DE2746428C3 - Verfahren und Vorrichtung zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spiralform! gen 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 /wischen einen gemeinsamen Dorn und die Antriebsfläche eines für jede Elektrodenplatte separaten Wickelkopfes eingeführt werden, sowie eine

^M Vorrichtung /ur 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 (WS PS 32 98 871) und ein

■>■> Verfahren mit angetriebenem Dorn und einer leerlau fenden 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 34b), um eine spiralförmig aufgewickelte Zellenpackung zu erzeugen. Einer der Rollen ist eine durch ein Gewicht belastete Spannvorrichtung ztir Erzeugung eines gleichmäßigen Schichtdrucks zwischen den Komponenten der Zellen* packung zugeordnet.

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

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Verfahren darin, daß die sich ergebende geometrische Querschnittskonfiguration sich schon bei kleinen Abweichungen der einzelnen Schichtstärken (d. h. der Starken 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 groü ist, so daß die Zellenpackung nicht in das betreffende Zellengefäß hineinpaßt oder zu klein ist, ι ο 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 Planen und den Separatoren während des Wickeins. Da die einzelnen Komponenten um Sich selbst herum aufgewickelt werden, sind die außenliegenden Komponenten normalerweise unter Spannung, während die innere Komponente oder Schicht der durch einen kleineren Radius als die äußere Komponente oder Schicht bestimmten Wickelkrüm- 2ί mung 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, J" 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 Ji 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 Komponenten vorhanden ist. werden noch verstärkt, wenn die Separatoren aus einem Material bestehen, das extrem zerbrechlich und schwer /u verarbeiten ist. wie u'trafeine Vliese aus Glasfasern oder einem anderen Material mit hoher Benetzungswärme. Das Problem i> wird insbesondere kritisch bei Verwendung von Platten aus weichen und verformbaren Substraten, auf denen ein klebriges Pastenmaterial 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 Zellenplatten sollen während des Wickeins nicht wi beschädigt oder verkratzt werden und nicht aufplatzen oder auf andere Weise beschädigt werden. Bei dem Wickelverfahren sollen die Separatoren und Plätten relativ zueinander während des Wickeins gleiten können, wobei dsnnoeh der richtige Wickeldruck aufrechterhalten wird.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren zu einer im wesentlichen zylindrischen Zellenpackung, 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 Wick kopfes,

4. Zuführen der Vorderkante der ar deren Eiektrodenplatten. an der mindestens eine Separatorschicht angeordnet ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des zweiten Wickelkopfes;

5. F: „thalten der Wickelköpfe in der Wickelposition durch Vorschieben der Wickelköpfe in Richtung gegeneinander und Zusammendrücken der Platten und Separatoren zwischen jeweils einer Antriebs fläche und dem Dorn und

6. Antreiben mindestens einer der Antriebsflächen bei gleichzeitigem Zurückziehen der Wirkelkopfe 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 Zuführeinnchtungen fur die Vorderkanten der positiven Fleki. ödenplatten und der negativen Elektrodenplatten vorgesehen sind, die die betreffenden Elektrodenplatten zu'.dmmen mit einer Lage Separatormatenal an mindestens einer Seite dem Dorn zuführen, und daß mindestens einer der Wickelköpfe e.ne 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 Don, der zwischen den flexiblen Antriebsflächen angeordnet ist; eine Einrichtung zum Zuführen der Vorderkante einer der Elektrodenplatten, die an mindesten:, einer ihrer Seiten von einem Separatormatenal flankiert ist, zwischen den Dorn unci die flexible An'nebsfläche des ersten Wickelkopfes; eine Einrichtung zum Zuführen der Vorderkante der anderen Elektrodvnplatte, die an mindestens einer ihrer Seiten von Separatormaterial flankiert ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des zweiten Wickelkopfes; und eine Einrichtung ώιη Antrieb mindestens einer der Antriebsflächen um den Wickelkopf herum zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und 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 Dörnurhfangs erstrecken Und iffi wesentlichen spiralförmigen Verlauf haben, anschließen.

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

liii folgenden wird ein bevorzugtes Aüsführühgsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils der Wickelvorrichtung beim spiralförmigen Aufwickeln der Zellenkomponenten;

F i g. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Wickelvorrichtung aus Richtung der Pfeile 2-2 nach i rr 1.

F i g. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Enden der Wickelköpfe, wobei der Kern und die Zellenkomponenten sich in dem Zustand kurz vor Beginn des iWickelvorgangs befinden;

Fig.4 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig.3 die Position der Wickelköpfe im weiteren Verlauf des Aufwickeins der Zellenkomponenten;

F i g. 5 zeigt eine Seitenansicht (teilweise aufgeschnitten) einer Elektrodenplatte, 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 Zellengefäß;

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

Fig.9 zeigt einen Querschnitt des bevorzugten Wickelkerns nach der Erfindung.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel der Herstellung spiralförmig aufgewickelter Zellenpackungen (d. h. Unterbaugruppen) für wiederaufladbare 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 Zellenwickel, der eine Unterbaugruppe der elektrochemischen Zelle darstellt, sowie seine Bestandteile sind in den F i g. 7 und 8 generell mit 10 bezeichnet. Der Zellenwickel besteht aus einer flexiblen positiven Platte 12, einer negativen Platte 14 und einem dazwischen geschichteten kompressiblen 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 hemmgelegt 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 Eleklrodenplatten können beide den in Fig.5 dargestellten Aufbau haben, der aus einein Gittersubstrat 22 in perforierter Form als Streckgitter, Drahtgewebe oder eitlem ähnlichen Substrat besteht. Auf deffi 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 Gitlersübstral,

to Die Plätte trägt ferner mehrere im Abstand voneinander angeordneter radial ausgerichteter positiver Stromkollektorfahnen 26, 28, 30, 32 und negativer Stromkollektorfahnen 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 AnschluBfahne 26 und die radial am weitesten außen liegende Anschlußfahne

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28, 30 hinaus nach oben ragen. Diese unterschiedlichen Längen der Anschlußfahnen 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 Seite dieses Bleipfostens. In gleicher Weise sind die Anschlußfahnen 26 und 28 an der anderen Seite des Bleipfostens angeordnet. Die Arschlußfahnen 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 Bereitschaftsstellung zum Schweißen im wesentlichen an der gleichen Stelle, wodurch eine verbesserte einheitliche Schweißverbindung sämtlicher Anschlußfahnen mit dem Ansatz des Anschlußpfostens möglich

ίο wird und eine Schweißverbindung mit geringer innerer Impedanz entsteht. Der Betrag des Uberstehens 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

so 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 Zellenpackung eine vorbestimmte Abmessung ihres größten Außendurchmessers oder generell eines bestimmten »Durchmessers«, beispielsweise des Durchmessers aft 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 werderti eine kombinierte (unkomprimierie) Dicke haben, die bis zu + öder " 3% von der" Nenndicke (unkomprimiert) abweichen kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß das oben gesagte nur dann gilt, wenn der Romparator mindestens in dem Maße, in dem die Platten (bezogen auf das Sollmaß) zu dick sein können, zusammendrückbar ist; irr Vergleich hierzu können die konventionellen Zellenwickel nicht so hergestellt werden, daß sie einen bestimmten Außendurchmesser haben, der um + oder - 1% von dem Nenndurchmesser abweiiht. ohne daß eine sehr strenge Kontrolle der kombinierten Dicken im unkomprimierten Zustand der positiven und negativen Platten und der beiden zugehörigen Separatoren stattfindet. Die Einhaltung der vorbestimmbaren Querschnittsgeometric ist durch die Kompressibilität des Separatorelements 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 ZellengefäQ (von dem bei 34 nur ein Teil dargestellt ist) eingesetzt werden 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. LJm die Zeile gcui auvjiafcj iig 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 F i g. 1 und 2 Doppel-Wickelköpfe 36, 38, einen freien drehbaren Kern 40, der zwischen den Wickelköpfen angeordnet ist, eine erste Zuführvorrichtung 42 für Zellenplatten, eine zweite Zuführvorrichtung 44 für Zellenplatten, und einen mechanischen Antriebsmechanismus 46, der an federn der einander gegenüberliegenden Wickelköpfe 36, 38 angelenkt ist und die Köpfe voneinander fort in die in Fig.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-Xwegen 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 Zellenteiie 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 Zellenpackungen mit den gewünschten vorherbestimmbaren Abmessungen hergestellt werden 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 wesentlichen kreisförmigen Basisschaft 150. der frei 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 jcwcüa ein fiexibicr enuiuser Riemen 56, öS 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 Drückrollenpaare 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 oroeram-

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 Nockenflächc 76, deren Form durch den gewünschten geometrischen Querschnitt der zu wikkelnden Zellenpackung bestimmt ist, sowie ein I lebelgeitänge auf, -das die Nockenform direkt in eine entsprechende Rückzugsbewegung der Wickelköpfe Äürch 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 Noekenfolger ist mit dem Lenker 80 verbunden, der in seinem Mittelpunkt 86 (der Is vorzugsweise verstellbar angebracht ist) gelagert ist, und eines seiner Enden ist mit einer verstellbaren Stange 88 verbunden, die an einer fest montierten Koiben-Zyiinder-hinheit ¹W 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 % 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 *o Platten auseinandergespreizt sein. Jede der Führungen is! auf Schienen !02, !ti bzw. 1C6, iOS 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 Zellenpackung 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.

Ais 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 β* Führungspaare halten den Separator, wie es durch die gestrichelten Linien 118, 119 angedeutet ist, im wesentlichen quer zur Richtung der zugeführten Platte.

Zur Führung ifcs 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 Anfang befinden sich die Zuführvorrichtung 42 für die positive Platte und die Vorderkante 43 der Platte 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 Separutormaterial in Form einer einzigen oder mehrerer Lagen wird nun zwischen die Führungen HO bis 117 gesetzt und quer zum Platten-Zuführmechaniamus endang 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 Separatorniaterial, die jeweiligen Separatoren 16 auf und nehmen sie ohne relative Verschiebungen mit den Platten mit. Die Platten-Zuführvorrichtung 42 wird auf die eine Seite (d. h. die obere Sehe) des Kerns 40 geleitet, wäiiiciiu die atiüere Fiaite zur entgegengesetzten Seite des Kerns 40 geführt wird. Die Vorderkanten 43, 45 der Platten werden etwa bis zu 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 Dorn 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 Dorn.

Wenn die Wickelköpfe in der in Fig.3 dargestellten Stellung verriegelt sind, werden die Wickelriernen 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

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Separatoren ausgeübt wird. Die Stärke der Krümmung wird durtJi die Spannrollen 62, 64 und die zugehörigen Spannvorrichtungen 74, 75 geregelt. Infolge der Krümmung der Riemen nehmen die Vordersten der Platten 43 und 45 eine bogenförmige Gestalt an. Diese Einbiegung zu Beginn des Wickelprozesses ist wichtig, uni 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 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 Fortsetzung des Wickelverfahrens mit den Windungen der Zellenpuckung zugeführt, ohne vorher wesentlich miteinandc ^:.n 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 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 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 und von den Rollen unterstützt wird, eine spiralförmige Aufwicklung aer 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 Zusammendrückung 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 Wickeivorgangs gleichmäßig gespannt werden, obwohl in gewissen Grenzen ein unterschiedlicher Schlupf möglich ist.

Ein wichtiges Merkmal zur Herstellung einer Zellenpackung 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 daß eine exakte mechanische Kontrolle des Plsttenabslar.des und des endgültigen 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 urd 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 Spira¹». Der gegenseitige Wickeldruck zwischen den Elementen 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 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 (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zeile, 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, d a durch 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 1, dadurch gekennzeichnet, J.aß die Geschwindigkeit, mit der die Wickelköpie seitlich auseinanderbewegt werden, in einer vorbestimmten Beziehung zu derjenigen Geschwindigkeit steht, mit der die Antriebsflächen der Wickclköpfe angetrieben werden, wodurch die Zellenpackung einen definierten Außendurchmesser erhalt 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 u:r Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, ciaß beim Andrücken der Elektrodenplatten und Sepa atoren durch die Wickelköpfe gegen den Dorn die Vorderkanten der Elektrodenplatten 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, die mit bewegten Antriebsflächen an dem auf den Dorn gebildeten Wickel angreifen, dadurch gekennzeichnet, daß Zuführeinrichtungen (42, 44) für die Vorderkanten der positiven Elektrodenplaüen (12) und der negativen Elektrodenplatten (14) vorgesehen sind, die die betreffenden Elektrodcnplatten 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, iO, 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 gekenti· zeichnet, daß die Rückzugseinrichtung ein nockerigesieucfles Hebelgeslänge (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 Wickelköpfe (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 Wickelköpfe (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 Zellenpackung aufnehmen und an die sich flach 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.