DE102022105433A1

DE102022105433A1 - Verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen und Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen

Info

Publication number: DE102022105433A1
Application number: DE102022105433.0A
Authority: DE
Inventors: Karsten Meinke; Michael Kleine Wächter; Jan Kreysern; Nils Hofmann; Manfred Folger; Matthias Horn
Original assignee: Koerber Technologies GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen (EZ) mit- einer Vielzahl von Separatorblättern (S1,S2,S3), und- einer Vielzahl von zwischen den Separatorblättern (S1,S2,S3) wechselweise angeordneten Anoden (A) und Kathoden (K), wobei- die Energiezellen (EZ) an ihren Oberseiten und ihren Unterseiten jeweils ein Separatorblatt (S1,S2,S3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass- in einem ersten Fertigungsschritt Teilstapel (II) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1,S2,S3) und wenigstens einer Anode (A) und/oder wenigstens einer Kathode (K) zugeführt werden, und- die Energiezellen (EZ) in einem zweiten Fertigungsschritt durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen von vorgefertigten Vorprodukten (I) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1,S2,S3), einer Anode (A), einer Kathode (K) oder eine Kombination davon an die Teilstapel (II) zu den Energiezellen (EZ) vervollständigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und eine Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9.
Energiezellen oder auch Energiespeicher im Sinne der Erfindung werden z.B. in Kraftfahrzeugen, sonstigen Landfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder auch in stationären Anlagen wie z.B. Photovoltaikanlagen in Form von Batteriezellen oder Brennstoffzellen verwendet, bei denen sehr große Energiemengen über größere Zeiträume gespeichert werden müssen. Dazu weisen solche Energiezellen eine Struktur aus einer Vielzahl von zu einem Stapel gestapelten Segmenten auf. Diese Segmente sind jeweils sich abwechselnde Anodenblätter und Kathodenblätter, die durch ebenfalls als Segmente hergestellte Separatorblätter voneinander getrennt sind. Die Segmente werden in dem Herstellungsprozess vorgeschnitten und dann zu den Stapeln in der vorbestimmten Reihenfolge aufeinandergelegt und durch Laminieren miteinander verbunden. Dabei werden die Anodenblätter und Kathodenblätter zuerst von einer Endlosbahn geschnitten und dann vereinzelt in Abständen auf jeweils eine Endlosbahn eines Separatormaterials aufgelegt. Diese anschließend gebildete „doppellagige“ Endlosbahn aus dem Separatormaterial mit den aufgelegten Anodenblättern oder Kathodenblättern wird dann in einem zweiten Schritt wieder mit einer Schneidvorrichtung in Segmente geschnitten, wobei die Segmente in diesem Fall doppellagig durch ein Separatorblatt mit einem darauf angeordneten Anodenblatt oder Kathodenblatt gebildet sind. Sofern dies fertigungstechnisch machbar oder erforderlich ist, können die Endlosbahnen des Separatormaterials mit den aufgelegten Anodenblättern und Kathodenblättern auch vor dem Schneiden aufeinandergelegt werden, so dass eine Endlosbahn mit einer ersten endlosen Schicht des Separatormaterials mit darauf aufgelegten Anodenblättern oder Kathodenblättern und einer zweiten endlosen Schicht des Separatormaterials mit wiederum darauf aufgelegten Anodenblättern oder Kathodenblättern gebildet wird. Diese „vierlagige“ Endlosbahn wird dann mittels einer Schneidvorrichtung in Segmente geschnitten, welche in diesem Fall vierlagig mit einem ersten Separatorblatt, einem Anodenblatt, einem zweiten Separatorblatt und einem darauf anliegenden Kathodenblatt gebildet sind. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass ein Schnitt gespart werden kann.
Vorrichtungen zur Herstellung von Batteriezellen sind beispielsweise aus der WO 2016/041713 A1 und der DE 10 2017 216 213 A1 bekannt.
Die Herstellung von Batteriezellen beispielsweise für Elektromobilität erfolgt heute auf Produktionsanlagen mit einer Leistung von 100 bis 240 Monozellen pro Minute. Diese arbeiten in Teilbereichen oder durchgehend mit getakteten diskontinuierlichen Bewegungen, etwa Hin- und Her-Bewegungen, und sind damit hinsichtlich der Produktionsleistung limitiert. Ein Großteil der bekannten Maschinen arbeitet im Einzelblatt-Stapelverfahren (z.B. „Pick and Place“) mit dem Nachteil einer langsameren Verarbeitung. Das Laminieren von Zellformationen ist hier nicht möglich.
Die Segmente werden in einem vorgelagerten Herstellungsschritt dabei in einem ersten Schritt zu den sogenannten Monozellen bestehend aus einem ersten Separatorblatt, einem darauf angeordneten Anodenblatt, einem darauf angeordneten zweiten Separatorblatt und einem darauf angeordneten Kathodenblatt aufeinandergelegt. Alternativ können die Separatorblätter zunächst als zwei Endlosbahnen geführt werden, wobei dann auf eine der Endlosbahnen die bereits geschnittenen Segmente in Form der Anodenblätter und auf die andere Endlosbahn bereits geschnittene Segmente in Form der Kathodenblätter aufgelegt und durch einen Laminierungsprozess miteinander verbunden werden. Anschließend werden die so vorgefertigten Verbundbahnen in einem weiteren Laminierungsprozess miteinander zu einer dann vierlagigen Verbundbahn miteinander verbunden. Die Monozellen werden dann durch einen Schnitt durch die Abstände zwischen den aufeinander folgenden Anodenblättern bzw. Kathodenblättern von der Verbundbahn geschnitten. Alternativ können die Endlosbahnen aus dem Separatormaterial mit den darauf angeordneten Anodenblättern und Kathodenblättern auch geschnitten werden, wobei die Monozellen dann durch einen nachgelagerten Verbundprozess von jeweils einem ersten geschnittenen Separatorblatt mit einer Anode mit einem zweiten geschnittenen Separatorblatt mit einer Kathode hergestellt werden.
Die Segmente werden dann zu einem Stapel aus einer Vielzahl von Segmenten aufeinandergestapelt. Sofern es sich bei den Segmenten um Monozellen oder Separatorblätter mit darauf angeordneten Anoden- oder Kathodenblättern handelt, befindet sich an einer freien Seitenfläche des Stapels eine Kathode oder Anode. Der fertige Stapel aus der Vielzahl von Monozellen muß jedoch zu beiden Seiten der Oberfläche also an der Oberseite und an der Unterseite durch jeweils ein Separatorblatt abgedeckt sein.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen zu liefern, welche eine Herstellung der Energiezellen in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess in einer möglichst hohen Stückrate ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Herstelleinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 9 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Gemäß dem Grundgedanken des nach Anspruch 1 vorgeschlagenen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt Teilstapel aus wenigstens einem Separatorblatt und wenigstens einer Anode und/oder wenigstens einer Kathode zugeführt werden, und die Energiezellen in einem zweiten Schritt durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen von vorgefertigten Vorprodukten aus wenigstens einem Separatorblatt, einer Anode, einer Kathode oder eine Kombination davon an die Teilstapel zu den Energiezellen vervollständigt werden.
Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Energiezellen mit ihren an der Unterseite und der Oberseite angeordneten Separatorblättern sehr einfach hergestellt werden können, indem zunächst die Teilstapel zugeführt werden, wobei die Teilstapel je nach der zu realisierenden Stapelhöhe auch aus einer Vielzahl von vorgestapelten identischen Teilstapeln bestehen können. Diese Teilstapel werden dann durch Ergänzen des oder der weiteren vorgefertigten Vorprodukte(s) in dem zweiten Schritt zu der kompletten Energiezelle vervollständigt. Je nach dem Aufbau der Teilstapel bzw. der Vielzahl der Teilstapel können die ergänzten Vorprodukte einzelne Separatorblätter, Anoden, Kathoden oder auch Kombinationen davon sein. Dabei können die Vorprodukte in Bezug auf den Teilstapel aufgelegt, zwischengelegt oder auch untergelegt werden, je nach der Ausrichtung und Ausbildung des zu ergänzenden Teilstapels. Sofern hierdurch prozesstechnische Vorteile erzielt werden können, können die Vorprodukte auch zuerst zugeführt werden und die Teilstapel dann auf die Vorprodukte, unter die Vorprodukte oder zwischen die Vorprodukte gelegt werden.
Eine besonders einfache Komplettierung der Energiezellen kann dadurch verwirklicht werden, indem eine Vielzahl von Teilstapeln mit jeweils einer freien Anode oder einer freien Kathode zu einem Verbundstapel aufgestapelt werden, und der Verbundstapel durch Auf- oder Unterlegen eines Vorproduktes in Form eines Separatorblattes oder in Form einer Kombination aus zwei oder mehr Separatorblättern mit wenigstens einer dazwischen angeordneten Anode und/oder einer dazwischen angeordneten Kathode vervollständigt wird. Die Verbundstapel weisen aufgrund der Ausbildung und der Stapelung Teilstapel an ihrer einen Oberfläche eine freie Anode oder Kathode auf, während die andere Oberfläche bereits durch ein Separatorblatt gebildet ist. Die freie Anode oder Kathode des Verbundstapels wird durch das Vorprodukt abgedeckt, welches aufgrund seiner Ausbildung als Separatorblatt oder als Kombination von mehreren Separatorblättern mit dazwischen angeordneten Anoden oder Kathoden dann die Oberfläche des Verbundstapels als Separatorblatt verwirklicht.
Da der Verbundstapel aufgrund des Vorproduktes nunmehr selbst an beiden Seiten jeweils ein Separatorblatt aufweist, kann der vorher komplettierte Verbundstapel durch Anlegen eines weiteren Teilstapels oder Verbundstapels mit einer freien Anode oder Kathode an seiner Oberfläche weiter vergrößert werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Vielzahl der Teilstapel in dem Verbundstapel aus einer ersten Gruppe mit jeweils einem Separatorblatt und jeweils einer Anode und einer zweiten Gruppe aus jeweils einem Separatorblatt und jeweils einer Kathode gebildet sind, wobei die Teilstapel der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe wechselweise und mit einer identischen Ausrichtung des Separatorblattes angeordnet sind.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Teilstapel durch jeweils zwei Separatorblätter und eine dazwischen angeordnete Anode und die Vorprodukte durch zwischen jeweils zwei Teilstapeln angeordnete Kathoden gebildet sind. Die Teilstapel können dadurch prozesstechnisch günstig aus zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Anode als Gleichteile in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden. Die Teilstapel werden dann durch Zwischenlegen der Kathoden zwischen die Teilstapel oder Auflegen einer Kathode auf einen Teilstapel und Auflegen eines weiteren Teilstapels auf die Kathode zwischen den Teilstapeln angeordnet. Dabei sind die Teilstapel mit der mittigen Anode symmetrisch mit zwei identischen Oberflächen ausgebildet und setzen damit für ihre Weiterarbeitung keine spezielle Ausrichtung der Oberflächen voraus. Ferner weisen die Teilstapel dadurch keine freie Anode oder Kathode auf und sind dadurch wesentlich einfacher zu handhaben, da die empfindlicheren und teureren Anoden und Kathoden zu beiden Seiten durch Separatorblätter abgedeckt und dadurch geschützt sind.
Dadurch kann die Handhabung robuster gestaltet werden, bzw. es kann dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung und einer dadurch bedingte Funktionsbeeinträchtigung der Energiezelle reduziert werden. Dies ist auch dadurch bedingt, da geringfügige Einwirkungen auf die Sparatorblätter einen geringeren Einfluss auf die Funktionsfähigkeit der Energiezelle haben, da sie nur der Trennung der Anoden und Kathoden und der Durchleitung der Ladungsträger in der Energiezelle dienen. Ferner sind die Anoden in den Teilstapeln durch die beidseitigen Separatorblätter praktisch eingepackt, so dass unerwünschte Partikelfreisetzungen von den Anoden reduziert werden können.
Dabei wird in diesem Fall weiter vorgeschlagen, dass auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel ein Vorprodukt in Form einer Kombination eines Separatorblattes mit einer darauf angeordneten Kathode mit der Kathodenseite aufgelegt wird. Durch die vorgeschlagene Weiterentwicklung kann die Stapelhöhe ausgehend von den Teilstapeln auf einfache Art und Weise erhöht werden.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Teilstapel durch jeweils zwei Separatorblätter und eine dazwischen angeordnete Kathode und die Vorprodukte durch zwischen den Teilstapeln angeordnete Anoden gebildet sind. Die Teilstapel können dadurch in analoger Weise prozesstechnisch günstig aus zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Kathode als Gleichteile in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden. Die Teilstapel werden dann durch Zwischenlegen der Anoden zwischen die Teilstapel oder Auflegen einer Anode auf einen Teilstapel und Auflegen eines weiteren Teilstapels auf die Anode zwischen den Teilstapeln angeordnet. Dabei sind die Teilstapel mit der mittigen Kathode symmetrisch mit zwei identischen Oberflächen ausgebildet und setzen damit für ihre Weiterarbeitung keine spezielle Ausrichtung der Oberflächen voraus. Ferner ergeben sich dadurch weitere Vorteile für die Handhabung, wie sie auch durch die oben beschriebene Anordnung der Teilstapel mit zwei Separatorblättern und jeweils einer dazwischen angeordneten Anode erreicht werden.
Dabei ist es in diesem Fall bevorzugt, dass auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel ein Vorprodukt in Form einer Kombination eines Separatorblattes mit einer darauf angeordneten Anode mit der Anodenseite aufgelegt wird. Durch die vorgeschlagene Weiterentwicklung kann die Stapelhöhe auch in diesem Fall ausgehend von den Teilstapeln auf einfache Art und Weise erhöht werden.
Weiter wird zur Lösung der Aufgabe eine Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen nach dem Oberbegriff von Anspruch 9 vorgeschlagen, bei der

- eine erste Zuführeinrichtung vorgesehen ist, in welcher Teilstapel aus wenigstens einem Separatorblatt und wenigstens einer Anode und/oder wenigstens einer Kathode oder Verbundstapel aus einer Vielzahl von derartigen Teilstapeln zugeführt werden, und
- eine zweite Zuführeinrichtung vorgesehen ist, welche vorgefertigte Vorprodukte aus wenigstens einem Separatorblatt, einer Anode, einer Kathode oder eine Kombination davon zuführt, und
- eine Kombinationseinrichtung vorgesehen ist, welche die Energiezellen durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen der Vorprodukte auf, unter oder zwischen die Teilstapel vervollständigt.

Die vorgeschlagene Herstelleinrichtung ermöglicht eine sehr hohe Produktionskapaziät der Energiezellen. Hierzu sind in der Herstelleinrichtung eine erste und eine zweite Zuführeinrichtung vorgesehen, über welche vorgefertigte Teilstapel und Vorprodukte einer Kombinationseinrichtung zugeführt werden, welche dann in der Kombinationseinrichtung in einem kontinuierlichen bzw. sich wiederholenden Verbindungsprozess miteinander verbunden werden.
Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass ein Magazin vorgesehen ist, in dem die Vorprodukte magaziniert bevorratet sind, und die Vorprodukte aus dem Magazin der Kombinationseinrichtung zugeführt werden. Durch das Magazin wird in der Herstelleinrichtung ein Vorrat aus Vorprodukten geschaffen, aus dem die Vorprodukte zugeführt werden. Das Magazin wird regelmäßig aufgefüllt, was durch eine weitere Zuführeinrichtung oder durch eine manuelle Befüllung erfolgen kann. Das Magazin bildet praktisch einen Zwischenspeicher für die Vorprodukte, welcher bis zum Aufbrauch der in dem Magazin bevorrateten Vorprodukte einen in Bezug auf eine weitere Zufuhr der Vorprodukte autarken Betrieb der Herstelleinrichtung ermöglicht. In dem Magazin können die Vorprodukte in Form von Stapeln bevorratet sein. Alternativ kann das Magazin auch durch ein aufgewickeltes Band gebildet sein, in dem die Vorprodukte in einem miteinander verbundenen Zustand bevorratet sind. Die Vorprodukte werden dann in der zweite Zuführeinrichtung in einem ersten Schritt in einzelne Vorprodukte geschnitten und dann nach dem Schneiden in vereinzelter Form der Kombinationseinrichtung zugeführt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 einen Teilstapel und ein Vorprodukt einer Energiezelle; und
2 vier Endlosbahnen zur Herstellung von Teilstapeln mit zwei Separatorblättern, einer Anode und einer Kathode und eine Stapelung der Teilstapel zu Verbundstapeln; und
3 drei Endlosbahnen zur Herstellung von Vorprodukten mit zwei Separatorblättern und einer Anode und einer Stapelung der Vorprodukte in einem Magazin; und
4 drei Endlosbahnen zur Herstellung von Vorprodukten mit zwei Separatorblättern und einer Anode und einem Magazin in Form eines aufgerollten Bandes; und
5 eine schematisch dargestellte Herstelleinrichtung mit einem Magazin in Form eines Stapels aus dem die Vorprodukte zugeführt werden; und
6 eine schematisch dargestellte Herstelleinrichtung mit einem Magazin in Form eines aufgewickelten Bandes von dem die Vorprodukte geschnitten und zugeführt werden; und
7 eine Energiezelle mit einem Vorprodukt mit zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Anode und einem von oben aufgelegten Verbundstapel; und
8 eine Energiezelle mit einem Vorprodukt mit zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Anode und zwei beidseitig angelegten Verbundstapeln.
9 eine Energiezelle mit einer Mehrzahl von Teilstapeln aus jeweils einem Separatorblatt und einer Anode oder einer Kathode und einem Vorprodukt in Form eines einzelnen Separatorblattes; und
10 eine Energiezelle mit mehreren Teilstapeln aus jeweils zwei Separatorblättern mit einer dazwischen angeordneten Anode und zwei dazwischen angeordneten Vorprodukten in Form von jeweils einer Kathode; und
11 eine Energiezelle mit mehreren Teilstapeln aus jeweils zwei Separatorblättern mit einer dazwischen angeordneten Kathode und zwei dazwischen angeordneten Vorprodukten in Form von jeweils einer Anode und zwei außen angelegten Vorprodukten in Form jeweils eines Separatorblattes mit einer Anode.

In der 1 ist eine beispielhafte Stapelung einer Energiezelle EZ aus einem Verbundstapel n x II umfassend eine Vielzahl von Teilstapeln II und einem Vorprodukt I gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu erkennen. Die Teilstapel II umfassen jeweils eine an der Oberseite angeordnete Kathode K, welche auf einem ersten Separatorblatt S1 aufliegt, das seinerseits auf einer Anode A aufliegt, welche auf einem zweiten Separatorblatt S2 aufliegt. Der Aufbau des Teilstapels II entspricht damit dem Aufbau einer Monozelle. Das Vorprodukt I umfasst an seiner Oberseite ein erstes Separatorblatt S1, welches auf einer Anode A aufliegt, die ihrerseits wieder auf einem zweiten Separatorblatt S2 aufliegt. Damit weist das Vorprodukt an beiden Seiten jeweils ein Separatorblatt S1 und S2 auf und deckt nach dem Auflegen auf den Verbundstapel n x II die freie Kathode K des Verbundstapels n x II zur Außenseite hin ab. Da das Vorprodukt I an beiden Seiten jeweils ein Separatorblatt S1 und S2 aufweist, weist damit auch die fertige Energiezelle EZ an der Seite des Verbundstapels n x II, welche vormals durch die freie Kathode K gebildet ist, ein Separatorblatt S1 auf.
In der 2 ist die Herstellung des Verbundstapels n x II der 1 zu erkennen. Es sind vier Endlosbahnen E1 bis E4 vorgesehen, welche jeweils von einem Wickel zugeführt werden. Die erste Endlosbahn E1 ist durch das Material der ersten Separatorblätter S1 gebildet, die zweite Endlosbahn E2 ist aus Anodenmaterial gebildet, die dritte Endlosbahn E3 ist aus dem Material der zweiten Separatorblätter S2 gebildet, und die vierte Endlosbahn E4 ist schließlich aus dem Kathodenmaterial gebildet. Die zweite und die vierte Endlosbahn E2 und E4 werden mittels einer nicht dargestellten Schneideinrichtung in Anoden A und Kathoden K einer vorbestimmten Breite geschnitten, welche dann z.B. über eine Teilungsänderungstrommel, oder eine sonstige Spreizeinrichtung zu größeren Abständen auseinandergezogen werden und beabstandet auf jeweils eine Endlosbahn E1 oder E3 aufgelegt werden. Dabei werden die Anoden A zuerst auf die Endlosbahn E1 der ersten Separatorblätter S1 aufgelegt, anschließend wird die Endlosbahn E3 der zweiten Separatorblätter S2 auf die Anoden A aufgelegt, auf die dann schließlich die vereinzelten Kathoden K aufgelegt werden. Dadurch wird eine vierlagige Endlosbahn gebildet, welche dann durch eine weitere Schneideinrichtung durch Schnitte durch die Zwischenräume zwischen den aufeinander folgenden Anoden A und den aufeinander folgenden Kathoden K in die einzelnen Teilstapel II entsprechend der 1 geschnitten werden. Die Teilstapel II werden dann mittels einer Stapeleinrichtung zu dem Verbundstapel n x II aufgestapelt.
Die Vorprodukte I können nach demselben Prinzip hergestellt werden, wie in der 3 zu erkennen ist. Je nach dem Aufbau der Vorprodukte I werden diese aus einer, zwei oder drei Endlosbahnen hergestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Vorprodukte I dreilagig und werden aus einer ersten Endlosbahn E1 eines Materials der ersten Separatorblätter S1, einer zweiten Endlosbahn E2 eines Anodenmaterials und einer dritten Endlosbahn E3 aus dem Material der zweiten Separatorblätter S2 hergestellt. Die Anoden A werden wieder mittels einer Schneideinrichtung in Anoden A einer vorbestimmten Breite geschnitten und auf die erste Endlosbahn E1 aufgelegt. Anschließend wird die dritte Endlosbahn E3 auf die geschnittenen Anoden A aufgelegt, so dass eine dreilagige Endlosbahn gebildet wird. Diese dreilagige Endlosbahn wird dann entweder zu einem Magazin M in Form eines Wickels aufgewickelt, wie in der 4 zu erkennen ist. Alternativ kann die Endlosbahn aber auch mittels einer weiteren Schneideinrichtung durch Schneiden durch die Zwischenräume zwischen den aufeinander folgenden Anoden A in die Vorprodukte I der vorbestimmten Breite geschnitten werden und zu einem Magazin M aufgestapelt werden, wie in der 3 zu erkennen ist.
Zur Herstellung der Energiezellen EZ werden die Verbundstapel n x II über eine erste Zuführeinrichtung 1 zugeführt, und die Vorprodukte I werden über eine zweite Zuführeinrichtung 2 aus einem Magazin M zugeführt und dann in einer Kombinationseinrichtung 3 zu den Einzelzellen EZ miteinander verbunden, wie in den 5 und 6 zu erkennen ist. In der 5 ist das Magazin M durch einen Stapel von vorgeschnittenen also fertigen Vorprodukten I gebildet, während das Magazin M in dem Ausführungsbeispiel der 6 durch einen Wickel eines Endlosbandes gebildet ist, von dem die Vorprodukte I in einem vorgelagerten Schneidvorgang abgeschnitten werden, bevor sie auf die Verbundstapel n x II aufgelegt werden. Das Magazin M in Form des Stapels weist den Vorteil auf, dass die Vorprodukte I ohne eine weitere Vorbereitung aus dem Magazin M abgeführt und der Kombinationseinrichtung 3 zugeführt werden können. Dabei kann der Stapel bevorzugt gleich so ausgerichtet sein, dass die Vorprodukte I in Richtung ihrer Flächennormalen in einer rein linear ausgebildeten Abführbewegung mit möglichst geringen Querkräften abgeführt werden. Das Magazin M in Form des Bandes hat hingegen den Vorteil, dass eine sehr große Anzahl von Vorprodukten in einer sehr bauraumsparenden Form darin bevorratet werden können. Ferner kann das Magazin M in Form des Wickels dadurch sehr einfach gehandhabt werden, wozu es insbesondere von Vorteil ist, dass die Vorprodukte I in dem Band noch miteinander verbunden sind.
Ferner können die Herstellung der Vorprodukte I nach dem Prinzip der 3 und die Herstellung der Teilstapel II nach der 2 auf ein und derselben Maschine vorgenommen werden, wozu insbesondere die Anzahl und die Art der Endlosbahnen E1 bis E4 verschieden gewählt und kombiniert werden können. So können die Vorprodukte I der 3 mit den beiden Separatorblättern S1 und S2 und der dazwischen angeordnet Anode A sehr einfach entsprechend den Teilstapeln II der 2 hergestellt werden, indem lediglich die Endlosbahn E4 des Kathodenmaterials weggelassen werden muss.
In den 7 bis 11 sind verschiedene alternative Ausführungsformen von Energiezellen EZ mit verschieden ausgebildeten Teilstapeln II, Verbundstapeln n x II und Vorprodukten I aus den Separatorblättern S1, S2 und S3 sowie aus den Anoden A und den Kathoden K gezeigt.
Die Energiezelle EZ der 7 entspricht in ihrem Aufbau der Energiezelle EZ der 1 mit dem Unterschied, dass hier der Verbundstapel n x II mit der freien Kathode K auf das Vorprodukt I auflegt wird und nicht das Vorprodukt I auf den Verbundstapel n x II wie in der 1. Prozesstechnisch ist allerdings nach „Nachlegen“ der Vorprodukte I gemäß der 1 auf den Verbundstapel n x II von Vorteil, da die Vorprodukte I grundsätzlich eine geringere Masse als die Verbundstapel n x II aufweisen und dadurch die aufzulegende bzw. zu bewegende Masse geringer ist.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu erkennen, bei dem die Energiezelle EZ aus der 1 bzw. 7 zu einer vergrößerten Energiezelle EZ mit einer größeren Stapelhöhe erweitert ist, indem an einer Seite ein weiterer Verbundstapel n x II in einer umgekehrten Anordnung mit einer freien Kathode K angelegt wird. Hierdurch kann eine vergrößerte Energiezelle EZ unter Verwendung eines einzigen Vorproduktes I geschaffen werden.
In der 9 ist eine Energiezelle EZ gezeigt, bei dem die Vielzahl der Teilstapel II in dem Verbundstapel n x II aus einer ersten Gruppe mit jeweils einem ersten Separatorblatt S1 und jeweils einer Anode A und einer zweiten Gruppe aus jeweils einem zweiten Separatorblatt S2 und jeweils einer Kathode K gebildet sind, wobei die Teilstapel II der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe wechselweise und mit einer identischen Ausrichtung des Separatorblattes S1 und S2 angeordnet sind, oder anders ausgedrückt die Anoden A und die Kathoden K sind immer auf derselben Seite der Separatorblätter S1 und S2 in diesem Fall oben angeordnet. Das Vorprodukt I ist in diesem Fall durch ein einzelnes drittes Separatorblatt S3 gebildet, welches bevorzugt identisch mit dem ersten und dem zweiten Separatorblatt S1 und S2 ist. Das dritte Separatorblatt S3 wird von oben auf die Freie Anode A des Verbundstapels n x II aufgelegt und bildet damit die freie Oberfläche der Energiezelle EZ.
In dem Ausführungsbeispiel der 10 sind die Teilstapel II durch jeweils zwei Separatorblätter S1 und S2 und einer dazwischen angeordneten Anode A und die Vorprodukte I durch jeweils eine zwischen zwei Teilstapeln II angeordnete Kathoden K gebildet. Die Teilstapel II können dadurch prozesstechnisch günstig aus zwei Separatorblättern S1 und S2 und einer dazwischen angeordneten Anode A als Gleichteile in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden. Die Teilstapel II werden dann durch Zwischenlegen der Kathoden K zwischen die Teilstapel II oder Auflegen einer Kathode K auf einen Teilstapel II und Auflegen eines weiteren Teilstapels II auf die Kathode K zwischen den Teilstapeln II angeordnet. Dabei sind die Teilstapel II mit der mittigen Anode A symmetrisch mit zwei identischen Oberflächen ausgebildet und setzen damit für ihre Weiterarbeitung keine spezielle Ausrichtung ihrer Oberflächen voraus. Ferner können die Teilstapel II dadurch einfacher über die freien Separatorblätter S1 und S2 gehandhabt werden, ohne dass die dazwischen angeordneten Anoden A (10) oder Kathoden K (11) dabei kontaktiert werden müssen. Dies ist insofern von Vorteil, da die Anoden A und Kathoden K grundsätzlich empfindlicher, teurer und für die Funktionsfähigkeit der Energiezelle EZ von größerer Bedeutung sind. Außerdem kann dadurch die Partikelfreisetzung aus den Anoden A und den Kathoden K reduziert werden, wodurch wiederum die Verschmutzung der Anlage und der Umgebung im Allgemeinen reduziert werden kann. Außerdem hat die Handhabung dadurch einen geringeren Einfluss auf die Anoden A und Kathoden K in ihren Zusammensetzungen und physischen Eigenschaften.
In dem Ausführungsbeispiel der 11 ist der prinzipielle Aufbau der Energiezelle EZ des Ausführungsbeispiels der 10 weiterentwickelt worden. Die Energiezelle EZ umfasst hier mehrere Teilstapel II, welche jeweils durch zwei Separatorblätter S1 und S2 mit einer dazwischen angeordneten Kathode K gebildet sind. Die Vorprodukte I sind hier durch einzelne Anoden A gebildet, welche zwischen den Teilstapeln II angeordnet sind. Ferner ist die Energiezelle EZ durch Auf- bzw. Unterlegen von weiteren Vorprodukten I gebildet durch jeweils ein Separatorblatt S1 oder S2 mit einer darauf angeordneten Anode A in der Stapelhöhe weiter vergrößert.
Die Verbundstapel n x II und die Vorprodukte I werden in der erfindungsgemäßen Herstelleinrichtung durch getrennte Zuführeinrichtungen 1 und 2 zugeführt und in einer Kombinationseinrichtung 3 in einem kontinuierlichen oder sich wiederholenden Verbundprozess miteinander verbunden und dann schließlich als fertig gestapelte Energiezellen EZ abgeführt. Anschließend werden die Energiezellen dann durch die weiteren Verarbeitungsschritte bis zu einer gebrauchsfertigen Batteriezelle weiterverarbeitet.
Dabei ist es nach dem vorgeschlagenen Verfahren und in der vorgeschlagenen Herstelleinrichtung on besonderem Vorteil, wenn die Vorprodukte I magaziniert bevorratet sind, und die Vorprodukte I aus dem Magazin M der Kombinationseinrichtung 3 zugeführt werden. Durch das Magazin M wird in der Herstelleinrichtung ein Vorrat aus Vorprodukten I geschaffen, aus dem die Vorprodukte I zugeführt werden. Das Magazin M wird regelmäßig aufgefüllt, was durch eine weitere Zuführeinrichtung oder durch eine manuelle Befüllung erfolgen kann. Hierdurch kann eine in Bezug auf die Zuführung der Vorprodukte I bis zu dem Aufbrauch des Magazins M autarke Herstellung der Energiezellen EZ verwirklicht werden.
Grundsätzlich ist das Auflegen der Vorprodukte I auf die Verbundstapel n x II bzw. die Teilstapel II bevorzugt, da die Vorprodukte I grundsätzlich kleiner bzw. leichter als die Teilstapel II und die Verbundstapel n x II sind und damit einfacher und positionsgenauer zu handhaben sind. Sofern die Herstellung der Energiezelle EZ dies erfordert, können die Vorprodukte I in der Stapelung der Teilstapel II und der Verbundstapel n x II aber auch unter- oder zwischengelegt werden, in dem die Reihenfolge der Stapelung entsprechend angepasst wird.
Bezugszeichenliste

1: erste Zuführeinrichtung
2: zweite Zuführeinrichtung
3: Kombinationseinrichtung
A: Anode
E1,E2,E3,E4: Endlosbahn
EZ: Energiezelle
I: Vorprodukt
II: Teilstapel
n x II: Verbundstapel
K: Kathode
M: Magazin
S1,S2,S3: Separatorplatt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/041713 A1 [0003]
DE 102017216213 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen (EZ) mit -einer Vielzahl von Separatorblättern (S1,S2,S3), und -einer Vielzahl von zwischen den Separatorblättern (S1,S2,S3) wechselweise angeordneten Anoden (A) und Kathoden (K), wobei -die Energiezellen (EZ) an ihren Oberseiten und ihren Unterseiten jeweils ein Separatorblatt (S1,S2,S3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass -in einem ersten Fertigungsschritt Teilstapel (II) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1,S2,S3) und wenigstens einer Anode (A) und/oder wenigstens einer Kathode (K) zugeführt werden, und -die Energiezellen (EZ) in einem zweiten Fertigungsschritt durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen von vorgefertigten Vorprodukten (I) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1,S2,S3), einer Anode (A), einer Kathode (K) oder eine Kombination davon an die Teilstapel (II) zu den Energiezellen (EZ) vervollständigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass -eine Vielzahl von Teilstapeln (II) mit jeweils einer freien Anode (A) oder einer freien Kathode (K) zu einem Verbundstapel (n x II) aufgestapelt werden, und -der Verbundstapel (n x II) durch Auf- oder Unterlegens eines Vorproduktes (I) in Form eines Separatorblattes (S1,S2,S3) oder in Form einer Kombination aus zwei oder mehr Separatortblättern (S1,S2,S3) mit wenigstens einer dazwischen angeordneten Anode (A) und/oder einer dazwischen angeordneten Kathode (K) zu der Energiezelle (EZ) vervollständigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass -auf der freien Oberfläche des Vorproduktes (I) ein zweiter Teilstapel (II) oder Verbundstapel (n x II) mit einer freien Anode (A) oder einer freien Kathode (K) aufgelegt oder untergelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass -die Vielzahl der Teilstapel (II) in dem Verbundstapel (n x II) aus einer ersten Gruppe mit jeweils einem Separatorblatt (S1, S2, S3) und jeweils einer Anode (A) und einer zweiten Gruppe aus jeweils einem Separatorblatt (S1,S2,S3) und jeweils einer Kathode (K) gebildet sind, wobei -die Teilstapel (II) der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe wechselweise und mit einer identischen Ausrichtung des Separatorblattes (S1,S2,S3) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass -die Teilstapel (II) durch jeweils zwei Separatorblätter (S1, S2, S3) und eine dazwischen angeordnete Anode (A) und die Vorprodukte (I) durch zwischen jeweils zwei Teilstapeln (II) angeordnete Kathoden (K) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass -auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel (II) ein Vorprodukt (I) in Form einer Kombination eines Separatorblattes (S1, S2, S3) mit einer darauf angeordneten Kathode (K) mit der Kathodenseite aufgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass -die Teilstapel (II) durch jeweils zwei Separatorblätter (S1,S2,S3) und eine dazwischen angeordnete Kathode (K) und die Vorprodukte (I) durch zwischen den Teilstapeln (II) angeordnete Anoden (A) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass -auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel (II) ein Vorprodukt (I) in Form einer Kombination eines Separatorblattes (S1, S2, S3) mit einer darauf angeordneten Anode (A) mit der Anodenseite aufgelegt wird.
Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen (EZ) mit -einer Vielzahl von Separatorblättern (S1,S2,S3), und -einer Vielzahl von zwischen den Separatorblättern (S1,S2,S3) wechselweise angeordneten Anoden (A) und Kathoden (K), wobei -die Energiezellen (EZ) an ihren Oberseiten und ihren Unterseiten jeweils ein Separatorblatt (S1,S2,S3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass -eine erste Zuführeinrichtung (1) vorgesehen ist, in welcher Teilstapel (II) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1,S2,S3) und wenigstens einer Anode (A) und/oder wenigstens einer Kathode (K) oder Verbundstapel (n x II) aus einer Vielzahl von teilstapeln (I) zugeführt werden, und -eine zweite Zuführeinrichtung (2) vorgesehen ist, welche vorgefertigte Vorprodukte (I) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1,S2,S3), einer Anode (A), einer Kathode (K) oder eine Kombination davon zuführt, und -eine Kombinationseinrichtung (3) vorgesehen ist, welche die Energiezellen (EZ) durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen der Vorprodukte (I) auf, unter oder zwischen die Teilstapel (II) vervollständigt.
Herstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass -ein Magazin (M) vorgesehen ist, in dem die Vorprodukte (I) magaziniert bevorratet sind, und die Vorprodukte (I) aus dem Magazin (M) der Kombinationseinrichtung (3) zugeführt werden.
Herstelleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass -das Magazin (M) durch einen Stapel von Vorprodukten (I) oder durch ein Band mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Vorprodukten gebildet ist.
Herstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass -eine Vorfertigungseinrichtung vorgesehen ist, in welcher die Vorprodukte (I) in einem vorgelagerten Fertigungsschritt kontinuierlich hergestellt werden, und von der die Vorprodukte (I) der Kombinationseinrichtung (3) kontinuierlich zugeführt werden.
Herstelleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass -in der Vorfertigungseinrichtung mindestens eine Endlosbahn (E1, E2, E3, E4) eines Separator-, Anoden, oder Kathodenmaterials oder einer Kombination davon zugeführt wird, von der die Vorprodukte (I) mittels einer Schneideinrichtung in einem periodischen Schnittvorgang abgeschnitten werden.
Herstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass -die stapelförmigen Energiezellen (EZ) nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt werden.