DE2642829B2 - Verfahren zum Perforieren von Stahlbändern für Elektrodentaschen von galvanischen Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Perforieren von Stahlbändern für Elektrodentaschen von galvanischen Elementen, insbesondere von Akkumulatoren.

Perforierte bzw. gelochte Stahlbänder werden vorzugsweise für Taschenelektroden von alkalischen Akkumulatoren bzw. Batteiien verwendet. Taschenelektroden sind seit langer Zeit bekannt und zeichnen sich durch ihr gutes Betriebsverhalten und eine lange Lebensdauer aus. Die Taschenelektroden sind aus einer Anzahl im wesentlichen flächiger Taschen gebildet, in weichen eine aktive, wirksame Masse eingeschlossen ist. Jede Tasche ist aus zwei perforierten oder gelochten Stahlbändern gebildet, welche entlang ihrer Längskanten zusammengefaltet sind. Die Flächen der Stahlbänder ausschließlich der Faltkanten sind mit einer großen Anzahl feiner Löcher perforiert bzw. gelocht, damit der Elektrolyt des Akkumulators bzw. der Batterie zu der wirksamen, aktiven Masse gelangen kann, die von den Taschen umgeben ist. Jedoch müssen die Löcher so klein wie möglich sein, um ein Ausfließen der fließfähigen, aktiven Masse zu verhindern, was zu Kapazitätsverlusten führen würde und zu einem Kurzschluß in dem Akkumulator oder der Batterie führen könnte.

ίο Der Wirkungsgrad der Batterie hängt jedoch davon ab, daß die Elektrodentaschen eine entsprechende, größtmögliche, relative Lochfläche aufweisen. Hierbei wird unter der relativen Lochfläche die Summe der Fläche der einzelnen Löcher in Prozent der Oberfläche des perforierten bzw. gelochten Teils des Bandes verstanden. Bei herkömmlichen Perforierungs- oder Lochverfahren, bei weichen die Perforationslöcher gegen ein Andrück- oder Auflagepolster gestanzt oder gerollt bzw. gewalzt werden, kann eine relative Lochfläche von etwa 20% erhalten werden. Bei dem in der GB-PS 12 32122 beschriebenen Verfahren, bei welchem eine gleichzeitige Perforierung mit Nadeln von beiden Seiten des Bandes aus erfolgt, ohne daß beim Lochen oder Stanzen Andrück- oder Auflagepolster verwendet werden, kann eine relative Lochfläche von etwa 30% erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das leicht und genau durchzuführen ist und das es erlaubt die relative Lochfläche der Elektrodentaschen zu vergrößern, ohne gleichzeitig die Lochgröße zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Perforierung mittels eines für die Perforierung von Metallblechen bekannten Photoätzverfahrens durchgeführt wird. So können Akkumulatoren oder Batterien mit den bestmöglichen Kenndaten erhalten werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Perforierungsverfahren ist es ohne Schwierigkeit möglich, Taschenelektroden zu erhalten, die eine relative Lochfläche von mehr als 50% aufweisen. Hier ist mit »Photoätzen« im allgemeinen ein photomechanisches Verfahren bezeichnet, bei welchem ein photographisches Bild auf das Stahlband aufgebracht und das Band dann geätzt wird.
Bestimmte monomere Stoffe oder Substanzen, welche für sich nicht besonders stabil sind, wie beispielsweise Vinylcinnamat werden unter anderem durch Belichten mit einer ultravioletten Strahlung in hochstabile Stoffe oder Substanzen polymerisiert, welche dann als sogenannte Abdecklacke oder -mittel verwendbar sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Photoätzverfahren mit Hilfe eines derartigen Abdecklackes (oder eines Photolackes), d. h. mittels eines Schutzüberzugs auf bestimmten Bereichen der Oberfläche des Stahlbandes, durchgeführt werden, das geätzt wird. Infolgedessen werden bei dieser Ausführungsform die Stahlbänder mit einem Abdecklack versehen, welcher über eine Schablone, die das geforderte Lochmuster aufweist, belichtet wird, worauf dann der nicht belichtete Abdecklack mittels eines Entwicklers abgewaschen wird und die Stahlbandoberfläche an den auf diese Weise belichteten Flächenbereichen mittels eines Ätzmittels geätzt wird. Obwohl Polyvinylcinnamat als Abdecklack angeführt ist, ist die Erfindung nicht auf dieses spezielle Polymerisat als Photolack beschränkt, sondern es können bei der Erfindung irgendwelche Stoffe oder Substanzen verwendet werden, welche als Abdeckoder Photolacke bekannt sind. Die Erfindung ist auch

nicht auf die Verwendung von UV-Licht zur Polymerisation oder zum Härten des Abdecklacks beschränkt, sondern die Lichtquelle wird natürlich entsprechend der Empfindlichkeit bzw. der Sensitivität des Stoffes bzw. der Substanz gewählt, um den Abdecklack zu bilden.

Die Abdeck- oder Photolacke können entweder positiv oder negativ sein. Außer der Talsache, daß die positiven Abdecklacke viel teuerer als die negativen sind, sind sie auch für eine Verwendung auf Stahl weniger geeignet Der Grund hierfür liegt darin, daß ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber den hier interessierenden Säuren weniger zufriedenstellend ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher vorzugsweise ein negativer Abdeck- oder Photolack verwendet. Vorteilhafterweise wird für die Belichtung auch eine negative Schablone verwendet.

Der Abdeck- oder Photolack kann auf die Stahlbänder entweder in trockenem oder in flüssigem Zustand aufgebracht werden. Bei Abdeck- oder Photolack, welcher auf die Stahlbänder in flüssigem Zustand aufgebracht worden ist, haben sich, wie testgestellt worden ist, dünnere Schichten ergeben, die zu einer höheren Genauigkeit bei der Belichtung als mit einem trockenen Abdecklack führen. Gemäß der Erfindung wird daher vorzugsweise ein flüssiger Abdecklack verwendet

Das Photoätzen der Stahlbänder kann entweder nur von einer Seite der Bänder oder gleichzeitig auf beiden Hauptflächen der Bänder vorgenommen werden. Das Ätzmittel für die Stahlbänder wird vorzugsweise aus der Gruppe Eisenchlorid, Schwefelsäure, Salzsäure und Salpetersäure ausgewählt.

Das Photoätzverfahren wird bei fortlaufenden Stahlbändern durchgeführt, wobei die Stahlbänder in einer Fertigungsstraße die einzelnen Stationen zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte durchlaufen. In diesem Zusammenhang können durchaus Bandgeschwindigkeiten von mindestens 2 m/min angewendet werden.

Die tatsächliche Geschwindigkeit in der Fertigungsstraße zur Durchführung des Photoätzverfahrens bei einem breiten Stahlband kann erhöht werden, wobei am Ende der Fertigungsstraße die Bänder auf eine Breite geschnitten werden, die den Elektrodentaschen entspricht

Der Grund, weshalb bei dem Perforierungsverfahren gemäß der Erfindung derartig hohe Werte bezüglich der relativen Lochfläche der Stahlbänder erhalten werden können, ist hauptsächlich der, daß mitteis eines Photoätzverfahrens die Löcher näher beeinander an bestimmten vorgegebenen Stellen vorgesehen sein können als beim Stanzen oder Lochen mit einem entsprechenden Werkzeug in einer Presse oder bei Verwendung von Walzen oder Rollen. Bei einem Stanzoder Lochwerkzeug ist der Abstand zwischen den Löchern notwendigerweise dadurch festgelegt, daß die Stanzauflagen bzw. -matrizen ein bestimmtes Tragoder Stützvermögen aufweisen müssen, und daß die Stanzstetnpel an den Anschluß- bzw. Halterungsstellen eine bestimmte Dicke haben müssen, um dem Stanzdruck widerstehen zu können. Darüber hinaus werden aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen im Hinblick auf die Stanzwerkzeugherstellungen runde Perforierungslöcher verwendet. Bei dem Photoätzverfahren treffen diese Überlegungen nicht zu. Die Löcher können so nahe beieinander angeordnet werden, wie es aufgrund der übrigbleibenden Teile des Stahlbandes zulässig; ist Ferner ist das Verfahren nicht auf runde Perforierungslöcher beschränkt sondern die Löcher können vorteilhafterweise auch dreieckig, viereckig oder sechseckig sein, oder irgendeine andere beliebige Form aufweisen. Es hat sich herausgestellt, daß es auf diese Weise möglich ist, relative öfinungsflächen von mehr als 50% zu erhalten, ohne eine zu niedrige Festigkeit der Stahlbänder zu erreichen.

Bei Anwenden des Photoätzverfahrens kann die Fläche jedes einzelnen Loches sehr klein sein, und es kann eine Perforation mit beispielsweise runden Löchern mit einem Durchmesser von 0,1 mm, was einer Fläche von etwa 0,008 mm² entspricht, erhalten werden. Dies ist dann wichtig, wenn sehr feinkörnige, wirksame aktive Massen in den Elektrodentaschen verwendet werden. Die üblichen Lochdurchmesser, wenn mit mechanischen Verfahren gelocht bzw. perforiert wird, liegen bei 0,20 bis 0,25 mm.

Die für die Elektrodentaschen zu verwendenden Stahlbänder müssen eine gute Biegsamkeit haben, damit sie leicht gefaltet werden können. Darüber hinaus sollte das Material eine solche Zusammensetzung haben, daß es ohne weiteres an Trag- oder Stützteile oder -rahmen der Elektrode angeschweißt werden kann, ohne daß die Gefahr einer Bildung von Rissen oder Fehlstellen besteht. Das meistens verwendete Material ist vergütet, und die kaltgewalzten Stahlbänder haben einen geringen Kohlenstoffgehalt. Die Banddicke für die meisten Taschenelektroden liegt bei etwa 0,1 mm.

Das in das Band zu ätzende Lochmuster wird von einem Bild oder einer Zeichnung des Musters, das bzw. die in einem größeren Maßstab vorliegen, entsprechend verkleinert, und photographisch auf eine Schablone übertragen. Die spektrale Empfindlichkeit bzw. Sensivität des Abdecklackes liegt im allgemeinen in Abhängigkeit von dem gewählten Abdecklack in dem Wellenbereich von 300 bis 500 mm mit mehreren Empfindlichkeitsmaxima. Solange die Empfindlichkeitsverteilung in Betracht gezogen wird, ist ein Kontaktkopieren der Schablone vorteilhaft.

Ein trockener Abdecklack wird vorzugsweise zusammen mit einer durchsichtigen bzw. transparenten Folie auf jeder Seite einer Abdecklackschicht verwendet. Die Folien dienen als Schutz gegen Staub. Der Abdecklack wird auf die Stahlbänder schichtweise aufgebracht. Unmittelbar vor der Beschichtung bzw. dem schichtweisen Aufbringen wird die Folie in Richtung auf das Band hin abgerollt. Die Beschichtung findet im allgemeinen bei 5O⁰C und unter einem bestimmten Druck statt. Die Folie auf der gegenüberliegenden Seite des Abdecklakkes wird bis nach der Belichtung nicht abgerollt. Die Dicke des Abdecklackfilmes kann zwischen 20 und 60 Mikrometer liegen und hinzu kommt noch die Schutzfolie mit einer Dicke von 25 Mikrometer, so daß sich eine Gesamtdicke ergibt, die wesentlich über die eines flüssigen Abdecklackes hinausgeht. Bei der Belichtung muß Kontakt mit der Schablone bestehen und es wird hauptsächlich eine gerichtete Strahlung verwendet.

Ein Abdecklack in flüssigem Zustand kann auf die Stahlbänder durch Auftragen mittels Walzen, durch Aufsprühen oder auf irgendeine andere Weise aufgebracht werden. Das Trocknen kann bei Raumtemperatur erfolgen; um jedoch die Trocknungszeit herabzusetzen, '"Wd zweckmäßigerweise eine Trockenkammer verwendet. In Abhängigkeit von dem gewählten Auftragverfahren kann die Dicke der getrockneten Schicht in Grenzen von 0,1 bis 10 Mikrometer gehalten werden. Auf dieselbe Weise wie bei dem trockenen

Abdecklack hat der im flüssigen Zustand aufgebrachte Abdecklack im allgemeinen seine höchste spektrale Empfindlichkeit bei 355 rim. Bei der Belichtung erfolgt ebenfalls Kontakt mit der Schablone, aber im Hinblick auf die geringere Schichtdicke ist in diesem Fall die Forderung einer direkten Bestrahlung nicht vorgeschrieben. Das photographische Auflösungsvermögen liegt bei 0,4 Mikrometer für eine Schicht von 1 Mikrometer und bei 5 Mikrometer für eine Schicht von 125 Mikrometer. Im Hinblick auf eine geringere Schichtdicke weist der im flüssigen Zustand aufgebrachte Lack auch eine höhere Genauigkeit als der trockene Lack auf.

Nicht belichteter Abdecklack wird mit einem speziellen Entwickler abgewaschen, worauf dann die Bandoberfläche in den zu ätzenden Bereichen für das Ätzmittel frei daliegt. Die Wahl des Entwicklers kann ohne weiteres unter den Entwicklungsmitteln vorgenommen werden, welche üblicherweise hierfür verwendet werden.

Wie bereits ausgeführt, kann Eisenchlorid, Schwefelsäure, Salzsäure oder Salpetersäure zum Ätzen verwendet werden. Welches von diesen Ätzmitteln bevorzugt wird, hängt hauptsächlich von wirtschaftlichen Überlegungen ab. Das Eisenchlorid arbeitet langsam; bei Verwenden von Schwefel- sowie von Salzsäure wird Wasserstoffgas während des Ätzens frei, so daß wieder besondere Belüftungseinrichtungen erforderlich sind. Zur Zeit ist Salpetersäure etwas teuerer, sie kann aber wiederum in Behältern aus einfachem, rostfreiem Stahl gelagert werden. Für die während des Ätzens erzeugten Stickstoff gase ist jedoch ebenfalls eine Entlüftung erforderlich.

Auch hat es sich als möglich herausgestellt, Schablonen auf beiden Seiten eines Bandes zu verwenden, das mit einem Photolack auf beiden Seiten beschichtet ist. In diesem Fall sind die Schablonen vorzugsweise so angeordnet, daß das belichtete Perforationsmuster auf beiden Seiten des Bandes in eine (genaue) Gegenüberlage kommt. Hierdurch wird dann die Ätzzeit kürzer und die Lochkanten bzw. -ränder sind gerader.

Gemäß der Erfindung wird somit ein Stahlband mittels einer an sich bekannten Technik, nämlich mittels eines Photoätzverfahrens perforiert, womit perforierte bzw. gelochte Bänder mit einer relativen Lochfläche von 50% und mehr hergestellt werden können, welche mit den relativen Lochflächen in der Größenordnung von 20 bis 30% zu vergleichen ist, die mit herkömmlichen Perforierungsverfahren erhalten werden. Das perforierte Stahlband eignet sich daher besonders für die Herstellung von Taschenelektroden elektrischer Akkumulatoren bzw. Batterien.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer fortlaufend arbeitenden Fertigungsstraße, wobei ein flüssiger Abdecklack aufgebracht wird; und

F i g. 2 eine Ausführungsform eines Lochmusters eines Stahlbandes, das mit dem Verfahren gemäß der Erfindung perforiert ist.

In Fig. 1 werden fortlaufende Stahlbänder von Rollen 1 über eine Zuführeinrichtung 2, welche die erforderlichen Spanneinrichtungen 3 aufweist, einer Entfettungsstation 4 zugeführt, auf welche eine Trokkenkammer 5 folgt. Von der Trockenkammer läuft das Band in eine Auftragstation 6, wo Abdecklack in flüssiger Form von Behältern mit diesem Abdecklack mittels Rollen oder Walzen auf beide Seiten des Stahlbandes aufgebracht wird, und der Abdecklack wird dann in einem Ofen 7 getrocknet. Das Band wird dann einer Belichtungsstation 9 zugeführt, wo es über Schablonen einer ultravioletten Strahlung ausgesetzt wird. Um das Band während der Belichtungsdauer anzuhalten, sind auf jeder Seite der Belichtungsstation ein Paar Schleifen mit Spanneinrichtungen 8 bzw. 10 vorgesehen. Das Band läuft dann durch ein Entwicklungsbad 11 und ein Spülbad 12 hindurch. Das Stahlband kann nunmehr geätzt werden, wobei das Ätzen in einem Ätzbad 13 mit Salpetersäure stattfindet, worauf das Band in der Station 14 gespült, in der Station 15 gebürstet, in der Station 16 wieder gespült und in der Station 17 getrocknet wird. Schließlich wird das Band in einer Schneidstation 18 auf eine Breite geschnitten, die für die Herstellung von Elektrodentaschen erforderlich ist, und wird danach auf die geforderte Länge geschnitten.

Die Bandgeschwindigkeit hängt hierbei von der Belichtungszeit für den verwendeten Abdecklack ab, kann aber auf mindestens 2 m/min gehalten werden.

Das Stahlband hat üblicherweise eine Breite, die der Breite von zehn Akkumulatortaschenbändern entspricht. Die Effektivgeschwindigkeit einer Produktionsstraße liegt infolgedessen bei mindestens 20 m/min.
Ein kleiner Teil eines Stahlbandes, welches in einer fortlaufend arbeitenden Fertigungsstraße geätzt wurde, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, und auf eine Breite geschnitten wurde, die für die Herstellung einer Elektrodentasche erforderlich ist, ist perspektivisch in Fig.2 dargestellt. Die Breite a des photogeätzten Bandes betrug 21 mm, während die Breite b der perforierten Fläche 12 mm betrug. Die Dicke c des Bandes betrug 0,1 mm. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, stellen die Löcher Quadrate dar, wobei die Länge d der Quadratseite 0,22 mm war, und sind so

so angeordnet, daß jedes Loch wiederum in einer Ecke eines Quadrates liegt, d. h. die Perforation ist geradlinig. Der Abstand e zwischen den Löchern beträgt in jeder Richtung 0,092 mm, was eine relative Lochfläche von 50% ergibt. In diesem Zusammenhang ist darauf

hinzuweisen, daß die in F i g. 2 dargestellten Löcher aus Gründen der Klarheit natürlich in einem größeren Maßstab wiedergegeben sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Perforieren von Stahlbändern für Elektrodentaschen von galvanischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforierung mittels eines für die Perforierung von Metallblechen bekannten Photoätzverfahrens durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbänder mit einem Abdecklack versehen werden, der Abdecklack über eine Schablone mit dem geforderten Lochmuster belichtet wird, nicht belichteter Abdecklack mit einem Entwickler abgewaschen wird und die Stahlbandoberfläche mit einem Ätzmittel an den dadurch freigelegten Flächen geätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein negativer Abdecklack verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine negative Schablone verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2—4, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Abdecklack verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel aus der Gruppe Eisenchlorid, Schwefelsäure, Salzsäure und Salpetersäure ausgewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoätzen gleichzeitig von beiden Seiten des Stahlbandes aus durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoätzen an einem langen, fortlaufenden Stahlband durchgeführt wird, wobei dessen aufeinanderfolgende Abschnitte die aufeinanderfolgenden Stationen durchlaufen, an denen die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoätzen an einem breiten Stahlband durchgeführt wird, und daß das Stahlband am Ende der Fertigungsstraße auf für Elektrodentaschen geeignete Breiten zugeschnitten wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Ätzen erzeugte Lochfläche mindestens 50% beträgt.