EP1273066A1 - Gehäuster schichtstapel, verfahren zur herstellung des gehäusten schichtstapels und verwendung des verfahrens - Google Patents

Gehäuster schichtstapel, verfahren zur herstellung des gehäusten schichtstapels und verwendung des verfahrens

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EP1273066A1
EP1273066A1 EP01933572A EP01933572A EP1273066A1 EP 1273066 A1 EP1273066 A1 EP 1273066A1 EP 01933572 A EP01933572 A EP 01933572A EP 01933572 A EP01933572 A EP 01933572A EP 1273066 A1 EP1273066 A1 EP 1273066A1
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EP
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winding
intermediate layers
strip material
layer
layers
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Withdrawn
Application number
EP01933572A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hartmut Michel
Klaus Schoch
Werner Erhardt
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TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Publication date
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49108—Electric battery cell making

Definitions

  • the invention relates to a packaged layer stack with intermediate layers and a method for producing the packaged layer stack.
  • the invention further relates to the use of the method.
  • An electrolytic capacitor essentially consists of a stack of anode and cathode plates, which lie alternately one above the other and between each of which an absorbent, electrically non-conductive insulating layer, such as paper, is arranged.
  • the insulating layer is impregnated with a liquid electrolyte.
  • Electrons in metals are inhibited, which means that the distance over which charges are to be transported is particularly important. In order to obtain firmly defined, uniform component properties, it is therefore important that the distance between the
  • Electrodes is as homogeneous as possible. Furthermore, a geometry of the housing is required, which is very easy to stack, with particular care being taken to make good use of the volume used when interconnecting several capacitors. In this regard, cylindrical housings are unsuitable, while housings delimited by flat surfaces, such as cuboids, are preferred.
  • a known method for producing housed layer stacks is to wind four tapes one above the other on a round roll.
  • Two of the tapes can be metallic, for example, and the remaining tapes can be an absorbent, insulating material.
  • the winding produced in this way takes the form of a hollow cylinder which is now preferably pressed into a cylindrical housing. This procedure has the disadvantage that the shape of the housing is not optimal for the use of space when several stacked layers are interconnected.
  • Another known method for producing packaged layers is to simply stack the individual layers one above the other. Although damage to sensitive metal electrodes can be prevented in this way, this method is very difficult to implement in terms of production technology and is in particular not suitable for producing large quantities.
  • the aim of the present invention is therefore to provide a housed layer stack in which the damage to metal electrodes is avoided. It is also an aim to provide a method with which the packaged layer stack can be produced simply and quickly without the layers being damaged during installation in a housing.
  • the invention relates to a packaged layer stack with superposed, separate layers
  • the layer stack also has the advantage that it can be produced using a combined winding / stacking process.
  • the invention also provides a method of manufacturing a packaged layer stack that is a combination of winding and stacking.
  • the starting point for the process is, on the one hand, a strip material and, on the other hand, several intermediate layers.
  • the strip material is wound on a winding mandrel, creating a multi-layer winding.
  • the intermediate layers between two winding layers are arranged one above the other, so that the strip material and intermediate layers lie alternately one above the other. Care is taken to ensure that the intermediate layers on the winding mandrel by at most
  • the layer stack thus produced is clamped in a housing, so that the intermediate layers are pressed against a side surface of the housing. Due to the bending of the intermediate layers, which does not exceed 180 degrees, the layer stack can be clamped in such a way that the intermediate layers are pressed together without kinks.
  • housed layer stack can be used. This is the case, for example, in the production of an electrolytic capacitor, where anode intermediate layers alternate with cathode intermediate layers.
  • a type of intermediate layer can now be supplied on each side of the winding mandrel and arranged between the layers of the strip material. The two positions at which the respective type of intermediate layer is arranged are spatially separated from one another, so that advantages result from this, particularly with regard to machine technology (feeding intermediate layers from magazines).
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for the production of batteries, accumulators or capacitors, where it is important to make optimal use of the available space even when interconnecting several batteries, accumulators or capacitors, since it is the damage-free installation of the layer stack m one of parallel Limited and therefore stackable housing allowed for walls.
  • Figure 1 shows a method according to the invention using a large winding mandrel in schematic cross section.
  • Figure 2 shows an inventive method under
  • FIG. 3 shows a layer stack according to the invention, which is produced according to the method shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a method according to the invention using a flat mandrel in a schematic cross section.
  • FIG. 5 shows a method according to the invention using a two-ply strip material in a schematic cross section.
  • FIG. 6 shows a method according to the invention using a two-layer tape, the two layers of the tape being wound up offset by half a turn of the winding mandrel.
  • FIG. 1 shows a method according to the invention for producing a packaged layer stack, in which a round winding mandrel 3 with a diameter D of 0.5 m is used
  • Tape material 1 is wound up.
  • the winding mandrel 3 is preferably made of steel, since this material has the necessary mechanical rigidity.
  • An example of a tape material used in the manufacture of electrolytic capacitors is an absorbent layer such as paper made of cellulose or a nonwoven made of polytetrafluoroethylene.
  • the strip material 1 is, for example, in the manufacture of an electrolytic capacitor such that it is able to suck in a liquid electrolyte due to its capillary forces.
  • the width B of the intermediate layers 2 is, for example, 1.5 cm, so that approximately 50 layer stacks can be produced on the winding mandrel 3 shown as an example with a diameter of 0.5 m.
  • the thickness of the strip material 1 is typically between 50 and 500 ⁇ m.
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  • FIG. 5 shows a method according to the invention for producing a packaged layer stack using a flat winding mandrel 3 and a two-layer strip material 7, 8.
  • the inner layer 7 is spread out in a V-shape from the outer layer 8, so that a first type of intermediate layers 9 between the inner layer of the
  • Tape material 7 and the outermost winding layer 4 and a second type of intermediate layers 10 can be arranged between the layers of the tape material 7,8. This special procedure doubles the number of intermediate layers 9, 10 introduced into the stack per revolution.
  • FIG. 6 shows a method for producing a packaged layer stack according to FIG. 5, but the inner layer of the strip material 7 and the outer layer of the strip material 8 are wound up offset by half a turn of the winding mandrel 3.
  • This has the advantage in terms of machine technology that two different types of intermediate layers 9, 10 can be inserted between the layers of strip material 7, 8 from spatially separated positions. The different types of intermediate layers 9, 10 are fed from opposite sides of the winding mandrel 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen gehäusten Schichtstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung des gehäusten Schichtstapels aus einem Bandmaterial (1) und mehreren Zwischenschichten (2) mit folgenden Schritten: a) Wickeln des Bandmaterials (1) auf einen Wickeldorn (3) zu einem mehrlagigen Wickel, wobei die Zwischenschichten (2) während des Wickelns um höchstens 180 DEG gebogen und zwischen den Wickellagen (4) übereinander angeordnet werden; b) Einklemmen des Schichtstapels so in ein Gehäuse (6), dass die Zwischenschichten (2) knickfrei zusammengedrückt werden. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Batterien, Akkumulatoren oder Kondensatoren. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft zur Herstellung von Elektrolyt-Kondensatoren mit quaderförmigem Gehäuse angewendet werden.

Description

Beschreibung
Gehäuster Schichtstapel , Verfahren zur Herstellung des gehäusten Schichtstapeis und Verwendung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft einen gehäusten Schichtstapel mit Zwischenschichten und ein Verfahren zur Herstellung des gehäusten Schichtstapeis. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Verfahrens .
Bekannte Verfahren zur Herstellung von gehausten Schichtstapein, wie beispielsweise Wickeln oder Stapeln, werden insbesondere verwendet zur Herstellung von Batterien, Akkumulatoren oder Elektrolyt -Kondensatoren. Ein Elektrolyt - Kondensator besteht im wesentlichen aus einem Stapel von Anoden- und Kathodenplatten, die abwechselnd übereinander liegen und zwischen denen jeweils eine saugfähige, elektrisch nicht leitende Isolierschicht, wie beispielsweise Papier, angeordnet ist. Die Isolierschicht ist mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt. Durch den Einbau des Schichtstapeis m ein Gehäuse werden die Anoden und die Kathoden zusammengedrückt, wobei auf einen über die gesamte Querschnittfläche des Stapels gleichmäßigen Anpreßdruck zu achten ist. Diese Forderung rührt daher, daß der Leitungs- mechanismus im Elektrolyten im Vergleich zur Leitung von
Elektronen m Metallen gehemmt ist, wodurch dem Abstand, über den mittels Ionen Ladungen transportiert werden sollen, eine besonders große Bedeutung beizumessen ist. Um fest definierte, gleichmäßige Bauelementeigenschaften zu erhalten ist es demnach wichtig, daß der Abstand zwischen den
Elektroden (Anode und Kathode) möglichst homogen ist. Des weiteren wird eine Geometrie des Gehäuses gefordert, die sehr leicht stapelbar ist, wobei insbesondere beim Zusammenschalten von mehreren Kondensatoren auf eine gute Ausnutzung des beanspruchten Volumens zu achten ist. In dieser Hinsicht ungeeignet sind zylmderfόrmige Gehäuse, während von ebenen Flächen begrenzte Gehäuse, wie beispielsweise Quader, zu bevorzugen sind.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von gehausten Schichtstapeln besteht darin, vier Bänder übereinander auf einen Rundwickel zu wickeln. Dabei können zwei der Bänder beispielsweise metallisch und die restlichen Bänder ein saugfähiger, isolierender Stoff sein. Der dadurch hergestellte Wickel hat nach Entfernen des Wickeldorns die Form eines Hohlzylmders , der nun bevorzugt m ein zylinderfόrmiges Gehäuse gedrückt wird. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, daß die Gehäuseform für die Raumausnutzung bei Zusammenschaltung mehrerer gehäuster Schichtstapel nicht optimal ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den hergestellten Wickel m ein prismatisches Gehäuse zu drücken. Dadurch werden insbesondere m den Randbereichen des Gehäuses die Bänder geknickt bzw. gestreckt oder gestaucht. Dies ist von Nachteil, wenn es sich bei einem der Bänder um die metallische Elektrode eines Kondensators handelt, da diese Elektroden sehr empfindlich auf Knicken reagieren und dabei häufig beschädigt werden.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von gehäusten Schichtstapeln besteht darin, die einzelnen Schichten einfach übereinander zu stapeln. Dadurch kann zwar das Beschädigen von empfindlichen Metallelektroden verhindert werden, dieses Verfahren ist allerdings fertigungstechnisch nur sehr schwierig zu realisieren und ist insbesondere nicht zur Herstellung von großen Stückzahlen geeignet.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gehausten Schichtstapel bereitzustellen, bei dem die Beschädigung von Metallelektroden vermieden wird. Ferner ist es ein Ziel, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der gehäuste Schichtstapel einfach und schnell hergestellt werden können, ohne daß die Schichten beim Einbau m ein Gehäuse beschädigt werden.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch einen gehäusten Schichtstapel nach Anspruch 1 erreicht. Ein Verfahren zur
Herstellung des gehausten Schichtstapels und eine Verwendung des Verfahrens sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung g bt einen gehäusten Schichtstapel m t überemanderliegenden, voneinander getrennten
Zwischenschichten an, zwischen denen ein gewickeltes Bandmateπal verläuft und die knickfrei gegen eine Seitenflache eines Gehäuses gedrückt sind.
Ein solcher Schichtstapel hat den Vorteil, daß die
Zwischenschichten nicht durch Knicken beschädigt werden können. Ferner hat der Schichtstapel den Vorteil, daß er mit einem kombinierten Wickel -/Stapelverfahren herstellbar ist.
Die Erfindung gibt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Schichtstapels an, das eine Kombination aus Wickeln und Stapeln darstellt. Ausgangspunkt für das Verfahren bildet einerseits ein Bandmaterial und andererseits mehrere Zwischenschichten. In einem ersten Schritt wird das Bandmaterial auf einen Wickeldorn gewickelt, wobei ein mehrlagiger Wickel entsteht . Während des Wickeins werden die Zwischenschichten zwischen e zwei Wickellagen übereinander angeordnet, so daß Bandmaterial und Zwischenschichten abwechselnd übereinander liegen. Dabei wird darauf geachtet, daß die Zwischenschichten auf dem Wickeldorn um höchstens
180 Grad gebogen sind. In einem weiteren Schritt wird der so hergestellte Schichtstapel m ein Gehäuse eingeklemmt, so daß die Zwischenschichten gegen eine Seitenfläche des Gehäuses gedrückt werden. Durch die 180 Grad nicht überschreitende Biegung der Zwischenschichten kann das Einklemmen des Schichtstapels so erfolgen, daß die Zwischenschichten knickfrei zusammengedrückt werden. Dieses erfindungsgemäße
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gehäusten Schichtstapels verwendet werden. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Herstellung eines Elektrolyt- Kondensators, wo sich Anoden-Zwischenschichten mit Kathoden- Zwischenschichten abwechseln. An jeder Seite des Wickeldorns kann nun eine Sorte von Zwischenschicht zugeführt und zwischen den Lagen des Bandmateπals angeordnet werden. Die beiden Positionen, an denen die jeweilige Sorte von Zwischenschicht angeordnet wird, sind raumlich voneinander getrennt, so daß sich hieraus, besonders im Hinblick auf die Maschinentechnik (Zuführung von Zwischenschichten aus Magazinen) , Vorteile ergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft zur Herstellung von Batterien, Akkumulatoren oder Kondensatoren verwendet werden, wo es auf die optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes auch bei Zusammenschaltung mehrerer Batterien, Akkumulatoren oder Kondensatoren ankommt, da es den beschädigungsfreien Einbau des Schichtstapels m ein von parallelen Wänden begrenztes und daher stapelbares Gehäuse erlaubt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen und den dazu gehörigen Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung eines großen Wickeldorns im schematischen Querschnitt .
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren unter
Verwendung eines kleinen Wickeldorns im schematischen Querschnitt .
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtstapel, der gemäß dem m Figur 2 gezeigten Verfahren hergestellt ist. Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung eines Flachdorns im schematischen Querschnitt.
Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung eines zweilagigen Bandmaterials im schematischen Querschnitt .
Figur 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung eines zweilagigen Bandes, wobei die beiden Lagen des Bandes um eine halbe Umdrehung des Wickeldorns versetzt aufgewickelt werden.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Schichtstapels, bei dem auf einen runden Wickeldorn 3 mit einem Durchmesser D von 0,5 m ein
Bandmaterial 1 aufgewickelt wird. Der Wickeldorn 3 besteht vorzugsweise aus Stahl, da dieses Material die notwendige mechanische Steiflgkeit besitzt. Als Bandmaterial kommt beispielsweise bei der Herstellung von Elektrolyt - Kondensatoren eine saugfähige Schicht wie Papier aus Zellstoff oder ein Vlies aus Polytetrafluorethylen m Betracht. Während des Wickeins des Bandmaterials 1 auf den Wickeldorn 3 werden Zwischenschichten 2 auf die jeweils äußerste Wickellage 4 gelegt. Während des Wickeins wird auf das Bandmaterial 1 eine Zugspannung ausgeübt, so daß die Zwischenschichten 2 nicht weiter fixiert werden müssen, sondern allein aufgrund des Anpreßdrucks, die das gespannte Bandmaterial 1 auf den Wickeldorn 3 ausübt, fixiert sind. Das Bandmaterial 1 ist beispielsweise bei der Herstellung eines Elektrolyt-Kondensators so beschaffen, daß es aufgrund seiner Kapillarkräfte m der Lage ist, einen Flussigelektrolyten anzusaugen. Die Breite B der Zwischenschichten 2 betragt beispielsweise 1,5 cm, so daß auf dem beispielhaft dargestellten Wickeldorn 3 mit einem Durchmesser von 0,5 m ca. 50 Schichtstapel hergestellt werden können. Die Dicke des Bandmaterials 1 betragt typischerweise zwischen 50 und 500 μm. Die Zwischenschicht 2 kann eine Metallelektrode ß
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gegenüberliegenden Seiten des Wickeldorns 3 m Stapeln zwischen dem Bandmaterial 1 und der äußersten Wickellage 4 eingelegt .
Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Schichtstapels unter Verwendung eines flachen Wickeldorns 3 und eines zweilagigen Bandmaterials 7,8. Beim Wickeln des Bandmaterials 7,8 wird die innere Lage 7 von der äußeren Lage 8 V-förmig weggespreizt, so daß eine erste Sorte von Zwischenschichten 9 zwischen der inneren Lage des
Bandmaterials 7 und der äußersten Wickellage 4 und eine zweite Sorte von Zwischenschichten 10 zwischen den Lagen des Bandmaterials 7,8 angeordnet werden kann. Durch diese spezielle Vorgehensweise wird die Zahl der pro Umdrehung m den Stapel eingebrachten Zwischenschichten 9,10 verdoppelt.
Figur 6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Schichtstapels gemäß Figur 5, wobei allerdings die innere Lage des Bandmaterials 7 und die äußere Lage des Bandmaterials 8 um eine halbe Umdrehung des Wickeldorns 3 versetzt aufgewickelt werden. Dies hat den maschinentechnischen Vorteil, daß zwei verschiedene Sorten von Zwischenschichten 9,10 von räumlich voneinander getrennten Positionen aus zwischen die Lagen des Bandmaterials 7,8 eingelegt werden können. Die verschiedenen Sorten von Zwischenschichten 9,10 werden von einander gegenüberliegenden Seiten des Wickeldorns 3 zugeführt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft gezeigten Ausführungsformen, sondern wird m ihrer allgemeinsten Form durch Anspruch 1 und 2 definiert.

Claims

Patentansprüche
1. Gehäuster Schichtstapel mit übereinanderliegenden, voneinander getrennten Zwischenschichten (2), zwischen denen ein gewickeltes Bandmaterial (1) verläuft und die knickfrei gegen eine Seitenfläche (5) eines Gehäuses (6) gedrückt sind.
2. Verfahren zur Herstellung eines gehäusten Schichtstapels aus einem Bandmaterial (1) und mehreren Zwischenschichten (2) mit folgenden Schritten: a) Wickeln des Bandmaterials (1) auf einen Wickeldorn (3) zu einem mehrlagigen Wickel, wobei die Zwischenschichten (2) während des Wickeins um höchstens 180° gebogen und zwischen den Wickellagen (4) übereinander angeordnet werden b) Einklemmen des Schichtstapels in ein Gehäuse (6) , daß die Zwischenschichten (2) knickfrei gegen eine Seitenfläche (5) des Gehäuses (6) gedrückt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , wobei ein runder Wickeldorn (3) verwendet wird, dessen
Durchmesser (D) wenigstens dreimal so groß ist, wie die Breite (B) der Zwischenschichten (2) und an dessen Umfang mehrere Zwischenschichten (2) nebeneinander auf einer Wickellage (4) angeordnet werden, und wobei nach der Fertigstellung des Wickels das Bandmaterial (1) zwischen den nebeneinanderliegenden Stapeln von Zwischenschichten (2) durchtrennt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , wobei ein Wickeldorn (3) verwendet wird, dessen Querschnitt ein regelmäßiges Polygon ist, dessen
Seitenlängen gleich der Breite (B) der Zwischenschichten (2) sind.
5. Verfahren nach Anspruch 2 , wobei ein runder Wickeldorn (3) verwendet wird, dessen Durchmesser (D) wenigstens halb so groß ist, wie die Breite (B) der Zwischenschichten (2) und auf dessen gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Stapel überemanderliegender Zwischenschichten (2) angeordnet wird, und wobei der Wickel nach seiner Fertigstellung vom Wickeldorn (3) gezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 , wobei ein flacher Wickeldorn (3) verwendet wird, dessen Breite gleich der Breite (B) der Zwischenschichten (2) ist und an dessen Breitseiten e ein Stapel von Zwischenschichten (2) angeordnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein zweilagiges Bandmaterial (1) verwendet wird, dessen Lagen (7, 8) beim Wickeln V-förmig gespreizt werden und wobei auf einer Seite des Wickeldorns (3) jeweils eine Zwischenschicht (2) zwischen der obersten Wickellage (4) und der inneren Lage (7) des Bandmaterials und zwischen der inneren und der äußeren Lage (8) des Bandmaterials (1) angeordnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Lagen des Bandmaterials (7, 8) um eine halbe Umdrehung des Wickeldorns (3) versetzt aufgewickelt werden und wobei an gegenüberliegenden Seiten des
Wickeldorns (3) jeweils eine Zwischenschicht (2) zwischen den Lagen (7, 8) des Bandmaterials (1) angeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , wobei zwei Sorten von Zwischenschichten (9, 10) verwendet werden und wobei die erste Sorte (9) von einer Seite des
Wickeldorns (3) aus und die zweite Sorte (10) von der gegenüberliegenden Seite des Wickeldorns (3) aus auf den Wickel aufgebracht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 2 bis 9, wobei ein quaderförmiges Gehäuse (6) verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 2 bis 10, wobei ein Wickeldorn (3) aus Stahl verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 2 bis 11, wobei als Zwischenschichten (2) Kupfer-, Aluminium- oder Nickelschichten verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 2 bis 12, wobei als Bandmaterial (1) ein Band aus saugfähigem Kunst- oder Zellstoff oder aus einer
Polytetraflourethylen-Membran verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bandmaterial (1) nach dem Einklemmen des Schichtstapels in das Gehäuse (6) mit einem Flüssigelektrolyten gefüllt wird.
15. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 bis 14 zur Herstellung von Batterien, Akkumulatoren oder Kondensatoren .
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