DE102022120125A1

DE102022120125A1 - Verfahren zum Übertragen von Prozessparametern eines Ein- oder Zweikammertrockners zum Trocknen einer auf einem Substrat aufgebrachten Beschichtung auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern

Info

Publication number: DE102022120125A1
Application number: DE102022120125.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Nowak; Victor Schob
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2024-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Prozessparametern eines Ein- oder Zweikammertrockners (26) zum Trocknen einer auf einem Substrat (16) aufgebrachten Beschichtung (18) auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern (22), das folgende Schritte aufweist: a: Einteilen einer Trocknerstrecke des Ein- oder Zweikammertrockners (26) in Zonen (30), wobei jede Zone (30) eine Vorrichtung (32) zum Energieeintrag für die Trocknung der Beschichtung (18) aufweist; b: separates Einstellen von Prozessparameter für jede Vorrichtung (32); und c: Übertragen der eingestellten Prozessparameter auf den Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern (22). Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterieelektrode (14) für eine Lithium-Ionen-Batterie (12) mit einer Beschichtung, die mittels eines derartigen Verfahrens getrocknet ist sowie ein Fahrzeug (10) mit einer derartigen Batterieelektrode (14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Prozessparametern eines Ein- oder Zweikammertrockners zum Trocknen einer auf einem Substrat aufgebrachten Beschichtung auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterieelektrode mit einer Beschichtung, die mittels eines derartigen Verfahrens getrocknet ist sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Batterieelektrode.
In Hybrid- oder Elektrofahrzeugen kommen Lithium-Ionen-Batteriezellen als elektrische Energieträger zum Einsatz. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Batterieelektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Batterieelektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Batterieelektroden sind aus einem Substrat, wie beispielsweise einer Folie aus Metall, und einer auf dem Substrat aufgebrachten Beschichtung, die auch als Batterieelektrodenfilm bezeichnet wird, gebildet. Bei der Herstellung der Batterieelektroden wird die Beschichtung auf das Substrat in Form eines flüssigen Films aufgebracht, der zur Haftung getrocknet werden muss.
Zur Trocknung des flüssigen Films ist es bekannt, sogenannte Kammertrockner einzusetzen. Kammertrockner weisen ein oder mehr nach außen abgeschlossene Kammern auf, in dem/in denen eine Vielzahl an Luftdüsen angeordnet ist. Zum Trocknen des flüssigen Films wird das Substrat samt aufgebrachtem Film durch die Kammer beziehungsweise die Kammern gefördert und währenddessen trocknet die aus den Düsen ausströmende Luft den Film.
Aus JP 2012/097917 A ist ein Mehrkammertrockner bekannt, der drei hintereinander angeordnete Kammern mit unterschiedlichen Temperaturzonen aufweist.
Während der Entwicklung von Batteriezellen, insbesondere von Batterieelektroden, durchlaufen die zu testenden Materialkompositionen verschiedene Stufen auf dem Weg bis zur Serienreife. Ein häufiges Problem ist die Skalierung verschiedener Prozessparameter zwischen den notwendigen Entwicklungsstufen. Im Labor- oder Technikumfeld sind für die Trocknung von Batterieelektrodenfilmen oft nur Einkammertrockner oder Zweikammertrockner verfügbar. Industrienahe oder industrielle Prozesse setzen in der Regel Kammertrockner mit mehr als drei Kammern ein. Die Portierung oder direkte Skalierung der Prozessparameter einer Zweikammertrocknung auf einen Mehrkammertrockner ist nicht ohne weiteres darstellbar, da im Ausgangssystem lediglich zwei separat parametrierbare Öfen zur Verfügung stehen. Damit fehlen Informationen zur Parametrierung der übrigen Öfen im Zielsystem. Eine direkte Skalierung mit dem Ziel der Parametrierung der industriellen Fertigungsprozesse ist somit nicht möglich. Um ein Optimum auf den industriellen Fertigungsprozessen zu finden müssen aufwändige Versuche durchgeführt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine Übertragung von Prozessparametern eines Ein- oder Zweikammertrockners auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Batterieelektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Übertragen von Prozessparametern eines Ein- oder Zweikammertrockners zum Trocknen einer auf einem Substrat aufgebrachten Beschichtung auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird zunächst eine Trocknerstrecke des Ein- oder Zweikammertrockners in Zonen eingeteilt, wobei jede Zone eine Vorrichtung zum Energieeintrag für die Trocknung aufweist. Anschließend werden die Prozessparameter für jede Vorrichtung separat eingestellt, und diese eingestellten Prozessparameter werden auf den Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern übertragen.
Durch die getrennte Betrachtung jeder einzelnen Zone beziehungsweise jedes einzelnen Segments kann auch jede Zone beziehungsweise jedes Segment separat parametriert werden. Dadurch ist die Portierung beziehungsweise direkte Skalierung der Prozessparameter eines Ein- oder Zweikammertrockners auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern, der vorliegend auch als Mehrkammertrockner bezeichnet wird, möglich. Somit können durch die Erfindung die Informationen für die Prozessparameter aus dem Ausgangssystem, sprich, einem Ein- oder Zweikammertrockner, abgeleitet werden und auf das Zielsystem, sprich einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern, übertragen werden. Um die zusätzlich notwendigen Informationen zur Parametrierung eines Kammertrockners mit mindestens drei Trocknungskammern aus einem Ein- oder Zweikammertrockner erhalten zu können, wird die gesamte Kammertrocknerstrecke des Ein- oder Zweikammertrockners als Trocknungsprofil betrachtet. Dieses Profil kann durch die exakte Charakterisierung entlang der beiden Trocknungskammern in viele kleine Zonen beziehungsweise Segmente aufgeteilt werden. Jede(s) dieser Zonen beziehungsweise Segmente besteht aus einer Vorrichtung, die zum Energieeintrag in die zu trocknende Schicht beiträgt und somit Anteil am Trocknungsprozess hat. Folglich erlaubt das Verfahren, die in einem Ein- oder Zweikammertrockner zum Trocknen einer auf einem Substrat aufgebrachte Beschichtung eingestellten Prozessparameter auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern zu übertragen.
Unter einem Substrat wird vorliegend eine Folie, wie beispielsweise eine Metallfolie, verstanden, die zur Herstellung einer Batterieelektrode eingesetzt wird.
Unter einer Beschichtung wird vorliegend ein Batterieelektrodenfilm verstanden, der als flüssiges Mittel auf das Substrat aufgebracht wird und mittels eines Kammertrockners getrocknet wird, um eine Haftung auf dem Substrat zu erzielen.
Der Energieeintrag zur Trocknung der Beschichtung kann aus einem konvektiven Energieeintrag mittels einer Luftdüse, einem Strahlungseintrag beispielsweise mittels eines NIR-Emitters oder einem Energieeintrag eines anderen physikalischen Verfahrens bestehen.
Vorteilhaft wird eine Trocknerstrecke des Kammertrockners mit mindestens drei Trocknungskammern in Zonen eingeteilt, wobei jede Zone eine Vorrichtung zum Energieeintrag für die Trocknung aufweist. Weiterhin vorteilhaft werden die Wärme- und Stoffbilanzen innerhalb einer Zone des Ein- oder Zweikammertrockners mit den Wärme- und Stoffbilanzen innerhalb einer Zone des Kammertrockners mit mindestens drei Trocknungskammern betrachtet und verglichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Prozessparameter der Vorrichtungen derart eingestellt, dass das Trocknungsprofil des Ein- oder Zweikammertrockners einem zur Trocknung der Beschichtung erforderlichen Trocknungsmodells folgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vorrichtung zum Energieeintrag Düsen. Vorteilhaft sind die Düsen einstellbar. So können die Düsenschlitze, die Reihenfolge der Düsen und/oder die Position der Düsen angesteuert und eingestellt werden. Die Düsen können Prallstrahldüsen oder/und Venturi-Düsen sein. Über die Düsen wird Trocknungsluft, insbesondere warme Trocknungsluft, in die Kammer beziehungsweise in die Kammern und/oder auf den flüssigen Film geblasen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden als Prozessparameter Strömungsgeschwindigkeiten der aus den Düsen strömenden Trocknungsluft und/oder Temperaturen der aus den Düsen strömenden Trocknungsluft eingestellt. Durch die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperaturen der Trocknungsluft können die Zonen eines Mehrkammertrockners emuliert werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten können durch Einstellung der Düsen und/oder durch Einstellung einer Drehzahl eines oder mehreren mit den Düsen verbundenen Lüfters(n) erzielt werden. Zur Einstellung der Düsen können Düsenschlitze, die Reihenfolge der Düsen und/oder die Position der Düsen, beispielsweise durch Neigung oder Rotation der Düsen, angesteuert und eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Düsen so eingestellt, dass Volumenströme der Trocknungsluft innerhalb einer Kammer des Ein- oder Zweikammertrockners eine Keilform bilden. Somit werden die Luftdüsen im Ein- oder Zweikammertrockner so eingestellt, dass die Volumenströme der Düsen innerhalb einer Kammer eine Keilform aufweisen. Die Volumenströme können über die Drehzahl eines mit den Düsen verbundenen Lüfters oder über die Drehzahl mit den Düsen verbundenen Lüfter und/oder über die Einstellung der Düsen eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden in einem Einkammertrockner die Volumenströme der Düsen so eingestellt, dass die Volumenströme der Trocknungsluft von vorne nach hinten keilförmig zunehmen. Weiterhin vorteilhaft werden in einem Zweikammertrockner die Volumenströme der Trocknungsluft in der ersten Kammer so eingestellt, dass die Volumenströme keilförmig abnehmen, das heißt, dass vorne hohe Volumenströme und hinten geringe Volumenströme erzielt werden, und in der zweiten Kammer die Keilform von vorne nach hinten zunimmt, das heißt, dass vorne geringe Volumenströme und hinten hohe Volumenströme erzielt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterieelektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Beschichtung vorgeschlagen, die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens getrocknet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieelektrode vorgeschlagen.
Nachfolgend werden ein Verfahren, ein Fahrzeug, eine Batterieelektrode sowie weitere Merkmale und Vorteile anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das in den Figuren schematisch dargestellt ist. Hierbei zeigen:

1 ein Fahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Batterieelektrodenbands;
3 eine schematische Darstellung eines Zweikammertrockners;
4 eine schematische Darstellung des Zweikammertrockners mit keilförmig eingestellten Volumenströmen; und
5 eine schematische Darstellung eines Mehrkammertrockners.

In 1 ist ein Fahrzeug 10 gezeigt, das von einem nicht dargestellten Elektromotor betrieben wird, der von einer Batterie 12 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Die Batterie 12 ist eine Lithium-Ionen-Batterie und weist zwei in 2 dargestellte Batterieelektroden 14 auf, die als Anode und Kathode dienen. Die Batterieelektrode 14 umfasst ein Substrat 16, beispielsweise eine Metallfolie, und eine auf dem Substrat 16 aufgebrachte Beschichtung 18.
Die Beschichtung 18 ist ein Batterieelektrodenfilm, der in flüssiger Form auf das Substrat 16 aufgebracht wird, und der zur Haftung auf dem Substrat 16 in einem in 5 dargestellten Mehrkammertrockner 20 getrocknet wird. Der Mehrkammertrockner 20 weist vier Trocknungskammern 22 auf, wobei in jeder Trocknungskammer 22 mehrere Düsen 24 angeordnet sind, über die warme Trocknungsluft in die Trocknungskammern 22 strömt.
Zur Trocknung der Beschichtung 18 wird das Substrat 16 samt aufgebrachter Beschichtung 18 über Walzen durch den Mehrkammertrockner 20 geleitet, wobei währenddessen warme Trocknungsluft über die Düsen 24 in die Kammern 22 und/oder auf die Beschichtung 18 geblasen wird.
Während der Entwicklung von Batteriezellen im Labor oder Technikumfeld sind für die Trocknung von Batterieelektrodenfilmen oft nur Einkammertrockner oder Zweikammertrockner 26 verfügbar. Ein Beispiel für einen Zweikammertrockner 26 ist in 3 dargestellt. Industrienahe oder industrielle Prozesse setzen jedoch einen Mehrkammertrockner 20, wie dieser in 5 gezeigt ist, ein. Die Portierung oder direkte Skalierung der Prozessparameter eines Zweikammertrockners 26 auf einen Mehrkammertrockner 20 ist nicht ohne weiteres darstellbar, da im Ausgangssystem lediglich zwei separate parametrierbare Trocknungskammern 22 zur Verfügung stehen. Dadurch fehlen Informationen zur Parametrierung der übrigen Trocknungskammern 22 im Mehrkammertrockner 20. Um diese Informationen aus dem Zweikammertrockner 26 abzuleiten und auf den Mehrkammertrockner 20 zu übertragen, wird eine Trocknerstrecke 28 des Zweikammertrockners 26 in Zonen 30 eingeteilt, wobei jede Zone 30 eine Vorrichtung 32 zum Energieeintrag in die zu trocknende Beschichtung 18 umfasst, wie dies in 3 dargestellt ist.
Die Vorrichtungen 32 sind vorliegend Düsen 24, wie beispielsweise Venturi-Düsen oder Prallstrahldüsen. Über die Düsen wird Trocknungsluft, insbesondere warme Trocknungsluft, in die Trocknungskammern 22 und/oder auf die Beschichtung 18 geblasen. Die Düsen 24 sind einstellbar. So können nicht dargestellte Düsenschlitze der Düsen, deren Reihenfolge und/oder deren Position, beispielsweise durch Neigen und/oder Rotieren der Düsen, eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur der aus den Düsen 24 austretenden Trocknungsluft eingestellt werden. Die Einstellung der Düsen und/oder die Einstellung der Temperatur der Trocknungsluft dienen als Prozessparameter für die Trocknung der Beschichtung 18.
Durch die getrennte Betrachtung einer jeden einzelnen Zone 30 kann jede einzelne Zone 30 parametriert werden. Vorliegend werden die Düsen 24 im Zweikammertrockner 26 so eingestellt, dass die Volumenströme der Trocknungsluft innerhalb einer Trocknungskammer 22 eine Keilform 34 annehmen, wie in 4 dargestellt ist. Somit werden in der ersten Trocknungskammer 22 vorne und in der zweiten Trocknungskammer 22 hinten hohe Volumenströme und in der ersten Trocknungskammer 22 werden hinten sowie in der zweiten Trocknungskammer 22 werden vorne geringe Volumenströme erzeugt. Die Prozessparameter aus dem eingestellten Trocknungsprofil können auf den Mehrkammertrockner 20, wie dieser in 5 dargestellt ist, übertragen und skaliert werden.
Somit ermöglicht das Verfahren die Portierung oder direkte Skalierung der Prozessparameter eines Zweikammertrockners 26 auf einen Mehrkammertrockner 20. Dadurch ermöglicht das Verfahren eine direkte Skalierung für die Parametrierung von industriellen Fertigungsprozessen.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Batterie
14: Batterieelektrode
16: Substrat
18: Beschichtung
20: Mehrkammertrockner
22: Trocknungskammer
24: Düse
26: Zweikammertrockner
28: Trocknerstrecke
30: Zone
32: Vorrichtung zum Energieeintrag
34: Keilform

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012097917 A [0004]

Claims

Verfahren zum Übertragen von Prozessparametern eines Ein- oder Zweikammertrockners (26) zum Trocknen einer auf einem Substrat (16) aufgebrachten Beschichtung (18) auf einen Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern (22), das folgende Schritte aufweist a. Einteilen einer Trocknerstrecke (28) des Ein- oder Zweikammertrockners in Zonen (30), wobei jede Zone (30) eine Vorrichtung (32) zum Energieeintrag für die Trocknung der Beschichtung (18) aufweist; b. Separates Einstellen von Prozessparameter für jede Vorrichtung (32); und c. Übertragen der eingestellten Prozessparameter auf den Kammertrockner mit mindestens drei Trocknungskammern (22).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter der Vorrichtungen (32) derart eingestellt werden, dass das Trocknungsprofil des Ein- oder Zweikammertrockners (26) einem zur Trocknung der Beschichtung erforderlichen Trocknungsmodells folgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zum Energieeintrag Düsen (24) sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter Strömungsgeschwindigkeiten der aus den Düsen (24) strömenden Trocknungsluft und/oder Temperaturen der aus den Düsen (24) strömenden Trocknungsluft eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (24) so eingestellt werden, dass Volumenströme der Trocknungsluft innerhalb einer Kammer des Ein- oder Zweikammertrockners (26) eine Keilform (34) bilden.
Batterieelektrode (14) für eine Lithium-Ionen-Batterie (12) mit einer Beschichtung (18), die mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 getrocknet ist.
Fahrzeug (10) mit einer Batterieelektrode (14) nach Anspruch 6.