DE2746428B2

DE2746428B2 - Verfahren und Vorrichtung zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE2746428B2
Application number: DE2746428A
Authority: DE
Inventors: Leonard F. Wheatridge Hug; Donald H. Littleton Mcclelland; Toshio Denver Uba
Original assignee: Gates Rubber Co
Current assignee: Gates Rubber Co
Priority date: 1976-10-18
Filing date: 1977-10-15
Publication date: 1979-05-10
Also published as: GB1582740A; US4064725A; IT1080799B; FR2368149B1; DE2746428A1; BR7706848A; SE7711591L; FR2368149A1; MX144123A; HK40281A; HK40181A; SE450313B; DE2746428C3; JPS6052545B2; US4112202A; BE859849A; JPS5351445A; CA1089930A; GB1582739A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle, zur Herstellung einer in ein Zellengefäß einzusetzenden Zellenpackung, bei

■»> welchem die Vorderkanten der Elektrodenplatten, neben denen mindestens eine Separatorschicht liegt, jeweils zwischen einen gemeinsamen Dorn und die Antriebsfläche eines für jede Elektrodenplatte separaten Wickelkopfes eingeführt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für die spiralförmige Aufwicklung der Platten und Separatoren elektrochemischer Zellen sind verschiedene Techniken bekannt. Hierzu gehört ein Verfahren mit einem angetriebenen Dorn (US-PS 32 98 871) und ein

v> Verfahren mit angetriebenem Dorn und einer leerlaufenden Andrückrolle (US-PS 12 69 778 und US-PS 39 088). Ferner ist die Verwendung eines einzigen endlosen Riemens bekannt, der serpentinenförmig über eine Reihe von Rollen läuft (US-PS 1 71 346), um eine spiralförmig aufgewickelte Zellenpackung zu erzeugen. Einer der Rollen ist eine durch ein Gewicht belastete Spannvorrichtung zur Erzeugung eines gleichmäßigen Schichtdrucks zwischen den Komponenten der Zellenpackung zugeordnet.

M Obwohl die erwähnten Verfahren zur spiralförmigen Aufwicklung der Komponenten von Zellenpackungen bei bestimmten Anwendungen ihre Vorteile haben, besteht ein grundsätzlicher Nachteil alier dieser

Verfahren darin, daß die sich ergebende geometrische Querschnittskonfiguration sich schon bei kleinen Abweichungen der einzelnen Schichtstärken (d.h. der Stärken von Platten und Separator) erheblich verändert Die hervorstechenden praktischen Schwierigkeiten, die auf die ungleichmäßigen geometrischen Querschnitte der Schichten zurückgehen, bestehen darin, daß der Außendurchmesser der »zylindrischen« Zellenpackung oftmals zu gro3 ist, so daß die Zellenpackung nicht in das betreffende Zellengefäß hineinpaßt oder zu klein ist, so daß die Zellenpackung in dem Zellengefäß zu locker sitzt Demzufolge ist die Ausschußrate für derartige spiralförmig gewickelte Elemente untragbar hoch, oder man muß eine sehr enge Toleranzkontrolle für die angelieferten Komponenten durchführen, was wiederum zu erhöhten Herstellungskosten führt

Ein weiteres wichtiges Kriterium für spiralförmige Wickel besteht in der Schaffung eines begrenzten Schlupfes zwischen den Platten und den Separatoren während des Wickeins. Da die einzelnen Komponenten um sich selbst herum aufgewickelt werden, sind die außenliegenden Komponenten normalerv:eise unter Spannung, während die innere Komponente oder Schicht der durch einen kleineren Radius als die äußere Komponente oder Schicht bestimmten Wickelkrümmung folgt Die innere Komponente wird daher einer Kompression bzw. einer geringeren Spannung ausgesetzt als die äußere Komponente. Insbesondere bei Aufwicklung empfindlicher oder leicht verformbarer Komponenten führt die Unfähigkeit der Komponenten, μ sich gegeneinander zu verschieben, zu Streckungen oder Stauchungen des Separators, so daß entweder am Separator oder an den Platten Falten entstehen. Es ist bekannt, daß die oben beschriebenen Erscheinungen zum frühzeitigen Ausfall der Zelle infolge inneren Kurzschlusses führen können, insbesondere bei wiederaufladbaren Zellen, bei denen die Platte während der verschiedenen Lade- und Entladezyklen wächst.

Die beschriebenen Schwierigkeiten, die entstehen, wenn ein ungeeigneter relativer Schlupf zwischen den -»ο Komponenten vorhanden ist, werden noch verstärkt, wenn die Separatoren aus einem Material bestehen, das extrem zerbrechlich und schwer zu verarbeiten ist, wie ultrafeine Vliese aus Glasfasern oder einem anderen Material mit hoher Benetzungswärme. Das Problem wird insbesondere kritisch bei Verwendung von Platten aus weichen und verformbaren Substraten, auf denen ein klebriges Pastenmatcrial angebracht ist, das sich während des Wickelvorgangs physikalisch mit den Separatorstreifen verbinden soll und daher ein relatives w Gleiten während des Wickeins verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, um einen Wickel mit sehr gleichmäßiger Querschnittsgeometrie selbst dann zu erhalten, wenn die Stärken der einzelnen ■'·'· Komponenten oder Schichten erheblich variieren. Auf diese Weise soll ein Wickel geschaffen werden, bei dem die Komponenten sich in exakter gegenseitiger Ausrichtung befinden. Die gepasteten Oberflächen der Zonenplatten sollen während des Wickeins nicht beschädigt oder verkratzt werden und nicht aufplatzen oder auf andere Weise beschädigt werden. Bei dem Wickelverfahren sollen die Separatoren und Platten relativ zueinander während des Wickeins gleiten können, wobei dennoch der richtige Wickeldruck aufrechterhalten wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wickelköpfe während des Drehens des Domes und des Antriebs der Elektrodenpliitten und Separatoren durch die Antriebsflächen der Wickelkäpfe zwangsgesteuert in dem Maße auseinanderbewegt werden, in dem sich der Wickei vergrößert

Das erfindungsgemäße Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren zu einer im wesentlichen zylindrischen Zellen packung, die in eine elektrochemische Zelle eingesetzt wird, besteht aus den folgenden Verfahrensschritten:

1. Anordnung zweier Wickelköpfe, von denen jeder eine flexible Antriebsfläche aufweist einander gegenüberliegend, zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren;

2. Anordnung eines Domes zwischen den Wickelköpfen gegenüber den flexiblen Antriebsflächen;

3. Zuführen der Vorderkante einer der Elektrodenplatten, an der mindestens eine Separatorschicht angeordnet ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des ersten Wickelkopfes;

4. Zuführen der Vorderkante aer anderen Elektrodenplatten, an der mindestens eine Separatorschicht angeordnet ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des zweiten Wickelllcopfes;

5. Festhalten der Wickelköpfe in der Wickelposition durch Vorschieben der Wickelköpfe in Richtung gegeneinander und Zusammendrücken der Platten und Separatoren zwischen jeweils einer Antriebsfläche und dem Dorn und

6. Antreiben mindestens einer der Antriebsflächen bei gleichzeitigem Zurückziehen der Wickelköpfe voneinander, wodurch die spiralförmig gewickelte Zellenpackung gebildet wird.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß Zuführeinrichtungen für die Vorderkanten der positiven EleUtrodenplatten und der negativen Elektrodenplatten vorgesehen sind, die die betreffenden Elektrodenplatten zr:ammen mit einer Lage Separatormaterial an mindestens einer Seite dem Dorn zuführen, und daß mindestens einer der Wickelköpfe eine Antriebsfläche aufweist, die die betreffende Elektrodenplatte zusammen mit dem Separator gegen den Dorn drückt und diesen dreht.

Die Vorrichtung besitzt erste und zweite zurückziehbare Wickelköpfe, die einander gegenüberliegend zu beiden Seiten des Domes angebracht sind und flexible Antriebsflächen aufweisen; eine Einrichtung zum Vorschieben und Zurückziehen der Wickelköpfe relativ zueinander; einen Dorn, der zwischen den flexiblen Antriebsflächen angeordnet ist; eine Einrichtung zum Zuführen der Vorderkante einer der Elektrodenplatten, die an mindestens einer ihrer Seiter, von einem Separatormaterial flankiert ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des ersten Wickdkopfes; eine Einrichtung zum Zuführen der Vorderkante drr anderen Elektroc"jnplatte, die an mindestens einer ihrer Seiten vor Separatormaterial flankiert ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des zweiten Wickelkopfes; und eine Einrichtung zum Antrieb mindestens einer der Antriebsflächen um den Wickelkopf herum zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten isnd Separatoren.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, daß der Dorn zwei einander gegenüberliegende Nutzflächen aufweist, die die Vorderkanten der

Komponenten der aufzuwickelnden Zellenpackung aufnehmen und an die sich flach ansteigende Flächen, die sich jeweils um einen Teil des Dornumfangs erstrecken und im wesentlichen spiralförmigen Verlauf haben, anschließen.

Die Erfindung ist generell überall dort anwendbar, wo mehrere Streifen übereinanderliegend angewickeit werden sollen und einer der Streifen leicht kompressibel ist.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

ί· ι g. i zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils der Wickelvorrichtung beim spiralförmigen Aufwickeln der Zellenkomponentcn;

F i g. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Wickelvorrichtung aus Richtung der Pfeile 2-2 nach F-Ί g. I;

Fi g. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Finden der Wickelköpfe, wobei der Kern und die Zellenkomponcnten sich in dem Zustand Kurz vor Beginn des Wickelvorgangs befinden;

F i g. 4 zeigt in ähnlicher Darstellung wie F i g. 3 die Position der Wickelköpfe im weiteren Verlauf des Aufwickeins der /.ellcnkomponenten;

F- i g. 5 zeigt eine Seitenansicht (teilweise aufgeschnit ten) einer Rlektrodenplattc.die mit der erfindungsgemäßen Aufwickelvorrichtung gewickelt wird;

F i g. 6 zeigt eine Teilansicht entlang der Linie 6-6 der Fig. 2;

F i g. 7 zeigt eine Seitenansicht eines Wickels in Verbindung mit einem aufgeschnitten dargestellten Zellcngefäß;

F i g. 8 zeigt einen horizontalen Teilschnitt entlang der Linie 8-8 der F i g. 7 durch den fertiggestellten Platten- und Separator« ickel. der mit der erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung hergestellt worden ist. und

F i g. 9 zeigt einen Querschnitt d-·- bevorzugten Wickelkerns nach der [Erfindung.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel der Hers;ellung spiralförmig aufgewickelter Zellenpackungen (d.h. Unterbaugruppen) für wiederaufiadbare Bleiakkumulatoren beschrieben, wie sie beispielsweise in der US-PS 38 62 861 erläutert sind. Die Erfindung ist jedoch generell auch auf andere Arten spiralförmiger Zellenwickel anwendbar, die in elektrochemischen Zellen anderer Art zum Einsatz kommen.

1. Der Zellenwickel

Der ZellenwicU'ei. der eine Unterbaugruppe der elektrochemischen Zelle darstellt, sowie seine Bestandteile sind in den F i g. 7 und 8 generell mit 10 bezeichnet. Der Zeilenwickel besteht aus einer flexiblen positiven Platte 12, einer negativen Platte 14 und einem dazwischen geschichteten kornpressibien Separator 16. Diese Teile werden mit entsprechender Wickelspannung spiralförmig zu einer Rolle aufgewickelt Zur Verhinderung des Zurückwickeins und zur Beibehaltung der Spirale im Druckzustand dient ein (in Fig. 7 dargestelltes) Endstück 18, das außen um den Zellenwikkel herumgelegt und mit einem Verbindungsstück 20 an sich selbst angeheftet ist. Auf diese Weise wird der Wickel in im wesentlichen zylindrischer Form zusammengehalten. Das Material des Endstücks hat eine größere Festigkeit und ist viel dünner als der benachbarte Separator 16. Das Verbindungs- oder Klebestück 20 kann beispielsweise aus einem Doppelklebeband bestehen.

Die Elektrodenplatten können beide den in Fig.5 dargestellten Aufbau haben, der aus einem Gittersubstrat 22 in perforierter Form als Streckgitter, Drahtgewebe oder einem ähnlichen Substrat besteht. Auf dem Substrat befindet sich eine gleichmäßige Schicht 24 aus elektrochemisch aktiver Paste, wie beispielsweise Bleioxid. Die Paste bildet die Oberflächenschicht auf beiden Seiten des Gitters und imprägniert gleichzeitig die Zwischenräume 25 im Gittersubstrat.

Die Platte trägt ferner mehrere im Abstand voneinander angeordneter radial ausgerichteter positiver Stromkollektorfahnen 26, 28, .30, 32 und negativer Stromkoiiektorfahnen 26', 28', 30' und 32'. Wie man aus Fig. 7 ersieht, sind bei einer Ausführungsform der Erfindung mindestens drei Anschlußfahnen vorhanden, von denen die innerste positive Anschlußfahne 26 und die radial am weitesten außen liegende Anschlußfahne .32 axial über die dazwischenliegenden AnschluLSfahncn 28, 30 hinaus nach oben ragen. Diese unterschiedlichen Längen der AnschluDfahnen haben sich als günstig herausgestellt, wenn zum Anschweißen der Anschlußfahnen an ein entsprechendes Anschlußstück beispielsweise das Verfahren und die Vorrichtung nach US-PS 38 73 803 angewandt werden. Bei diesem Verfahren wird ein Ansatz eines (hier nicht dargestellten) Bleipfostens zwischen die Anschlußfahnen 28 und 30 gesetzt, und jede der Anschlußfahnen 30 und 32 liegt an einer Sei." dieses Blcipfostens. In gleicher Weise sind die Anschlußfahnen 26 und 28 an der anderen Seite des Bleipfostcns angeordnet. Die Anschlußfahnen werden dann unter Verwendung der in der genannten US-PS gelehrten Gießpuddeltechnik an den Pfosten angeschweißt. Dadurch, daß die außenliegenden Anschlußfahnen 26, 32 über die innenliegenden Anschlußfahnen 28, 30 hinausragen, enden alle Anschlußfahnen in der Bereitschaftsstcllung zum Schweißen im wesentlichen an der gleichen Stelle, wodurch eine verbesserte einheitliche Schweißverbindung sämtlicher Anschlußfahnen mit dem Ansatz des Anschlußpfostens möglich wird und eine Schweißverbindung mit geringer innerer Impedanz entsteht. Der Betrag des Überstehens der äußeren Anschlußfahnen wird durch die Höhe des Ansatzes des Bleipfostens und durch den seitlichen Abstand zwischen den Anschlußfahnen bestimmt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und bei der Verwendung der Wickelvorrichtung können die Anschlußfahnen generell aber auch jeweils gleiche Höhen haben. Vorzugsweise sind mindestens zwei Anschlußfahnen pro Platte vorhanden, jedoch sind drei oder vier Anschlußfahnen noch besser.

Gemäß Fig. 8 besteht ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Zelle darin, daß der Wickel 10 eine extrem gleichmäßige Querschnittsgeometrie hat Speziell hat die spiralförmig aufgebaute zylindrische Zcüenpackung eine vorbcstirnrritc Abmessung ihres größten Außendurchmessers oder generell eines bestimmten »Durchmessers«, beispielsweise des Durchmessers ab oder des Durchmessers cd. Diese vorbestimmte Abmessung wird mit sehr engen Toleranzen, die im allgemeinen um weniger als ± 1 % von dem Nenndurchmesser abweichen, eingehalten, unabhängig von der individuellen Stärke der positiven und negativen Platten und des Separators, solange diese Dicken innerhalb bestimmter festgelegter Toleranzen bleiben und die Längen der Platten und Separatoren im wesentlichen fest sind. Die erfindungsgemäße Zelle hat eine vorbestimmte geometrische Querschnittsform und einen (innerhalb der oben angegebenen Toleranzgren-

zen) konstanten Durchmesser, obwohl die einzelnen positiven und negativen Platten, die mit den jeder Platte zugehörigen Separatoren zusammengenommen werden, eine kombinierte (unkomprimierte) Dicke haben, die bis zu + oder - 3% von der Nenndicke (unkomprimiert) abweichen kann.

Es Γι-', darauf hingewiesen, daß das oben gesagte nur dann gili, wenn der Komparator mindestens in dem Maße, in dem die Platten (bezogen auf das Sollmaß) zu dick sein können, zusammendrückbar ist. In Vergleich hierzu können die konventionellen Zcllenwickel nicht so hergestellt werden, daß sie einen bestimmten Außendurchmesser haben, der um + oder - 1% von dem Nenndurchmesser abweicht, ohne daß eine sehr strenge Kontrolle der kombinierten Dicken im unkomprimierten Zustand der positiven und negativen Platten und der beiden zugehörigen Separatoren stattfindet. Die EinhalliiniT Λ at· iiArKfiel immKo rpn f\u «>r Cf¹Hm t t CiTi»r»rvif» t ΓΙΑ ic t

durch die Kompressibilität des Separatorclcments möglich, die Veränderungen der Komponentenstärken zu kompensieren vermag, und durch die Art der Wicklung der Zelle. Im folgenden wird ein Verfahren zur Erzielung dieser gewünschten Spiralkonfiguration beschrieben, mit dem wiederholbar gleichmäßig gewikkelte Elemente herstellbar sind. Ein offensichtlicher Vorteil der Herstellung von Zellenpackungen mit gleichmäßigen reproduzierbaren Abmessungen besteht darin, daß solche Zellenpackungen passend in das Zellengefäß (von dem bei 34 nur ein Teil dargestellt ist) einge.¹. tzt v/erden können.

Wie in der US-PS 38 62 861 ausführlicher erläutert ist, kann der spiralförmige Wickel 10, wenn er zur Verwendung in einem Bleiakkumulator bestimmt ist, in ein säurebeständiges Zellengefäß 34 abdichtend eingesetzt werden, das beispielsweise aus Polypropylen besteht, und dann weiter in einen (nicht dargestellten) stoßfesten Metallbehälter eingesetzt werden. Der Anschluß der positiven und negativen Elektrodenanschlußfahnen an ihre zugehörigen Bleipfosten und die Verbindung der Bleipfosten mit den verschiedenpoligen Zellenanschlüssen können auf beliebige Weise erfolgen. Um die Zelle gebrauchsfertig zu machen, wird Säure eingegeben und anschließend die Formierung durchgeführt. Diese Schritte sind bekannt und bilden keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

2. Wickelvorrichtung

Die Wickelvorrichtung enthält gemäß Fig. I und 2 Doppel-Wickelköpfe 36, 38, einen freien drehbaren Kerr 40, der zwischen den Wickelköpfen angeordnet ist, eine erste Zuführvorrichtung 42 für Zellcnplatten, eine zweite Zuführvorrichtung 44 für ZeUenplaüen, und einen mechanischen Antriebsmechanismus 46, der an jedem der einander gegenüberliegenden Wickelköpfe 36j 38 angelenkt ist und die Köpfe voneinander fort in die in F i g. 2 in durchgezogenen Linien dargestellte Position zieht oder die Wickelköpfe aufeinanderzubewegt und in die gestrichelte Position bringt Der Wickelmechanismus ist an einem Rahmen 9 angebracht, der in F i g. 2 schematisch abgebildet ist. Das mechanische Antriebshebelgestänge 46 ist an der Unterseite des Rahmens montiert. Die Wickelköpfe sind um Naben 48, 50 herum schwenkbar. Die Bewegung der Wickelköpfe erfolgt generell entlang der Mittellinie X-X, die in den Fig.3 und 4 eingezeichnet ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Mittellinie X-X wegen der Drehbewegung der Wickelköpfe im Uhrzeigersinn gedreht, wenn die Elemente aufgewickelt werden. Alternativ können die Wickelköpfe sich auch auf einer geraden Linie bewegen, die rechtwinklig zur anfänglichen Zuführrichtung der Platten ausgerichtet ist, wenn die Wickelköpfe so angebracht sind, daß sie sich rechtwinklig bewegen können. In jedem Fall geht die Mittellinie ebenfalls durch den zwischen den Wickelköpfen angeordneten Kern 40 hindurch, um den die Zellenteile gewickelt werden.

Der in Fig.9 dargestellte Kern hat sich zum spiralförmigen Aufwickeln einer Zellenpackung nach der Erfindung als sehr günstig erwiesen, da mit diesem Kernquerschnitt Zellenpackungrn mit den gewünschten vorherbestimmbaren Abmessungen hergestellt wnrden können, ohne daß während des Wickeins Falten oder Spannungsstellen erzeugt werden. Auch das Auftreten von »keinen Windungen« wird praktisch ausgeschaltet. Nach Fig. 9 besteht der Dorn 40 aus einem im wpspntjirhpn \crp'i*ifnrm'\epn

drehbar angebracht ist, und einem oberen Wickelbereich, der zwei nach innen abgewinkelte genutete Flächen 39, 41 zur Aufnahme der Anfangskanten der aufzuwickelnden Zellenpackung aufweist. Die genuteten Flächen laufen in einander gegenüberliegende größere Randflächen 152, 154 aus, die im wesentlichen spiralförmig gekrümmt sind. Die Spirale beginnt an dem nach innen gerichteten Ende einer jeden Nutfläche und endet etwa an der Außenkante der gegenüberliegenden Nutfläche. Die Tiefe der Nuten der Nutflächen können etwa im Bereich von der halben (wie dargestellt) bis zur vollen Stärke der kombinierten Schichten aus Platte und zugehöriger Separatorlage betragen.

Die Wickelköpfe enthalten jeweils eine obere Platte 52, 52' und eine untere Platte 53, 53', die an den Naben befestigt sind. Zwischen der oberen und der unteren Platte und dem Wickelende eines jeden Kopfes befindet sich ein Paar frei drehender Drückrollen 54, 56 und 58, 60, die zu beiden Seiten der Mittellinie des Wickelkopfes liegen. Ferner sind zwischen den oberen Platten und den unteren Platten Spannrollen 62, 64 angeordnet, und andere frei drehbare Rollen (z. B. 59) sind um den Halbmesser der Wickelköpfe herum angeordnet, um die jeweils ein flexibler endloser Riemen 66, 68 an den Drückrollen 54.56 und 58,60 entlang angetrieben wird. Die Riemen werden von Antriebsrollen angetrieben, die verdeckt bei 48' und 50' dargestellt sind und die koaxial mit den Naben 48 und 50 angeordnet sind. Mindestens eine dieser Rollen (und vorzugsweise beide) ist angetrieben, und die gewünschte Riemenspannung wird durch Einstellen der Position der Spannrollen 62, 64 mit den federgespannten Einstellvorrichtungen 74, 75 erzielt, die an den oberen Platten der Wickelköpfe befestigt sind Die Riemen sind vorzugsweise im wesentlich nicht dehnbar. Um einen schlupffreien Synchronantrieb des Riemens zu gewährleisten, sind Andrückwalzen 70,72 vorgesehen.

Die beiden Drückrolienpaare 54, 56 und 58, 60 sind gegeneinander versetzt, und die die Mitten der Rollenpaare verbindenden Linien verlaufen nichtparallel zur Richtung der zugeführten Platte, wie insbesondere aus den Fig.3 und 4 hervorgeht. Die Bedeutung dieses Merkmals wird weiter unten genauer erläutert

Die Wickelköpfe 36,38 können relativ zueinander in jeder gewünschten Weise zurückgezogen werden. Zur Erzeugung einer gewickelten Zellenpackung mit dem bevorzugten vorbestimmten geometrischen Querschnitt, wie in Fig.8, muß man jedoch einen Rückzugsmechanismus verwenden, der die Wickelköpfe während des Wickeins mit einer bestimmten program-

mierbaren Geschwindigkeit, die von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Wickelriemen angetrieben werden, auseinanderbewegt. Ein derartiger Mechanismus ist in der Zeichnung generell mit 46 bezeichnet. Er weist eine Nockenfläche 76, deren Form durch den gewünschten geometrischen Querschnitt der zu wikkelnden Zelle*.packung bestimmt ist, sowie ein Hebelgestänge auf, das die Nockenform direkt in eine entsprechende Rückzugsbewegung der Wickelköpfe durch die Stangen 82, 84, die mit (nicht dargestellten) Stiften mit den unteren Platten 53, 53' der Wickelköpfe verbunden sind, umsetzt. Dieses Hebelgestänge enthält einen Nockenfolger 87, der um den Punkt 81 schwenkbar ist. Der Nockenfolger ist mit dem Lenker 80 verbunden, der in seinem Mittelpunkt 86 (der vorzugsweise verstellbar angebracht ist) gelagert ist, und eines seiner Enden ist mit einer verstellbaren ^ianop Ra verbunden, die 2n einer fest rnontienen Kolben-Zylinder-Einheit 90 angebracht ist und sich entsprechend den in Fig. 2 eingezeichneten Pfeilen bewegt. Auf den um die Lagerachse 94 schwenkbaren Winkelhebel 92 wird die Bewegung der Stange 88 durch ein Zapfenlager 96 übertragen. Die hin- und hergehende Bewegung des Winkelhebels wird in eine hin- und hergehende Linearbewegung der mit Stiften angelenkten Stangen 82, 84 umgewandelt, die die jeweilige Bewegung der Wickelköpfe bestimmen.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Wickelriemen 66, 68 ist den Lineargeschwindigkeiten der Verbindungsstangen 82, 84 direkt proportional. Dies wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch den schlupflosen Antriebsriemen 138 (teilweise dargestellt) erreicht, der die Nockenscheibe 76, die Antriebsrolle 48' und die Antriebsrolle 50' entlang der Unterseite des Rahmens 9 synchron rotieren läßt.

Die Zuführeinrichtungen 42,44 enthalten gabelförmige Plattenführungen 98, 100, die jeweils die negativen Elektrodenplatten 14 bzw. die positiven Elektrodenplatten 12 eingrenzen. Jede Hälfte der gegabelten Führungen kann zum Einführen und Herausführen der Platten auseinandergespreizt sein. Jede der Führungen ist auf Schienen 102, 104 bzw. 106, 108 in Richtung auf die Wickelzone oder in Gegenrichtung verschiebbar. Die Führungen 42, 44 sind jeweils um einen (nicht dargestellten) Punkt in der Nähe ihres rückwärtigen Endes schwenkbar, so daß sie sich selbsttätig auf einen Winkel einschwenken, der dem betreffenden Wickelkopf 36, 38 entspricht, um sicherzustellen, daß die einzelnen Teile der Zelienpackung im wesentlichen tangential zur Zellenpackung zugeführt werden. Der Zuführwinkel für die Teile in bezug auf die Achse X-X sollte 90° (tangential) oder weniger betragen, um Reckungen der bandförmigen Teile zu vermeiden.

Als zusätzliche Alternative können eine oder beide Hälften einer jeden Führung vorzugsweise als vorwärtsbewegbare (und zurückziehbare) Formklinge ausgebildet sein, die in die Fig.2 gestrichelt dargestellte Position 98' gebracht werden können, um das Aufnehmen des Separators und seine Zuführung in die Wickelzone zu erleichtern und dabei gleichzeitig die entsprechende Platte gegen Fehlausrichtungen zu schützen.

Das Separatormaterial 16 wird anfangs lose zwischen einem Führungspaar positioniert, von dem ein Teil bei 110 bis 117 (nur in Fig. 2) dargestellt ist. Diese Führungspaare halten den Separator, wie es durch die gestrichelten Linien 118, 119 angedeutet ist, im wesentlichen quer zur Richtung der zugeführten Platte.

Zur Führung de^ Separators dienen ferner Einführungskurven 120 bis 123, z. B. überstehende Kanten 158, 160 der Plattenführungen oder alternativ die aufrechtstehenden Gabelführungen 130, 132 (nur in Fig. I), die wirksam werden, wenn die Platten in die Wickelzone eingeführt werden.

3. Wickelverfahren

Vor dem Wickeln befindet sich die Maschine im Ruhezustand und die Wickelköpfe 38 und 36 nehmen ihre Rückzugsposition ein, die in F i g. 2 in durchgezogenen Linien dargestellt ist. Der Druckluftzylinder 90 ist so eingestellt, daß er die Stange 88 in der richtigen Hublänge hält, um sicherzustellen, daß die Wickelköpfe vollständig zurückgezogen sind und den Weg für den Zuführmechanismus der ankommenden Platte freimachen.

Am Anfan» hofinrlpn <;irh ilip /iifiihrvnrrirhtiinn 42

für die positive Platte und die Vorderkante 43 der Platte

M rechts von derjenigen Ebene, die durch die Anfangsposition des Separators entlang der Linie 119 gekennzeichnet ist. In gleicher Weise ist die Zuführvorrichtung 44 für die negative Platte nach links von der Linie 118 zurückgezogen. Das Separatormaterial in Form einer einzigen oder mehrerer Lagen wird nun zwischen die Führungen 110 bis 117 gesetzt und quer zum Platten-Zuführmechanismus entlang der Ebenen 118, 119 angeordnet. Das Endstück 18, das auf Länge geschnitten worden ist, wird an einem der Separatoren 16 befestigt und ist beidseitig mit Kleber 20 beschichtet, um nach dem vollständigen Aufwickeln der Teile selbstklebend zu haften.

In der nächsten Stufe wird jeder der Platten-Zuführmechanismen 42, 44 auf seiner jeweiligen Bahn in Richtung auf die Wickelzone vorgeschoben. Hierbei greifen die Vorderkanten 43 und 45 der Platten (oder die nach vorn ragenden Formklingen 98'), die nachgiebiger sind als das Separatormaterial, die jeweiligen Separatoren 16 auf und nehmen sie ohne relative Verschiebungen

♦o mit den Platten mit. Die Platten-Zuführvorrichtung 42 wird auf die eine Seite (d. h. die obere Seite) des Kerns 40 geleitet, während die andere Platte zur entgegengesetzten Seite des Kerns 40 geführt wird. Die Vorderkanten 43, 45 der Platten werden etwa bis zu

«5 einer Stelle vorgeschoben, die bündig mit dem abgelegenen Ende des Domes und den jeweiligen Nuten 39,41 des Domes gegenüberliegend angeordnet ist. Bis zu diesem Punkt sind die Platten von den benachbarten Separatoren, die von ihnen getragen werden, physisch getrennt, mit Ausnahme der Punktberührung an den Enden 43 und 45, und es ist noch kein Kontakt mit dem Dom oder den Wickelriemen erfolgt

Nun werden die Wickelköpfe 38 und 36 vor dem Wickeln in der in F i g. 3 dargestellten Lage verriegelt.

Dies geschieht durch Drehung der Nocke 76 im Uhrzeigersinn, bis die Stelle 77 der Nockenfläche der Rolle 79 des Nockenfolgers 78 gegenüberliegt. Der Druckluftzylinder 90 wird betätigt, so daß die Stange 88 sich nach rechts bewegt, der Nockenfolger 78 greift an Punkt 77 an der Nockenkurve an, und die sich noch nicht bewegenden Riemenflächen 66 und 68 der Wickelköpfe drücken gegen die Separatoren und die dazwischenliegenden Platten und pressen sie gegen den Dora Wenn die Wickelköpfe in der in F i g. 3 dargestellten Stellung verriegelt sind, werden die Wickelriemen in dem Bereich zwischen den Rollen 54, 56 und 58, 60 eingedrückt und infolge ihrer Flexibilität gekrümmt, so daß ein Druck gegen die zusammengelegten Platten und

Separatoren ausgeübt wird. Die Stärke der Krümmung wird durch die Spannrollen 62, 64 und die zugehörigen Spannvorrichtungen 74, 75 geregelt. Infolge der Krümmung der Riemen nehmen die Vorderkanten der Platten 43 und 45 eine bogenförmige Gestalt an. Diese Einbiegung zu Beginn des Wickelprozesses ist wichtig, um sicherzustellen, daß die gewünschte Spiralkonfiguration erzielt wird. Die Schlitze oder Anlageflächen 39,41 in dem S-förmigen Dorn tragen zur Bildung dieser Bogenform bei und sorgen für eine glatte, durchgehende Ό Oberflächenanpassung an die Dornkrümmung, um während des Anlaufens des Wickelvorgangs eine bessere spiralförmige Anpassung der mit den Separatorlagen versehenen Platten aneinander zu erhalten.

Die Platten und Separatoren werden im wesentlichen bis zur Erreichung des Punktes der tangentialen Berührung mit dem Dorn und anschließend bei

Forts(¹!7iini' iips Wirkplvprfnhrpns mit Hpn Winrliinppn

der Zellenpuckung zugeführt, ohne vorher wesentlich miteinandf: in Berührung zu kommen.

Wenn die Vorderkante der Zellenplatten und der daneben angeordnete Separator dem Kern gemäß Fig. 3 angeformt worden sind, werden die Wickelriemen 66 und 68 durch Betätigung der Antriebsrollen 48' und 50' (die ihrerseits durch den Riemen 138 angetrieben sind) synchron mit der Drehung der Nocke 76 angetrieben. Wenn die Wickelriemen angetrieben werden bewirkt das mechanische Hebelgestänge, das von der Nocke 76 gesteuert wird, eine Zurückziehung der Wickelköpfe im wesentlichen entlang der variablen JO Mittellinie X-X. Die verschiedenen Bänder wickeln sich spiralförmig übereinander auf, weil die Platten und Separatoren innerhalb ihrer Führungen frei und lose angeordnet sind, und die Führungen werden zunehmend von dem Dorn fort verschwenkt, so daß die einzelnen J5 Lagen im wesentlichen geradlinig tangential zu der gewickelten Zellenpackung zugeführt werden. Das programmierte Maß der Zurückziehung der Wickelköpfe bewirkt zusammen mit der eingestellten Spannung, die durch die Riemenantriebsflächen aufrechterhalten *o und von den Rollen unterstützt wird, eine spiralförmige Aufwicklung der Zellenpackung in vorherbestimmbarer Weise, so daß der endgültige Außen-»Durchmesser« oder irgendein anderer Durchmesser, wie beispielsweise ab und edm F i g. 8, ein vorherbestimmbares Maß erhält. Da der Wickler Veränderungen der Schichtdicken während des Wickeins durch Zusammer.drückung des Separators kompensiert, wird diese Dimensionierung stets eingehalten. Darüber hinaus werden bei dieser programmierten geometrischen Aufwicklung die positiven und negativen Anschlußfahnen in der in den F i g. 4 und 8 dargestellten Weise automatisch ausgerichtet.

Während der Wickeldauer stehen die Antriebsriemen 66 und 68 in vollständigem vertikalem Kontakt mit der Zelle, und sie berühren die äußeren Separatorschichten und nicht die klebrigen Elektrodenplatten. Über den gesamten Wickel hinweg werden die Riemen mindestens teilweise gekrümmt, so daß zwischen den Rollen 54, 56 und 58, 60 gekrümmte Bereiche entstehen und eine große Kontaktfläche zum Wickeln vorhanden ist. Da zwei vorzugsweise einzeln angetriebene Wickelköpfe vorhanden sind, wird jede Platte, trotz des Synchronismus, im wesentlichen unabhängig von der anderen angetrieben, so daß das Wickelsystem ausgeglichen arbeitet und die Teile während des Wickelvorgangs gleichmäßig gespannt werden, obwohl in gewissen Grenzen ein unterschiedlicher Schlupf mög lieh ist.

Ein wichtiges Merkmal zur Herstellung einer Zcllenpackung mit kontrolliertem Durchmesser besteht in der Positionierung der Rollenpaare 54, 56 und 58, 60. Während des gesamten Wickelvorgangs übt mindestens eine der einzelnen Rollen (oder beide) eines jeden Rollenpaares einen direkten Druck über den dazwischenliegenden Riemen auf die zu wickelnden Separatoren und Platten aus, so d.iß eine exakte mechanische Knnlrnllp Ηρς Plnltpnahstanrlps und Ηρς pnHuiiltiirpn

Zellendurchmessers möglich wird.

Am Ende des Wickelvorgangs hat sich die Nocke 76 im Uhrzeigersinn von Punkt 77 nach Punkt 75 gedreht. Zu dieser Zeit sind die Wickelköpfe 36,38 stationär und die Platten und Separatoren sind vollständig spiralförmig aufgewickelt worden, wobei das Endstück 18 die Zelle vollständig umfaßt und an sich selbst festgeklebt ist. Das Endstück 18 dient zum Festhalten des hergestellten Wickels und zur Verhinderung des Abwickeins. In der letzten Stufe werden die Wickelköpfe schließlich in die Anfangsposition zurückgezogen, die in Fig. 2 in durchgezogenen Linien dargestellt ist, was durch den Druckluftzylinder 90 geschieht. Das spiralförmig gewickelte Element wird dann ausgestoßen oder nach oben von dem Dorn abgezogen. Hierzu kann ein konventioneller Ausstoßmechanismus verwendet werden, oder der Vorgang wird manuell durchgeführt. Nach dem Zurückziehen der Plattenführungen 42 und 44 ist die Maschine für den Beginn des nächsten Wickelzyklus bereit.

Das aufgewickelte Element, das in F i g. 18 dargestellt ist, ist extrem gleichmäßig mit im wesentlichen gleichmäßigen Abständen zwischen den Platten über die gesamte radiale Ausdehnung der Spi^rale. Der gegenseitige Wickeldruck zwischen den Lementen kann entsprechend den Stärken der aufgewickelten Lagen geringfügig variieren, jedoch hält sich die Spannung stets in einem bestimmten Toleranzbereich, was insbesondere auf den Einfluß der Spannrollen 62 und 64 der Wickelköpfe zurückgeht.

Die fertiggestellte Zelle hat einen Querschnitt mit vorbestimmter und programmierter Geometrie, weil der Wickel unterschiedliche Stärken der einzelnen Komponenten selbst kompensiert. Außerdem können sich die Komponenten bei der Erzeugung der Spirale relativ zueinander bewegen, weil Platten und Separatoren erst richtig in gegenseitigen Flächenkontakt kommen, wenn die Wickelstelle erreicht ist. Auf diese Weise werden die Schwierigkeiten, die bei vielen bekannten Wickelverfahren auftreten, beseitigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle, zur Herstellung einer in ein Zellengefäß einzusetzenden Zellenpackung, bei welchem die Vorderkanten der Elektrodenplatten, neben denen mindestens eine Separatorschicht liegt, jeweils zwischen einen gemeinsamen Dorn und die Antriebsfläche eines für jede Elektrodenplatte separaten Wickelkopfes eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelköpfe (54,56,58,60) während des Drehens des Domes (40) und des Antriebs der Elektrodenplatten und Separatoren durch die Antriebsflächen der Wickelköpfe zwangsgesteuert in dem Maße auseinanderbewegt werden, in dem sich der Wickel vergrößert.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gefeennzeichnet, uaß die Geschwindigkeit, mit der die Wickeiköpfe seitlich auseinandcrbewegt werden, in einer vorbestimmten Beziehung zu derjenigen Geschwindigkeit steht, mit der die Antriebsflächen der Wickelköpfe angetrieben werden, wodurch die Zellenpackung einen definierten Außendurchmesser erhält und die Separatoren auf eine verringerte Stärke zusammengedrückt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß um die Vorderkante einer jeden Elektrodenplatte (12, 14) herum eine Separatorlage (16) gefaltet wird, die die Elektrodenplatte auf beiden Seiten begleitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß H:im Andrücken der Elektrodenplatten und Separatoren durch die Wickelköpfe gegen den Dorn die Vorderkanten der Elekirodenplatten um den Dorn herumgebogen werden.

5. Vorrichtung zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle, mit zwei beidseitig eines frei drehbaren Domes angeordneten Wickelköpfen, d^;e mit bewegten Antriebsflächen an dem auf den Dorn gebildeten Wickel angreifen, dadurch gekennzeichnet, daß Zuführeinrichtungen (42, 44) für die Vorderkanten der positiven Elektrodenplatten (12) und der negativen Elektrodenplatten (14) vorgesehen sind, die die betreffenden Elektrodenplatten zusammen mit einer Lage Separatormaterial (16) an mindestens einer Seite dem Dorn (40) zuführen, und daß mindestens einer der Wickelköpfe (36, 38) eine Antriebsfläche aufweist, die die betreffende Elektrodenplatte (12,14) zusammen mit dem Separator (16) gegen den Dorn (40) drückt und diesen dreht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückzugseinrichtung (75, 76, 78, 80, 92, 82, 84) für die Wickelköpfe (36, 38) vorgesehen ist, die eine synchron mit dem Antrieb der Antriebsflächen der Wickelköpfe betätigte Steuereinrichtung (75,76) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (40) im wesentlichen S-förmig ist und Nuten oder Ausnehmungen (39,41) zur Aufnahme der Vorderkanten der Elektrodenplatten (12, 14) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückzugseinrichtung ein nockengesteuertes Hebelgestänge (78, 80, 92, 82, 84)

aufweist, das an beiden Wickelköpfen (36, 38) angreift.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (42, 44) eine gabelförmige Führung (98, 100) mit einem Schlitz zur Aufnahme der Elektrodenplatte (12, 14) aufweist, und daß eine im wesentlichen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Wickeiköpfe (36,38) verlaufende Führungsschiene vorgesehen ist

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Seite der gabelförmigen Führung (98,100) zum Abfangen des quer zur Bewegungsrichtung der Elektrodenplatten (12, 14) verlaufenden Separators (16) verschiebbar ist, und den Separator zusammen mit der Platte zum Dorn (40) mitnimmt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsflächen der Wickeiköpfe (36, 38) flexible Riemen (68, 66) sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (40) zwei einander gegenüberliegende Nutflächen (39, 41) aufweist, die die Vorderkanten der Komponenten der aufzuwickelnden Zellenpackunj aufnehmen und an die sich flacn ansteigende Flächen (150, 152), die sich jeweils um einen Teil des Dornumfangs erstrecken und im wesentlichen spiralförmigen Verlauf haben, anschließen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsflächen (68, 66) aus flexiblen endlosen Riemen bestehen, die von zwei Rollen (54, 56 und 58, 60) abgestützt sind, und die in dem Bereich zwischen den Rollen elastisch verformbar gegen den Wickel drücken.