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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Elektrode nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Prozessanordnung gemäß Anspruch 10.
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In einem Elektroden-/Separatorstapel einer Batteriezelle sind Elektrodenblätter (das heißt Anodenblätter und Kathodenblätter) alternierend mit Separatorblättern übereinander gestapelt. Das jeweilige Elektrodenblatt weist einen Stromableiter auf, der aus einer Aluminiumfolie beziehungsweise einer Kupferfolie gebildet ist. Der Stromableiter ist meist beidseitig mit einer Elektrodenbeschichtung beschichtet. Zudem weist der Stromableiter eine seitlich abragende beschichtungsfreie Ableiterfahne auf.
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Ein solches Elektrodenblatt wird in einer gattungsgemäßen Batteriezellfertigung wie folgt hergestellt: Demnach wird zunächst eine folienartige Elektroden-Endlosbahn bereitgestellt. Diese wird einem Beschichtungsprozess unterworfen, in dem die Elektroden-Endlosbahn mit der Elektrodenbeschichtung beschichtet wird. Anschließend folgt ein Schneidprozess, in dem ein beschichtungsfreier Bereich der Elektroden-Endlosbahn unter Bildung von Ableiterfahnen zugeschnitten wird. Im weiteren Prozessverlauf wird eine Vereinzelung durchgeführt, in der die beschichtete sowie zugeschnittene Elektroden-Endlosbahn zu Elektrodenblättern vereinzelt wird.
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In der Batteriezellfertigung wird Bahnware verarbeitet. Es handelt sich um eine Aluminium- und Kupferfolie, die zu mehreren Tausend Meter langen Elektrodenrollen beschichtet werden. Die Beschichtung erfolgt in zwei Durchgängen: Zuerst wird die Oberseite der Bahn beschichtet, danach die Unterseite. Im weiteren Verlauf der Fertigung werden aus der Bahn Elektrodenblätter geschnitten und Batteriezellen gebaut. Für die Produktrückverfolgung im Falle eines Herkunftsnachweises oder einer Qualitätsbeanstandung („Track & Trace“) ist es von Vorteil, wenn die in einer Batteriezelle befindlichen einzelnen Elektrodenblätter identifiziert und einer Elektrodenrolle mit dokumentierten Materialien und Fertigungsparametern zugeordnet werden können.
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Gemäß einer ersten bekannten Lösung wird auf die Bahn nach dem Beschichten mit einem Tintenstrahldrucker (Inkjet) im beschichtungsfreien Bereich der Folie im laufenden Prozess eine farbliche Sprühmarkierung gedruckt, und zwar in regelmäßigem Abstand (z. B. jeder Meter) oder nur bei Auffälligkeiten (Fehlermarkierung). Die Markierung wird in folgenden Fertigungsschritten mittels Sensorik detektiert.
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Gemäß einer zweiten bekannten Lösung wird auf die Bahn nach dem Beschichten mit einem Laser im beschichtungsfreien Bereich der Folie im laufenden Prozess eine Markierung gebrannt, und zwar in regelmäßigem Abstand (z. B. jeder Meter) oder nur bei Auffälligkeiten (Fehlermarkierung). Die Markierung wird in folgenden Fertigungsschritten mittels Sensorik detektiert.
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Gemäß einer dritten bekannten Lösung wird auf die Bahn nach dem Beschichten ein adhäsiver Marker (z. B. Etikett) im beschichtungsfreien Bereich der Folie im laufenden Prozess aufgeklebt, und zwar bei Auffälligkeiten (Fehlermarkierung). Die Markierung wird in folgenden Fertigungsschritten mittels Sensorik detektiert.
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Alle drei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben gemein, dass die Markierung erst nach dem zweiten Beschichtungsdurchgang aufgetragen wird. Dadurch kann die Fertigung nur bis nach dem zweiten Beschichtungsdurchgang zurückverfolgt werden. Informationen zum ersten Beschichtungsdurchgang und zur Folie gehen daher verloren. Vorher können Markierungen nicht aufgetragen werden, weil sich die beschichtungsfreien Bereiche, auf denen markiert werden kann, erst nach dem Beschichten zeigen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Markierung auf der Bahn in Abständen und nicht lückenlos erfolgt. Wird z. B. jeder neue Meter markiert, bleiben viele Einzelblätter innerhalb eines Meters ohne Markierung. Eine Verringerung der Abstände, um auf jedem Einzelblatt eine Markierung zu haben, ist nicht möglich, weil zum Zeitpunkt der Markierung nicht klar ist, wo das Einzelblatt herausgeschnitten wird. Darüber hinaus gibt es spezifische Nachteile:
- In der Tintenstrahldrucker-Lösung braucht die Sprühmarkierung Zeit zum Trocknen, kann diese bei Weiterverarbeitung verwischen und unlesbar werden. Die Tinte ist ein Fremdstoff, der weder auf die Elektrodenbeschichtung kommen darf, um in der Batteriezelle keine negative chemische Reaktion auszulösen, noch auf dem unbeschichteten Bereich der Folie verbleiben darf, weil hier die Einzelblätter miteinander verschweißt werden und die Schweißnaht durch Fremdstoffe geschwächt wird. Der Tintenstrahldrucker ist wartungsintensiv, kann verstopfen, Druckköpfe müssen regelmäßig gereinigt werden. Ferner ergeben sich hohe Betriebskosten durch den Verbrauch von Tinte, und eine geringe Ausfallsicherheit, denn z. B. leerer Tintentank oder verstopfte Leitungen führen zu falschen oder fehlenden Markierungen.
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In der Laser-Lösung ist ein hoher betrieblicher Aufwand durch Anforderungen seitens Arbeitsschutz wegen Laser erforderlich. Zudem ergeben sich unkontrollierte Emission von metallischen Partikeln durch Materialabtrag auf der Folie, die auf der Elektrodenbeschichtung liegen bleiben und zu Kurzschlüssen in der Batteriezelle führen können. Ferner ergeben sich hohe Anlagenkosten wegen Laserquelle und Absaugung, sowie hohe Energiekosten wegen Laserquelle. Die Laser-Lösung ist zudem empfindlich gegenüber Änderungen der Fertigungsparameter (z. B. Bahngeschwindigkeit), weil Wärmeeintrag zum Einbrennen der Markierung sich bei langsamer oder schneller laufender Bahn ändert.
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Bei Verwendung eines adhäsiven Markers, z.B. Etiketten, (dritte Lösung) können diese nicht in eine Batteriezelle eingebaut, sondern müssen diese wieder entfernt werden. Schwach haftende Marker können bei Weiterberarbeitung abfallen. Aus der Elektrodenrolle hervorstehende Marker können bei Weiterverarbeitung geknickt oder abgerissen werden. Zudem ergeben sich hohe Betriebskosten durch den Verbrauch von Etiketten und eine geringe Ausfallsicherheit, da z. B. eine leere Etikettenrolle zu fehlenden Markierungen führt.
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Aus der
US 2012/0295145 A1 ist eine Elektrodenanordnung für eine Batteriezelle bekannt. Aus der
WO 2013/018254 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenblattes bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Prozessanordnung bereitzustellen, mittels deren Hilfe eine im Vergleich zum Stand der Technik betriebssichere Produktrückverfolgung ermöglicht ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem Fertigungsverfahren aus, bei dem eine Elektroden-Endlosbahn in einem Beschichtungsprozess mit einer Elektrodenbeschichtung beschichtet wird. Anschließend folgt ein Schneidprozess, in dem ein beschichtungsfreier Bereich der Elektroden-Endlosbahn insbesondere unter Bildung von Ableiterfahnen zugeschnitten wird. Das Verfahren weist zudem einen Markierprozess auf, in dem der beschichtungsfreie Bereich der Elektroden-Endlosbahn markiert wird. Mit Hilfe der Markierung ist eine Produktrückverfolgung durchführbar, und zwar im Falle eines Herkunftsnachweises oder einer Qualitätsbeanstandung. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Markierungsprozess als ein Prägeprozess realisiert. In dem Prägeprozess wird vor dem Schneidprozess, insbesondere noch vor dem Beschichtungsprozess, ein kontinuierliches, in Fertigungsrichtung lückenloses, variierendes Prägemuster als Markierung in den beschichtungsfreien Bereich der Elektroden-Endlosbahn eingeprägt.
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Erfindungsgemäß wird also eine unbeschichtete Aluminium- oder Kupferfolie mit einer lückenlosen Markierung ohne Fremdstoffe versehen. Die lückenlose Markierung wird kontinuierlich mit Prägewalzen in die Folie geprägt. Die abgeformte Struktur hat eine Tiefe von unter einem µm und beeinflusst nicht die mechanische Stabilität der bis zu 4 µm dünnen Folien. Die in Bahnlängsrichtung variierende Markierung ergibt sich durch Kombination von verschiedenen Mustern auf Prägewalzen mit verschiedenen Durchmessern auf Ober- und Unterseite der Bahn. Anordnung und Durchmesser der Prägewalzen werden so ausgelegt, dass die Kombination sich erst nach einer ganzen Elektrodenrolle (z. B. nach 10.000 m) wiederholt. Die Prägewalzen sind mit Drehgebern gekoppelt, die die Stellung der Prägewalzen mit der aktuellen Position der Bahn erfasst. Aus den Stellungen der Prägewalzen lässt sich die Markierung ableiten und damit auf die Position der Bahn schließen. Sensorik, z. B. eine Kamera, kann die Markierung entschlüsseln.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Markierung ohne Fremdstoffe (z. B. Tinte, Etiketten) erfolgt, sondern durch Prägen. Zudem ist die Markierung lückenlos, d. h. durchgängig. Ferner variiert die Markierung entlang der Bahnlängsrichtung durch die Kombination geometrischer Muster auf Ober- und Unterseite der Folie.
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Beispielhaft können mehrere Prägewalzen mit verschiedenen Durchmessern in Prägeeingriff sein, und zwar angeordnet oberhalb und unterhalb der Bahn, mit verschiedenen Mustern sowie in mehreren Spuren. Die Bahn bewegt sich durch die Prägewalzen. Die Prägewalzen sind verbunden mit Drehgebern, die die aktuelle Drehstellung der Prägewalzen erfassen. Außerdem wird die aktuelle Position der Bahn über eine Umlenkrolle erfasst, die mit einem Drehgeber verbunden ist. Drehgeber senden Signale an eine Steuerung, die der aktuellen Bahnposition die aktuellen Prägewalzenstellungen zuordnet und speichert. In folgenden Fertigungsschritten erfasst eine Kamera die geprägten Muster auf der Bahn. Die Kamera ist verbunden mit einer Steuerung, in der die möglichen Musterkombinationen hinterlegt sind. Aus dem erkannten Muster wird auf die Stellung der Prägewalzen und daraus auf die aktuelle Bahnposition geschlossen.
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Nachfolgend werden wesentliche Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So wird in einer technischen Umsetzung für die Produktrückverfolgung eine Datenbank, ein optischer Sensor sowie ein Vergleicherbaustein bereitgestellt. In der Datenbank werden das in der Bahnlängsrichtung variierende Prägemuster oder damit korrelierende Parameter in Abhängigkeit von der Bahnlängsposition hinterlegt. Mit Hilfe des optischen Sensors kann zu einem späteren Prozesszeitpunkt ausschnittsweise das in die Elektroden-Endlosbahn eingeprägte Prägemuster in einem Bild optisch erfasst werden. Im Vergleicherbaustein kann das optisch erfasste Bild mit Ausschnitten des in der Datenbank hinterlegten Prägemusters verglichen werden. Bei Übereinstimmung wird die Bahnlängsposition des Prägemuster-Ausschnittes dem optisch erfassten Bild zugeordnet, sodass eine Produktrückverfolgung ermöglicht ist.
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Das im Prägeprozess verwendete Prägewerkzeug kann bevorzugt eine Walzeneinheit mit zumindest einer Prägewalze sein. Während des Prägevorgangs rollt die Prägewalze auf dem beschichtungsfreien Bereich der Elektroden-Endlosbahn ab. Die Prägewalze weist am Außenumfang eine Prägekontur auf, die während des Prägevorgangs unter Bildung des Prägemusters in den beschichtungsfreien Bereich der Elektroden-Endlosbahn geprägt wird.
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Eine Reduzierung des Rechenaufwands sowie eine Reduzierung des Geräteaufwands ist bei der Erfassung sowie Speicherung des Prägemusters in der Datenbank von großer Bedeutung. Von daher kann bevorzugt auf ein Einlesen von Bilddaten des Prägemusters in die Datenbank verzichtet werden, was einen hohen Speicherbedarf mit sich bringen würde. Anstelle dessen können zum Prägemuster korrelierende Parameter in die Datenbank eingelesen werden, etwa , die mit dem Prägemuster korrelierenden Drehstellungen der zumindest einen Prägewalzen. Hierfür weist die Prägewalze einen Drehgeber auf, der in Signalverbindung mit einer Steuereinheit ist, die die Prägewalze ansteuert. Die Drehstellung der Prägewalze korreliert mit der aktuellen Bahnlängsposition, an der der aktuelle Prägevorgang stattfindet. Zudem korreliert die Drehstellung der Prägewalze mit dem aktuell im Prägevorgang hergestellten Prägemuster-Ausschnitt. Von daher ist aus der Drehstellung des Prägewalze in einfacher Weise ein damit korrelierender Prägemuster-Ausschnitt herleitbar. Vor diesem Hintergrund können in der Datenbank anstelle des Prägemusters die Drehstellungen der Prägewalze als damit korrelierende Parameter hinterlegt werden.
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Bevorzugt ist es, wenn die Walzeneinheit zumindest ein Prägewalzenpaar aufweist, durch dessen Walzenspalt der beschichtungsfreie Bereich der Elektroden-Endlosbahn geführt wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Walzeneinheit mehrere, in Reihe hintereinander angeordnete Prägewalzenpaare aufweist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 bis 8 jeweils unterschiedliche Ansichten, anhand derer das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren veranschaulicht ist.
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In der 1 ist ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Elektrodenblatt 1 gezeigt, das Bestandteil eines nicht dargestellten Elektroden-/Separatorstapels einer Batteriezelle ist. Das Elektrodenblatt 1 ist mit einer mittleren Stromableiter-Folie 3 (zum Beispiel Aluminiumfolie oder Kupferfolie) ausgebildet, die beidseitig mit einer Elektrodenbeschichtung 5 beschichtet ist. Die Stromableiter-Folie 3 ist mit einer beschichtungsfreien Ableiterfahne 7 seitlich nach außen verlängert.
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Das Elektrodenblatt 1 wird aus einer noch unbeschichteten Basis-Folienbahn 10 (2) hergestellt. Diese wird im unbeschichteten Zustand zunächst durch eine später beschriebene Markierstation M (2) geführt. Anschließend wird die Basis-Folienbahn 10 an den (in der 2 gezeigten) Längsschnittlinien 15 aufgeteilt in insgesamt vier Elektroden-Endlosbahnen 9. Die Elektroden-Endlosbahnen 9 werden einem Beschichtungsprozess unterworfen, in dem jede Elektroden-Endlosbahn 9 an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite mit der Elektrodenbeschichtung 5 beschichtet wird. Alternativ dazu kann auch bereits die Basis-Folienbahn 10 dem Beschichtungsprozess unterworfen werden. Nach dem Durchlauf durch die Markierstation M wird die Basis-Folienbahn 10 in der 2 über eine Umlenkrolle 13 zur nächsten Prozessstation transferiert.
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In der 5 ist ein Bahnabschnitt einer bereits beschichteten Elektroden-Endlosbahn 9 gezeigt. Demnach weist die Elektroden-Endlosbahn 9 an ihrer rechten Längsrandseite einen sich in der Fertigungsrichtung F erstreckenden beschichtungsfreien Bereich 11 auf, in dem beispielhaft ein dreispuriges Prägemuster 19 eingeprägt ist. Die so bereitgestellte Elektroden-Endlosbahn 9 wird einem Schneidprozess unterworfen. Im Schneidprozess wird die Elektroden-Endlosbahn 9 entlang der gestrichelt angedeuteten Schnittlinien 36 (5) zugeschnitten. Dabei werden im beschichtungsfreien Bereich 11 der Elektroden-Endlosbahn 9 die Ableiterfahnen 7 ausgestanzt. Zudem werden die Elektrodenblätter 1 von der Elektroden-Endlosbahn 9 vereinzelt.
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In der in den 2 und 3 angedeuteten Markierstation M werden die, nach der Elektrodenbeschichtung beschichtungsfrei bleibenden Bereiche 11 (5) der Basis-Folienbahn 10 in einem Prägeprozess mit einem Prägemuster 19 markiert. Die Markierung kann ein- oder beidseitig erfolgen. Mit Hilfe des Prägemusters 19 ist eine Produktrückverfolgung im Falle eines Herkunftsnachweises oder einer Qualitätsbeanstandung der gefertigten Elektrodenblätter 1 ermöglicht.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Markierung, d.h. das Prägemuster, ohne Fremdstoffe, so dass die chemischen Reaktionen einer Batteriezelle nicht negativ beeinflusst werden. Auch eine Schweißung kann direkt an markierter Stelle erfolgen, und zwar ohne Schwächung der Schweißnaht durch Fremdstoffe. Die Beschichtung kann auch direkt auf der Markierung ohne negative Wechselwirkungen erfolgen.
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Das Prägemuster 19 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Walzeneinheit 17 (2) in die beschichtungsfreien Bereiche 11 (5) eingeprägt. Das Prägemuster 19 erstreckt sich in jedem der beschichtungsfreien Bereiche 11 (5) in Fertigungsrichtung F kontinuierlich sowie lückenlos. Zudem variiert das Prägemuster 19 entlang der Fertigungsrichtung F. Die Walzeneinheit 17 besteht in der 2 aus insgesamt vier in der Fertigungsrichtung F hintereinander angeordneten Prägewalzenpaare 21, 22, 23, 24. In der 3 weist die Walzeneinheit 17 beispielhaft lediglich drei Walzenpaare 22, 24, 26auf. An jeder der Prägewalzen sind am Außenumfang Prägekonturen 30 ausgebildet, die im Prägeprozess das Prägemuster 19 in die beschichtungsfreien Bereiche 11 prägen.
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Die Prägewalzenpaare 21 bis 24 sowie die Umlenkrolle 13 weisen in der 2 jeweils einen Drehgeber 20 auf, der in Signalverbindung mit einer elektronischen Steuereinheit 25 ist, mittels der die Prägewalzen ansteuerbar sind. Mit Hilfe der Drehgeber 20 werden die Drehstellungen D1(x) bis D4(x) der Prägewalzen erfasst. Die Drehstelllungen D1(x) bis D4(x) der Prägewalzen korrelieren mit aktuellen Bahnlängsposition x, an der der aktuelle Prägevorgang stattfindet. Die Bahnlängsposition x wird mit Hilfe des Drehgebers 20 der Umlenkrolle 13 erfasst. Zudem korrelierend die Drehstellungen D1(x) bis D4(x) der Prägewalzen mit dem aktuell im Prägevorgang geprägten Prägemuster-Ausschnitt A(x) (8). Von daher kann für jede Bahnlängsposition x aus den Drehstellungen D1(x) bis D4(x) der Walzenpaare 21 bis 24 ein damit korrelierender Prägemuster-Ausschnitt A(x) hergeleitet werden.
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Zur Durchführung der Produktrückverfolgung sind gemäß der 2 eine Datenbank 27, ein optischer Sensor 29 sowie ein Vergleicherbaustein 31 bereitgestellt. Von der elektronischen Steuereinheit 25 werden das in Bahnlängsrichtung variierende Prägemuster 19 und/oder sowie die damit korrelierenden Drehstellungen D1 (x) bis D4(x) der Walzenpaare 21 bis 24 in Abhängigkeit von der jeweiligen Bahnlängsposition x in die Datenbank 27 eingelesen und dort tabellarisch hinterlegt, wie es in der 7 angedeutet ist. In der 7 sind beispielhaft die Bahnlängspositionen x1 bis x5, das Prägemuster 19 in Abhängigkeit von den Bahnlängspositionen x1 bis x5, sowie die damit korrelierenden Drehstellungen D1(x) bis D4(x) der Walzenpaare 21 bis 24 tabellarisch hinterlegt.
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Bei dem in der 1 gezeigten Elektrodenblatt 11 wird beispielhaft eine Produktrückverfolgung durchgeführt. Hierzu wird mit Hilfe des optischen Sensors 29 die Ableiterfahne 7 des Elektrodenblatts 11 als ein Bild B optisch erfasst. Das Bild B wird zum Vergleicherbaustein 31 geleitet. Zudem werden die in der Datenbank 27 hinterlegten Daten x, D1(x) bis D4(x) und/oder das Prägemuster 19 in den Vergleicherbaustein 31 eingelesen.
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Wie aus der 8 hervorgeht, wird im Vergleicherbaustein 31 das Bild B mit Ausschnitten A(x) des in der Datenbank 27 hinterlegten Prägemusters 19 (bzw. mit den damit korrelierenden Parametern D1(x), D2(x), D3(x), D4(x)) verglichen. In der 8 stimmt beispielhaft das Bild B mit dem Prägemuster-Ausschnitt A(x4) überein. Aufgrund der Übereinstimmung des erfassten Bildes B mit einem Prägemuster-Ausschnitt A(x4) wird die Bahnlängsposition x4 dem optisch erfassten Bild B zugeordnet. Auf diese Weise ist die Bahnlängsposition des Bildes B identifiziert, die für eine Produktrückverfolgung erforderlich ist.
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In der in der 7 gezeigten Datenbank 27 sind beispielhaft sowohl das Prägemuster 19 als auch die Drehstellungen D1(x) bis D4(x) der Prägewalzenpaare 21 bis 24 als Parameter hinterlegt, die mit dem Prägemuster 19 korrelieren.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Prägemuster dreispurig ausgeführt, wobei jede Spur aus voneinander beabstandeten, in Längsrichtung verlaufenden Balken ausgebildet ist. Alternativ dazu kann das Prägemuster 19 auch in beliebig anderer Weise realisiert sein. Zudem kann die Anzahl der Spuren beliebig gewählt werden. Die Markierstation M kann beispielhaft in der Beschichtungsanlage integriert sein. Alternativ dazu kann die Markierstation M bei der Folienherstellung integriert sein, oder als separate Anlage ausgeführt sein. Der optische Sensor 29 kann beispielhaft eine Zeilenkamera sein, oder durch Kontrastsensoren realisiert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrodenblatt
- 3
- Stromableiter-Folie
- 5
- Elektrodenbeschichtung
- 7
- Ableiterfahne
- 9
- Elektroden-Endlosbahn
- 10
- Basis-Folienbahn
- 11
- beschichtungsfreier Bereich
- 13
- Umlenkrolle
- 15
- Längsschnitte
- 17
- Walzeneinheit
- 19
- Prägemuster
- 20
- Drehgeber
- 21 bis 24
- Prägewalzenpaare
- 25
- elektronische Steuereinheit
- 27
- Datenbank
- 29
- optischer Sensor
- 30
- Prägekontur
- 31
- Vergleicherbaustein
- 36
- Schnittlinien
- x
- Längsbahnposition
- D1(x), D2(x), D3(x), D4(x)
- Drehstellungen der Prägewalzen
- B
- Bild
- F
- Fertigungsrichtung
- A(x)
- Prägemuster-Ausschnitt
- M
- Markierstation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20120295145 A1 [0011]
- WO 2013018254 A1 [0011]
