DE102021212893A1

DE102021212893A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode

Info

Publication number: DE102021212893A1
Application number: DE102021212893.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Jansen; Steffen Masuch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-05-17
Also published as: CN116137319A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (4), bei dem ein Elektrodenband (6) mit einer Folie (8) und mit einer darauf aufgebrachten Aktivmaterialbeschichtung (10) mit einem Laserstrahl (S) geschnitten wird, wobei beim Laserschneiden ein Plasma (P) erzeugt wird, bei dem eine Eigenschaft des vom Plasma (P) emittierten Licht (L) bestimmt wird, und bei dem in Abhängigkeit der bestimmten Eigenschaft des Lichtes (L) eine Schnittkontur (22) für das Laserschneiden eingestellt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (2) zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere gemäß dem Verfahren, sowie eine gemäß dem Verfahren hergestellte Elektrode (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, bei dem ein Elektrodenband mit einem Laser geschnitten wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung der Elektrode.
Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise eine Traktionsbatterie (Hochvoltbatterie, HV-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.
Eine solche Traktionsbatterie, welche als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet ist, weist zumindest eine Batteriezelle auf, welche wiederum zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode umfasst. Zur Herstellung solcher Anoden bzw. solcher Kathoden wird typischerweise ein Elektrodenband mit einer folienartigen und bandförmigen Elektrodenfolie, insbesondere beidseitig, mit einer Beschichtung mit Aktivmaterial versehen. Diese Beschichtung wird anschließend beispielsweise durch zumindest ein Walzenpaar eines Kalanders verdichtet. Darauf folgend wird die beschichtete Elektrodenfolie unter Bildung der einzelnen Anoden bzw. der einzelnen Kathoden zu- und/oder abgeschnitten.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
Beispielsweise wird zum Zuschneiden der Elektroden ein Laserschneidgerät verwendet. Mittels diesem wird insbesondere ein auch als Ableiterfähnchen bezeichneter Kontaktabschnitt aus einem unbeschichteten Bereich der Elektrodenfolie ausgeschnitten und der restliche unbeschichtete (Rand-) Bereich möglichst vollständig abgeschnitten werden. Insbesondere sofern die Elektrode eine Kathode ist, soll dabei ein Laserschneiden im beschichteten Bereich vermieden werden, so dass die Bildung eines Grats aus dem Beschichtungsmaterial vermieden ist. Durch den unbeschichteten Randbereich ist die Möglichkeit gegeben, dass bei einer Schrumpfung des Separators ein Kontakt zwischen dem Kathodenkollektor und der Aktivmaterialbeschichtung der Anode auftritt. Um diese gefährliche Kurzschlusssituation zu vermeiden wird zusätzlich zu der Aktivmaterialbeschichtung auf der Kathode häufig eine weitere nicht leitende keramische Beschichtung aufgetragen. Der Laserschnitt erfolgt bei solchen Elektroden unmittelbar in der keramischen Beschichtung beziehungsweise im unbeschichteten Kollektor im Bereich der Ableiterfahne.
Zum Einstellen der Schnittkontur für das Laserschneiden wird typischerweise eine Kamera verwendet, anhand welcher der zugeschnittene Bereich des Elektrodenbandes aufgenommen wird. Die anhand der Kamera gemachte Aufnahme des zugeschnittenen Bereichs werden hinsichtlich eines Abstandes des Schnittes zum beschichteten Bereich des Elektrodenbandes ausgewertet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode anzugeben, bei dem eine Gratbildung vermieden ist, und/oder bei dem ein unbeschichteter Randbereich beziehungsweise ein keramisch beschichteter Randbereich der Elektrodenfolie möglichst vollständig abgeschnitten wird. Des Weiteren soll eine Vorrichtung zur Herstellung der Elektrode, sowie eine anhand des Verfahrens und/oder anhand der Vorrichtung hergestellte Elektrode angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 7 und hinsichtlich der Elektrode durch die Merkmale des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Vorrichtung auch für das Verfahren und für die Elektrode und umgekehrt.
Das Verfahren dient der Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-lonen-Batteriezelle. Insbesondere betrifft das Verfahren das Zuschneiden eines Elektrodenbandes im Zuge der Herstellung der Elektrode. Das Elektrodenband weist eine bandförmige Folie als Substrat auf, welche in einem ersten Bereich, vorzugsweise beidseitig, mit einer Beschichtung mit Aktivmaterial versehen ist. Der mit der Aktivmaterialbeschichtung versehene Bereich wird hier und im Folgenden auch als beschichteter Bereich bezeichnet. Diese Beschichtung wird hier und im Folgenden auch als Aktivmaterialbeschichtung bezeichnet. Als Folie wird zweckmäßigerweise eine Metallfolie wie beispielsweise eine Kupferfolie oder eine Aluminiumfolie oder alternativ hierzu einer beschichteten Kunststoff- oder Kohlenstofffolie verwendet. Die Folie kann auch als eine Hybridfolie aus Kunststoff und Metall ausgeführt sein. Das Aktivmaterial weist im Falle einer Anode beispielsweise Graphit und im Falle einer Kathode beispielsweise Nickel oder eine Nickelverbindung auf. Das Aktivmaterial der Anode oder Kathode kann hierbei mit einer zusätzlichen inaktiven beziehungsweise elektrisch nicht leitenden Beschichtung versehen sein, um in der Batteriezelle einen (Kurzschluss-)Kontakt zwischen dem unbeschichteten und dem beschichteten Bereich zwischen Anode und Kathode im Fall eines Schrumpfens des Separators zu verhindern.
Nachfolgend ist unter einem „unbeschichteten Bereich“ auch ein solcher Bereich zu verstehen, welcher mit einer inaktiven, elektrisch nicht leitenden Beschichtung, beispielsweise einer Keramikbeschichtung, versehen ist.
Verfahrensgemäß wird das Elektrodenband, geeigneter Weise in einem unbeschichteten Bereich der Elektrodenfolie, mit einem Laserstrahl geschnitten. In geeigneter Ausgestaltung wird hierbei eine hinsichtlich der Bandlängsrichtung kontinuierlich beschichtete Elektrodenfolie an deren seitlichen Rändern, also endseitig in Bandquerrichtung, anhand des Laserstrahls zugeschnitten, wobei seitlich abstehende Kontaktabschnitte (Ableiterfähnchen) gebildet, insbesondere ausgeschnitten, werden. Dieser Schneidprozess wird auch als „notching“ bezeichnet.
Beispielsweise ist dieser Schneidprozess als ein sogenanntes Rolle-zu-Rolle-Verfahren ausgebildet, bei dem das Elektrodenband von einer Vorratsrolle abgewickelt, anschließend anhand einer Laserschneidgerät geschnitten und darauf folgend auf eine weiteren Vorratsrolle aufgewickelt wird. Alternativ hierzu ist dieser Schneidprozess als ein Rolle-zu-Blatt-Verfahren ausgebildet, bei dem das Elektrodenband von der Vorratsrolle abgewickelt und unter Bildung einzelner Elektroden anhand des Laserstrahls und beispielsweise zusätzlich anhand eines Messers oder einer Stanze zu- und/oder ausgeschnitten werden.
Allenfalls entsteht bei der Einwirkung des Laserstrahls auf das Elektrodenband im Zuge des Laserschneiden ein Plasma, welches Licht emittiert. Verfahrensgemäß wird eine Eigenschaft des vom Plasma emittierten Licht bestimmt und in Abhängigkeit dieser bestimmten Eigenschaft eine Schnittkontur für das Laserschneiden eingestellt. Zweckmäßigerweise wird eine Lage, also eine Position, und/oder eine Orientierung der Schnittkontur relativ zum Elektrodenband, insbesondere relativ zur Aktivmaterialbeschichtung eingestellt. Unter der Schnittkontur ist dabei ein vorgegebenes Schnittmuster und/oder eine vorgegebene Schnittlinie für das Elektrodenband zu verstehen. Also definiert die Schnittkontur eine Trennlinie, entlang welcher das Elektrodenband anhand des Laserstrahls durchtrennt werden soll, mit anderen Worten ist die Schnittkontur eine vorgegebene und/oder vorgesehene Linie, insbesondere auf dem Elektrodenband, die mittels des Laserstrahl zu bearbeiten ist.
Zusammenfassend erfolgt ein Einstellen der Schnittkontur in Abhängigkeit einer Eigenschaft von Licht, das im Wesentlichen am (aktuellen) Schneidpunkt entsteht. Im Vergleich zum eingangs erwähnten Stand der Technik, bei dem eine auszuwertende (Kamera-) Aufnahme eines bereits zugeschnittenen Bereichs herangezogen wird, bei dem also der Schneidpunkt beabstandet zum Messpunkt durch die Kameraaufnahme ist, ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft kein Abstand zwischen dem Schneidpunkt und dem effektiven Messpunkt, da das Plasma direkt am Schneidpunkt entsteht. Es ist also kein Offset zur Einstellung der Schnittkontur vorhanden.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Elektrodenfolie, der optionalen keramischen Beschichtung und des Materials der Aktivmaterialbeschichtung weist das vom Plasma emittierte Licht beim Laserschneiden des Elektrodenbandes im unbeschichteten Bereich und das vom Plasma emittierte Licht beim Laserschneiden des Elektrodenbandes im beschichteten Bereich eine unterschiedliche spektrale Zusammensetzung auf.
Beispielsweise weist bei Verwendung einer Aluminiumfolie als Elektrodenfolie das durch das Plasma emittierte Licht beim Laserschneiden des Elektrodenbandes im unbeschichteten Bereich ein charakteristisches Wellenlängenspektrum und materialabhängige Polarisation auf. Das Spektrum und/oder die Polarisation des Lichts können zur Identifizierung des Aluminiummaterials verwendet werden. Ebenfalls kann zur Charakterisierung auch lediglich ein Teil des Spektrums und/oder eine definierte Polarisationsrichtung ausgewertet werden. Charakteristisch für ein Wellenlängenspektrum können zum Beispiel hohe Intensitäten im Farbbereich Grün und/oder Rot sein, welche nicht von dem Plasma des Aktivmaterials emittiert werden. Im Vergleich dazu wird bei Nickel oder einer Nickelverbindung als Bestandteil der Aktivmaterialbeschichtung beim Laserschneiden im beschichteten Bereich ebenfalls Licht emittiert, das ein charakteristisches Wellenlängenspektrum und/oder Polarisation für dieses Material aufweist und ebenfalls eindeutig dem Aktivmaterial des unbeschichteten Bereichs zuzuordnen ist. Somit kann zum Beispiel eine hohe Intensität einer oder mehrerer Wellenlängen und/oder einer oder mehrerer Polarisationsrichtungen nachgewiesen werden. Für erstgenanntes kann dies zum Beispiel ein Wellenlängenbereich sein, welcher der Farbe Blau zugeordnet ist.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Bestimmung der Eigenschaft des vom Plasma emittierten Lichts deshalb ein Spektrum dessen erzeugt und zumindest ein Teil des Spektrums und/oder eine Polarisationsrichtung des emittierten Lichts ausgewertet. Beispielsweise wird hierbei als Eigenschaft die Intensität/Amplitude eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs und/oder einer vorgegebenen Wellenlänge und/oder Polarisationsrichtung bestimmt, wobei der Wellenlängenbereich oder die Wellenlänge und/oder die Polarisationsrichtung vorzugsweise charakteristisch für ein Element oder eine Verbindung der Aktivmaterialbeschichtung ist. Alternativ oder zusätzlich kann als Eigenschaft bestimmt werden, ob Licht einer solchen Wellenlänge und/oder Polarisationsrichtung vom Plasma emittiert wird oder nicht.
Alternativ oder zusätzlich hierzu wird das Licht zunächst in Teilstrahlen unterschiedliche Wellenlängenbereiche und/oder in die Polarisationsrichtungen aufgeteilt oder gefiltert und anschließend zumindest einer dieser Teilstrahlen ausgewertet. Hierbei können beispielsweise für einen oder für jeden der Teilstrahlen als Eigenschaft des Lichts die Intensität und/oder die Polarisationsrichtung des jeweiligen Teilstrahls ermittelt werden.
Zusammenfassend kann vorteilhaft anhand der ermittelten Eigenschaft unterschieden werden, ob im beschichteten Bereich oder im Bereich der Keramikbeschichtung oder im unbeschichteten (nicht beschichteten) Bereich des Elektrodenbandes Lasergeschnitten wird. Eine derartige Ermittlung der Eigenschaft des Lichts erfolgt dabei - insbesondere im Vergleich zum eingangs erwähnten Stand der Technik, gemäß welchem, bevorzugt hochauflösende, (Kamera-)Aufnahmen ausgewertet werden - vergleichsweise schnell, so dass ein Einstellen der Schnittkontur entsprechend schnell nach der Erfassung des Lichts erfolgen kann.
Beispielsweise wird, sofern ermittelt wird, dass im beschichtetem Bereich lasergeschnitten wird, der aktuelle Schneidpunkt (Schnittpunkt) und/oder die Schnittkontur zur Vermeidung einer Gratbildung oder zur Vermeidung anderer Qualitätsabweichungen vom beschichteten Bereich weg verfahren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Elektrodenband zunächst in dessen unbeschichteten Bereich anhand des Laserstrahls geschnitten. Zur Bestimmung der räumlichen Lage des beschichteten Bereichs, insbesondere zur Bestimmung der räumlichen Lage der Grenze zwischen dem unbeschichteten Bereich und dem beschichteten Bereich, wird der Schneidpunkt, also die Stelle, an welcher der Laserstrahl zum Schneiden auf das Elektrodenband auftrifft, zum beschichteten Bereich hin verstellt. Hierzu wird zweckmäßigerweise der Laserstrahl entsprechend umorientiert. Der Schneidpunkt wird solange zum beschichteten Bereich hin verstellt, bis das vom Plasma emittierte Licht eine vordefinierte Eigenschaft aufweist, wobei die Eigenschaft dem Laserschneiden des Elektrodenbandes im beschichteten Bereich zugeordnet ist.
Sobald diese vordefinierte Eigenschaft des Lichts ermittelt wird, mit anderen Worten sobald die bestimmte Eigenschaft des emittierten Lichts der vordefinierten Eigenschaft entspricht, wird entsprechend angenommen, dass das Elektrodenband im beschichteten Bereich lasergeschnitten wird. Geeigneter Weise wird dann die aktuellen Position des Schneidpunktes als Grenze zwischen dem beschichteten und dem unbeschichteten Bereich des Elektrodenbandes herangezogen. Vorteilhaft ist auf diese Weise eine vergleichsweise genaue Bestimmung der Lage des beschichteten Bereichs ermöglicht.
Beispielsweise erfolgt eine derartige Bestimmung der räumlichen Lage des beschichteten Bereichs kontinuierlich oder zeitlich wiederkehrend, beispielswiese jede 10 Sekunden, und/oder in vorgegebenen, zweckmäßigerweise äquidistanten, Abständen hinsichtlich der Bandlängsrichtung des Elektrodenbandes, beispielsweise erfolgt eine derartige Bestimmung wiederkehrend jeweils nach 10 m Länge des Elektrodenbandes in Bandlängsrichtung. Vorzugsweise wird die Bestimmung an der Stelle oder Position wiederholt, an welcher ein Transversalschnitt zur Vereinzelung des Elektrodenbandes in Elektrodenblätter durchgeführt wird.
Zweckmäßigerweise wird der Schneidpunkt anschließend an die Bestimmung der räumlichen Lage des beschichteten Bereichs von diesem weg verstellt, um eine Gratbildung zu vermeiden.
In zweckmäßiger Ausgestaltung wird die Schnittkontur in Abhängigkeit der bestimmten Lage des beschichteten Bereichs eingestellt. Insbesondere wird die räumliche Lage der Schnittkontur eingestellt. Vorzugsweise wird deren räumliche Lage relativ zur bestimmten räumlichen Lage des beschichteten Bereichs eingestellt. Vorzugsweise wird die Schnittkontur beabstandet zur Grenze zwischen dem beschichteten und dem unbeschichteten Bereich, dabei vollständig im unbeschichteten Bereich, angeordnet. Ein Abstand zwischen der Schnittkontur und dem beschichteten Bereich beträgt dabei beispielsweise zwischen 0 Mikrometer (µm) und 1000 µm.
Insbesondere im Vergleich zum Einstellen der Schnittkontur durch Auswertung einer (Kamera-) Aufnahme ist auf diese Weise besonders vorteilhaft ein Abstand zwischen dem Schnitt (der Schnittkante) und dem beschichteten Bereich, also ein nach dem Laserschneiden verbleibender unbeschichteter (Rand-) Bereich („Überstand“) vergleichsweise klein realisierbar. Des Weiteren kann in der Batteriezelle hierdurch die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen einer Anodenbeschichtung und einem Kathodenstromableiter reduziert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode. Insbesondere ist die Vorrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet, das Verfahren in einer der oben dargestellten Varianten durchzuführen. Hierzu umfasst die Vorrichtung ein Laserschneidgerät. Dieses dient zum Laserschneiden des Elektrodenbandes entlang einer vorgegebenen Schnittkontur. Mit anderen Worten wird anhand des Laserschneidgeräts ein Laserstrahl erzeugt, der entlang der Schnittkontur verfährt, sodass das Elektrodenband dort geschnitten, also getrennt, wird.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Transporteinrichtung für das Elektrodenband. Anhand dieser kann das Elektrodenband zum Laserschneidgerät hin und von diesem weg gefördert werden. Zweckmäßigerweise ist die Transporteinrichtung als ein Vakuumförderband ausgebildet. Vorzugsweise wird das Elektrodenband während des Laserschneidens kontinuierlich, also mit konstanter Geschwindigkeit gefördert.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung (Erfassungseinheit) zur Erfassung von Licht, welches vom beim Laserschneiden des Elektrodenbandes entstehenden Plasma emittiert wird. Insbesondere ist die Erfassungseinrichtung dazu eingerichtet ein Spektrum des emittierten Lichts zu erzeugen und/oder das Licht zu polarisieren oder zu filtern. Hierzu umfasst die Erfassungseinrichtung zweckmäßigerweise zumindest eine optische Einheit, um eine oder mehrere materialcharakteristische Eigenschaften des Lichts zu erfassen. Unter einer optischen Einheit ist hierbei auch ein (Licht-) Sensor zu verstehen, welcher lediglich auf eine definierte charakteristische Wellenlänge reagiert. Die optische Einheit kann zum Beispiel durch ein Polfilter und einen Standardsensor realisiert werden, um lediglich eine gewünschte Wellenlänge passieren zu lassen.
Eine Möglichkeit zur Erfassung des Lichts ist, dass eine als Dispersionsprisma ausgebildete optische Einheit, sodass ein Spektrum des auf dieses einfallenden Lichts erzeugt wird. Zur Erfassung zumindest eines Teil dieses Spektrums umfasst die Erfassungseinrichtung einen Lichtsensor.
Zusätzlich oder alternativ hierzu ist die Erfassungseinheit dazu eingerichtet das emittierte Licht in zumindest zwei Teilstrahlen zueinander unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aufzuteilen und mittels jeweils eines Lichtsensors zu erfassen. Zur Aufteilung des Lichts in zumindest zwei Teilstrahlen umfasst die Erfassungseinrichtung beispielsweise ein dichroitisches Prisma. Beispielsweise ist die Erfassungseinrichtung nach Art einer 3-Chip-Farbkamera ausgebildet.
Außerdem kann ein Teil des Spektrums gefiltert werden. Das Filtern eines Teils des Spektrums kann beispielweise durch einen Filter oder durch (Teil-)Relfexion mittels eines dichroitischen dielektrischen Spiegels (Interferenzspiegel) erfolgen, der vor dem Sensor platziert wird oder das charakteristische Licht auf den Sensor weiterleitet. Auch ist es beispielsweise möglich, einen Sensor einzusetzen, dessen spektrale Empfindlichkeit auf den zu detektierenden Wellenlängenbereich ausgerichtet ist.
Weiterhin können die materialspezifischen Polarisationseigenschaften des emittierten Lichts genutzt werden. An dieser Stelle kann zum Beispiel ein Gitter oder Polfilter eingesetzt werden, um lediglich definiert polarisiertes Licht auf den Sensor treffen zu lassen.
Die optische Einheit der Erfassungseinrichtung kann aus einer oder mehreren Kombinationen der beschrieben Ausführungsoptionen bestehen, um die Messaufgabe durch auszuführen.
Des Weiteren kann die Erfassung der vom Plasma emittierten Strahlung unmittelbar auch im Strahlengang des Lasers erfolgen. Hierbei kann die Rückstrahlung durch einen teiltransparenten Spiegel hindurch erfasst werden der im Strahlengang des Lasers liegt. Dies bietet den Vorteil, dass die vom Plasma emittierte Strahlung unmittelbar im Spot des Lasers gemessen werden kann, sodass die Messung auch bei einer räumlichen Verschiebung des Schneidbereiches unbeeinflusst bleibt.
Eine Auswerteeinheit der Vorrichtung dient der Ermittlung einer Eigenschaft des anhand der Erfassungseinrichtung erfassten Lichts. Insbesondere ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen und eingerichtet ein Spektrum und/oder eine Orientierung/Polarisierung des erfassten Lichts auszuwerten. Hierzu ist die Auswerteeinheit signal- und/oder datenübertragungstechnisch mit der Erfassungseinrichtung verbunden. Insbesondere ist anhand der Auswerteeinheit ermöglicht, das von Lichtsensor bzw. von den Lichtsensoren erfasste Licht einem chemischen Element oder einer chemischen Verbindung zuzuordnen. Zweckmäßigerweise sind hierzu in einem Speicher der Auswerteeinheit Spektren und/oder Polarisationsrichtungen unterschiedlicher chemischen Elemente und chemischen Verbindungen hinterlegt.
Zudem weist die Vorrichtung eine Steuer- oder Regeleinheit auf, die signal- und/oder datenübertragungstechnisch mit der Auswerteeinheit gekoppelt ist. Zudem ist die Steuer- oder Regeleinheit steuertechnisch mit dem Laserschneidgerät verbunden, sodass eine Schnittkontur für das Laserschneiden des Elektrodenbandes in Abhängigkeit der ermittelten Eigenschaft des Lichts einstellbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Vorrichtung zusätzlich ein Lichtwellenleiter zum Leiten des vom Plasma emittierten Lichts zu Erfassungseinrichtung auf. Beispielsweise ist der Lichtwellenleiter als eine Glasfaser ausgebildet. Anhand des Lichtwellenleiters ist es vorteilhaft vermieden, dass nicht vom Plasma emittiertes Licht von der Erfassungseinrichtung erfasst wird. Somit werden Störlichter reduziert und damit einhergehend ist die Eigenschaft des Lichtes vergleichsweise genau (eindeutig) bestimmbar. Zweckmäßigerweise ist hierzu ein Eingang des Lichtwellenleiters auf das Plasma (oder auf einen Ort, an der die Entstehung des Plasmas erwartet wird) gerichtet und ein Ausgang des Lichtwellenleiters auf das Prisma oder auf den Lichtsensor der Erfassungseirichtung gerichtet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode, die gemäß dem Verfahren in einer der oben dargestellten Varianten und/oder anhand der Vorrichtung in einer der oben dargestellten Varianten hergestellt wurde. Insbesondere beträgt bei der, insbesondere als Kathode ausgebildeten, Elektrode der Abstand zwischen dem beschichteten Bereich und der anhand des Laserschneidens erzeugten Schnittkante im Randbereich der Elektrode zwischen 0 µm und 1000 µm.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch in einer Seitenansicht eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode, wobei die Vorrichtung ein Laserschneidgerät sowie eine Erfassungseinrichtung für Licht aufweist, welches von einem beim Laserscheiden entstehenden Plasma emittiert wird,
2 schematisch eine Erfassungseinrichtung der Vorrichtung,
3 anhand eines Flussdiagramms ein Verfahren zur Herstellung der Elektrode, bei dem eine Eigenschaft des vom Plasma emittierten Lichts bestimmt wird, welches, und bei dem eine Schnittkontur für das Laserschneiden in Abhängigkeit der bestimmten Eigenschaft eingestellt wird, und
4 schematisch in einer Draufsicht ein teilweise entsprechend einer Schnittkontur zugeschnittenes Elektrodenband, wobei zur Bestimmung der Lage eines beschichteten Bereichs des Elektrodenbandes der Schneidpunkt zum beschichteten Bereich hin verfahren wurde, und wobei die Schnittkontur entsprechend der bestimmten Lage des beschichteten Bereichs eingestellt ist,

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1 ist schematisch eine Vorrichtung 2 zur Herstellung einer Elektrode 4 aus einem Elektrodenband 6 dargestellt. Gemäß dem in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Elektrodenband 6 eine sich in Bandlängsrichtung X bandförmig erstreckende Folie 8 verwendet, die abschnittsweise beidseitig mit einer Beschichtung 10 mit Aktivmaterial versehen ist. Dabei ist die Folie 8 hinsichtlich der Bandlängsrichtung X kontinuierlich beschichtet, mit anderen Worten ist die Aktivmaterialbeschichtung 10, also die Beschichtung 10 mit Aktivmaterial, in Bandlängsrichtung X durchgehend. Derjenige Bereich des Elektrodenbands 6, der mit der Aktivmaterialbeschichtung 10 versehen ist, wird im Folgenden auch als beschichteter Bereich 12 bezeichnet. Randseitig, also endseitig in einer zur Bandlängsrichtung X quer orientierten Bandquerrichtung Y ist die Folie 8 nicht beschichtet. Dieser Bereich wird im Folgenden auch als unbeschichteter Bereich 14 bezeichnet.
Die Vorrichtung 2 dient gemäß dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dem Zuschneiden des Elektrodenbandes 6 im seitlichen unbeschichteten Bereich, wobei beim Zuschneiden seitlich abstehende Kontaktabschnitte 16 gebildet werden.
Die Vorrichtung 2 weist hierfür eine beispielsweise als Vakuumförderband ausgebildete Transporteinrichtung 18 auf, anhand dessen das Elektrodenband zu einem Laserschneidgerät 20 der Vorrichtung 2 und von diesem weg gefördert werden kann. In der 1 ist dabei das Elektrodenband 6 sowie die Transporteinrichtung 18 lediglich abschnittsweise dargestellt. Die Förderrichtung der Transporteinrichtung 18 entspricht der Bandlängsrichtung X.
Zum Zuschneiden des Elektrodenbandes 6 erzeugt das Laserschneidgerät 20 einen Laserstrahl S. Beim diesem Laserschneidprozess wird das Elektrodenband 6 gemäß einer vorgegebenen Schnittkontur 22 (vgl. auch 3, unterbrochen dargestellte Linie) anhand des Laserstrahls S durchtrennt, mit anderen Worten entsprechend der Schnittkontur 22 geschnitten. Zum Einstellen der Schnittkontur 22 und zur Erzeugung des Laserstrahls mit einer Ausrichtung/Orientierung zum Laserschneiden des Elektrodenbandes 6 entsprechend der Schnittkontur 22, umfasst das Laserschneidgerät 20 einer Steuer- oder Regeleinheit 24.
Die Vorrichtung 2 umfasst das weiteren eine Erfassungseinrichtung 26. Diese dient der Erfassung von Licht L, das vom beim Laserschneiden des Elektrodenbandes 6 erzeugten Plasma P emittiert wird. Das Licht L wird beispielsweise anhand eines optionalen Lichtwellenleiters 28 vom Plasma P zur Erfassungseinrichtung 26 geleitet. Hierzu ist ein Eingang des Lichtwellenleiters 28 auf das Plasma P und ein Ausgang des Lichtwellenleiters 28 auf die Erfassungseinrichtung 26 gerichtet.
Eine Auswerteeinheit 30 ist beispielhaft in die Erfassungseinheit 26 integriert. Diese dient der zur Ermittlung einer Eigenschaft des anhand eines Sensors 32 der Erfassungseinrichtung 26 erfassten Lichts L bzw. L_b, L_g,r. Die Auswerteeinheit 30 ist signal- und/oder datenübertragungstechnisch mit der Steuer- oder Regeleinheit 24 gekoppelt, so dass die Schnittkontur 22 in Abhängigkeit der anhand der Auswerteeinheit 30 ermittelten Eigenschaft des Lichts L einstellbar ist. Die Auswerteeinheit 30 kann hierbei zur Auswertung eines Wellenlängenspektrums und/oder einer Polarisationsrichtung des erfassten Lichts L vorgesehen sein.
Beispielsweise ist die Erfassungseinheit 26 und/oder die Auswerteeinheit 30 am Laserschneidgerät 20 angeordnet oder in dieses integriert. Folglich ist eine vergleichsweise schnelle Daten- und/oder Signalübertragung zwischen der Erfassungseinheit 26, der Auswerteeinheit 30 und der Steuer- oder Regeleinheit 24 ermöglicht.
In der 2 ist die Erfassungseinrichtung 26 vergleichsweise genau dargestellt. Diese umfasst ein optisches Element 34, welches zum Beispiel als Bandpassfilter, (Interferenz-)Spiegel, Polarisationsfilter, oder Prisma ausgebildet ist. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist das optische Element 34 als ein Prisma 34, insbesondere als ein dichroitisches Prisma, ausgebildet und nachfolgend auch als solches bezeichnet. Das Prisma 34 weist einen ersten Prismateil 34a und einen zweiten Prismateil 34b auf, wobei zwischen den beiden Prismateilen 34a und 34b ein dichroitischer Filter 36, insbesondere ein dichroitischer Spiegel, angeordnet ist. Das vom Plasma P emittierte und anhand des (optionalen) Wellenleiters 28 zur Erfassungseinrichtung 26 geleitete Licht L, welches in der 2 als Lichtstrahl L repräsentiert ist, tritt in den ersten Prismateil 34a ein. Der Lichtstrahl L wird anhand des dichroitischen Filters 36 in zwei Teilstrahlen L_b und L_g,r aufgeteilt. Hierbei wird beispielsweise der Blauanteil des Lichts (des Lichtstrahls) L, also der blaue Teilstrahl L_b, am dichroitischen Filters 36 reflektiert. Dieser Teilstrahl L_b tritt anschließend aus dem ersten Prismateil 34a aus und trifft auf einen von zwei (Licht-)Sensoren 32. Der Grün- und Rotanteil des Lichtstrahls L passiert den dichroitischen Filters 36 und das zweite Prismateil 34b und trifft anschließend auf den anderen der beiden Lichtsensoren 32.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative der Erfassungseinrichtung ist diese als ein Prismenspektrometer ausgebildet, welches ein Spektrum des Lichts L anhand eines dispersiven Prismas erzeugt, wobei zumindest ein Teil dieses Spektrums anhand eines Lichtsensor erfasst wird. Gemäß einer weiteren nicht weiter dargestellten Alternative ist die Erfassungseinrichtung eine 1-Chip-Kamera mit einem Farbfilter, zweckmäßiger Weise einem Bayer-Filter, oder eine 3-Chip-Farbkamera mit einem dichroitischen Prisma und drei Lichtsensoren. Gemäß einer weiteren nicht weiter dargestellten Alternative weist die Erfassungseinrichtung einen Farbfilter auf, sowie einen einzigen Lichtsensor auf. Hierbei ist der Farbfilter zweckmäßigerweise derart gewählt, dass er Licht mit einer solchen Wellenlänge passieren lässt, welches lediglich beim Laserschneiden der Aktivmaterialbeschichtung vom Plasma emittiert wird. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass die Erfassungseinrichtung die Polarisationsrichtung des Lichts erfasst, so dass diese als Regelgröße verwendet werden kann.
In der 3 ist ein Flussdiagramm dargestellt, welches ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode 4, insbesondere anhand der Vorrichtung 2 in einer der oben dargestellten Varianten, repräsentiert.
In einem ersten Schritt I wird das Elektrodenband 6 in dessen nicht beschichteten Bereich 14 gemäß der vorgegebenen Schnittkontur 22 zugeschnitten. In der 3 ist die Schnittlinie/Schnittkante, also der bereits anhand des Laserstrahls S bearbeitete Schnittbereich, mit dem Bezugszeichen 38 versehen. Hierbei wurden seitlich abstehende Kontaktabschnitte 16 ausgeschnitten. Der Abstand zwischen der Schnittlinie 38 und der Aktivmaterialbeschichtung 10 im Bereich zwischen den Kontaktabschnitten 16 mit d_S bezeichnet.
Beim Laserschneiden entsteht das Plasma P. Das von diesem emittierte Licht L wird hinsichtlich einer Eigenschaft untersucht (Schritt II). Hierzu wird zweckmäßigerweise die Erfassungseinrichtung 26 und die Auswerteeinheit 30 der Vorrichtung 2 verwendet. Diese Untersuchung erfolgt dabei vorzugsweise ständig, also durchgehend, oder alternativ hierzu zeitlich wiederkehrend, beispielsweise alle 0,1 Sekunden.
Zur Bestimmung der Eigenschaft des Lichts L wird ein Spektrum und/oder die Polarisationsrichtung dessen ausgewertet. Beispielsweise wird als Eigenschaft des Lichts L bestimmt, ob Licht einer Wellenlänge im Spektrum und/oder in der Polarisationsrichtung vorhanden ist, welches lediglich dann vorhanden ist, wenn die Aktivmaterialbeschichtung 10 lasergeschnitten wird. Sofern Licht dieser Wellenlänge und/oder dieser Polarisationsrichtung im Spektrum vorhanden ist, wird entsprechend angenommen, dass die Aktivmaterialbeschichtung 10 lasergeschnitten wird. Diese Eigenschaft wird also dem Laserschneiden des Elektrodenbandes 6 im beschichteten Bereich 10 zugeordnet.
Alternativ oder zusätzlich hierzu wird ein einem vorgegebenen Wellenlängenbereich entsprechender Teil des Lichts ausgewertet. Beispielsweise wird der mittels des Sensors 32 erfasste Teilstrahl L_b und/oder der mittels des anderen Sensors 32 erfasste Teilstrahl L_g,r untersucht. Als Eigenschaft wird beispielsweise eine Intensität des jeweiligen Teilstrahls L_b, L_g,r oder ein Verhältnis der Intensitäten der beiden Teilstrahlen L_b, L_g,r bestimmt. Die Intensität, die Intensitäten und/oder deren Verhältnis werden zweckmäßigerweise mit einem jeweiligen Schwellenwert verglichen. Beispielsweise wird, sofern die Intensität des Teilstrahls L_B bzw. das Verhältnis der Intensitäten der Teilstrahlen L_b und L_g,r den jeweiligen Schwellenwert überschreitet, angenommen, dass die Aktivmaterialbeschichtung 10 lasergeschnitten wird. Diese Eigenschaft wird also dem Laserschneiden des Elektrodenbandes 6 im beschichteten Bereich 10 zugeordnet. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Aktivmaterialbeschichtung 10 und der Folie 8 die Intensität des Teilstrahls L_b lediglich beim laserschneiden der Aktivmaterialbeschichtung 10 einen vergleichsweise hohen Wert aufweist.
Wie in der 4 erkennbar ist, wird das lediglich ausschnittsweise dargestellte Elektrodenband 6 zunächst in dessen unbeschichteten Bereich 14 lasergeschnitten. Darauf folgend wird in einem dritten Schritt III der aktuelle Schneidpunkt zum beschichteten Bereich 12 hin verstellt. Hierzu wird zweckmäßigerweise der Laserstrahl L entsprechend orientiert. Dabei wird der Schneidpunkt wird solange zum beschichteten Bereich 10 hin verstellt, bis aufgrund der Ermittlung der Eigenschaft des Lichts L angenommen wird, dass die Aktivmaterialbeschichtung 10 lasergeschnitten wird. In der 4 ist derjenige Abschnitt der Schnittlinie 38, in welchem der der Schneidpunkt zum beschichteten Bereich 10 hin verstellt wurde, mit dem Bezugszeichen 40 versehen. Derjenige (Test-) punkt, an welchem der Laserstrahl S auf die Aktivmaterialbeschichtung 10 auftrifft, also an welchem die Aktivmaterialbeschichtung 10 lasergeschnitten wird, ist in der 4 mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet.
In diesem Fall wird die aktuellen Position des Schneidpunktes als Grenze zwischen dem beschichteten Bereich 14 und dem unbeschichteten Bereich 12 des Elektrodenbandes herangezogen, also die Lage der Aktivmaterialbeschichtung 10 bestimmt.
Anschließend wie die Schnittkontur 22, insbesondere die Lage der Schnittkontur in Abhängigkeit der derart bestimmte räumliche Lage der Aktivmaterialbeschichtung 10 bzw. des beschichteten Bereichs 12 eingestellt (Schritt IV). Hierbei wird ein minimaler Abstand d_K der Schnittkontur 22 zum beschichteten Bereich 12 eingestellt. Der Abstand d_K beträgt dabei beispielsweise zwischen 0 µm und 1000 µm. Allenfalls ist die Schnittkontur 22 vollständig im nicht beschichteten (unbeschichteten) Bereich 14 angeordnet.
Zusammenfassend wird also die Schnittkontur 22 in Abhängigkeit der bestimmten Eigenschaft des Lichtes L eingestellt.
In einem Schritt V wird das Elektrodenband 6 entsprechend der eingestellten Schnittkontur 22 zugeschnitten. In einem darauf folgenden Schritt VI werden Elektroden 4 aus dem Elektrodenband 6 anhand eines Transversalschnitts, also anhand eines Schnitts parallel zur Bandquerrichtung Y, vereinzelt. Hierzu wird beispielsweise eine Stanze oder ein Messer (nicht dargestellt) verwendet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung
4: Elektrode
6: Elektrodenband
8: Folie
10: Aktivmaterialbeschichtung
12: beschichteter Bereich
14: unbeschichteter Bereich
16: Kontaktabschnitt
18: Transporteinrichtung
20: Laserschneidgerät
22: Schnittkontur
24: Steuer- oder Regeleinheit
26: Erfassungseinrichtung
28: Lichtwellenleiter
30: Auswerteeinheit
32: Lichtsensor
34: optisches Element, Prisma
34a: erster Prismateil
34b: zweiter Prismateil
36: Filter
38: Schnittlinie
40: Abschnitt der Schnittlinie
42: Testpunkt
dS: Abstand der Schnittlinie zum beschichteten Bereich
dK: Abstand der Schnittkontur zum beschichteten Bereich
L: vom Plasma emittiertes Licht
Lb: erster Teil des Lichts
Lg,r: zweiter Teil des Lichts
P: Plasma
S: Laserstrahl
X: Bandlängsrichtung
Y: Bandquerrichtung
I: Laserschneiden
II: Bestimmung der Eigenschaft des Lichts
III: Verstellen des Schneidpunktes
IV: Einstellen der Schnittkontur
V: Laserschneiden mit eingestellter Schnittkontur
VI: Vereinzeln der Elektroden

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (4), - bei dem ein Elektrodenband (6) mit einer Folie (8) und mit einer darauf aufgebrachten Aktivmaterialbeschichtung (10) einem Laserstrahl (S) geschnitten wird, wobei beim Laserschneiden ein Plasma (P) erzeugt wird, - bei dem eine Eigenschaft des vom Plasma (P) emittierten Licht (L) bestimmt wird, und - bei dem in Abhängigkeit der bestimmten Eigenschaft des Lichtes (L) eine Schnittkontur (22) für das Laserschneiden eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Eigenschaft des vom Plasma (P) emittierten Lichts (L) ein Spektrum des vom Plasma (P) emittierten Lichts (L) und/oder eine Polarisationsrichtung des emittierten Lichts (L) und/oder ein einem vorgegebenen Wellenlängenbereich entsprechender Teil des emittierten Lichts (L) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenband (6) in einem unbeschichteten Bereich (14) geschnitten wird, wobei zur Bestimmung der Lage des mit der Aktivmaterialbeschichtung (10) versehenen Bereichs (12) des Elektrodenbandes (6) der Schneidpunkt zu diesem hin verstellt wird bis das vom Plasma (P) emittierte Licht (L) eine vordefinierte Eigenschaft aufweist, die dem Laserschneiden des Elektrodenbandes (6) in einem mit der Aktivmaterialbeschichtung (10) versehenen Bereich (12) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittkontur (22) in Abhängigkeit der bestimmten Lage des mit der Aktivmaterialbeschichtung (10) versehenen Bereichs (12) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittkontur (22) um 0 µm bis 1000 µm beabstandet zum mit der Aktivmaterialbeschichtung (10) versehenen Bereich (12) des Elektrodenbandes (6) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierlich beschichtete Elektrodenfolie (8) als Elektrodenband (6) verwendet wird, wobei anhand des Laserschneidens seitlich abstehende Kontaktabschnitte (16) ausgeschnitten werden.
Vorrichtung (2) zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend - eine Transporteinrichtung (18) für das Elektrodenband (6), - ein Laserschneidgerät (20) zum Laserschneiden des Elektrodenbandes (6), - eine Erfassungseinrichtung (26) zur Erfassung von Licht (L), das vom beim Laserschneiden des Elektrodenbandes (6) erzeugten Plasma (P) emittiert wird, - eine Auswerteeinheit (30) zur Ermittlung einer Eigenschaft des anhand der Erfassungseinrichtung (26) erfassten Lichts (L), und - einer Steuer- oder Regeleinheit (24) zum Einstellen einer Schnittkontur (22) für das Laserschneiden anhand des Laserschneidgeräts (20) in Abhängigkeit der ermittelten Eigenschaft des Lichts (L).
Vorrichtung (2) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Lichtwellenleiter (28) zum Leiten des vom Plasma (P) emittierten Lichts (L) zur Erfassungseinrichtung (26).
Vorrichtung (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (26) mindestens ein optisches Element (34) sowie mindestens einen Lichtsensor (32) umfasst.
Elektrode (4), hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und/oder anhand einer Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.