearbeitungsstation 42 mit einer zweiten Fördereinrichtung 44 sowie mit einem zweiten laserbasierten Schneidwerkzeug 46 und eine dritte Bearbeitungsstation 48 mit einer dritten Fördereinrichtung 50 sowie mit einem dritten laserbasierten Schneidwerkzeug 52 auf. Die weiteren Bearbeitungsstationen 42, 48 sind ebenfalls jeweils eingerichtet, Schnitte mittels Laserstrahlung auszuführen.
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Im Ausführungsbeispiel erfolgt durch die zweite Bearbeitungsstation 42 das sogenannte Notchen. Das Notchen dient der Ausbildung der Ableiterfähnchen 54 der Elektroden 6 aus unbeschichteter Metallfolie 8. Die dritte Bearbeitungsstation 48 ist ergänzend eingerichtet zur Realisierung eines Transversalschnitts, also eines Schnittes in Querrichtung 34.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die drei Bearbeitungsstationen 14, 42, 48 dabei durch die Führung/Förderung des Materialbands 4 miteinander verkettet, wobei das Materialband 4 die drei Bearbeitungsstationen 14, 42, 48 nacheinander durchläuft. Alternativ ist zwischen den drei Bearbeitungsstationen 14, 42, 48 keine Verkettung realisiert. Hier erfolgt dann typischerweise zwischen den Bearbeitungsstationen 14, 42, 48 ein erneutes Auf- und Abwickeln des Materialbandes 4 bzw. der Bahnen 22.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Materialband
- 6
- Elektrode
- 8
- Metallfolie
- 10
- Elektrodenaktivmaterial
- 12
- Schneidkante
- 14
- erste Bearbeitungsstation
- 16
- erste Fördereinrichtung
- 18
- erstes laserbasiertes Schneidwerkzeug
- 20
- Mittellängsachse
- 22
- Bahn
- 24
- Laserstrahl
- 26
- Förderrichtung
- 28
- Spiegelscanner
- 30
- Polygonspiegel
- 32
- Schwenkspiegel
- 34
- Querrichtung
- 36
- F-Theta-Objektiv
- 38
- Vakuumband
- 40
- Transportwalzenpaar
- 42
- zweite Bearbeitungsstation
- 44
- erste Fördereinrichtung
- 46
- zweites laserbasiertes Schneidwerkzeug
- 48
- dritte Bearbeitungsstation
- 50
- dritte Fördereinrichtung
- 52
- drittes laserbasiertes Schneidwerkzeug
- 54
- Ableiterfähnchen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019209183 A1 [0029, 0030]
