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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufschlämmbeschichtung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einer Aufschlämmung unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung. Die Erfindung betrifft letztlich außerdem eine Elektrode aus einem metallischen Substrat mit einer Aufschlämmbeschichtung.
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Aufschlämmbeschichtungen bestehen aus einem aufgeschlämmten Material beispielsweise aus einem Lösungsmittel wie Wasser, einem Bindemittel und darin dispergierten Feststoffen, beispielsweise Partikeln oder dergleichen. Diese sogenannte Aufschlämmung wird auch im deutschen Sprachgebrauch häufig mit dem englischen Begriff Slurry bezeichnet. Die Aufschlämmbeschichtung wird häufig als Slurry Coating bezeichnet.
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Typischerweise wird zur Verarbeitung einer solchen Aufschlämmung oder Materialaufschlämmung eine Schlitzdüse verwendet um das Material beispielsweise in einem oder mehreren parallelen Streifen auf ein Substrat aufzutragen. In diesem Zusammenhang kann bezüglich des Standes der Technik auf die
DE 10 2018 205 795 A1 verwiesen werden, welche die Verarbeitung einer Materialaufschlämmung auf einer Substratoberfläche beschreibt, wobei hier verschiedene Materialien ineinander beschichtet werden.
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In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass ein Auftrag mit einer homogenen Schichtdicke vergleichsweise schwer zu realisieren ist, insbesondere dann, wenn mehrere parallele Schlitzdüsen quer zu einer Bewegungsrichtung des Substrats relativ zu den Schlitzdüsen zum Einsatz kommen. Häufig ist es dann so, dass die im Substrat außenliegenden Bereiche dünner sind, als die bezogen auf das Substrat eher in der Mitte angeordnete Bereiche. Die Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass diese unterschiedlichen Schichtdicken, welche insbesondere im Falle mehrerer paralleler Bahnen auf einem Substrat beobachtet worden sind, auf rheologische Eigenschaften wie Thixotropie, also dem Zeitverhalten der Viskosität und auf der sogenannten Strukturviskosität, welche einen scherratenabhängiges Verhalten der Viskosität beschreibt, zurückzuführen sind. Diese Erkenntnis ergab sich durch den Einsatz immer höherer Genauigkeiten bei der Geometrie der Schlitzdüsen, welche dennoch immer und immer wieder zu den unterschiedlichen Schichtdicken geführt haben.
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Die Erfinder haben es sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Optimierung der Aufschlämmbeschichtung anzugeben, welches die beobachteten Ungenauigkeiten auch bei überschaubaren geometrischen Anforderungen an die Schlitzdüsen vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Aufschlämmbeschichtung mit den Merkmalen um Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Außerdem löst ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats gemäß Anspruch 5 die Aufgabe. Sowohl bei der Vorrichtung als auch bei dem Verfahren ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ferner ist im Anspruch 8 eine Elektrode, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Batterie, angegeben, welche mittels der Vorrichtung und/oder des Verfahrens herstellbar ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufschlämmbeschichtung ist es so, dass eine Schlitzdüse vorgesehen ist sowie eine Fördereinrichtung zum Erzielen einer Relativbewegung des Substrats gegenüber der Schlitzdüse. Eine Längsrichtung des Schlitzes erstreckt sich dabei in eine Breitenrichtung des Substrats orthogonal zu der Richtung der Relativbewegung. Der Schlitzdüse ist außerdem ein Vorratsbehälter zur Zufuhr der Aufschlämmung bzw. des aufgeschlämmten Materials zugeordnet. Erfindungsgemäß ist es so, dass die Schlitzdüse mit wenigstens zwei Vorratsbehältern, welche unterschiedliche Mischungen der Aufschlämmung aufweisen, in der Art in Verbindung steht, dass die wenigstens zwei unterschiedlichen Mischungen in Längsrichtung benachbart der Schlitzdüse zugeführt werden. Die Schlitzdüse ist also in ihrer Längsrichtung, also orthogonal zur Richtung der Relativbewegung gegenüber dem Substrat mit zwei unterschiedlichen Mischungen der Aufschlämmung für den einen Schlitz versorgt. Hierdurch lässt sich über eine geeignete Anpassung der Mischungen eine Vergleichmäßigung der über die gesamte Breite der Längsrichtung des Schlitzes hinweg aufgetragene Beschichtung erreichen.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn es gemäß, wie es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist, die Verbindung jeweils eine Zuleitung und eine Rückleitung sowie eine Fördereinrichtung aufweisen, sodass sich jeweils ein Umlauf der Aufschlämmung ausbildet. Es werden also wenigstens zwei Slurry-Kreisläufe aufgebaut. Durch den Kreislauf wird sichergestellt, dass die Slurrys immer in derselben gewünschten Zusammensetzung vorliegen, sodass Anlaufeffekte, z.B. eine Teilentmischung der Bestandteile der Aufschlämmung, bei der Beschichtung vermieden werden können.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich nun zwischen der Mündung der Zuleitung und der Rückleitung in die Schlitzdüse und dem eigentlichen Schlitz ein Mischbereich. Dieser Mischbereich, welcher als sich über die gesamte Länge des Schlitzes in Längsrichtung erstreckende Kammer ausgebildet ist, erlaubt es, dass die unterschiedlichen Mischungen der Aufschlämmung eine Dispersion in Längsrichtung des Schlitzes erfahren, wodurch eine besonders homogene Beschichtung durch die Schlitzdüse möglich wird.
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Prinzipiell lässt sich dieser Aufbau bei jeder Vorrichtung einsetzen. Besonders bevorzugt kann dieser Aufbau bei genau der Art von Vorrichtungen zum Einsatz kommen, bei welchen den Erfindern das der Anmeldung zugrundeliegende Problem aufgefallen ist. Daher ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass wenigstens zwei in Längsrichtung fluchtend aber voneinander beabstandete Schlitze in der Schlitzdüse vorgesehen sind, welche jeweils mit wenigstens zwei unterschiedlichen Vorratsbehältern in dem oben bereits beschriebenen Sinne in Verbindung stehen. Innerhalb jedes der beiden Bereiche der Schlitzdüse, wobei hier auch mehr als zwei Bereiche in Längsrichtung nacheinander möglich sind, wird also ein entsprechender Umlauf mit wenigstens zwei verschiedenen Mischungen der Aufschlämmung vorgesehen, um so auch bei zwei oder mehr parallelen Bahnen, welche auf das Substrat beschichtet werden, eine sehr homogene Beschichtung mit über die gesamte Breite der Beschichtung gleichmäßiger Schichtdicke zu erreichen.
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Wie es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist kann dabei insbesondere das Substrat von einer Vorratsrolle abgewickelt und unter der ortsfesten Schlitzdüse hindurchgeführt werden, bevor es dann beispielsweise durch einen Trocknungsofen fährt, um auf einer Halbzeugrolle nach dem Trocknungsofen in beschichteter Form wieder aufgewickelt zu werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einer Aufschlämmung sieht dabei die Verwendung einer derartigen Vorrichtung vor. Das Substrat wird relativ zu der Schlitzdüse bewegt, beispielsweise in der soeben beschriebenen Art oder indem die Schlitzdüse beispielsweise an einem Handhabungsgerät relativ zu einem in fester Position befindlichen Substrat bewegt wird. Dabei wird die Beschichtung aus wenigstens zwei verschiedenen Mischungen der Aufschlämmung aufgetragen, wonach diese auf dem Substrat getrocknet wird, was insbesondere in einem Durchlaufofen erfolgen kann, wenn die zuerst genannte Art der Herstellung gewählt wird.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun ferner vorgesehen sein, dass bei der Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3 während der Beschichtung wenigstens zwei Mischungen der Aufschlämmung in einem kontinuierlichen Umlauf zugeführt werden, wobei die Umlaufgeschwindigkeit und die Mischungen so vorgegeben werden, dass eine gleichmäßige Beschichtung erfolgt. In der Praxis bedeutet dies, und so ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die Aufschlämmungen in den unterschiedlichen Vorratsbehältern jeweils als Mischung derselben Inhaltsstoffe mit sich unterscheidenden Volumenanteilen und/oder Viskositäten vorgehalten werden. Die Mischungen unterscheiden sich also in ihren Rezepturen oder bezüglich der Viskosität, was letztlich beispielsweise durch eine höhere Menge oder einen anderen Typ an Lösungsmittel erreicht wird und damit wiederum die Rezeptur verändert.
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Die Unterschiede zwischen den einzelnen Mischungen sind dabei insbesondere nicht sehr groß, da bei nur leichten Unterschieden, so hat es sich den Erfindern gezeigt, die Dispersion in Längsrichtung in dem Mischbereich besonders effizient ist, sodass hierdurch eine sehr hohe Qualität der Beschichtung mit sehr homogenen Schichtdicken, insbesondere über die gesamte Breite der Beschichtung hinweg, möglich wird. Dies gilt sowohl für das beschichten des Substrats mit einem Streifen der Aufschlämmbeschichtung als insbesondere auch für mehrere parallel verlaufende Streifen der Aufschlämmbeschichtung auf dem Substrat.
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Wie oben bereits erwähnt kann das Verfahren vorzugsweise zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie, zum Einsatz kommen. Dementsprechend kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Elektrode aus einem metallischen Substrat mit einem als Aufschlämmbeschichtung aufgebrachten Aktivmaterial vorgesehen ist. Die Aufschlämmbeschichtung kann dabei mittels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und/oder dem Verfahren gemäß der Erfindung erfolgen. Im Ergebnis lässt sich so eine Elektrode mit einem einfach und effizient aufgebrachten Aktivmaterial erreichen. Das Aktivmaterial weist dabei eine sehr homogene Schichtdicke über die gesamte Elektrode hinweg auf, was für die Leistungsfähigkeit, insbesondere jedoch für die volumetrische Leistungsdichte, also die je Volumeneinheit erzielbare Leistung der Batterie von entscheidendem Vorteil ist, da unnötige Totvolumina durch partiell zu dicke Beschichtungen vermieden werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren, des Verfahrens und der damit erhältlichen Elektrode ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Produktionsanlage zur Realisierung einer Aufschlämmbeschichtung;
- 2 einen Querschnitt durch ein Substrat mit applizierter Aufschlämmbeschichtung in zwei parallelen Bahnen gemäß dem Stand der Technik;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Aufschlämmbeschichtung gemäß der Erfindung in einer Schnittdarstellung gemäß der Linie III-III in 1; und
- 4 eine Darstellung analog zu der in 2 als Ergebnis einer Herstellung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist eine Anlage 1 zur Realisierung einer Aufschlämmbeschichtung, welche auch als Slurry Coating bezeichnet wird, dargestellt.
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Die Anlage 1 umfasst eine Vorrichtung 2 zur Beschichtung eines Substrats 3 mit der Aufschlämmung bzw. dem Slurry 4. Das Substrat 3, beispielsweise eine metallische Folie aus Kupfer oder Aluminium bei der Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-lonen-Batterieeinzelzelle, befindet sich auf einer Rolle bzw. Spule 5 und wird von dieser abwickelt. Sie bewegt sich dann relativ zu der Vorrichtung 2, deren Kernelement eine hier dargestellte Schlitzdüse 6 ist. Das mit der Aufschlämmung 4 beschichtete Substrat 3 durchläuft dann eine Trocknungsstrecke 7, beispielsweise indem das Substrat 3 durch einen Ofen gefördert wird. In 1 ist die dabei erfolgende Wärmezufuhr durch die Pfeile angedeutet. Am anderen Ende dieser Trocknungsstrecke 7 wird das getrocknete Material auf eine weitere Spule 8 aufgewickelt.
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In einem Schnitt quer zur Bewegungsrichtung des Substrats 3 ist nun in der Darstellung der 2 das metallische Substrat 3 mit zwei parallelen aufgebrachten Beschichtungsbahnen der Aufschlämmung 4 zu erkennen. In der hier erkennbaren Breitenrichtung b orthogonal zur Bewegungsrichtung des Substrats 3 ist erkennbar, dass zur Bahnmitte hin zwar ein Abstand zwischen den beiden aufgetragenen Aufschlämmungen 4 besteht, dass diese zur Mitte hin ihre Schichtdicke jedoch vergrößern, während sie zum Rand hin entsprechend abfällt. Eine solche inhomogene Schichtdicke ist unerwünscht.
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Nach den Erkenntnissen der Erfinder, welche mit zunehmender Genauigkeit der Geometrie der Schlitzdüsen experimentiert hatten, ist es so, dass diese inhomogene Schichtdicke überwiegend mit Material und Prozessparametern zu tun hat wie den rheologischen Eigenschaften wie beispielsweise das Zeitverhalten der Viskosität, also die Thixotropie sowie einem scherratenabhängigen Verhalten der Viskosität, der sogenannten Strukturviskosität. Um diesen Problemen nun Abhilfe zu schaffen und eine Beschichtung mit homogener Schichtdicke zu erreichen wird die Vorrichtung 2, welche gemäß dem Stand der Technik aus der Schlitzdüse 6 und einem mit der Schlitzdüse verbundenen Vorratsbehälter (in 1 nicht gezeigt) für das Slurry 4 besteht, entsprechend modifiziert.
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In der Darstellung der 3 ist diese Modifikation zu erkennen. In der Breitenrichtung b ist erkennbar, dass der Aufbau hier im Wesentlichen aus zwei sich in dieser Breitenrichtung bzw. Querrichtung b aneinander anschließenden fluchtenden Schlitzdüsen 6 besteht. Deren Schlitze 9 sind dabei beabstandet voneinander angeordnet, aber fluchtend ausgerichtet. Die Slurry 4 gelangt über einen Mischbereich bzw. eine Mischkammer 10 in den Bereich des jeweiligen Schlitzes 9. Anders als im Stand der Technik ist diese Mischkammer 10 nun über eine Zuleitung 11 sowie eine Rückleitung 12 mit einem ersten Vorratsbehälter 13 verbunden und über eine hier nicht erkennbare Fördereinrichtung in der Art angeschlossen, dass das in dem ersten Vorratsbehälter 13 bevorratete Slurry 4 im Umlauf zwischen dem Vorratsbehälter 13 und dem Mischbereich 10 der jeweiligen Schlitzdüse umgewälzt wird. In Breitenrichtung b daneben befindet sich eine weitere Zuleitung 14 sowie eine Rückleitung 15, welche mit einem zweiten Vorratsbehälter 16 in Verbindung stehen. Diese Verbindung kann analog zu der eben beschriebenen Verbindung wiederum so ausgestaltet sein, dass über ein nicht erkennbares Fördermittel ein Umlauf des Slurries 4 erreicht wird. Derselbe Aufbau ist bei der benachbart angeordneten Schlitzdüse 6 erkennbar und mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In den einzelnen Vorratsbehältern 13, 16 befinden sich nun voneinander abweichende Mischungen der Aufschlämmungen 4, welche durch unterschiedliche Kreuzschraffuren gekennzeichnet sind. Diese können bezüglich der Rezeptur und/oder der Viskosität voneinander abweichen, wobei sich in der Praxis gezeigt hat, dass vor allem geringfügige Abweichungen zu einem besonders günstigen Beschichtungsverhalten führen. Die Abweichungen und die Umlaufvolumina je Zeit lassen sich nun so einstellen, dass in den Mischbereichen 10 durch eine Dispersion in der Querrichtung b ein Slurry 4 entsteht und durch den jeweiligen Schlitz 9 austreten kann, welches für eine Beschichtung mit sehr homogener Schichtdicke sorgt.
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In der Darstellung der 4 ist nun analog zur Darstellung in 2 ein mit zwei parallelen Bahnen der Aufschlämmung 4 beschichtetes Substrat 3 zu erkennen, bei welchem der Effekt aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung 2 gemäß 3 auf die Schichtdicke zu erkennen ist. Die Schichtdicken sind hier weitgehend homogen.
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Das Slurry 4 kann nun insbesondere das Aktivmaterial für die Elektrode einer Lithiumlonen-Batterie aufweisen, wobei je nachdem ob die Elektrode für die Anode oder Kathode ausgebildet ist, das Substrat 3 entweder als Aluminium- oder Kupferfolie realisiert wird. Die Aufschlämmbeschichtung kann dann zuerst auf der einen und dann auf der anderen Seite aufgebracht werden. Besonders effizient ist es dabei sie in zwei Bahnen parallel, wie hier dargestellt, aufzubringen, um so aus der hergestellten Rolle jeweils zwei parallele Elektroden durch eine Auftrennung in Längs- und Querrichtung des Substrats 3 zu erhalten. Dabei kann vorzugsweise das Substrat 3, nachdem es auf der einen Seite beschichtet und auf der Rolle 8 entsprechend aufgerollt ist, die Anlage nochmals von der anderen Seite her durchlaufen, sodass am Ende, anders als in den Darstellungen der 2 und 4, ein beidseitig mit Aktivmaterial durch Aufschlämmbeschichtung beschichtetes Substrat 3 vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018205795 A1 [0003]
