DE102022112527A1 - Method and device for producing a separator for a battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Separators (36) für eine Batteriezelle, welches folgende Schritte umfasst:
- Zuführen eines metallischen, elektrisch leitenden Substrates (30),
- Auftragen eines Schlickers (38) eines Feststoffseparators, umfassend einen Feststoffelektrolyt, einen Polymerbinder und ein Lösemittel, auf das Substrat (30),
- Trocknen des beschichteten Substrates (32) durch induktives Anregen und Erhitzen des metallischen, elektrisch leitenden Substrates, und
- Sintern des getrockneten, beschichteten Substrates (32), wobei das metallische, elektrisch leitende Substrat (30) durch induktive Anregung mit dem Feststoffseparator (38) durch einen Sinterprozess dauerhaft stoffschlüssig verbunden wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (10) zur Herstellung eines solchen Separators (36) für eine Batteriezelle.
The invention relates to a method for producing a separator (36) for a battery cell, which comprises the following steps:
- supplying a metallic, electrically conductive substrate (30),
- applying a slurry (38) of a solid separator, comprising a solid electrolyte, a polymer binder and a solvent, to the substrate (30),
- Drying the coated substrate (32) by inductively exciting and heating the metallic, electrically conductive substrate, and
- Sintering the dried, coated substrate (32), the metallic, electrically conductive substrate (30) being permanently bonded to the solids separator (38) by inductive excitation through a sintering process.
The invention further relates to a device (10) for producing such a separator (36) for a battery cell.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method and a device for producing a separator for a battery cell according to the preamble of the independent claims.
Lithium-Ionen-Batterien haben in den letzten zwei Jahrzehnten für eine Vielzahl von Anwendungen in tragbaren elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops große Aufmerksamkeit erregt. Aufgrund der schnellen Marktentwicklung der Elektrofahrzeuge und der Energiespeicherung im Netz sind leistungsstarke, kostengünstige Lithium-Ionen-Batterien derzeit eine der vielversprechendsten Optionen für groß angelegte Energiespeicher.Lithium-ion batteries have attracted significant attention over the past two decades for a variety of applications in portable electronic devices such as cell phones and laptops. Due to the rapid market development of electric vehicles and grid energy storage, high-performance, low-cost lithium-ion batteries are currently one of the most promising options for large-scale energy storage.
Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht im Allgemeinen aus einem Separator, einer Kathode und einer Anode. Derzeit werden die Elektroden durch Dispergieren von feinen Pulvern eines aktiven Batterieelektrodenmaterials, eines leitenden Mittels und eines Bindemittels in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt. Die Dispersion kann auf einen Stromkollektor, z. B. eine Kupfer- oder Aluminiummetallfolie, aufgetragen werden und dann bei erhöhter Temperatur getrocknet werden, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Kathoden- und Anodenblätter werden anschließend gestapelt oder gerollt, wobei der Separator die Kathode und die Anode trennt, um eine Batterie zu bilden.A lithium-ion battery generally consists of a separator, a cathode and an anode. Currently, the electrodes are manufactured by dispersing fine powders of a battery electrode active material, a conductive agent and a binder in a suitable solvent. The dispersion can be applied to a current collector, e.g. B. a copper or aluminum metal foil can be applied and then dried at elevated temperature to remove the solvent. The cathode and anode sheets are then stacked or rolled, with the separator separating the cathode and anode to form a battery.
Die Herstellung von Separatoren für Festkörperelektrolyten ist zeitaufwendig, energieintensiv und damit teuer. In der Regel werde solche Separatoren auf einzelnen Blättern hergestellt, wobei ein Trägermaterial mit Feststoffseparator beschichtet wird. Anschließend wird der Verbund aus Trägermaterial und Feststoffseparator getrocknet und das Trägermaterial entfernt, wodurch ein Grünling des Feststoffseparators entsteht. Dieser Grünling wird anschließend in einem Sinterprozess zum fertigen Feststoffseparator weiterverarbeitet. Da die Herstellung aus einzelnen Blättern erfolgt, ist zudem ein erhöhter Handlingaufwand beim Beschichten, Trocknen und Sintern des Feststoffseparators notwendig.The production of separators for solid electrolytes is time-consuming, energy-intensive and therefore expensive. As a rule, such separators are manufactured on individual sheets, with a carrier material being coated with solid separator. The composite of carrier material and solids separator is then dried and the carrier material is removed, resulting in a green compact of the solids separator. This green compact is then further processed in a sintering process to create the finished solids separator. Since the production takes place from individual sheets, increased handling effort is also necessary when coating, drying and sintering the solids separator.
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Fertigung eines Separators für eine Batteriezelle zu vereinfachen und die Energieeffizienz der Produktion sowie die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.The invention is based on the object of simplifying the production of a separator for a battery cell and increasing the energy efficiency of production and the production speed.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle gelöst, das folgende Schritte umfasst:
- - Zuführen eines metallischen, elektrisch leitenden Substrates,
- - Auftragen eines Schlickers eines Feststoffseparators, umfassend einen Feststoffelektrolyt, einen Polymerbinder und ein Lösemittel, auf das Substrat,
- - Trocknen des beschichteten Substrates durch induktives Anregen und Erhitzen des metallischen, elektrisch leitenden Substrates, und
- - Sintern des getrockneten beschichteten Substrates, wobei das metallische, elektrisch leitende Substrat durch induktive Anregung mit dem Feststoffseparator durch einen Sinterprozess dauerhaft stoffschlüssig verbunden wird.
- - supplying a metallic, electrically conductive substrate,
- - applying a slurry of a solid separator, comprising a solid electrolyte, a polymer binder and a solvent, to the substrate,
- - Drying the coated substrate by inductively stimulating and heating the metallic, electrically conductive substrate, and
- - Sintering the dried coated substrate, whereby the metallic, electrically conductive substrate is permanently bonded to the solids separator through a sintering process by inductive excitation.
Unter einem Schlicker ist dabei ein flüssiges, breiiges bis zähflüssiges Lösemittel-Mineralgemisch zur Herstellung von Keramikerzeugnissen zu verstehen. Unter Trocknung ist im Rahmen dieser Patentanmeldung die vollständige oder teilweise Entfernung von Flüssigkeit aus einem feuchten Schlicker durch Verdunsten oder Verdampfen zu verstehen. Unter einem Sintern ist in diesem Zusammenhang das Erhitzen eines feinkörnigen keramischen Stoffes zu verstehen, wobei die Temperaturen des Sinterprozesses jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Form des Werkstückes bis auf eine prozessbedingte Schrumpfung erhalten bleibt.A slip is a liquid, mushy to viscous solvent-mineral mixture for the production of ceramic products. In the context of this patent application, drying is understood to mean the complete or partial removal of liquid from a moist slurry by evaporation or evaporation. In this context, sintering is understood to mean the heating of a fine-grained ceramic material, whereby the temperatures of the sintering process remain below the melting temperature of the main components, so that the shape of the workpiece is retained except for process-related shrinkage.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung eines Separators. Dabei wird der Schlicker intensiv und homogen von innen heraus getrocknet, wodurch eine besonders gleichmäßige Struktur des Feststoffelektrolyt erreicht werden kann.The method according to the invention enables a particularly simple, quick and cost-effective production of a separator. The slip is dried intensively and homogeneously from the inside out, which means that a particularly uniform structure of the solid electrolyte can be achieved.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle möglich.The additional features listed in the dependent claims make advantageous improvements and further developments of the method for producing a separator for a battery cell specified in the independent claim possible.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlicker des Feststoffseparators auf beide Seiten des metallischen, elektrisch leitenden Substrates aufgetragen wird. Eine beidseitige Beschichtung ist besonders vorteilhaft, da die induktive Erwärmung während des Trocknens und des Sinters von Innen heraus durch das induktive Aufheizen des metallischen, elektrisch leitenden Substrates erfolgt. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige Struktur in der Keramik des Feststoffseparators erreicht werden. Zudem ist es möglich, während des Trocknungsvorgangs und/oder des Sintervorgangs die Porosität der Keramik des Feststoffseparators einzustellen, wodurch die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden können.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the slurry of the solids separator is applied to both sides of the metallic, electrically conductive substrate. A coating on both sides is particularly advantageous because the inductive heating during drying and sintering occurs from the inside through the inductive heating of the metallic, electrically conductive substrate. This allows a particularly uniform structure to be achieved in the ceramic of the solids separator. In addition, it is possible to adjust the porosity of the ceramic of the solids separator during the drying process and/or the sintering process, whereby the mechanical and electrochemical properties can be specifically influenced.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das metallische, elektrisch leitende Substrat als Bandmaterial zugeführt wird. Durch eine Zufuhr eines Bandmaterials ist eine besonders einfache und kostengünstige Produktion des Separators möglich. Insbesondere ist die Verarbeitung des Substrates und des Schlickers in einem kontinuierlichen Prozess möglich, wodurch die Produktionsgeschwindigkeit des Separators erhöht werden kann, da ein manueller Handlingaufwand zum Beschichten des Substrates, zum Bestücken eines Trockenofens oder zum Beschicken eines Sinterofens entfallen kann.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the metallic, electrically conductive substrate is supplied as strip material. By supplying a strip material, a particularly simple and cost-effective production of the separator is possible. In particular, the processing of the substrate and the slip is possible in a continuous process, whereby the production speed of the separator can be increased since manual handling effort for coating the substrate, loading a drying oven or loading a sintering oven can be eliminated.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Trocknen bei einer Beharrungstemperatur unterhalb einer Sintertemperatur des Schlickers erfolgt. Dadurch kann bei der Trocknung die Porosität eines Grünlings, d.h. des beschichteten Substrates vor dem Sinterprozess, eingestellt werden, um die gewünschten mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften zu erreichen.According to an advantageous embodiment of the method, it is provided that drying takes place at a steady-state temperature below a sintering temperature of the slip. This allows the porosity of a green compact, i.e. the coated substrate before the sintering process, to be adjusted during drying in order to achieve the desired mechanical and electrochemical properties.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Substrat mit der gesinterten Beschichtung als Bandmaterial abgeführt wird. Dadurch ist eine besonders einfache Prozessführung bei Beschichten, Trocknen und Sintern möglich, wobei das Substrat mit der gesinterten Beschichtung auf eine Aufnahmevorrichtung, insbesondere eine Rolle, eine Hülse oder eine Trommel aufgewickelt werden kann, um auf einfache Art und Weise einem weiteren Fertigungsschritt bei der Herstellung der Batterie zugeführt werden zu können. Alternativ kann das gesinterte Substrat auch nach dem Sinterprozess in die Form der gewünschten Separatoren geschnitten werden und als stapelbares Stückgut einem nächsten Prozessschritt bei der Herstellung der Batterie zugeführt werden.In an advantageous embodiment of the method it is provided that the substrate with the sintered coating is removed as strip material. This enables a particularly simple process for coating, drying and sintering, whereby the substrate with the sintered coating can be wound onto a receiving device, in particular a roll, a sleeve or a drum, in order to easily carry out a further manufacturing step in the production to be supplied to the battery. Alternatively, the sintered substrate can also be cut into the shape of the desired separators after the sintering process and fed as stackable piece goods to the next process step in the production of the battery.
In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Substrat mit der gesinterten Beschichtung nach dem Sinterprozess kurzzeitig über eine Schmelztemperatur erhitzt wird. Durch ein kurzfristiges Erhitzen über die Schmelztemperatur kann die Anbindung von dem Feststoffseparator an das metallische, elektrisch leitende Substrat verbessert werden. Insbesondere können durch ein kurzfristiges Anschmelzen die Grenzflächenwiderstände zwischen dem metallischen, elektrisch leitenden Substrat und dem Feststoffseparator verringert werden. Zudem können durch das kurzfristige Anschmelzen Eigenspannungen in dem Substrat und/oder der gesinterten Beschichtung abgebaut werden, um die Haltbarkeit des Separators zu verbessern und die Gefahr einer mechanischen oder thermischen Schädigung des Separators im späteren Betrieb der Batterie zu verringern.In an advantageous improvement of the method, it is provided that the substrate with the sintered coating is briefly heated above a melting temperature after the sintering process. By briefly heating above the melting temperature, the connection between the solids separator and the metallic, electrically conductive substrate can be improved. In particular, the interface resistances between the metallic, electrically conductive substrate and the solid separator can be reduced by short-term melting. In addition, the short-term melting can reduce residual stresses in the substrate and/or the sintered coating in order to improve the durability of the separator and reduce the risk of mechanical or thermal damage to the separator during later operation of the battery.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das metallische, elektrisch leitende Substrat in einem kontinuierlichen Prozess beschichtet, getrocknet und die auf das Substrat aufgetragene Beschichtung gesintert wird. Durch die kontinuierliche Prozessführung kann ein Bandmaterial verarbeitet werden, wodurch die Beschichtung des metallischen, elektrisch leitenden Substrates mit geringen Prozesszeiten erfolgen kann. Insbesondere entfallen bei einem kontinuierlichen Prozess Pausenzeiten für das Be- und Entladen eines Trocknungsofens oder das Beschicken eines Sinterofens. Zudem wird das Auftragen des Schlickers auf das metallische, elektrisch leitende Substrat vereinfacht, da auch dieser Prozess kontinuierlich verläuft und eine gleichmäßige, vorzugsweise beidseitige Beschichtung des metallischen, elektrisch leitenden Substrats ermöglicht.According to a preferred embodiment of the method, it is provided that the metallic, electrically conductive substrate is coated, dried and the coating applied to the substrate is sintered in a continuous process. Due to the continuous process control, a strip material can be processed, which means that the metallic, electrically conductive substrate can be coated with short process times. In particular, with a continuous process there are no break times for loading and unloading a drying oven or loading a sintering oven. In addition, the application of the slip to the metallic, electrically conductive substrate is simplified, since this process is also continuous and enables a uniform, preferably double-sided coating of the metallic, electrically conductive substrate.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das metallische, elektrisch leitende Substrat eine Kupferfolie, eine Nickelfolie oder eine Verbundfolie ist. Eine Kupferfolie oder eine Nickelfolie lassen sich besonders einfach durch eine induktive Anregung erhitzen, um das Substrat zu trocknen und zu sintern.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the metallic, electrically conductive substrate is a copper foil, a nickel foil or a composite foil. A copper foil or a nickel foil can be heated particularly easily using inductive excitation in order to dry and sinter the substrate.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlicker des Feststoffseparators ein oxidisches, ionenleitendes Material, vorzugsweise eine oxidische, Lithium-Ionen leitende Keramik oder Glaskeramik, insbesondere Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid (LLZO), ein Lithium-Aluminium-Titanphosphat, ein Lithium-Lanthan-Titanat oder ein Derivat umfasst. Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid bietet gegenüber elementarem Lithium und anderen Lithiumverbindungen den Vorteil, dass es chemisch und mechanisch besonders stabil ist. Ferner ist in einer weiteren Verbesserung des Verfahrens vorgesehen, dass zum Trocknen des beschichteten Substrates eine induktive Erwärmung des Substrates und zusätzlich eine Zufuhr von trockener Luft und/oder einem Prozessgas erfolgt. Dabei wird im Prozessraum eine Atmosphäre geschaffen, welche weitgehend frei von Wasserdampf ist, um Nebenreaktionen beim Trocknen und Sintern des Schlickers zu vermeiden. Unter einer Atmosphäre, welche weitgehend frei von Wasser ist, ist dabei eine Atmosphäre mit einem Taupunkt von weniger als -20°C, vorzugsweise von weniger als -40°C, besonders bevorzugt von weniger als -65 °C zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Atmosphäre auch Prozessgase, insbesondere inerte Gase wie Stickstoff umfassen, welche eine Reaktion von Wasserdampf mit dem Schlicker beim Temperprozess unterbinden. Alternativ können auch reaktive Prozessgase eingesetzt werden, welche ein Diffusionsgleichgewicht herstellen und ein Herausdiffundieren des Lithiums aus dem Schlicker verhindern.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the slurry of the solid separator is an oxidic, ion-conducting material, preferably an oxidic, lithium-ion-conducting ceramic or glass ceramic, in particular lithium-lanthanum-zirconium oxide (LLZO), a lithium-aluminum-titanium phosphate, a lithium lanthanum titanate or a derivative. Lithium lanthanum zirconium oxide offers over elemental Lithium and other lithium compounds have the advantage that they are particularly chemically and mechanically stable. Furthermore, in a further improvement of the method, it is provided that in order to dry the coated substrate, the substrate is heated inductively and dry air and/or a process gas is additionally supplied. An atmosphere is created in the process room that is largely free of water vapor in order to avoid side reactions when drying and sintering the slip. An atmosphere that is largely free of water is understood to mean an atmosphere with a dew point of less than -20°C, preferably less than -40°C, particularly preferably less than -65°C. Alternatively or additionally, the atmosphere can also include process gases, in particular inert gases such as nitrogen, which prevent a reaction of water vapor with the slip during the tempering process. Alternatively, reactive process gases can also be used, which create a diffusion equilibrium and prevent the lithium from diffusing out of the slip.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle, umfassend
- - Mittel zum Zuführen eines metallischen, elektrisch leitenden Substartes,
- - Mittel zum Auftragen eines Schlickers eines Feststoffseparators auf das Substrat,
- - Mittel zum induktiven Trocknen des beschichteten Substrates durch induktives Anregen und Erhitzen des metallischen, elektrisch leitenden Substrates,
- - Mittel zum Sintern des getrockneten, beschichteten Substrates, wobei das metallische, elektrisch leitende Substrat durch induktive Anregung mit dem Feststoffseparator durch einen Sinterprozess dauerhaft stoffschlüssig verbunden wird.
- - means for supplying a metallic, electrically conductive substrate,
- - means for applying a slurry of a solids separator to the substrate,
- - means for inductively drying the coated substrate by inductively exciting and heating the metallic, electrically conductive substrate,
- - Means for sintering the dried, coated substrate, whereby the metallic, electrically conductive substrate is permanently bonded to the solids separator by inductive excitation through a sintering process.
Eine solche Vorrichtung ermöglicht auf einfache Art und Weise die Herstellung eines Separators für eine Batterie.Such a device enables the production of a separator for a battery in a simple manner.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mittel zum induktiven Trocknen des beschichteten Substrates einen Schwebetrockner umfassen. Durch einen Schwebetrockner ist eine besonders schonende Trocknung des beschichteten Substrates möglich. Dabei können insbesondere die in das beschichtete Substrat eingebrachten Spannungen bei einer Schwebetrocknung gering gehalten werden, wodurch die mechanische und thermische Stabilität des Separators verbessert werden kann.In an advantageous embodiment of the device it is provided that the means for inductive drying of the coated substrate comprise a floating dryer. A float dryer enables particularly gentle drying of the coated substrate. In particular, the stresses introduced into the coated substrate during floating drying can be kept low, whereby the mechanical and thermal stability of the separator can be improved.
In einer weiteren Verbesserung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mittel zum induktiven Trocken des beschichteten Substrates und/oder die Mittel zum Sintern des getrockneten, beschichteten Substrates mehrere Induktionselemente umfassen, wobei die Induktionselemente auf unterschiedlichen Seiten des Substrates angeordnet sind. Dadurch ist ein gleichmäßiger Wärmeeintrag in das Substrat möglich. Dies ermöglicht eine sehr gleichmäßige Trocknung, wodurch sich ein im Wesentlichen homogenes Gefüge des beschichteten und getrockneten Substrats einstellt. Des Weiteren ermöglicht eine beidseitige Erwärmung eine Migration des Bindungsmittels aus der Mitte des Schlickers heraus an die Oberfläche, wodurch die elektrochemischen Eigenschaften des Separators verbessert werden können.In a further improvement of the device it is provided that the means for inductively drying the coated substrate and/or the means for sintering the dried, coated substrate comprise a plurality of induction elements, the induction elements being arranged on different sides of the substrate. This enables an even heat input into the substrate. This enables very uniform drying, which results in an essentially homogeneous structure of the coated and dried substrate. Furthermore, heating on both sides enables the binding agent to migrate from the center of the slip to the surface, which can improve the electrochemical properties of the separator.
In einer weiteren Verbesserung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mittel zum induktiven Trocknen des beschichteten Substrates Düsen zur Zufuhr von trockener Luft oder einem Prozessgas aufweisen.In a further improvement of the device it is provided that the means for inductive drying of the coated substrate have nozzles for supplying dry air or a process gas.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Düsen zur Zufuhr von trockener Luft und die Induktionselemente entlang eines Prozessweges zur Trocknung abwechselnd angeordnet sind.It is particularly preferred if the nozzles for supplying dry air and the induction elements are arranged alternately along a drying process path.
Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in individual cases.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle; -
2 ein mit einem Feststoffseparator beschichtetes Substrat zur induktiven Trocknung und Sinterung; und -
3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle.
-
1 a device according to the invention for producing a separator for a battery cell; -
2 a substrate coated with a solids separator for inductive drying and sintering; and -
3 a flowchart for carrying out a method according to the invention for producing a separator for a battery cell.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner Mittel 20, 22 zum Auftragen eines Schlickers 38 eines Feststoffseparators auf das metallische, elektrisch leitende Substrat. Dazu ist eine erste Auftrageeinheit 20 vorgesehen, um einen Schlicker 38 eines Feststoffseparators auf einer ersten Seite des metallischen, elektrisch leitenden Substrates 30 aufzutragen. Die Mittel 20, 22 zum Auftragen eines Schlickers 38 umfassen ferner eine zweite Auftrageeinheit 22, um den Schlicker 38 des Feststoffseparators auf eine zweite Seite des metallischen, elektrisch leitenden Substrates 30 aufzutragen. Der Schlicker 38 des Feststoffseparators umfasst ein Lösemittel, einen Feststoffelektrolyten sowie einen Polymerbinder. Durch das beidseitige Auftragen des Schlickers 38 auf das metallische, elektrisch leitende Substrat 30 wird das metallische, elektrisch leitende Substrat 30, insbesondere eine Kupferfolie, eine Aluminiumfolie oder eine Verbundfolie, welche eine Kupferfolie und/oder eine Aluminiumfolie sowie zusätzlich weitere metallische Schichten umfasst, gleichmäßig von beiden Seiten beschichtet.The
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner Mittel 24, 26, 40, 42, 44 zum induktiven Trocknen des beschichteten Substrates 32. Die Mittel umfassen eine Trocknungseinheit 26, welche mehrere Induktionselemente 40, 42, 44 umfasst. Die Trocknungseinheit 26 kann zusätzlich eine oder vorzugsweise mehrere Düsen 50, 52, 54 umfassen, mit welchen trockene Luft oder ein Prozessgas in die Trocknungseinheit 26 eingeblasen wird. Die Induktionselements 40, 42, 44 sind vorzugsweise auf beiden Seiten des durch die Trocknungseinheit geführten beschichteten Substrates 32, in Zeichnungsdarstellung der
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner Mittel 46, 48 zum Sintern des getrockneten beschichteten Substrates 32, insbesondere eine Sintereinheit 28, welche sich in Prozessrichtung W an die Mittel 26, 40, 42, 44 zum Trocknen des beschichteten Substrats 32 anschließen. Dabei umfassen die Mittel zum Sintern 46, 48 insbesondere weitere Induktionselemente 46, 48, welche ebenfalls vorzugsweise auf beiden Seiten, d.h. in Zeichnungsdarstellung oberhalb und unterhalb des zu sinternden Substrates 34 angeordnet sind. Die Mittel zum Sintern 46, 48 sind insbesondere dazu eingerichtet, die Temperatur des getrockneten, beschichteten Substrates 32 ausgehend von einer Beharrungstemperatur TB zum Trocknen weiter auf eine Sintertemperatur Ts von vorzugsweise 1000°C bis 1200°C aufzuheizen. In der Sintereinheit 28 können weitere Düsen 56, 58 angeordnet sein, um auch der Sintereinheit 28 trockene Luft oder ein Prozessgas zur Optimierung des Sinterprozesses zuzuführen. Die Mittel zum Sintern 46, 48 können ferner dazu eingerichtet sein, das gesinterte Substrat 34 nach dem Sintern kurzfristig auf eine Temperatur TL oberhalb der Sintertemperatur, insbesondere auf eine Temperatur von mehr als 1200°C zu erhitzen, um kurzfristig ein Anschmelzen an der Verbindungsstelle zwischen dem metallischen, elektrisch leitenden Substrat 30 und dem Feststoffseparator 38 zu bewirken, wodurch Eigenspannungen in dem gesinterten Substrat 34 verringert und der Übergangswiderstand zwischen dem metallischen, elektrisch leitenden Substrat 30 und dem Feststoffseparator 38 reduziert werden kann.The
Die Mittel zum Trocknen 26, 40, 42, 44 und die Mittel zum Sintern 46, 48 können in einer gemeinsamen Heizzone 24, insbesondere als Teile eines Schwebetrockners 62 oder eines Durchlaufofens 64 ausgebildet sein.The means for drying 26, 40, 42, 44 and the means for sintering 46, 48 can be formed in a
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner ein zweite Umlenkrolle 16, mit welcher das gesinterte Substrat 34 aus der Heizzone 24 herausgeführt und einer zweiten Aufnahmevorrichtung 18 , insbesondere einer weiteren Rolle, einer Trommel oder einer Hülse auf einem Spanndorn zugeführt wird, auf welcher das Substrat 34 mit der gesinterten Beschichtung zur Weiterverarbeitung aufgerollt werden kann.The
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner ein Steuergerät 70 mit einer Speichereinheit 72 und einer Recheneinheit 74. In der Speichereinheit 72 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 76 zur Steuerung der Vorrichtung und zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt. Dabei ist das Steuergerät 70 dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Separators 36 mit der beschriebenen Vorrichtung 10 auszuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode 76 durch die Recheneinheit 74 ausgeführt wird. The
In einem Verfahrensschritt <130> wird das mit dem Schlicker 38 beschichtete Substrat 32 einer Heizzone 24 zugeführt, welche eine Trocknungseinheit 26 und eine Sintereinheit 28 umfasst. Die Trocknungseinheit 26 und die Sintereinheit 28 sind vorzugsweise zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, sodass das beschichtete Substrat 32 kontinuierlich zunächst in einem Verfahrensschritt <140> durch induktive Anregung des metallischen, elektrisch leitenden Substrates 30 erhitzt und dabei getrocknet wird. In einem sich an die Trocknung anschließenden Verfahrensschritt <150> wird das beschichtete Substrat 32 gesintert, indem das metallische, elektrisch leitende Substrat 30 und oder des Schlickers / Feststoffseparators (38) induktiv erhitzt wird, sodass ein mechanisch stabiler gesinterter Separator (36) entsteht. In einem weiteren Verfahrensschritt <160> kann das Substrat 3 kurzfristig über eine Schmelztemperatur erhitzt werden, wodurch es im Verbindungsbereich zwischen metallischem, elektrisch leitendem Substrat 30 und Feststoffseparator 38 zu einem Anschmelzen kommt, wodurch die Übergangswiderstände sowie die Eigenspannungen reduziert werden können. Dadurch kann sowohl die mechanische Festigkeit als auch die thermische Stabilität des Separators 36 erhöht werden.In a method step <130>, the
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Vorrichtungcontraption
- 1212
- erste Aufnahmevorrichtungfirst recording device
- 1414
- erste Umlenkrollefirst pulley
- 1616
- zweite Umlenkrollesecond deflection roller
- 1818
- zweite Aufnahmevorrichtung second recording device
- 2020
- erste Auftrageeinheitfirst application unit
- 2222
- zweite Auftrageeinheitsecond application unit
- 2424
- HeizzoneHeating zone
- 2626
- TrocknungseinheitDrying unit
- 2828
- Sintereinheit Sintering unit
- 3030
- metallisches, elektrisch leitendes Substratmetallic, electrically conductive substrate
- 3232
- beschichtetes Substratcoated substrate
- 3434
- Substrat mit gesinterter BeschichtungSubstrate with sintered coating
- 3636
- Separatorseparator
- 3838
- Schlicker / Feststoffseparator Slurry/solids separator
- 4040
- erstes Induktionselementfirst induction element
- 4242
- zweites Induktionselementsecond induction element
- 4444
- drittes Induktionselementthird induction element
- 4646
- viertes Induktionselementfourth induction element
- 4848
- fünftes Induktionselement fifth induction element
- 5050
- erste Düsefirst nozzle
- 5252
- zweite Düsesecond nozzle
- 5454
- dritte Düsethird nozzle
- 5656
- vierte Düsefourth nozzle
- 5858
- fünfte Düsefifth nozzle
- 6060
- ProzessraumProcess room
- 6262
- SchwebetrocknerFloat dryer
- 6464
- Durchlaufofen / Bandofen Continuous oven / belt oven
- 7070
- SteuergerätControl unit
- 7272
- SpeichereinheitStorage unit
- 7474
- RecheneinheitComputing unit
- 7676
- maschinenlesbarer Programmcode machine-readable program code
- AA
- durch Induktion angeregter BereichArea excited by induction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 3836253 A1 [0005]EP 3836253 A1 [0005]
- EP 2830125 B1 [0006]EP 2830125 B1 [0006]
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-
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- 2023-05-17 CN CN202310560488.2A patent/CN117096545A/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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