EP2764561A1 - Verfahren und system zum schneiden von blatt- oder plattenförmigen objekten - Google Patents

Verfahren und system zum schneiden von blatt- oder plattenförmigen objekten

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EP2764561A1
EP2764561A1 EP12734812.6A EP12734812A EP2764561A1 EP 2764561 A1 EP2764561 A1 EP 2764561A1 EP 12734812 A EP12734812 A EP 12734812A EP 2764561 A1 EP2764561 A1 EP 2764561A1
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EP
European Patent Office
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cutting
laser
objects
cut edges
structuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12734812.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Legner
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Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP2764561A1 publication Critical patent/EP2764561A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
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    • H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for cutting thermoplastic plastic fibers as carrier material having sheet- or plate-shaped objects, in particular for cutting electrodes and / or separators for the construction of an electrochemical energy storage or parts of such electrodes or separators.
  • electrochemical energy storage batteries primary storage
  • accumulators secondary storage
  • Primary storage is typically charged only once and disposed of after discharge, while secondary storage allows multiple (from a few 100 to over 10,000) cycles of charge and discharge. It should be noted in this context that, especially in the motor vehicle sector, rechargeable batteries are also referred to as batteries.
  • the electrodes and separators are needed in a very large number, which is why there is a need for high quality, effective and cost effective Manufacturing process exists.
  • the electrodes and separators it should be noted that these components must be cut to the appropriate dimensions for the assembly of the electrode stacks or cells.
  • the electrodes and the separators are cut from electrode strips or separator strips.
  • thermoplastic resin fibers as sheet or plate shaped substrates having support material.
  • This object is achieved by a method according to claim 1, a cutting system according to claim 16 and a battery according to claim 22.
  • Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
  • this object is achieved in a method for cutting thermoplastics fibers as carrier material having sheet- or plate-shaped objects, in particular of electrodes and / or separators for constructing an electrochemical energy store or parts of such electrodes or separators, that the cutting process comprising the steps of: bringing the objects to be cut to a laser cutting device and cutting the objects with the laser cutting device such that fusion of at least part of the thermoplastic resin fibers is performed at the cutting edges.
  • the at least partial fusion at the cut edges enables a simplified handling of the electrodes and separators, since the risk of micro-cracks during mechanical stress during assembly can be reduced.
  • Another advantage lies in the fact that the increased strength at the cutting edges, the life of the electrodes and the separators is increased and that batteries can be run through with such produced electrodes and separators an increased number of cycles.
  • Opposite Conventional mechanical cutting methods are advantages of the cutting method according to the invention in that a constant quality of the cut edges can be achieved and that no mechanical stress acts on the cut edges and that fewer particles are generated in this cutting process, so that during the preparation of the cleaning of the electrodes and the separators is simplified. Further advantages of the cutting method according to the invention are that the method can be carried out wear-free and that the production of different geometries of the electrodes and the separators is simplified. Another advantage over mechanical cutting methods lies in the fact that the cut edges have a smooth cutting profile.
  • an "electrochemical energy store” is to be understood as meaning any type of energy store from which electrical energy can be taken, wherein an electrochemical reaction takes place in the interior of the energy store comprises at least one electrochemical cell, preferably a plurality of electrochemical cells
  • the plurality of electrochemical cells may be connected in parallel to store a larger amount of charge or may be connected in series to achieve a desired operating voltage or form a combination of parallel and series connection.
  • an “electrochemical cell” is to be understood as meaning a device which serves to deliver electrical energy, the energy being stored in a chemical form, In the case of rechargeable secondary batteries, the cell is also designed to receive electrical energy.
  • the shape (ie, in particular, the size and geometry) of an electrochemical cell can be chosen depending on the available space, Preferably, the electrochemical cell is substantially prismatic or cylindrical
  • the present invention is particularly applicable to electrochemical cells used advantageously as pouch cells or Coffeebag cells without the electrochemical cell of the present invention should be limited to this application.
  • Such an electrochemical cell usually has an electrode stack, which is at least partially enclosed by an envelope.
  • an "electrode stack” is to be understood as meaning an arrangement of at least two electrodes and an electrolyte arranged therebetween
  • the electrolyte may be partially received by a separator, the separator then separating the electrodes
  • the electrodes are for example plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to each other (prismatic energy storage cells) .
  • the electrode stack may also be wound and one
  • the term "electrode stack” should also include such electrode windings.
  • the electrode stack may also comprise lithium or another alkali metal in ionic form.
  • thermoplastic resin fibers preferably comprise a thermoplastic polyester, in particular polythylene terephthalate, in the process.
  • the step of cutting the objects from the laser cutting apparatus is performed at least partially with a pulsed laser having at least one of the following characteristics: a maximum wavelength in a wavelength range of 400 nm to 1300 nm, preferably maximum wavelength in a wavelength range and particularly preferably a maximum wavelength of 1070 nm, a pulse duration in a pulse duration range of 5 ps to 200 ns, preferably a pulse duration of 30 ns, a frequency in a frequency range of 40 kHz to 5000 kHz, preferably from 250 kHz to 1000 kHz and a frequency of 500 kHz, an overlap of more than 50%, preferably an overlap of more than 90%, a beam quality ⁇ 2 M 2 ; a power in a power range of 1 kW to 20 kW, preferably a power of 5 kW, a laser spot size smaller than 1000 ⁇ , preferably a laser spot size smaller than 300 pm.
  • a pulsed laser having at least one of the following characteristics: a maximum wavelength in a wavelength range of
  • the cut edges of the objects are above a slit of a slotted overlay. Advantages of this embodiment are that heat accumulation in the region of the support can be avoided and that resulting cutting gases can be sucked off both above and below the objects to be cut.
  • the method comprises performing machining operations on the cut edges, in particular performing machining operations on the cut edges to reduce micro-shorts.
  • This embodiment has the advantage that the cutting operations can be carried out quickly and the cutting edges have a quality required for further use, since the machining operations at the cutting edges can be used to avoid or reduce the shortcomings of the microstructure
  • the step of performing machining operations on the cut edges to reduce microcracking Conclude structuring the cut edges.
  • An advantage of this embodiment is that microshorting can be avoided particularly quickly and effectively by such structuring
  • the step of patterning the cut edges is performed with a laser structuring device.
  • the step of structuring the cut edges with the laser structuring device is preferably performed after the step of cutting the object with the laser cutting device.
  • the step of patterning the cut edges with the laser structuring device is performed prior to the step of cutting the object with the laser cutting device.
  • the laser cutting apparatus is used.
  • the step of structuring the cut edges with the laser structuring apparatus and the step of cutting the objects with a laser cutter are performed substantially simultaneously.
  • the step of performing machining operations on the cut edges to reduce micro-shorts comprises applying support materials to the cut edges.
  • the step of applying under-backing materials to the cut edges and the step of cutting the objects with the laser cutter are performed substantially simultaneously.
  • An advantage of this embodiment is that the cutting can be assisted with a laser beam
  • the support materials have components with increased absorption coefficients with respect to the wavelengths used by the laser cutting device.
  • this object is achieved in a system for cutting thermoplastic plastic fibers as carrier material having sheet or plate-shaped objects, in particular for cutting electrodes and / or separators for the construction of an electrochemical energy store or parts of such electrodes or separators, thereby solved the cutting system a transport device configured to bring the objects to be cut to a laser cutting device; and a laser cutting device configured to cut the objects such that fusion of at least a portion of the thermoplastic resin fibers is performed at the cutting edges.
  • the cutting system has a processing device which is designed to carry out processing operations on the cut edges to reduce micro-short-circuits.
  • the processing device preferably has a laser structuring device which is designed to structure the cut edges.
  • the processing device preferably has a material application device that is designed to apply support materials to the cut edges.
  • the laser cutting device preferably has an ytterbium fiber laser, which has proved to be particularly advantageous for cutting polyethylene terephthalate.
  • the present invention also relates to an electric cell for an electrochemical energy storage device having separators cut by a cutting method as mentioned above and / or produced by means of a cutting system as mentioned above.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a cutting system according to a
  • Fig. 2 is a flowchart for a cutting method after a
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a cutting system 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the cutting system 10 has a transporting device 5, which has for the introduction of the thermoplastic fibers to be cut as a carrier material
  • Separatorenbandes 1 or the thermoplastic fibers to be cut as carrier material having electrode tape 1 is configured to a laser cutting device 1.
  • the laser cutting device 2 intersects the separator belt 1 or the electrode belt at the cutting edge 3 with a laser cutting beam 2a.
  • the laser cutting device 2 is configured in such a way that at least one part of the thermoplastic polymer fibers is fused when cutting at the cutting edges 3.
  • Fig. 1 it is shown that preferably the cutting operation with a
  • Material beam 6a of the material application device 6 can be supported on the cutting edge 3. Furthermore, in FIG. 1, a laser structuring Device 4, which can structure the Separatorenband 1 or the electrode strip at the cutting edge 3 with a laser structuring beam 4a. After the cutting operations, the separators 1 'cut from the separator belt 1 or the electrodes cut from the electrode belt are removed from the cutting system 10 with the removal device 7.
  • Fig. 2 shows a flow chart for a cutting method according to an embodiment of the present invention.
  • the separator belt 1 to be cut is brought to the laser cutting device 2 in a step S1.
  • the separators 1 ' are cut out of the separator belt 1 with the laser cutting device 2 in such a way that at least one part of the thermoplastic synthetic fibers is cut at the cut edges 3 during cutting, whereby according to a preferred embodiment and in FIG. 2, in a step S3, machining operations are performed on the cut edges 3 in order to reduce microshorts.
  • step S3 is performed after step S2.
  • FIG. 2 it is shown that the step S2 of performing machining operations on the cut edges 3 a
  • Structuring the cut edges 3 and / or application of support materials may have at the cutting edges 3.

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Abstract

Ein Verfahren zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten (1), insbesondere von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, weist die Schritte auf: (S1 ) ein Heranführen der zu schneidenden Objekte (1) an eine Laserschneidevorrichtung (2), (S2) ein Schneiden der Objekte (1) mit der Laserschneidevorrichtung (2) derart, dass an den Schnittkanten (3) ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird. Weiterhin wird ein System (10) zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten (1), insbesondere zum Schneiden von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, beschrieben, bei dem das Schneidesystem (10) eine Transportvorrichtung (5), die zum Heranführen der zu schneidenden Objekte (1) an eine Laserschneidevorrichtung (2) ausgestaltet ist, eine Laserschneidevorrichtung (2) aufweist, die zu einem derartigen Schneiden der Objekte (1) ausgestaltet ist, dass an den Schnittkanten (3) ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird.

Description

Verfahren und System zum Schneiden von blatt- oder plattenförmigen
Objekten
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten, insbesondere zum Schneiden von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren.
Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 1 15 1 18 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Als elektrochemische Energiespeicher sind Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher) bekannt, die aus einer oder mehreren Speicherzellen aufgebaut sind, in denen bei Anlegen eines Ladestroms elektrische Energie in einer elektrochemischen Ladereaktion zwischen einer Kathode und einer Anode in bzw. zwischen einem Elektrolyten in chemische Energie umgewandelt und so gespeichert wird und in denen bei Anschließen eines elektrischen Verbrauchers chemische Energie in einer elektrochemischen Entladereaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei werden Primärspeicher in der Regel nur ein Mal aufgeladen und nach ihrer Entladung entsorgt, während Sekundärspeicher mehrere (von einigen 100 bis über 10.000) Zyklen von Aufladung und Entladung erlauben. In diesem Zusammenhang ist anzu- merken, dass insbesondere im Kraftfahrzeugbereich auch Akkumulatoren als Batterien bezeichnet werden.
Die Elektroden und die Separatoren werden in einer sehr großen Anzahl benötigt, weshalb Bedarf an hochqualitativen, effektiven und kostengünstigen Fertigungsverfahren besteht. Bei der Fertigung der Elektroden und Separatoren ist zu beachten, dass diese Komponenten für den Zusammenbau der Elektrodenstapel bzw. Zellen in entsprechende Abmessungen zu schneiden sind. Für eine durchgehende Fertigungslinie werden die Elektroden und die Separatoren aus Elektrodenbändern bzw. Separatorenbändern geschnitten.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , ein System zum Schneiden nach Anspruch 16 und eine Batterie nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nach einem ersten Gesichtspunkt wird bei einem Verfahren zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten, insbesondere von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Schneideverfahren die Schritte aufweist: ein Heranführen der zu schneidenden Objekte an eine Laserschneidevorrichtung und ein Schneiden der Objekte mit der Laserschneidevorrichtung derart, dass an den Schnittkanten ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass das mindestens teilweise Verschmelzen an den Schnittkanten eine vereinfachte Hand- habung der Elektroden und Separatoren ermöglicht, da die Gefahr von Mikro- rissen bei mechanischen Beanspruchung während der Montage verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt auch darin, dass durch die erhöhte Festigkeit an den Schnittkanten die Lebensdauer der Elektroden und der Separatoren erhöht ist und dass Batterien mit derartig hergestellten Elektroden und Separatoren eine erhöhte Zyklenzahl durchlaufen können. Gegenüber her- kömmlichen mechanischen Schneideverfahren liegen Vorteile des erfindungsgemäßen Schneideverfahrens darin, dass eine gleichbleibende Qualität der Schnittkanten erreicht werden kann und dass keine mechanische Belastung auf die Schnittkanten einwirkt und dass weniger Partikel bei diesem Schneid- verfahren erzeugt werden, so dass während der Herstellung die Reinigung der Elektroden und der Separatoren vereinfacht wird. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Schneideverfahrens liegen darin, dass das Verfahren verschleißfrei durchgeführt werden kann und dass die Herstellung verschiedener Geometrien der Elektroden und der Separatoren vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil gegenüber mechanischen Schneideverfahren liegt auch darin, dass die Schnittkanten einen glatten Schnittverlauf aufweisen.
Unter einem „elektrochemischen Energiespeicher" soll im Rahmen dieser Erfindung jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei im Innern des Energiespeichers eine elektrochemische Reaktion abläuft. Der Begriff umfasst Energiespeicher aller Art, insbesondere Primärbatterien und Sekundärbatterien. Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist wenigstens eine elektrochemische Zelle, bevorzugt mehrere elektrochemische Zellen auf. Die mehreren elektrochemischen Zellen können zum Speichern einer größeren Ladungsmenge parallel geschaltet sein oder zur Erzielung einer gewünschten Betriebsspannung in Serie geschaltet sein oder eine Kombination aus Parallel- und Serienschaltung bilden.
Unter einer „elektrochemischen Zelle" soll im Rahmen dieser Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche der Abgabe elektrischer Energie dient, wobei die Energie in chemischer Form gespeichert wird. Im Fall von wieder- aufladbaren Sekundärbatterien ist die Zelle auch ausgebildet, um elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie umzuwandeln und abzuspeichern. Die Gestalt (d.h. insbesondere die Größe und die Geometrie) einer elektrochemischen Zelle kann abhängig von dem verfügbaren Raum gewählt werden. Bevorzugt ist die elektrochemische Zelle im Wesentlichen prismatisch oder zylindrisch ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für elektrochemische Zellen in vorteilhafter Weise einsetzbar, die als Pouch-Zellen oder Coffeebag-Zellen bezeichnet werden, ohne dass die elektrochemische Zelle der vorliegenden Erfindung auf diese Anwendung beschränkt sein soll.
Eine solche elektrochemische Zelle weist üblicherweise einen Elektrodenstapel auf, der von einer Umhüllung zumindest teilweise umschlossen ist. Für die vorliegende Erfindung soll unter einem„Elektrodenstapel" eine Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten verstanden werden. Der Elektrolyt kann teilweise von einem Separator aufgenommen sein, wobei der Separator dann die Elektroden trennt. Bevorzugt weist der Elektrodenstapel mehrere Schichten von Elektroden und Separatoren auf, wobei die Elektroden gleicher Polarität jeweils vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden, insbesondere parallel geschaltet sind. Die Elektroden sind zum Beispiel plattenförmig oder folienartig ausgebildet und sind bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Der Elektrodenstapel kann auch gewickelt sein und eine im Wesent- liehen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff „Elektrodenstapel" soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Der Elektrodenstapel kann Lithium oder ein anderes Alkalimetall auch in ionischer Form aufweisen.
Unter einem „blatt- oder plattenförmigen Objekt" soll im Rahmen dieser Erfindung ein im Wesentlichen flächiger Gegenstand, vorzugsweise ein dünner flächiger Gegenstand, verstanden werden. Ein flächiger Gegenstand ist dabei ein Gegenstand, dessen Abmessungen in einer Richtung senkrecht zu seiner Fläche (auch als Dickenrichtung bezeichnet) wesentlich geringer sind als die Abmessungen der größten Strecken, die vollständig innerhalb der Fläche liegen. Bevorzugt weisen bei dem Verfahren die thermoplastischen Kunststofffasern einen thermoplastischen Polyester, insbesondere Polythylenterephthalat auf.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Schneidens der Objekte von der Laserschneidevorrichtung mindestens teilweise mit einen gepulsten Laser durchgeführt, der mindestens eines der folgenden Charakteristiken aufweist: eine maximale Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1300 nm, vorzugsweise maximale Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich und besonders bevorzugt eine maximale Wellenlänge von 1070 nm, eine Pulsdauer in einem Pulsdauerbereich von 5 ps bis 200 ns, vorzugsweise eine Pulsdauer von 30 ns, eine Frequenz in einem Frequenzbereich von 40 kHz bis 5000 kHz, vorzugsweise von 250 kHz bis 1000 kHz und eine Frequenz von 500 kHz, einen Überlapp über 50 %, vorzugsweise einen Überlapp über 90 %, eine Strahlqualität < 2 M2; eine Leistung in einem Leistungsbereich von 1 kW bis 20 kW, vorzugsweise eine Leistung von 5 kW, eine Laserbrennfleckgröße kleiner als 1000 μητι, vorzugsweise eine Laserbrennfleckgröße kleiner als 300 pm. Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Schneidens der Objekte von der Laserschneidevorrichtung mit einer Schnittgeschwindigkeit in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,01 m/s bis 20 m/s, vorzugsweise in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,05 m/s bis 6,0 m/s und besonders bevorzugt in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,5 m/s bis 4,0 m/s durchgeführt. Bevorzugt liegt bei dem Verfahren bei dem Schritt des Schneidens der Objekte die Schnittkanten der Objekte über einem Schlitz einer geschlitzten Auflage auf. Vorteile dieser Ausgestaltung liegen darin, dass ein Wärmestau im Bereich der Auflage vermieden werden kann und dass entstehende Schneidgase sowohl oberhalb als auch unterhalb der zu schneidenden Objekte abgesogen werden können.
Bevorzugt weist das Verfahren ein Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten, insbesondere ein Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurzschlüssen auf. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Schneidvorgänge schnell durchgeführt werden können und die Schnittkanten eine für die weitere Verwendung benötigte Qualität aufweisen, da mit den Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten ikrokurzschlüsse vermieden bzw. hinreichend verringert werden können
Bevorzugt weist bei dem Verfahren der Schritt des Durchführens von Be- arbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurz- Schlüssen ein Strukturieren der Schnittkanten auf. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch ein derartiges Strukturieren Mikrokurzschlüsse besonders schnell und effektiv vermieden werden können
Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit einer Laserstrukturierungsvorrichtung durchgeführt.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bevorzugt der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit der Laserstrukturierungsvorrichtung nach dem Schritt des Schneiden des Objekts mit der Laserschneidevorrichtung durchgeführt. Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit der Laserstrukturierungsvorrichtung vor dem Schritt des Schneidens des Objekts mit der Laserschneidevorrichtung durchgeführt.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren für den Schritt des Strukturierens der Schnittkanten als Laserstrukturierungsvorrichtung die Laserschneidevorrichtung verwendet.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bevorzugt der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit der Laserstrukturierungsvorrichtung und der Schritt des Schneidens der Objekte mit einer Laserschneidevorrichtung im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt. Bevorzugt weist bei dem Verfahren der Schritt des Durchführens von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurz- schlüssen ein Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten auf.
Bevorzugt werden bei dem Verfahren der Schritt des Auftragens von Unter- Stützungsmaterialien an den Schnittkanten und der Schritt des Schneidens der Objekte mit der Laserschneidevorrichtung im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass das Schneiden mit einem Laserstrahl unterstützt werden kann Bevorzugt weisen bei dem Verfahren die Unterstützungsmaterialien Komponenten mit erhöhten Absorptionskoeffizienten in Bezug auf die von der Laserschneidevorrichtung verwendeten Wellenlängen auf.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt wird diese Aufgabe bei einem System zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten, insbesondere zum Schneiden von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, dadurch gelöst das Schneidesystem eine Transportvorrichtung, die zum Heranführen der zu schneidenden Objekte an eine Laserschneidevorrichtung ausgestaltet ist, und eine Laserschneidevorrichtung aufweist, die zu einem derartigen Schneiden der Objekte ausgestaltet ist, dass an den Schnittkanten ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird.
Bevorzugt weist das Schneidesystem eine Bearbeitungsvorrichtung auf, die zum Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurzschlüssen ausgestaltet ist.
Bevorzugt weist bei dem Schneidesystem die Bearbeitungsvorrichtung eine Laserstrukturierungsvorrichtung auf, die zum Strukturieren der Schnittkanten ausgestaltet ist. Bevorzugt weist bei dem Schneidesystem die Bearbeitungsvorrichtung eine Materialauftragungsvorrichtung auf, die zum Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten ausgestaltet ist.
Bevorzugt weist die Laserschneidevorrichtung einen Ytterbium-Faserlaser auf, der sich zum Schneiden von Polythylenterephthalat als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
Hinsichtlich der Vorteile dieses Schneidesystems und der verwendeten Begriffe gelten die oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schneideverfahren gemachten Ausführungen in entsprechender Weise. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine elektrische Zelle für eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit Elektroden bzw. Separatoren, die nach einem vorstehend genannten Schneideverfahren geschnitten und/oder mit Hilfe eines vorstehend genannten Schneidesystems hergestellt worden ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schneidesystems nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 2 eine Ablaufdiagramm zu einem Schneideverfahren nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend am Beispiel des Schneidens von Separatoren und Elektroden für einen elektrochemischen Energiespeicher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schneidesystems 10 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Schneidesystem 10 weist eine Transportvorrichtung 5 auf, die zum Heranführen des zu schneidenden thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden
Separatorenbandes 1 oder des zu schneidenden thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden Elektrodenbandes 1 an eine Laserschneidevorrichtung 1 ausgestaltet ist. Die Laserschneidevorrichtung 2 schneidet mit einem Laserschneidestrahl 2a das Separatorenband 1 oder das Elektrodenband an der Schnittkante 3. Die Laserschneidevorrichtung 2 ist derart ausgestaltet, dass beim Schneiden an den Schnittkanten 3 ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird.
In der Fig. 1 wird gezeigt, dass bevorzugt der Schneidvorgang mit einem
Materialstrahl 6a der Materialauftragungsvorrichtung 6 an der Schnittkante 3 unterstützt werden kann. Weiterhin ist in der Fig. 1 eine Laserstrukturierungs- Vorrichtung 4 gezeigt, die das Separatorenband 1 oder das Elektrodenband an der Schnittkante 3 mit einem Laserstrukturierungsstrahl 4a strukturieren kann. Nach den Schneidvorgängen werden die aus dem Separatorenband 1 geschnittenen Separatoren 1 ' bzw. die aus dem Elektrodenband geschnittenen Elektroden mit der Abtransportvorrichtung 7 aus dem Schneidesystem 10 abtransportiert.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Schneideverfahren nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das zu schneidende Separatorenband 1 wird in einem Schritt S1 an die Laserschneidevorrichtung 2 herangeführt. In einem Schritt S2 werden die Separatoren 1 ' aus dem Separatorenband 1 mit der Laserschneidevorrichtung 2 derart geschnitten, dass beim Schneiden ein Verschmelzen min-'destens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern an den Schnittkanten 3 durchgeführt wird, wobei nach einem bevorzugten und in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Schritt S3 Bearbeitungs- Vorgänge an den Schnittkanten 3 durchgeführt werden, um Mikrokurzschlüsse zu verringern. Nach dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Schritt S3 nach dem Schritt S2 durchgeführt. Es ist nach einem anderen in der Fig. 2 nicht gezeigten Ausführungsbeispiel aber auch möglich, die Schritte S2 und S3 gleichzeitig durchzuführen. Nach einem weiteren anderen in der Fig. 2 nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, den Schritt S3 vor dem Schritt S2 durchzuführen. In der Fig. 2 ist gezeigt, dass der Schritt S2 des Durchführens von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten 3 ein
Strukturieren der Schnittkanten 3 und/oder ein Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten 3 aufweisen kann.
Bezugszeichenliste
1 zu schneidendes Objekt
1 " geschnittenes Objekt
2 Laserschneidevorrichtung
2a Laserschneidestrahl
3 Schnittkante
4 Laserstrukturierungsvorrichtung
4a Laserstrukturierungsstrahl
5 Transportvorrichtung
6 Materialauftragungsvorrichtung
6a Materialstrahl
7 Abtransportvorrichtung
8 Auflage
10 Schneidesystem
S1 Heranführen der zu schneidenden Objekte
S2 Schneiden der Objekte
S3 Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten
S3a Strukturieren der Schnittkanten
S3b Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten
S4 Fortführen der geschnittenen Objekte

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Schneiden von blatt- oder plattenförmigen Objekten (1), insbesondere von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, wobei die blatt- oder plattenförmigen Objekte (1) thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisen und wobei das Schneideverfahren die Schritte aufweist:
(51 ) ein Heranführen der zu schneidenden Objekte (1 ) an eine
Laserschneidevorrichtung (2),
(52) ein Schneiden der Objekte (1) mit der Laserschneidevorrichtung
(2) derart, dass
an den Schnittkanten (3) ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
thermoplastischen Kunststofffasern einen thermoplastischen Polyester, insbesondere Polythylenterephthalat aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S2) des Schneidens der Objekte (1 ) von der Laserschneidevorrichtung mindestens teilweise mit einen gepulsten Laser durchgeführt wird, der mindestens eines der folgenden Charakteristiken aufweist:
- eine maximale Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1300 nm, vorzugsweise eine maximale Wellenlänge von 1070 nm,
- eine Pulsdauer in einem Pulsdauerbereich von 5 ps bis 200 ns, vorzugsweise eine Pulsdauer von 30 ns,
- eine Frequenz in einem Frequenzbereich von 40 kHz bis 5000 kHz, vorzugsweise von 250 kHz bis 1000 kHz und eine Frequenz von 500 kHz, einen Überlapp über 50 %, vorzugsweise einen Überlapp über 90
%,
eine Strahlqualität < 2 M2;
eine Leistung in einem Leistungsbereich von 1 kW bis 20 kW, vorzugsweise eine Leistung von 5 kW,
eine Laserbrennfleckgröße kleiner als 1000 μιτι, vorzugsweise eine Laserbrennfleckgröße kleiner als 300 μιη.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S2) des Schneidens der Objekte (1 ) von der Laserschneidevorrichtung mit einer Schnittgeschwindigkeit in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,01 m/s bis 20 m/s, vorzugsweise in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,05 m/s bis 6,0 m/s und besonders bevorzugt in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,5 m/s bis 4,0 m/s durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt (S2) des Schneidens der Objekte (1) die Schnittkanten (3) der Objekte (1) über einem Schlitz einer geschlitzten Auflage (8) aufliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt (S2) des Schneidens der Objekte (1) ein Ytterbium- Faserlaser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren aufweist:
(S3) ein Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den
Schnittkanten (3), insbesondere ein Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten (3) zur
Verringerung von Mikrokurzschlüssen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S3) des Durchführens von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten (3) zur Verringerung von Mikrokurzschlüssen aufweist:
(S3a) ein Strukturieren der Schnittkanten (3).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S3a) des Strukturierens der Schnittkanten (3) mit einer Laser- strukturierungsvorrichtung (4) durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S3a) des Strukturierens der Schnittkanten (3) mit der Laser- strukturierungsvorrichtung (4) nach dem Schritt (S2) des Schneiden des Objekts (1) mit der Laserschneidevorrichtung (2) durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S3a) des Strukturierens der Schnittkanten (3) mit der Laser- strukturierungsvorrichtung (4) vor dem Schritt (S2) des Schneidens des Objekts (1) mit der Laserschneidevorrichtung (2) durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schritt (S3a) des Strukturierens der Schnittkanten (3) als Laser- strukturierungsvorrichtung die Laserschneidevorrichtung (2) des Schrittes (S2) verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S3a) des Strukturierens der Schnittkanten (3) mit der Laser- strukturierungsvorrichtung (4) und der Schritt (S2) des Schneidens der Objekte (1 ) mit einer Laserschneidevorrichtung (2) im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S3) des Durchführens von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten (3) zur Verringerung von Mikrokurz- schlüssen aufweist:
(S3b) ein Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den
Schnittkanten (3).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (S3b) des Auftragens von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten (3) und der Schritt (S2) des Schneidens der Objekte (1 ) mit der Laserschneidevorrichtung (3) im Wesentlichen gleichzeitig
durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmaterialien Komponenten mit erhöhten Absorptionskoeffizienten in Bezug auf die von der Laserschneidevorrichtung (2) verwendeten Wellenlängen aufweisen.
System (10) zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten (1), insbesondere zum Schneiden von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, wobei das Schneidesystem (10) aufweist: - eine Transportvorrichtung (5), die zum Heranführen der zu schneidenden Objekte (1 ) an eine Laserschneidevorrichtung (2) ausgestaltet ist, und
- eine Laserschneidevorrichtung (2), die zu einem derartigen
Schneiden der Objekte (1 ) ausgestaltet ist, dass
an den Schnittkanten (3) ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird.
Schneidesystem (10) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch:
- eine Bearbeitungsvorrichtung (4, 5), die zum Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten (3) zur
Verringerung von Mikrokurzschlüssen ausgestaltet ist.
Schneidesystem (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung eine Laserstrukturierungsvorrichtung (4) aufweist, die zum Strukturieren der Schnittkanten (3) ausgestaltet ist.
Schneidesystem (10) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung eine Materialauftragungs- vorrichtung (6) aufweist, die zum Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten (3) ausgestaltet ist.
Schneidesystem (10) einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschneidevorrichtung (2) einen Ytterbium- Faserlaser aufweist.
Batterie, insbesondere eine zur Anwendung in Kraftfahrzeugen ausgestaltete Batterie, die Elektroden und/oder Separatoren aufweist, auf die ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 angewandt worden ist und oder die mit einem System nach einem der Ansprüche 17 bis 21 bearbeitet worden sind.
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