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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine zur Herstellung von Elektroden für die Energiezellen produzierende Industrie, wobei die Maschine folgende Abschnitte umfasst: einen Zuführabschnitt zum Abrollen einer Elektrodenbahn von einer Bobine und Zuführen der Elektrodenbahn zu einem nachfolgenden Maschinenabschnitt; einen Schneidapparat zum Schneiden der zugeführten Elektrodenbahn zu einzelnen Elektrodenblättern; einen Transportabschnitt zum Transportieren der Elektrodenblätter zu einem nachfolgenden Stapelabschnitt; und einen Stapelabschnitt zum Ablegen der Elektrodenblätter in ein Magazin.
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Energiezellen oder Energiespeicherzellen, etwa Batteriezellen, werden für galvanische Akkumulatoren beispielsweise in Kraftfahrzeugen, sonstigen Landfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen verwendet, bei denen eine erhebliche Energiemenge über größere Zeiträume abrufbar gespeichert werden muss. Dazu weisen solche Energiezellen eine Struktur aus einer Vielzahl von zu einem Zellstapel gestapelter Elemente auf, und zwar jeweils sich abwechselnde Anodenblätter und Kathodenblätter, die auch als Elektroden bezeichnet werden und die durch Separatorblätter voneinander getrennt sind.
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Zum Abschluss eines Zellstapels wird ein Abschlusselement, beispielsweise ein einzelnes Elektrodenblatt eines bestimmten Typs, vorzugsweise eine Anode, auf den Zellstapel aufgelegt, wodurch ein fertiger Zellstapel zur Einhausung in einem Gehäuse erhalten wird.
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Überall dort, wo im Herstellungsprozess von Batteriezellen einzelne Elektrodenblätter produziert und weiterverarbeitet werden, besteht ein Problem darin, dass die Herstellungsgeschwindigkeit der Elektrodenblattproduktion exakt an die Verarbeitungsgeschwindigkeit der nachfolgenden Maschinenabschnitte angepasst sein muss. Ist die Herstellungsgeschwindigkeit der Elektrodenblattproduktion zu niedrig, sinkt die Produktionsgeschwindigkeit der gesamten Anlage. Ist die Herstellungsgeschwindigkeit der Elektrodenblattproduktion zu hoch, kann es zu Staus im Produktionsablauf kommen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Herstellungsgeschwindigkeit der Elektrodenblattproduktion nicht beliebig eingestellt werden, sondern beispielsweise von dem Schneidverfahren in der Elektrodenherstellmaschine beim Schneiden einer Elektrodenbahn in einzelne Elektrodenblätter abhängt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zur Herstellung von Elektroden für die Energiezellen produzierende Industrie bereitzustellen, die auf einfache Weise eine Anpassung sowohl an die Verarbeitungsgeschwindigkeit nachfolgender Maschinenabschnitte als auch an einzelne Prozessschritte in der Elektrodenherstellmaschine selbst ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist der Stapelabschnitt zum Ablegen der Elektrodenblätter in unverbundenem Zustand und ohne Zwischenlagen zwischen den Elektrodenblättern in dem Magazin eingerichtet. Die vereinzelten Elektrodenblätter eines Typs werden demnach nicht direkt weiterverarbeitet, sondern in einem Magazin gestapelt und dadurch gepuffert. Mittels der Erfindung wird daher die Elektrodenherstellmaschine von der nachfolgenden Verarbeitung der Elektroden entkoppelt und muss daher nicht an die Verarbeitungsgeschwindigkeit nachfolgender Maschinen angepasst sein.
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In der erfindungsgemäßen Maschine wird vorteilhaft im Wesentlichen nur ein einziger Materialstrom verarbeitet, nämlich die Elektrodenbahn und die daraus geschnittenen Elektrodenblätter desselben Typs, nämlich entweder Anoden oder Kathoden. Hierin unterscheidet sich die erfindungsgemäße Maschine grundlegend von Maschinen zur Herstellung und zum Stapeln von Elektroden-Separator-Verbundelementen, die beispielsweise Teilungsänderungsvorrichtungen und Verbindungsvorrichtungen zum Verbinden einzelner Elektroden- und Separatorlagen zu Verbundelementen aufweisen, welche in der erfindungsgemäßen Maschine entbehrlich sind.
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Vorteilhaft weist der Stapelabschnitt mindestens eine Stapelstation auf. Vorzugsweise weist der Stapelabschnitt eine Mehrzahl von Stapelstationen auf, wobei mindestens eine Stapelstationen eine Produktweiche zum Aufteilen des einlaufenden Produktstroms in mehrere auslaufende Produktströme entsprechend der Mehrzahl von Stapelstationen aufweist. Die Anzahl der auf diese Weise parallel zueinander angeordneten Stapelstationen bestimmt dabei die Taktrate des Ablegens, und kann im Hinblick auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit in der Maschine, insbesondere die Schneidgeschwindigkeit in dem Schneidapparat, und die Ablegegeschwindigkeit in der Stapelstation geeignet gewählt werden. Die Anzahl der Stapelstationen ist demnach vorzugsweise in Abhängigkeit einer gewünschten Ablegerate der Elektrodenblätter in die Magazine gewählt ist. Der Output an Elektroden kann durch die beschriebene Skalierbarkeit im Stapelabschnitt stufenweise erhöht werden und auch eine Anpassung an das Schneidverfahren in der Maschine ist dadurch möglich.
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Für die einzelnen Maschinenabschnitte kann vorteilhaft auf bekannte Technologie für die Batteriezellenproduktion zurückgegriffen werden. Dies wird im Folgenden auch durch Verweis auf frühere Patentanmeldungen der Anmelderin zum Ausdruck gebracht. Durch die Verwendung kontinuierlicher Prozesse, insbesondere durch den Einsatz rotierender Körper, beispielsweise rotierend antreibbarer Trommeln, kann eine hohe Produktionsrate erreicht werden.
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Vorzugsweise weist jede Stapelstation einen rotierbaren Verteilerkörper, insbesondere eine rotierend angetriebene Verteilertrommel auf. Der rotierbare Verteilerkörper kann vorteilhaft als Produktweiche zum Aufteilen des einlaufenden Produktstroms in mehrere auslaufende Produktströme dienen. Vorzugsweise weist die oder jede Stapelstation einen dem Verteilerkörper nachgeordneten rotierbaren Segmentkörper auf, wobei vorteilhaft in der oder jeder Stapelstation das Magazin dem Segmentkörper nachgeordnet ist. Der rotierbare Segmentkörper weist vorteilhaft eine Mehrzahl am Umfang des Segmentkörpers angeordneter Segmente auf, die durch periodisches Beschleunigen des Segmentkörpers und/oder eines Segments zum Aufnehmen von Elektrodenblättern von dem vorgeordneten Verteilerkörper, und durch periodisches Abbremsen des Segmentkörpers und/oder eines Segments zum Abgeben von Elektroden in das nachgeordnete Magazin eingerichtet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Maschine einen mechanischen Schneidapparat mit einem rotierbaren Messerkörper und einem damit zusammenwirkenden rotierbaren Schneidkörper auf. Der Schneidapparat kann beispielsweise gemäß der Patentanmeldung PCT/
EP2022/068879 der Anmelderin ausgeführt sein, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist der Schneidapparat eine Laserschneidvorrichtung auf. Der Schneidapparat kann beispielsweise gemäß der Patentanmeldung PCT/
EP2022/068880 der Anmelderin ausgeführt sein, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Maschine eine optische Prüfeinrichtung zur Prüfung der geschnittenen Elektrodenblätter auf, die insbesondere in einer Messbeziehung zu einem rotierbaren Prüfkörper angeordnet ist. Die Prüfeinrichtung kann beispielsweise als Inspektionsvorrichtung gemäß der Patentanmeldung
DE 10 2022 205 762.7 der Anmelderin ausgeführt sein, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Die Prüfeinrichtung kann zur Geometrievermessung und/oder zur Ermittlung von Fehlstellen oder Mängeln der geschnittenen Elektrodenblätter dienen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Maschine eine insbesondere rotierbare Auswerfeinrichtung zum Auswerfen einzelner Elektrodenblätter aus dem Produktstrom auf. Die Auswerfeinrichtung kann beispielsweise als Abgabeeinrichtung, insbesondere Auswerftrommel gemäß der Patentanmeldung PCT/
EP2022/068876 der Anmelderin ausgeführt sein, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Mittels einer Auswerfvorrichtung können beispielsweise als fehler- oder mangelhaft erkannte Elektrodenblätter aus dem Produktstrom entfernt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Maschine eine Vorrichtung zum Positionieren der Elektrodenbahn und/oder zum Beaufschlagen der Elektrodenbahn mit einer Zugspannung auf, um eine positionsgenaue Zuführung der Elektrodenbahn zu nachfolgenden Maschinenabschnitten zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Maschine eine Kennzeichnungseinrichtung zur Aufbringung einer Kennung auf die geschnittenen Elektrodenblätter auf. Eine solche Kennung kann für die Nachverfolgung einzelner Elektrodenblätter zu Qualitätssicherungszwecken erwünscht sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische seitliche Ansicht einer Maschine zur Herstellung von Elektroden für die Energiezellen produzierende Industrie.
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Die Maschine 10 ist zur Herstellung von Elektroden eines bestimmten Typs, nämlich entweder Anoden oder Kathoden, für Batteriezellen vorgesehen und eingerichtet.
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Die Maschine 10 umfasst einen Zuführabschnitt 11, der eine Halterung 12 für eine Bobine 13 aufweist. Die Bobine 13 besteht im Wesentlichen aus einer aufgewickelten Elektrodenbahn, d.h. eines bahnförmigen Elektrodenmaterials. In dem Zuführabschnitt 11 wird die Elektrodenbahn von 14 abgerollt und zu einem nachfolgenden Maschinenabschnitt 15 zugeführt. In dem Zuführabschnitt 11 kann beispielsweise eine Reinigung der Elektrodenbahn 14 erfolgen. Die Maschine 10 kann ein Vorrichtung 17 zum insbesondere seitlichen Positionieren der Materialbahn 14 aufweisen, beispielsweise in Form einer Bahnkantenregelung, sowie zum Beaufschlagen der Materialbahn 14 mit einer Zugspannung, um eine positionsgenaue Weiterverarbeitung der Materialbahn 14 sowohl in seitlicher Richtung als auch in Transportrichtung zu erreichen.
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Die Maschine 10 weist des Weiteren einen Schneidapparat 16 auf, der zum Zerschneiden der Elektrodenbahn 14 in Querrichtung zum Erzeugen einzelner Elektrodenblätter vorgesehen ist. Der Schneidapparat 16 kann mechanisch schneiden und zu diesem Zweck insbesondere einen rotierbaren Messerkörper, beispielsweise eine Messerwalze, und einen damit zusammenwirkenden rotierbaren Schneidkörper 18, beispielsweise eine Schneidtrommel aufweisen. Der Schneidapparat 16 kann alternativ mittels eines Laserstrahls schneiden und zu diesem Zweck eine Laserstrahlvorrichtung mit einem auf einen rotierbaren Schneidkörper 18, beispielsweise eine Schneidtrommel gerichteten, von einem Laser erzeugten Laserstrahl aufweisen. Die Elektrodenbahn 14 wird dabei auf dem rotierbaren Schneidkörper 18 geführt und entweder von den Messern der Messerwalze mechanisch oder mittels des Laserstrahls thermisch geschnitten.
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Dem Schneidapparat 16 nachgeordnet ist ein Transportabschnitt 19 zum Transportieren der geschnittenen und somit vereinzelten Elektrodenblätter zu einem nachfolgenden Stapelabschnitt 20. Der Transportabschnitt 19 kann einen oder mehrere rotierbare Körper 21, 22, insbesondere Trommeln, aufweisen. Der Transportabschnitt 19 kann beispielsweise einen rotierbaren Prüfkörper 21, insbesondere eine Prüftrommel, und eine darauf gerichtete optische Inspektionsvorrichtung 23, beispielsweise umfassend mindestens eine Kamera, aufweisen. Die optische Inspektionsvorrichtung 23 ist zur Geometrievermessung und/oder zur Ermittlung von Fehlstellen oder Mängeln der geschnittenen Elektrodenblätter eingerichtet und angeordnet. Näheres ist der Patentanmeldung
DE 10 2022 205 762.7 der Anmelderin zu entnehmen.
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Der Transportabschnitt 19 kann vorzugsweise einen rotierbaren Auswerfkörper 22, insbesondere eine Auswerftrommel aufweisen, mittels der von der vorgeordneten Inspektionsvorrichtung 23 als fehlerhaft oder mangelhaft erkannte einzelne Elektrodenblätter aus dem Produktstrom entfernt werden können (Auswurf 24).
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Der Stapelabschnitt 20 weist mindestens eine, vorzugsweise mehrere, hier beispielsweise zwei Stapelstationen 25, 26 auf. Jede Stapelstation 25, 26 weist eingangsseitig einen rotierbaren Verteiler 27, 27', insbesondere eine Verteilertrommel, der zur Übernahme von Elektrodenblättern von dem Transportabschnitt 19 oder von einer vorgeordneten Stapelstation 25 eingerichtet ist, einen nachgeordneten rotierbaren Segmentkörper 28, 28' insbesondere eine Segmenttrommel, der zur Übernahme von Elektrodenblättern von dem zugeordneten Verteiler 27, 27' eingerichtet ist, und ein Magazin 29, 29', in das der zugeordnete Segmentkörper 28 die Elektrodenblätter in Form eines Elektrodenstapels ablegt. Auf diese Weise werde die Elektrodenblätter für nachfolgende Verarbeitungsprozesse vorteilhaft magaziniert.
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Jede Stapelstation 25, ausgenommen die letzte Stapelstation 26, weist eine Produktweiche 30 und einen zwischen der Produktweiche 30 und einer nachfolgenden Stapelstation 26 geschalteten rotierbaren Transportkörper 31 auf. Es kann auch eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Transportkörpern 31 vorgesehen sein, wobei die Anzahl vorteilhaft ungerade ist, damit sämtliche Elektrodenblätter mit gleicher Orientierung in den Magazinen 29 abgelegt werden. Die Produktweiche 30 wird vorteilhaft durch den rotierbaren Verteiler 27 gebildet und ist zur schaltbaren Abgabe von aufgenommenen Elektrodenblättern an den Transportkörper 31, und somit an die nachfolgende Stapelstation 26, oder an den eigenen Segmentkörper 28 zum Stapeln in dem eigenen Magazin 29 eingerichtet. Beispielsweise kann der Verteiler 27 Elektrodenblätter abwechselnd an die an den Transportkörper 31, und somit an die nachfolgende Stapelstation 26, und an den eigenen Segmentkörper 28 zum Stapeln in dem eigenen Magazin 29 eingerichtet sein. Einzelheiten zu der Produktweiche können der Patentanmeldung PCT/
EP2022/068876 entnommen werden. Auf die zuvor beschriebene Weise kann eine grundsätzlich beliebige, geeignet gewählte Anzahl von identischen Stapelstationen 25 hintereinander geschaltet werden. Daraus ergibt sich unter anderem der Vorteil, dass die Anzahl der Stapelstationen 25, 26 die Taktrate des Ablegens der Elektrodenblätter bestimmt.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des Segmentkörpers 28, 28' erläutert. Der Segmentkörper 28, 28' weist eine Mehrzahl, vorzugsweise eine ungerade Anzahl, beispielsweise drei, am Umfang beispielsweise mit gleichen Winkelabständen angeordneter Segmente 32 auf. Der Segmentkörper 28, 28' ist vorteilhaft zum periodischen Abbremsen und Beschleunigen seine Rotation eingerichtet. In der in 1 gezeigten Position hat der Segmentkörper 28, 28' eine maximale Rotationsgeschwindigkeit, die an die Rotationsgeschwindigkeit des vorgeordneten Verteilers 27, 27' angepasst ist; eines der Segmente 32, hier das auf 12 Uhr, weist einen minimalem Abstand zu dem vorgeordneten Verteiler 27, 27' auf und kann ein Elektrodenblatt von dem vorgeordneten Verteiler 27, 27' in voller Rotation übernehmen.
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Anschließend an die in 1 gezeigte Position wird der Segmentkörper 28, 28' abgebremst und erreicht bei einer Position, wo ein Segment 32 die Abgabeposition erreicht (hier auf 6 Uhr nach einer Rotation des Segmentkörpers 28, 28' um 60°), eine minimale Rotationsgeschwindigkeit, beispielsweise bis hin zum Stillstand des Segmentkörpers 28, 28'. In dieser Position kann das entsprechende Segment 32 das von ihm gehaltenen Elektrodenblatt in das zugeordnete Magazin 29 abgeben. Anschließend beschleunigt der Segmentkörpers 28, 28' erneut, bis wieder die in 1 gezeigte Übernahmeposition mit maximaler Rotationsgeschwindigkeit erreicht ist, und so weiter.
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Die Maschine 10 kann eine Kennzeichnungseinrichtung 33 zur Aufbringung einer Kennzeichnung, beispielsweise eines Barcodes, auf die Elektrodenblätter aufweisen. Diese kann im Bereich des Transportabschnitts 19 oder im Bereich des Stapelabschnitts 20 vorgesehen sein und ist vorzugsweise einem rotierbaren Körper zugeordnet, hier beispielsweise der ersten Verteilertrommel 27. Eine Zuordnung zu dem Prüfkörper 21 oder dem Auswerfkörper 22 ist ebenso möglich.
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In den Stapelstationen 25, 26 können auch andere Ablegeverfahren für die Elektrodenblätter als das zuvor beschriebene zur Anwendung kommen.
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Die im Rahmen dieser Anmeldung vorgesehenen rotierbaren Körper 18, 21, 22, 27, 27', 28, 28', 31 sind vorzugsweise rotierend angetrieben, besonders vorteilhaft weist jeder rotierbare Körper 18, 21, 22, 27, 27', 28, 28', 31 einen eigenen Einzelantrieb auf. Die Elektrodenblätter werden auf den rotierbaren Körper 18, 21, 22, 27, 27', 28, 28', 31 vorteilhaft mittels Vakuum gehalten und transportiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016041713 A1 [0004]
- DE 102017216213 A1 [0004]
- WO 2019092585 A1 [0004]
- WO 2020192845 A1 [0004]
- US 20220173427 A1 [0004]
- EP 2022068879 [0012]
- EP 2022068880 [0013]
- DE 1020222057627 [0014, 0022]
- EP 2022068876 [0015, 0025]
