-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trocknen eines auf ein Substrat aufgetragenen Aktivmaterials einer Elektrode für eine Batterieeinzelzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trocknen eines derartigen Aktivmaterials nach der im Oberbegriff von Anspruch 10 näher definierten Art.
-
Das Auftragen und Trocknen von Aktivmaterial auf ein Substrat, um eine Elektrode für eine Batterieeinzelzelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Einzelzelle, auszubilden, ist so weit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise wird eine sogenannte Aufschlämmung, welche auch mit dem englischen Begriff Slurry bezeichnet wird, aus dem Aktivmaterial, einem Binder und einem Lösungsmittel, sowie eventuellen Additiven angemischt. Diese Aufschlämmung wird dann auf ein Substrat, typischerweise eine Metallfolie, aufgetragen. Die Metallfolie kann dabei beim oben genannten Beispiel der Lithium-Ionen-Batterie je nach Elektrode eine Aluminium- oder Kupferfolie sein. Der Auftrag kann beispielsweise durch Rakeln erfolgen, aber auch durch Sprühen, Aufwalzen, einen Siebdruckvorgang oder dergleichen. Im Anschluss wir die aufgetragene Slurry auf dem Substrat getrocknet, wofür typischerweise eine thermische Trocknungsstrecke, beispielsweise ein Durchlaufofen, genutzt wird. Bei dieser thermischen Trocknung wird das Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, Alkohol oder N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) vollständig verdampft, um das Aktivmaterial zu trocknen und auf dem Substrat zu fixieren. Dieser Prozess des thermischen Trocknens ist dabei sehr aufwändig, weil eine relativ hohe Energiemenge benötigt wird, das Aktivmaterial auf dem Substrat vollständig zu trocknen.
-
Zum weiteren Stand der Technik kann in diesem Zusammenhang auf weitere Beschichtungslösungen und Methoden verwiesen werden, beispielsweise die Beschichtungslösung für eine Elektrode aus der
DE 10 2016 002 179 A1 oder die mikrostrukturierte Elektrode aus der
DE 10 2018 205 795 A1 .
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Trocknen des Aktivmaterials auf dem Substrat einer Elektrode anzugeben, welches insbesondere den Energiebedarf reduziert.
-
Erfindungsgemäß wird diese Ausgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 10 die Aufgabe. Sowohl bezüglich der Vorrichtung als auch bezüglich des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine thermische Trocknungsstrecke ähnlich wie im Stand der Technik vorgesehen. Die erfindungsgemäße Besonderheit liegt nun darin, dass diese Trocknungsstrecke in eine erste Teiltrocknungsstrecke und eine zweite Teiltrocknungsstrecke aufgeteilt ist. Verfahrensgemäß wird in der ersten Teiltrocknungsstrecke das auf das Substrat als Slurry aufgetragene Aktivmaterial vorgetrocknet und in der zweiten Teiltrocknungsstrecke fertiggetrocknet. Die Besonderheit liegt nun darin, dass zwischen diesen beiden Trocknungsstrecken bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein poröses Material angeordnet ist, welches auf einer ersten Seite mit dem Aktivmaterial in Kontakt steht und welches auf einer zweiten gegenüberliegenden Seite mit einem Unterdruck beaufschlagt ist. Über dieses poröse Material und den Unterdruck kann durch das poröse Material hindurch nach dem Vortrocknen in der ersten Teiltrocknungsstrecke in dem Aktivmaterial verbliebene Restflüssigkeit abgesaugt werden. Die abgesaugte Restflüssigkeit steht dann unmittelbar als Flüssigkeit wieder zur Verfügung und kann entsprechend entsorgt oder im Kreislauf erneut zum Anmischen eines Slurries eingesetzt werden. Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nun darin, dass dieser abgesaugte Teil an Flüssigkeit nicht bei der Trocknung verdampft werden muss, sodass ein erheblicher Teil der für das Trocknen aufzuwendenden Energie eingespart werden kann.
-
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung sieht es ferner vor, dass das poröse Material mit einer Einrichtung zum Ausüben einer Kraft in Richtung des Substrats verbunden ist. Eine solche Einrichtung zum Ausüben einer Kraft in Richtung des Substrats führt also dazu, dass das poröse Material auf das Substrat aufgepresst wird. Dieser zusätzliche Druck auf das Aktivmaterial in Richtung des Substrats verdichtet das Aktivmaterial vor der endgültigen Trocknung. Dadurch lässt sich insgesamt eine höhere Dichte des aktiven Materials in der späteren Batterieeinzelzelle erzielen, insbesondere wenn sich dem Trocknen ein an sich bekannter und üblicher Prozess des Kalandrierens zur weiteren Verdichtung des während des Trocknens gemäß dieser Ausführung schon vorverdichteten Materials anschließt.
-
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es vor, dass das poröse Material in Form wenigstens einer Walze ausgebildet ist, welche in ihrem Inneren einen Unterdruck aufweist. Die Walze ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass ihre zentrale Achse quer zur Förderrichtung des mit dem Aktivmaterial beschichteten Substrats verläuft, sodass die Walze also auf dem Aktivmaterial während des Produktionsprozesses abgerollt wird bzw. sich um ihre eigene Achse dreht und das Aktivmaterial in der Förderrichtung an der drehenden Walze vorbeigeführt wird. Die Walze berührt dabei immer in einem linienförmigen Bereich parallel zu ihrer Drehachse das Aktivmaterial und kann in diesem Bereich Restflüssigkeit aufnehmen, welche durch den Unterdruck im Inneren der Walze entsprechend abgesaugt wird. Vorzugsweise können dabei in der Förderrichtung der Elektrode mehrere Walzen hintereinander angeordnet sein, um so beispielsweise in einem zweistufigen Prozess an zwei aufeinanderfolgenden Stellen die Restflüssigkeit abzusaugen.
-
Sowohl für das poröse Material als insbesondere auch für die Walze ist für den Fall einer Ausübung einer Kraft in Richtung des Substrats auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats ein Gegenelement notwendig, um den Druck aufzunehmen und das Aktivmaterial entsprechend zu verpressen. Für den Fall des Einsatzes einer Walze als poröses Material, auf welches eine Kraft in Richtung des Substrats ausgeübt wird, kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nun vorgesehen sein, dass für jede der Walzen eine auf der der Walze abgewandten Seite des Substrats angeordnete Gegenwalze vorgesehen ist, welche jeweils eine Einrichtung zum Ausüben einer Kraft in Richtung des Substrats aufweist. Bei diesem Aufbau wird die spätere Elektrode also zwischen zwei gegenüberliegenden Walzen vorverdichtet, um eine höhere Dichte des Aktivmaterials der fertigen Elektrode zu erzielen.
-
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Beschichtungsstation zur beidseitigen Beschichtung des Substrats mit dem als Slurry aufgetragenen Aktivmaterial ausgebildet ist. Dies ermöglicht in einem einzigen Prozessschritt die Herstellung einer Elektrode mit einem auf beiden Seiten beschichteten metallischen Substrat.
-
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der beiden zuletzt beschriebenen Varianten der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Kombination miteinander kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Gegenwalzen als poröse Walzen ausgebildet sind, welche in ihrem Inneren einen Unterdruck aufweisen. Die Vorrichtung zum Absaugen der Restflüssigkeit über die Walzen wird also analog zum Aufbau der Beschichtungsstation entsprechend auf beiden Seiten der nun beidseitig mit dem Aktivmaterial versehenen Elektrode angeordnet. Hierdurch lässt sich außerordentlich einfach und effizient eine beidseitig beschichtete Elektrode herstellen.
-
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung sieht es ferner vor, dass die thermischen Teiltrocknungsstrecken als Durchlauföfen mit Luftkissen ausgebildet sind. Solche Durchlauföfen werden häufig auch als Schwebeöfen bezeichnet und erlauben den Durchlauf eines beispielsweise beidseitig beschichteten Substrats zur Trocknung durch den Ofen, wobei die beschichtete Oberfläche mechanisch nicht berührt wird, sondern das zu trocknende Material quasi durch den Durchlaufofen „hindurchschwebt“. Alternativ dazu kann es, und dies gilt insbesondere für eine Elektrode aus einem einseitig beschichteten Substrat, auch vorgesehen sein, dass die thermischen Teiltrocknungsstrecken als Durchlauföfen mit einer das Substrat tragenden Fördereinrichtung, beispielsweise Rollen oder dergleichen, ausgebildet sind. Auch ein durchlässiges Förderband oder ähnliches wäre denkbar.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen eines auf einem Substrat aufgetragenen Aktivmaterials einer Elektrode sieht es wie oben bereits erläutert vor, dass nach einem ersten Vortrocknen die Restflüssigkeit mittels Unterdrucks durch ein poröses Material hindurch abgesaugt wird, bevor die Elektrode fertiggetrocknet wird. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung kann es nun auch bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass das Aktivmaterial während des Absaugens mittels eines Aufpressens des porösen Materials entsprechend verdichtet wird. Wie bei der Vorrichtung bereits ausgeführt kann das poröse Material dabei flach, z.B. in der Art eines Stempels, oder als Walze ausgebildet sein. Je nachdem, ob das Aktivmaterial auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats aufgebracht ist, kann ein entsprechendes Gegenelement identischer Bauart vorgesehen sein, oder auch lediglich eine Gegenwalze oder im Falle eines Stempels eine Gegenplatte.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
-
Dabei zeigen:
- 1 eine erste mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
- 2 eine alternative mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
In der Darstellung der 1 ist in einem schematischen Schnitt in seitlicher Ansicht eine Vorrichtung 1 zum Trocknen eines auf ein Substrat 2 aufgebrachten Aktivmaterials 3 dargestellt. Das Substrat 2, beispielsweise eine Aluminium- oder Kupferfolie, wird auf einer Vorratsrolle 4 bevorratet und entsprechend abgerollt, um in Förderrichtung bzw. Vorschubrichtung V eine Beschichtungsstation 5 zu erreichen. In dieser Beschichtungsstation 5 befindet sich ein mit 6 bezeichneter Vorratsbehälter für eine Aufschlämmung aus dem Aktivmaterial, entsprechenden Bindemitteln, Additiven und Lösungsmittel. Diese auch als Slurry bezeichnete Aufschlämmung wird dann auf das Substrat 2 aufgetragen. Sie ist in der Darstellung der Figur mit einem schwarzweiß dargestellten Karomuster symbolisiert und trägt das eben schon für das Aktivmaterial angesprochene Bezugszeichen 3. Entlang der Förderrichtung V gelangt das so mit dem Aktivmaterial 3 beschichtete Substrat 2 nun in die Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst in der Förderrichtung V eingangsseitig eine erste Teiltrocknungsstrecke 7, welche als Durchlaufofen ausgebildet ist. In dem hier dargestellten Beispiel läuft das Substrat 2 auf Rollen als Förderelemente 8 durch diesen Durchlaufofen, welchem der mit dQ/dt bezeichnete Wärmestrom zugeführt wird. Im Anschluss an die erste Teiltrocknungsstrecke 7 sind zwei poröse Walzen 9 so angeordnet, dass ihre Drehachsen in die Blattebene hineinragen und diese Walzen 9 sich relativ zur Oberfläche des Aktivmaterials 3 abrollen. Diese Walzen 9 sind dabei als poröse Walzen 9 ausgebildet, was hier durch die Kreuzschraffur angedeutet ist. In ihren Innenräumen 10 liegt ein Unterdruck vor, sodass nach dem Vortrocknen des Aktivmaterials 3 in der ersten Teiltrocknungsstrecke 7 in dem Aktivmaterial 3 verbliebene Restflüssigkeit durch die porösen Walzen 9 hindurch in deren Innenraum 10 abgesaugt und dort beispielsweise fluchtend zu den Drehachsen der beiden porösen Walzen 9 abgeführt werden kann. Hierdurch wird ein großer Teil der nach dem Vortrocknen in dem Aktivmaterial 3 verbliebenen Restflüssigkeit effizient abgeführt. In einer zweiten Teiltrocknungsstrecke 11, welche vergleichbar wie die erste Teiltrocknungsstrecke 7 aufgebaut ist bzw. aufgebaut sein kann, erfolgt dann das Fertigtrocknen des Aktivmaterials 3 auf dem Substrat 2, welche zusammen nun zu einer Elektrode 12 geworden sind. Diese Elektrode 12 kann dann auf einer Produktrolle 13 aufgerollt und kann als aufgerolltes Halbzeug einem weiteren Prozess zugeführt werden.
-
Die beiden porösen Walzen 9 weisen jeweils Einrichtungen zum Ausüben einer Kraft F in Richtung des Substrats 2 auf. Zusammen mit vergleichbar aufgebauten Gegenwalzen 14, welche ebenfalls über Einrichtungen zum Aufbringen einer Kraft F in Richtung des Substrats 2 verfügen, kann das mit dem Aktivmaterial 3 beschichtete Substrat 2 nun zwischen diesen beiden Walzenpaaren der porösen Walzen 9 und der Gegenwalzen 14 verpresst werden, um ein zusätzliches Verdichten des Aktivmaterials 3 zu erreichen, sodass je Volumeneinheit eine höhere Menge an Aktivstoffen in dem Aktivmaterial vorliegt. Dieser Schritt kann als eine Art Vor-Kalandrieren angesehen werden und kann einen später typischerweise noch erfolgenden Prozess des Kalandrierens, welcher bei der Herstellung von Elektroden 12 allgemein üblich ist, entsprechend unterstützen.
-
Durch die Vorrichtung 1 wird nun bei weitem weniger Energie benötigt, um von dem Substrat 2 mit dem aufgetragenen Slurry in Form des Aktivmaterials 3 zu der fertigen Elektrode 12 zu gelangen, als bei einer reinen thermischen Trocknung. Durch das zusätzliche Verpressen des Materials lässt sich außerdem im späteren Aufbau der Batterieeinzelzelle eine höhere Energiedichte erzielen, da das Verpressen zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem das Aktivmaterial 3 noch sehr flexibel ist und sich dementsprechend gut verdichten lässt nach dem Fertigtrocknen in der zweiten Teiltrocknungsstrecke 11 dann in dieser verdichteten Form verbleibt.
-
In der Darstellung der 2 ist nun ein alternativer Aufbau gezeigt. Dieser ist im Wesentlichen gleich aufgebaut, sodass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede kurz eingegangen wird. Vergleichbares gilt für die Vorratsrolle 4 und die Produktrolle 13. Die Beschichtungsstation 5 umfasst nun neben dem ersten Vorratsbehälter 6, analog zur Darstellung in 1, einen weiteren hier mit 15 bezeichneten zweiten Vorratsbehälter. Aus beiden Vorratsbehältern 6, 15 wird das Aktivmaterial 3 als Slurry auf das Substrat 2 aufgetragen, sodass dieses hier im Gegensatz zur Darstellung in 1 also nun beidseitig mit dem Aktivmaterial 3 beschichtet ist. Der Auftrag selbst kann dabei in beliebiger Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Rakeln, durch Aufsprühen, durch Aufwalzen, durch einen Siebdruckprozess oder ähnliches. All dies soll von der hier gewählten exemplarischen Darstellung des Auftrags in der Beschichtungsstation 5 entsprechend umfasst sein.
-
Die erste Teiltrocknungsstrecke 7 der Vorrichtung 1 unterscheidet sich nun von dem in 1 gezeigten Aufbau dadurch, dass an die Stelle der Rollen als Förderelemente 8 ein oder mehrere durch die Dreiecke 16 angedeutete Luftkissen treten. Die erste Teiltrocknungsstrecke 7 ist also als sogenannter Schwebeofen ausgebildet, bei welchem das Material ohne mechanische Berührungen den Durchlaufofen durchlaufen kann. Analog zur Darstellung in 1 befinden sich auch bei der Vorrichtung 1 gemäß 2 zwei poröse Walzen 9 mit ihren mit Unterdruck beaufschlagten Innenräumen und den Einrichtungen zum Ausüben einer Kraft F oberhalb des Materials aus dem Substrat 2 und den hier nun zwei Schichten des Aktivmaterials 3. An die Stelle der Gegenwalzen 14 unterhalb des Aufbaus, wie es in der Darstellung der 1 zu erkennen war, treten nun zwei identische poröse Walzen 9, deren Innenräume 10 ebenfalls mit Unterdruck beaufschlagt sind und welche über Einrichtungen zum Ausüben einer Kraft F in Richtung des Substrats 2 verfügen. Der in der Darstellung der 1 nur oberhalb der späteren Elektrode 12 befindliche Aufbau wandert nun also gespiegelt in den in der Darstellung der Figur unterhalb der späteren Elektrode 12 befindlichen Bereich. Hierdurch lassen sich die beiden Oberflächen des Aktivmaterials 3 auf den beiden Seiten des Substrats 2 gleichzeitig in der ersten Teiltrocknungsstrecke 7 vortrocknen, um dann Restflüssigkeit durch die porösen Walzen 9 auf beiden Seiten des Substrats 2 bzw. Aktivmaterials 3 abzusaugen. Die zweite Teiltrocknungsstrecke 11 zum Fertigtrocknen des Aktivmaterials 3 auf dem Substrat 2 ist wiederum analog zur ersten Teiltrocknungsstrecke 7 aufgebaut, weist also auch hier die Luftkissen 16 anstelle der Förderelemente 8 auf. Analog zur Darstellung in 1 wandert dann die fertige Elektrode 12 aus der zweiten Teiltrocknungsstrecke 11 in Förderrichtung V heraus und wird auf der Produktrolle 13 aufgerollt. Der einzige Unterschied ist hier, dass die Beschichtung mit dem Aktivmaterial 3 auf beiden Oberflächen der Elektrode 12 erfolgt ist, und zwar in einem einzigen Produktionsschritt innerhalb einer einzigen Produktionsanlage.
-
Auch hier kann dies sehr energieeffizient erfolgen, da ein Großteil der als Lösungsmittel dienenden Flüssigkeit eben nicht, wie bei den Aufbauten im Stand der Technik, verdampft werden muss sondern durch die hier vier porösen Walzen 9 in flüssiger Form abgesaugt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016002179 A1 [0003]
- DE 102018205795 A1 [0003]
