EP4423834A1 - Verfahren und maschine zur erzeugung eines zellstapels der energiezellen produzierenden industrie - Google Patents

Verfahren und maschine zur erzeugung eines zellstapels der energiezellen produzierenden industrie

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EP4423834A1
EP4423834A1 EP22813123.1A EP22813123A EP4423834A1 EP 4423834 A1 EP4423834 A1 EP 4423834A1 EP 22813123 A EP22813123 A EP 22813123A EP 4423834 A1 EP4423834 A1 EP 4423834A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
separator
units
electrode
cell stack
unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP22813123.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Folger
Jan Kreysern
Nils Hofmann
Michael Kleine Wächter
Marcus Wagner
Dennis Springborn
Karsten Meinke
Matthias Horn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koerber Technologies GmbH
Original Assignee
Koerber Technologies 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
Application filed by Koerber Technologies GmbH filed Critical Koerber Technologies GmbH
Publication of EP4423834A1 publication Critical patent/EP4423834A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
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    • H01M10/052—Li-accumulators
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    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cell stack in the industry producing energy cells, comprising the steps: production of units of a first type each consisting of at least one electrode and/or at least one separator; Production of units of at least one further type each consisting of at least one electrode and/or at least one separator; stacking the units to produce a cell stack; wherein at least one type of units is formed as a multi-layer unit.
  • EP 3 471 188 B1 discloses a method of manufacturing an electrode assembly for an electrochemical cell, comprising the steps of: forming a radical moiety having a four or eight layer structure; stacking at least two radical moieties to form a cell stacking moiety; Stacking a first auxiliary unit on the cell stack unit, wherein the first auxiliary unit is formed by stacking a separator, an anode and a separator one by one, ie one by one, starting from the uppermost or the lowermost part of the cell stacked unit.
  • This method has the disadvantage that when the cell stack is being formed, ie at a relatively late point in time in the manufacturing process, individual layers (separator, anode, separator) still have to be handled, cut and re-worked to form the first auxiliary unit. must be positioned relative to the cell stack unit. This is complex and makes it difficult, for example, to use input-side handling devices, such as electrode cutting devices, for the production of the anodes for the first auxiliary unit.
  • the object of the invention is to provide a method that is simplified compared to the prior art and a corresponding machine.
  • the multi-layer unit is prefabricated as a composite unit and is stacked as a whole in one step during stacking to produce the cell stack.
  • the multilayer units By largely prefabricating the multilayer units as composite units, they can be stacked as a whole and in one step to produce the cell stack, so that the cumbersome handling of individual layers at this late point in the manufacturing process can be avoided.
  • the types of units according to the invention comprise at least two different types A, B.
  • a cell stack comprising a terminating unit in the form of a separator-electrode-separator composite unit and base units in the form of prefabricated monocells.
  • a cell stack is formed comprising basic units in the form of a composite separator-anode unit and basic units in the form of a composite separator-cathode unit.
  • a terminating unit in the form of a separator is preferably provided here.
  • a cell stack comprising basic units in the form of a separator-electrode-separator composite unit and basic units in the form of a counter-electrode.
  • Termination units in the form of a separator-counter-electrode composite unit are preferably provided here on both sides.
  • terminating units in the form of a counter-electrode are provided on both sides. Mixed forms are possible.
  • a cell stack comprising basic units in the form of an electrode-separator-counter-electrode composite unit, basic units in the form of a separator and a terminating unit in the form of a separator-counter-electrode-separator composite unit.
  • a cell stack comprising basic units in the form of a separator-electrode-separator composite unit and basic units in the form of a counter-electrode-separator-electrode-separator-counter-electrode composite unit.
  • a cell stack is formed comprising base units in the form of prefabricated monocells and a terminating unit in the form of an electrode.
  • a cell stack is formed comprising base units in the form of prefabricated monocells and a terminating unit in the form of an electrode-separator-counter-electrode-separator-electrode composite unit.
  • a cell stack is formed comprising base units of the same type and two terminating units which are different from the base units and are the same or different from one another.
  • base units in the form of prefabricated monocells a terminating unit in the form of an electrode-separator-counter-electrode composite unit and a terminating unit in the form of an electrode-separator composite unit are preferably provided.
  • a cell stack comprising at least one U-composite unit in the form of a U-shaped separator and an electrode arranged between them.
  • the U composite unit has a counter-electrode arranged on the outside of the U separator.
  • the following further step is preferably provided: wrapping the cell stack with an insulator, in particular with a separator film, or closing the cell stack on one or both sides with separators or the free end of at least one extended separator.
  • a prefabricated termination unit is laid down and thereafter base units are sequentially stacked onto the termination unit.
  • an elongated separator film is provided in at least one outer unit of the cell stack. The following further method step is then preferably provided: wrapping the cell stack with the free end of the extended separator film; and/or folding the free end of the elongated separator sheet onto an exposed electrode.
  • an anode in a base unit can be coated on two sides and an anode in a terminating unit can be coated on one side, in particular only on one side.
  • the advantage here is a reduction in the unused anode material in the battery cell.
  • one or both outer separators of the cell stack can be omitted and preferably replaced by a material with desired properties, such as insulation against a housing or compensation for volume changes in the battery cells, for example due to charging and discharging or thermal expansion.
  • the invention also relates to a machine for the energy cell-producing industry, which is set up to carry out the method described above and for this purpose has a stacking station for stacking the units to produce a cell stack.
  • the machine preferably has at least one store for temporarily storing at least one type of units, in particular in order to be able to compensate for different production speeds and/or a different number of units of different types in the cell stack.
  • the invention also relates to a machine for the energy cell-producing industry, which is designed and set up to be operated in an operating mode A and in an operating mode B, with units of a type A being able to be produced in operating mode A and units of a type in operating mode B A different type B can be produced, and in the operating mode A or in the operating mode B or in another operating mode the units of type A can be combined with the units of type B to produce a cell stack.
  • the machine has a first machine and a second machine, the first machine being connected to the second machine via a feed path for feeding the type A units, and the first machine being designed and set up, in operating mode A, type A units and the second machine is designed and set up to produce units of type B in operating mode B, and wherein the supplied units of type A can be combined with the units of type B to produce a cell stack.
  • the machine preferably has a stacking station for producing a cell stack and a storage station for the type A or type B units, and the storage station is integrated with the stacking station or is upstream or downstream of it.
  • FIG. 1-15 schematically show the structure of a cell stack made up of units in different embodiments of the invention
  • FIG. 16 is a schematic representation of a method for producing a U-shaped composite unit
  • FIG. 17 shows a stacking station for a machine for producing a cell stack
  • a monocell 21 is a layer system consisting of layers placed one on top of the other, namely a separator 12, an anode 13, another separator 14 and a cathode 15.
  • Monocells 21 are mechanically prefabricated as composite units, for example using a machine as in DE 10 2021 207 357.3 described, to which reference is made in this respect.
  • this terminating unit 16 consists of a separator 12, an anode 13 and a further separator 14.
  • the cell stack 10 is thus closed off from the outside in each case with a separator 12, 14.
  • the terminating unit 16 is also prefabricated by machine as a composite unit 20, for which purpose, for example, the machine for producing monocells 21 can also be used with appropriate adjustments and, if necessary, intermediate storage.
  • a separate machine for manufacturing termination units 16 can be provided.
  • the prefabricated termination composite unit 16, 20 is thus prefabricated as a preliminary product and processed as a whole in one step in the stacking process to form the cell stack 10 .
  • the smallest electrically testable unit in FIG. 1 is advantageously the mono cell 21.
  • the terminating unit 16 and the base units 17 have a similar structure and have the same external dimensions, which simplifies handling.
  • the number of base units 17 or 17A, 17B in the base stack 25 can be selected here as in the other embodiments and in general in a suitable manner; for reasons of clarity, the number shown is generally significantly lower than desired in practice.
  • a further embodiment that is not shown results from interchanging anodes 13 and cathodes 15 in FIG. 1. Corresponding interchanges of electrodes and counter-electrodes are generally also possible in the other embodiments.
  • the terminating unit 16 is placed from above, i.e. as a cover, onto the base stack 25 to form the cell stack 10.
  • the reverse stacking order is also possible, i.e. the terminating unit 16 is provided at the bottom or at the very bottom as a base and the monocells 21 are stacked in the reverse orientation.
  • each cell stack 10 can also be stacked in the reverse stacking order and with reversed orientation.
  • the cell stack 10 serves in particular to construct an electrochemical and/or galvanic accumulator (not shown), for example a lithium-ion accumulator.
  • the electrodes 13, 15 consist of typical electrode materials of an electrochemical and/or galvanic accumulator cell. In the case of a lithium ion cell, the electrodes contain lithium ions, for example.
  • the separators are used to electrically insulate the electrodes from one another and consist, for example, of a plastic film, such as a thermoplastic material.
  • the electrodes and separators are preferably designed as described in paragraphs [0051] to [0062] of EP 3 471 188 B1, to which reference is made in this respect.
  • each cathode is made by applying a suspension of a cathode active material, a conductive material and a binder to a cathode current collector.
  • Each anode is made by applying a suspension of active anode material to an anode current collector.
  • the addition of further components to the respective suspension is possible. Preferred materials of all components are described in the cited document.
  • a stacking device in a production machine is generally used.
  • a corresponding stacking station is described, for example, in DE 10 2021 207 357.3 with reference to FIG. 6, to which reference is made in this respect.
  • a device for introducing a terminating cell or terminating unit 16 into the cell stack 10 is described, for example, in DE 10 2021 207 342.5, to which reference is made in this respect.
  • the base stack 25 is composed of two different types of base units 17A, 17B, which are stacked alternately.
  • a first basic unit 17A is an anode-separator composite unit 22 and a second base unit 17B is a cathode-separator compound unit 23.
  • a single separator 14 is provided here as the terminating unit 16.
  • the terminating unit 16 and the base units 17A, 17B have the same external dimensions, which simplifies handling. There are a total of three types 16, 17A, 17B of units.
  • the entire cell stack 10 is composed of two different types of base units 17A, 17B, which are stacked alternately.
  • a first basic unit 17A is a composite separator-anode-separator unit 20 as in FIG.
  • a separate terminating unit 16 is advantageously not required here;
  • Base stack 25 and cell stack 10 are identical. Due to a largely separate processing of the individual materials, mutual contamination is prevented.
  • the base stack 25 is composed of two different types of base units 17A, 17B, which are stacked alternately.
  • a first base unit 17A is a composite separator-cathode-separator unit 23 and a second base unit 17B is an anode 13.
  • the anode 13 may preferably be laminated on only one side.
  • a terminating unit 16 in the form of an anode-separator compound unit 22 is provided at both ends, i.e. at the top and bottom. Also in this embodiment, there are three types 16, 17A, 17B of units.
  • the embodiment according to FIG. 5 differs from the embodiment according to FIG. units 16 must be provided.
  • the cell stack 10 is preferably wrapped with an insulator (not shown), for example separator film, or closed with separators 12, 14 lying on the outside.
  • lamination is advantageously carried out only with cathode 15. Similar to FIG. 3, mutual contamination is prevented because the individual materials are processed largely separately.
  • the base stack 25 is composed of two different types of base units 17A, 17B, which are stacked alternately.
  • a first base unit 17A is a cathode-separator-anode compound unit 24 and a second base unit 17B is a separator 14.
  • a separator-anode-separator compound unit 20 is provided as the terminating unit 16 here.
  • the smallest electrically testable unit here is the cathode-separator-anode composite unit 24.
  • the terminating unit 16 and the base units 17A, 17B have the same external dimensions, which simplifies handling. There are a total of three types 16, 17A, 17B of units.
  • the cell stack 10 is composed of two different types of base units 17A, 17B, which are stacked alternately.
  • a first base unit 17A is a three-layer separator-anode-separator composite unit 20 and a second base unit 17B is a five-layer cathode-separator-anode-separator-cathode composite unit 26.
  • a separate termination unit 16 is advantageously not required here.
  • the smallest electrically testable unit here are the compound units 20, 26.
  • the base units 17A, 17B have the same external dimensions, which simplifies handling. There are two types here 17A, 17B of units present.
  • the three-layer composite unit 20 can be provided with a single-sided separator, the five-layer composite unit 26 can be provided with a two-sided separator in order to avoid machine contamination. In another embodiment, the three-layer composite unit 20 can be provided with two-sided separator.
  • the base stack 25 consists of one type of base units 17, namely monocells 21.
  • a cathode 15 is provided as the terminating unit 16 here.
  • the cell stack 10 is preferably wrapped with an insulator (not shown), for example a separator film, or closed with separators 12, 14 lying on the outside.
  • This embodiment is characterized by low complexity and high stability, and has the advantage that, apart from the monocells 21, no further composite unit has to be prefabricated as a preliminary product.
  • the smallest electrically testable unit is advantageously a mono cell 21.
  • the base stack 25 likewise consists of only one type of base units 17, namely monocells 21.
  • a five-layer cathode-separator-anode-separator-cathode composite unit 26 is provided here as the terminating unit 16.
  • the cell stack 10 is in turn preferably wrapped with an insulator (not shown), for example separator film, or closed with separators 12, 14 lying on the outside.
  • This embodiment is characterized by high stability.
  • the smallest electrically testable unit is advantageously a monocell 21, and the composite unit 26 can also be tested.
  • the base stack 25 likewise consists of only one type of base units 17, namely monocells 21.
  • two different termination units 16 are provided, namely a three-layer anode-separator-cathode composite unit 24 and an anode-separator Composite unit 22.
  • the same termination units 16 are provided.
  • the cell stack 10 is in turn optionally wrapped with an insulator (not shown), for example separator film, or closed with separators 12, 14 lying on the outside.
  • the anode 13 of the termination units 16 can optionally be coated on one side.
  • the embodiment according to Figure 11 differs from the embodiment according to Figure 10 in that the separator 19 of the upper closing unit 16 and/or the separator 19 of the lower closing unit 16 is longer than the other separators 12, 14 of the cell stack 10, preferably by at least 50 %, more preferably by at least 100%.
  • the at least one extended separator 19 is used to wrap the cell stack 10, in particular with outer electrodes 13 that are exposed here.
  • An extended separator 19 of this type can also be provided in other embodiments for a unit 16, 17, 17A, 17B on the outside of the cell stack 10 .
  • the embodiments according to FIGS. 12 to 15 relate to cell stacks 10 with U-shaped composite units 27 to 29.
  • the U-shaped composite units 27-29 have a U-shaped separator 18 and one between them, ie between the legs of the U-shaped separator 18, inserted electrode 13, 15 on.
  • the embodiments with U-shaped composite units 27-29 are characterized characterized in that only one U-shaped separator 18 is provided per electric monocell 21, instead of two separator sheets 12, 14 as in the other embodiments.
  • the base stack 25 is composed of two different types of base units 17A, 17B, which are stacked alternately.
  • a first base unit 17A is a separator 13 and a second base unit 17B is a U-shaped U-shaped separator-cathode composite unit 27.
  • Separators 12, 14 are provided as terminating units 16 here.
  • a stop edge can be formed for the units of the cell stack 10, here on the left-hand side of FIG. 12, which can be advantageous for handling.
  • the embodiment according to FIG. 13 differs from the embodiment according to FIG. A stop edge for the units of the cell stack 10 can also be formed here.
  • the cell stack 10 is composed of two different types of base units 17A, 17B, which are stacked alternately.
  • a first base unit 17A is a U-shaped U-shaped composite separator-anode unit 28 and a second base unit 17B is a cathode 15.
  • a U-separator-anode composite unit 28 is provided here as the terminating unit 16 .
  • This embodiment is characterized by high stability.
  • the smallest electrically testable unit are the compound units 29, which form a monocell 21 electrically.
  • a stop edge can be formed for the units of the cell stack 10 in order to simplify handling.
  • FIG. 1 An advantageous manufacturing method for a cathode-U separator-anode composite unit 29 is shown schematically in FIG.
  • Anode 13 and cathode 15 are laminated next to one another onto a separator web 18 that is at least twice as wide from opposite sides of the web (here anode 13 from above, cathode 15 from below) with the separator 18, which is indicated here by dashed lines.
  • the laminated web is folded to form the U-unit 29, shown by arrow 30.
  • the feeding of anode 13 and cathode 15 to the laminating station is preferably offset in depth (i.e. in a direction perpendicular to the plane of the paper) or from opposite directions, whereby cross-contamination can be avoided.
  • the U-composite units 27, 28 can be produced with only one electrode 15, 13, the at least double-width separator web 18 being laminated with an electrode 15, 13 on only one side.
  • the four-layer unit 29 can also first be produced by folding and then the lamination can take place. All composite units 20-24, 26-29 in the above embodiments are prefabricated pre-products which are processed as a whole in one step when stacked.
  • a stacking device 40 for producing a cell stack 10 from units of different types, for example first and second base units 17A, 17B, is shown schematically in FIG.
  • This is advantageously a drum device 40 with a first dispensing drum 41 for dispensing units 17A of a first type, which are held on the drum 41 by means of suction air, for example, and transported by rotation in the direction of the arrow, a second dispensing drum 42 for dispensing units 17B of a second type held on the drum 42, for example by suction air, and transported by rotation in the direction of the arrow, and a receiving drum 43 rotating in the direction of the arrow, the receptacles 44 for alternately receiving units 17A of the first type from the drum 41 and units 17B of the second type from drum 42 at respective circumferential positions 45,46.
  • the superimposed units 17A, 17B are delivered at a third circumferential position, here at 6 o'clock, to a subsequent device for forming a base stack 25 or a cell stack 10, respectively
  • a machine 50 for producing cell stacks 10 is shown schematically in FIG.
  • the machine 50 has a section 51 for producing first units 17A from web-shaped starting materials 53 and a section 52 for producing second units 17B.
  • the first section 51 optionally has a combining and laminating device 55 for producing a composite web 60 and a cutting device 57 for cutting the composite web 60 into first units 17A.
  • the second section 52 may have an assignment gathering and laminating device 56 for producing a composite web 61 and a cutting device 58 for cutting the composite web 61 into second units 17B.
  • the first units 17A and the second units 17B are then fed to the stacking station 40 for alternate stacking.
  • the machine 50 has at least one memory 59 for storing at least one type of units 17B.
  • the memory 59 can be designed, for example, as a dancer or in another suitable manner.
  • the memory 59 is used for temporarily storing units 17B in order to be able to compensate for different production speeds and/or a different number of units of different types in the cell stack 10. It is possible to provide a dedicated memory 59 for a plurality of units 17A, 17B or for each type of units 16, 17, 17A, 17B.
  • the machine 50 shown in FIG. 18 can be generalized to more than two materials or types of units 17A, 17B.

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Abstract

Eine Verfahren zur Erzeugung eines Zellstapels der Energiezellen produzierenden Industrie umfasst die Schritte: – Herstellung von Einheiten (16; 17A) eines ersten Typs aus jeweils mindestens einer Elektrode (13, 15) und/oder mindestens einem Separator (12, 14); – Herstellung von Einheiten (17; 17B) mindestens eines weiteren Typs aus jeweils mindestens einer Elektrode (13, 15) und/oder mindestens einem Separator (12, 14); – Stapeln der Einheiten (16, 17, 17A, 17B) zur Herstellung eines Zellstapels (10); – wobei mindestens ein Typ von Einheiten (16, 17, 17A, 17B) als mehrschichtige Einheit gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede mehrschichtige Einheit als Verbundeinheit (20–24) vorgefertigt und beim Stapeln zur Herstellung des Zellstapels (10) als Ganzes in einem Schritt verarbeitet wird.

Description

verfahren und Maschine zur Erzeugung eines Zellstapels der Energiezellen produzierenden Industrie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Zellstapels der Energiezellen produzierenden Industrie, umfassend die Schritte: Herstellung von Einheiten eines ersten Typs aus jeweils mindestens einer Elektrode und/oder mindestens einem Separator; Herstellung von Einheiten mindestens eines weiteren Typs aus jeweils mindestens einer Elektrode und/oder mindestens einem Separator; Stapeln der Einheiten zur Herstellung eines Zellstapels; wobei mindestens ein Typ von Einheiten als mehrschichtige Einheit gebildet ist.
Verfahren zum Erzeugen von Batteriezellen sind beispielsweise aus der WO 2016/041713 A1 und der DE 10 2017 216 213 A1 bekannt.
Die EP 3 471 188 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, umfassend die Schritte: Bilden einer Radikaleinheit mit einer vier- oder achtschichtigen Struktur; Stapeln von zumindest zwei Radikaleinheiten zur Bildung einer Zellstapeleinheit; Stapeln einer ersten Hilfseinheit auf die Zellstapeleinheit, wobei die erste Hilfseinheit, ausgehend von dem obersten oder der untersten Teil der Zellstapeleinheit durch Stapeln eines Separators, einer Anode und eines Separators eins nach dem anderen, d.h. einzeln nacheinander (one by one) gebildet wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass bei der Bildung des Zellstapels, d.h. zu einem relativ späten Zeitpunkt im Herstellungsverfahren, noch einzelne Lagen (Separator, Anode, Separator) zur Bildung der ersten Hilfseinheit gehandhabt, geschnitten und re- lativ zu der Zellstapeleinheit positioniert werden müssen. Dies ist aufwändig und erschwert beispielsweise die Verwendung von eingangsseitigen Handhabungsvorrichtungen, etwa Elektrodenschneidvorrichtungen, für die Herstellung der Anoden für die erste Hilfseinheit.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtes Verfahren und eine entsprechende Maschine bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mehrschichtige Einheit als Verbundeinheit vorgefertigt und beim Stapeln zur Herstellung des Zellstapels als Ganzes in einem Schritt gestapelt wird. Durch die weitestgehende Vorfertigung der mehrschichtigen Einheiten als Verbundeinheiten können diese zur Erzeugung des Zellstapels als Ganzes und in einem Schritt gestapelt werden, sodass die umständliche Handhabung einzelner Lagen zu diesem späten Zeitpunkt im Herstellungsverfahren vermieden werden kann.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemäßen Typen von Einheiten mindestens zwei unterschiedliche Typen A, B umfassen.
In einer Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend eine Abschlusseinheit in Form einer Separator-Elektrode-Separator-Ver- bundeinheit und Basiseinheiten in Form vorgefertigter Monozellen gebildet. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend Basiseinheiten in Form einer Separator-Anode-Verbundeinheit und Basiseinheiten in Form einer Separator-Kathode-Verbundeinheit gebildet. Vorzugsweise ist hier eine Abschlusseinheit in Form eines Separators vorgesehen.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend Basiseinheiten in Form einer Separator-Elektrode-Separator- Verbundeinheit und Basiseinheiten in Form einer Gegenelektrode gebildet. Vorzugsweise sind hier beidseitig Abschlusseinheiten in Form einer Separator-Gegenelektrode-Verbundeinheit vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform sind beidseitig Abschlusseinheiten in Form einer Gegenelektrode vorgesehen. Mischformen sind möglich.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend Basiseinheiten in Form einer Elektrode-Separator-Gegenelektrode- Verbundeinheit, Basiseinheiten in Form eines Separators und eine Abschlusseinheit in Form einer Separator-Gegenelektrode-Separa- tor-Verbundeinheit gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend Basiseinheiten in Form einer Separator-Elektrode-Separator-Ver- bundeinheit und Basiseinheiten in Form einer Gegenelektrode-Sepa- rator- Elektrode-Separator-Gegenelektrode- Verbundeinheit gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend Basiseinheiten in Form vorgefertigter Monozellen und eine Abschlusseinheit in Form einer Elektrode gebildet wird. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend Basiseinheiten in Form vorgefertigter Monozellen und eine Abschlusseinheit in Form einer Elektrode-Separator-Gegenelektrode- Separator- Elektrode-Verbundeinheit gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Zellstapel umfassend gleichartige Basiseinheiten und zwei von den Basiseinheiten jeweils verschiedene, untereinander gleiche oder untereinander unterschiedliche Abschlusseinheiten gebildet. Vorzugsweise sind dabei Basiseinheiten in Form vorgefertigter Monozellen, eine Abschlusseinheit in Form einer Elektrode-Separator-Gegenelektrode-Verbund- einheit und eine Abschlusseinheit in Form einer Elektrode-Separa- tor-Verbundeinheit vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen wird ein Zellstapel umfassend mindestens eine U-Verbundeinheit in Form eines U-förmigen Separators und einer dazwischen angeordneten Elektrode gebildet. Die U-Verbundeinheit weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine außen an dem U-Separator angeordnete Gegenelektrode auf.
Insbesondere im Falle mindestens einer außenliegenden Elektrode des Zellstapels ist vorzugsweise folgender weiterer Schritt vorgesehen: Umwickeln des Zellstapels mit einem Isolator, insbesondere mit Separatorfolie, oder ein- oder beidseitiges Abschließen des Zellstapels mit Separatoren oder dem freien Ende mindestens eines verlängerten Separators.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine vorgefertigte Abschlusseinheit abgelegt und danach werden Basiseinheiten nacheinander auf die Abschlusseinheit gestapelt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine verlängerte Separatorfolie in mindestens einer außenliegenden Einheit des Zellstapels vorgesehen. Vorzugsweise ist dann folgender weiterer Verfahrensschritt vorgesehen: Umwickeln des Zellstapels mit dem freien Ende der verlängerten Separatorfolie; und/oder Umlegen des freien Endes der verlängerten Separatorfolie auf eine freiliegende Elektrode.
In einer Ausführungsform kann eine Anode in einer Basiseinheit zweiseitig beschichtet und eine Anode in einer Abschlusseinheit einseitig, insbesondere nur einseitig, beschichtet sein. Als Vorteil ergibt sich hier eine Verringerung des ungenutzten Anodenmaterials in der Batteriezelle.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Ansatz können eine oder beide außenliegenden Separatoren des Zellstapels entfallen und vorzugsweise durch ein Material mit gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise Isolierung gegen ein Gehäuse oder Ausgleich von Volumenänderungen der Batteriezellen beispielsweise durch Laden und Entladen oder durch Wärmedehnung, ersetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Maschine der Energiezellen produzierenden Industrie, die zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist und zu diesem Zweck eine Stapelstation zum Stapeln der Einheiten zur Herstellung eines Zellstapels aufweist. Die Maschine weist vorzugsweise mindestens einen Speicher zum Zwischenspeichern mindestens eines Typs von Einheiten auf, insbesondere um unterschiedliche Produktionsgeschwindigkeiten und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Einheiten verschiedener Typen im Zellstapel ausgleichen zu können. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Maschine der Energiezellen produzierenden Industrie, die in einer Betriebsart A und in einer Betriebsart B betreibbar ausgebildet und eingerichtet ist, wobei in der Betriebsart A Einheiten von einem Typ A herstellbar sind und in der Betriebsart B Einheiten von einem von Typ A verschiedenen Typ B herstellbar sind, und wobei in der Betriebsart A oder in der Betriebsart B oder in einer weiteren Betriebsart die Einheiten vom Typ A zur Herstellung eines Zellstapels mit den Einheiten vom Typ B kombinierbar sind. Vorzugsweise weist die Maschine eine erste Maschine und eine zweite Maschine auf, wobei die erste Maschine mit der zweiten Maschine über einen Zuführpfad zum Zuführen der Einheiten vom Typ A verbunden ist und die erste Maschine ausgebildet und eingerichtet ist, in der Betriebsart A Einheiten vom Typ A herzustellen und die zweite Maschine ausgebildet und eingerichtet ist, in der Betriebsart B Einheiten vom Typ B herzustellen, und wobei die zugeführten Einheiten vom Typ A zur Herstellung eines Zellstapels mit den Einheiten vom Typ B kombinierbar sind. Die Maschine weist vorzugsweise eine Stapelstation zur Herstellung eines Zellstapels und eine Speicherstation für die Einheiten vom Typ A oder vom Typ B auf und die Speicherstation ist in die Stapelstation integriert oder dieser vorgeordnet oder nachgeordnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1-15 schematisch den Aufbau eines Zellstapels aus Einheiten in unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung; Fig. 16 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung einer U-förmigen Verbundeinheit;
Fig. 17 eine Stapelstation für eine Maschine zur Herstellung eines Zellstapels; und
Fig. 18 eine Maschine zur Herstellung eines Zellstapels.
Im Folgenden wird der Aufbau eines Zellstapels 10 unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben. Eine Monozelle 21 ist ein Schichtsystem bestehend aus übereinander gelegten Schichten, nämlich einem Separator 12, einer Anode 13, einem weiteren Separator 14 und einer Kathode 15. Monozellen 21 werden als Verbundeinheiten maschinell vorgefertigt, beispielsweise mittels einer Maschine wie in der DE 10 2021 207 357.3 beschrieben, auf die insoweit Bezug aufgenommen wird.
Zum Aufbau eines Zellstapels 10 wird in der Ausführungsform gemäß Figur 1 eine Mehrzahl von Basiseinheiten 17, hier Monozellen 21 , übereinander gestapelt, wodurch ein Basisstapel 25 gebildet wird, und mit einer Abschlusseinheit 16 abgeschlossen. Diese Abschlusseinheit 16 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Separator 12, einer Anode 13 und einem weiteren Separator 14. Der Zellstapel 10 wird somit jeweils mit einem Separator 12, 14 nach außen abgeschlossen. Die Abschlusseinheit 16 wird ebenfalls als Verbundeinheit 20 maschinell vorgefertigt, wozu beispielsweise die Maschine zur Herstellung von Monozellen 21 mit entsprechenden Anpassungen und ggf. Zwischenlagerung ebenfalls verwendet werden kann. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann eine separate Maschine zur Fertigung von Abschlusseinheiten 16 vorgesehen sein. Die vorgefertigte Abschluss-Verbundeinheit 16, 20 wird somit als Vorprodukt vorgefertigt und als Ganzes in einem Schritt in dem Stapelvorgang zur Bildung des Zellstapels 10 verarbeitet. Die kleinste elektrisch prüffähige Einheit in Figur 1 ist vorteilhaft die Monozelle 21. Zudem sind die Abschlusseinheit 16 und die Basiseinheiten 17 ähnlich aufgebaut und haben gleiche Außenmaße, was die Handhabung vereinfacht.
Die Anzahl der Basiseinheiten 17 bzw. 17A, 17B in dem Basisstapel 25 kann hier wie in den weiteren Ausführungsformen und im Allgemeinen geeignet gewählt werden; die dargestellte Anzahl ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Regel wesentlich geringer als in der Praxis gewünscht.
Eine weitere nicht gezeigte Ausführungsform ergibt sich durch Vertauschen von Anoden 13 und Kathoden 15 in Figur 1. Entsprechende Vertauschungen von Elektroden und Gegenelektroden sind generell auch in den weiteren Ausführungsformen möglich.
In der Ausführungsform gemäß Figur 1 wird die Abschlusseinheit 16 von oben, d.h. als Deckel, auf den Basisstapel 25 zur Bildung des Zellstapels 10 abgelegt. Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Stapelreihenfolge möglich, d.h. die Abschlusseinheit 16 wird unten bzw. zuunterst als Boden bereitgestellt und die Monozellen 21 werden in umgedrehter Orientierung aufgestapelt. Dies gilt entsprechend auch für die weiteren Ausführungsformen in dieser Anmeldung, d.h. jeder Zellstapel 10 kann auch in der umgekehrten Stapelreihenfolge und mit umgedrehter Orientierung gestapelt werden.
Der Zellstapel 10 dient insbesondere zum Aufbau eines nicht gezeigten elektrochemischen und/oder galvanischen Akkumulators, beispielsweise eines Lithium-Ionen-Akkus. Die Elektroden 13, 15 bestehen aus typischen Elektrodenmaterialien einer elektrochemischen und/oder galvanischen Akkumulatorzelle. Im Falle einer Lithi- um-lonen-Zelle enthalten die Elektroden beispielsweise Lithium- Ionen. Die Separatoren dienen zur elektrischen Isolierung der Elektroden voneinander und bestehen beispielsweise aus einer Kunststofffolie, etwa aus einem thermoplastischen Material. Die Elektroden und Separatoren sind vorzugsweise wie in den Absätzen [0051] bis [0062] der EP 3 471 188 B1 beschrieben ausgeführt, auf die insoweit Bezug genommen wird. Insbesondere wird jede Kathode durch Aufbringung einer Suspension aus einem aktiven Kathoden- material, einem leitenden Material und einem Binder auf einen Ka- thodenstromsammler hergestellt. Jede Anode wird durch Aufbringung einer Suspension aus einem aktiven Anodenmaterial auf einen Anodenstromsammler hergestellt. Die Zugabe weiterer Komponenten zu der jeweiligen Suspension ist möglich. Bevorzugte Materialien sämtlicher Komponenten sind in dem angegebenen Dokument beschrieben.
Zum Stapeln der Bestandteile 16, 17, 17A, 17B des Zellstapels 10 wird im allgemeinen eine Stapelvorrichtung in einer Produktionsmaschine verwendet. Eine entsprechende Stapelstation wird beispielsweise in der DE 10 2021 207 357.3 unter Bezugnahme auf Figur 6 beschrieben, auf die insoweit Bezug genommen wird. Eine Vorrichtung zum Einbringen einer Abschlusszelle oder Abschlusseinheit 16 in den Zellstapel 10 ist beispielsweise in der DE 10 2021 207 342.5 beschrieben, auf die insoweit Bezug genommen wird.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist der Basisstapel 25 aus zwei unterschiedlichen Typen von Basiseinheiten 17A, 17B zusammengesetzt, die alternierend aufgestapelt werden. Eine erste Basiseinheit 17A ist ein Anode-Separator-Verbundeinheit 22 und eine zweite Basiseinheit 17B ist ein Kathode-Separator-Verbundeinheit 23. Als Abschlusseinheit 16 ist hier ein einzelner Separator 14 vorgesehen. Die Abschlusseinheit 16 und die Basiseinheiten 17A, 17B haben gleiche Außenmaße, was die Handhabung vereinfacht. Insgesamt sind hier drei Typen 16, 17A, 17B von Einheiten vorhanden.
In der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist der gesamte Zellstapel 10 aus zwei unterschiedlichen Typen von Basiseinheiten 17A, 17B zusammengesetzt, die alternierend aufgestapelt werden. Eine erste Basiseinheit 17A ist ein Separator-Anode-Separator-Verbundeinheit 20 wie in Figur 1 und eine zweite Basiseinheit 17B wird von einer Kathode 15 gebildet. Eine separate Abschlusseinheit 16 ist hier vorteilhaft nicht erforderlich; Basisstapel 25 und Zellstapel 10 sind identisch. Aufgrund einer weitgehend getrennten Verarbeitung der einzelnen Materialien wird eine wechselseitige Kontamination verhindert.
In der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist der Basisstapel 25 aus zwei unterschiedlichen Typen von Basiseinheiten 17A, 17B zusammengesetzt, die alternierend aufgestapelt werden. Eine erste Basiseinheit 17A ist ein Separator-Kathode-Separator-Verbundeinheit 23 und eine zweite Basiseinheit 17B ist eine Anode 13. Die Anode 13 kann vorzugsweise nur einseitig laminiert sein. In dieser Ausführungsform ist an beiden Enden, d.h. oben und unten, jeweils eine Abschlusseinheit 16 in Form einer Anode-Separator-Verbundeinheit 22 vorgesehen. Auch in dieser Ausführungsform sind drei Typen 16, 17A, 17B von Einheiten vorhanden.
Die Ausführungsform gemäß Figur 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 4 darin, dass der Basisstapel 25 nach außen mit jeweils einer Anode 13 abschließt und keine Abschluss- einheiten 16 vorgesehen sein müssen. In dieser Ausführungsform mit freiliegenden äußeren Elektroden 13 wird der Zellstapel 10 vorzugsweise mit einem nicht gezeigten Isolator, beispielsweise Separatorfolie, eingewickelt oder mit außenliegenden Separatoren 12, 14 abgeschlossen. Laminieren erfolgt in dieser Ausführungsform vorteilhaft nur mit Kathode 15. Ähnlich Figur 3 wird aufgrund einer weitgehend getrennten Verarbeitung der einzelnen Materialien eine wechselseitige Kontamination verhindert.
In der Ausführungsform gemäß Figur 6 ist der Basisstapel 25 aus zwei unterschiedlichen Typen von Basiseinheiten 17A, 17B zusammengesetzt, die alternierend aufgestapelt werden. Eine erste Basiseinheit 17A ist eine Kathode-Separator-Anode-Verbundeinheit 24 und eine zweite Basiseinheit 17B ist ein Separator 14. Als Abschlusseinheit 16 ist hier eine Separator-Anode-Separator-Verbund- einheit 20 vorgesehen. Die kleinste elektrisch prüfbare Einheit ist hier die Kathode-Separator-Anode-Verbundeinheit 24. Die Abschlusseinheit 16 und die Basiseinheiten 17A, 17B haben gleiche Außenmaße, was die Handhabung vereinfacht. Insgesamt sind hier drei Typen 16, 17A, 17B von Einheiten vorhanden.
In der Ausführungsform gemäß Figur 7 ist der Zellstapel 10 aus zwei unterschiedlichen Typen von Basiseinheiten 17A, 17B zusammengesetzt, die alternierend aufgestapelt werden. Eine erste Basiseinheit 17A ist eine dreilagige Separator-Anode-Separator-Verbundein- heit 20 und eine zweite Basiseinheit 17B ist eine fünflagige Katho- de-Separator-Anode-Separator-Kathode-Verbundeinheit 26. Eine separate Abschlusseinheit 16 ist hier vorteilhaft nicht erforderlich. Die kleinste elektrisch prüfbare Einheit sind hier die Verbundeinheiten 20, 26. Die Basiseinheiten 17A, 17B haben gleiche Außenmaße, was die Handhabung vereinfacht. Insgesamt sind hier zwei Typen 17A, 17B von Einheiten vorhanden. Die dreilagige Verbundeinheit 20 kann mit einseitigem Separator, die fünflagige Verbundeinheit 26 kann mit zweiseitigem Separator versehen sein, um Maschinenverschmutzung zu vermeiden. In einer anderen Ausführungsform kann die dreilagige Verbundeinheit 20 mit zweiseitigem Separator versehen sein.
In der Ausführungsform gemäß Figur 8 besteht der Basisstapel 25 aus einem Typ von Basiseinheiten 17, nämlich Monozellen 21. Als Abschlusseinheit 16 ist hier eine Kathode 15 vorgesehen. In dieser Ausführungsform mit freiliegenden äußeren Elektroden 15 wird der Zellstapel 10 vorzugsweise mit einem nicht gezeigten Isolator, beispielsweise Separatorfolie, eingewickelt oder mit außenliegenden Separatoren 12, 14 abgeschlossen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch geringe Komplexität und hohe Stabilität aus, und hat den Vorteil, dass außer den Monozellen 21 keine weitere Verbundeinheit als Vorprodukt vorgefertigt werden muss. Die kleinste elektrisch prüfbare Einheit ist vorteilhaft eine Monozelle 21.
In der Ausführungsform gemäß Figur 9 besteht der Basisstapel 25 ebenfalls nur aus einem Typ von Basiseinheiten 17, nämlich Monozellen 21. Als Abschlusseinheit 16 ist hier eine fünflagige Kathode- Separator-Anode-Separator-Kathode-Verbundeinheit 26 vorgesehen. In dieser Ausführungsform mit freiliegenden äußeren Elektroden 15 wird der Zellstapel 10 wiederum vorzugsweise mit einem nicht gezeigten Isolator, beispielsweise Separatorfolie, eingewickelt oder mit außenliegenden Separatoren 12, 14 abgeschlossen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch hohe Stabilität aus. Die kleinste elektrisch prüfbare Einheit ist vorteilhaft eine Monozelle 21 , auch die Verbundeinheit 26 ist prüfbar. In der Ausführungsform gemäß Figur 10 besteht der Basisstapel 25 ebenfalls nur aus einem Typ von Basiseinheiten 17, nämlich Monozellen 21. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei unterschiedliche Abschlusseinheiten 16 vorgesehen, nämlich eine dreilagige Anode- Separator-Kathode-Verbundeinheit 24 und eine Anode-Separator- Verbundeinheit 22. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind gleiche Abschlusseinheiten 16 vorgesehen. In dieser Ausführungsform mit freiliegenden äußeren Elektroden 13 wird der Zellstapel 10 wiederum optional mit einem nicht gezeigten Isolator, beispielsweise Separatorfolie, eingewickelt oder mit außenliegenden Separatoren 12, 14 abgeschlossen. Die Anode 13 der Abschlusseinheiten 16 kann optional einseitig beschichtet sein.
Die Ausführungsform gemäß Figur 11 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 10 darin, dass der Separator 19 der oberen Abschlusseinheit 16 und/oder der Separator 19 der unteren Abschlusseinheit 16 gegenüber den übrigen Separatoren 12, 14 des Zellstapels 10 verlängert ist, vorzugsweise um mindestens 50%, weiter vorzugsweise um mindestens 100%. Der mindestens eine verlängerte Separator 19 dient zum Einwickeln des Zellstapels 10, insbesondere bei wie hier freiliegenden äußeren Elektroden 13. Ein verlängerter Separator 19 dieser Art kann auch in anderen Ausführungsformen bei einer im Zellstapel 10 außen liegenden Einheit 16, 17, 17A, 17B vorgesehen sein.
Die Ausführungsformen gemäß den Figuren 12 bis 15 betreffen Zellstapel 10 mit U-förmigen Verbundeinheiten 27 bis 29. Die U-förmigen Verbundeinheiten 27-29 weisen einen U-förmigen Separator 18 und eine dazwischen, d.h. zwischen den Schenkeln des U-förmigen Separators 18, eingelegte Elektrode 13, 15 auf. Die Ausführungsformen mit U-förmigen Verbundeinheiten 27-29 zeichnen sich da- durch aus, dass pro elektrischer Monozelle 21 nur ein U-förmiger Separator 18 vorgesehen ist, anstelle von zwei Separatorblättern 12, 14 wie in den übrigen Ausführungsformen.
In der Ausführungsform gemäß Figur 12 ist der Basisstapel 25 aus zwei unterschiedlichen Typen von Basiseinheiten 17A, 17B zusammengesetzt, die alternierend aufgestapelt werden. Eine erste Basiseinheit 17A ist ein Separator 13 und eine zweite Basiseinheit 17B ist eine U-förmige U-Separator-Kathode-Verbundeinheit 27. Als Abschlusseinheiten 16 sind hier Separatoren 12, 14 vorgesehen. Es kann in dieser Ausführungsform eine Anschlagkante für die Einheiten des Zellstapels 10 gebildet werden, hier auf der linken Seite der Figur 12, was für die Handhabung vorteilhaft sein kann.
Die Ausführungsform gemäß Figur 13 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 12 dadurch, dass die außenliegenden Anoden 13 und die außenliegende Separatoren 12, 14 zu Anode- Separator-Verbundeinheiten 22 als Abschlusseinheiten 16 zusammengezogen sind. Auch hier kann eine Anschlagkante für die Einheiten des Zellstapels 10 gebildet werden.
In der Ausführungsform gemäß Figur 14 ist der Zellstapel 10 aus zwei unterschiedlichen Typen von Basiseinheiten 17A, 17B zusammengesetzt, die alternierend aufgestapelt werden. Eine erste Basiseinheit 17A ist eine U-förmige U-Separator-Anode-Verbundeinheit 28 und eine zweite Basiseinheit 17B ist eine Kathode 15.
In der Ausführungsform gemäß Figur 15 ist der Basisstapel 25 aus einem Typ von Basiseinheiten 17 zusammengesetzt, nämlich einer Kathode-U-Separator-Anode-Verbundeinheit 29, bei der eine Kathode 15 auf eine U-Separator-Anode-Verbundeinheit 28 aufgesetzt ist. Als Abschlusseinheit 16 ist hier eine U-Separator-Anode-Verbund- einheit 28 vorgesehen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus. Die kleinste elektrisch prüfbare Einheit sind die Verbundeinheiten 29, die elektrisch eine Monozelle 21 bilden. Auch hier kann eine Anschlagkante für die Einheiten des Zellstapels 10 gebildet werden, um die Handhabung zu vereinfachen.
Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für eine Kathode-U-Separa- tor-Anode-Verbundeinheit 29 ist schematisch in Figur 16 gezeigt. Auf eine mindestens doppelbreite Separatorbahn 18 werden Anode 13 und Kathode 15 nebeneinander von gegenüberliegenden Bahnseiten (hier Anode 13 von oben, Kathode 15 von unten) mit dem Separator 18 laminiert, was hier durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Nach Abschluss der Laminierung wird die laminierte Bahn zur Erzeugung der U-Einheit 29 gefaltet, was durch einen Pfeil 30 dargestellt ist. Aufgrund der getrennten Laminierung von Anode 13 und Kathode 15 ergibt sich ein verbesserter Wärmefluss. Die Zuführung von Anode 13 und Kathode 15 zu der Laminierstation erfolgt vorzugsweise in der Tiefe versetzt (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Papierebene) oder aus entgegengensetzten Richtungen, wodurch wechselseitige Kontamination vermieden werden kann.
In entsprechender Weise können die U-Verbundeinheiten 27, 28 mit nur einer Elektrode 15, 13 erzeugt werden, wobei die mindestens doppelbreite Separatorbahn 18 nur einseitig mit einer Elektrode 15, 13 laminiert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann auch zunächst die vierlagige Einheit 29 durch Faltung erzeugt werden und anschließend die Laminierung erfolgen. Sämtliche Verbundeinheiten 20-24, 26-29 in den obigen Ausführungsformen sind vorgefertigte Vorprodukte, die beim Stapeln als Ganzes in einem Schritt verarbeitet werden.
Eine Stapelvorrichtung 40 zur Erzeugung eines Zellstapels 10 aus Einheiten unterschiedlicher Typen, beispielsweise ersten und zweiten Basiseinheiten 17A, 17B, ist schematisch in Figur 17 gezeigt. Dabei handelt es sich vorteilhaft um eine Trommelvorrichtung 40 mit einer ersten Abgabetrommel 41 zur Abgabe von Einheiten 17A eines ersten Typs, die auf der Trommel 41 beispielsweise mittels Saugluft gehalten und durch Rotation in Pfeilrichtung transportiert werden, einer zweiten Abgabetrommel 42 zur Abgabe von Einheiten 17B eines zweiten Typs, die auf der Trommel 42 beispielsweise mittels Saugluft gehalten und durch Rotation in Pfeilrichtung transportiert werden, und einer in Pfeilrichtung rotierenden Aufnahmetrommel 43, die Aufnahmen 44 zur abwechselnden Aufnahme von Einheiten 17A des ersten Typs von der Trommel 41 und Einheiten 17B des zweiten Typs von der Trommel 42 an entsprechenden Umfangspositionen 45, 46 aufweist. Die übereinandergelegten Einheiten 17A, 17B werden an einer dritten Umfangsposition, hier auf 6 Uhr, an eine nachfolgende Einrichtung zur Bildung eines Basisstapels 25 bzw. eines Zellstapel 10 abgegeben.
Eine Maschine 50 zur Erzeugung von Zellstapeln 10 ist schematisch in Figur 18 gezeigt. Die Maschine 50 weist einen Abschnitt 51 zur Erzeugung erster Einheiten 17A aus bahnförmigen Ausgangsmaterialien 53 und einen Abschnitt 52 zur Erzeugung zweiter Einheiten 17B auf. Der erste Abschnitt 51 weist ggf. eine Zusammenführ- und Laminiervorrichtung 55 zur Erzeugung einer Verbundbahn 60 und eine Schneidvorrichtung 57 zum Schneiden der Verbundbahn 60 in erste Einheiten 17A auf. Der zweite Abschnitt 52 weist ggf. eine Zu- sammenführ- und Laminiervorrichtung 56 zur Erzeugung einer Verbundbahn 61 und eine Schneidvorrichtung 58 zum Schneiden der Verbundbahn 61 in zweite Einheiten 17B auf. Die ersten Einheiten 17A und die zweiten Einheiten 17B werden dann der Stapelstation 40 zum abwechselnden Stapeln zugeführt.
Vorzugsweise weist die Maschine 50 mindestens einen Speicher 59 zum Speichern mindestens eines Typs von Einheiten 17B auf. Der Speicher 59 kann beispielsweise als Tänzer oder in anderer geeigneter Weise ausgeführt sein. Der Speicher 59 dient zum Zwischenspeichern von Einheiten 17B, um unterschiedliche Produktionsgeschwindigkeiten und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Einheiten verschiedener Typen im Zellstapel 10 ausgleichen zu können. Es ist möglich, für eine Mehrzahl von Einheiten 17A, 17B oder für jeden Typ von Einheiten 16, 17, 17A, 17B einen eigenen Speicher 59 vorzusehen.
Die in Figur 18 gezeigte Maschine 50 ist auf mehr als zwei Materialien bzw. Typen von Einheiten 17A, 17B verallgemeinerbar.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung eines Zellstapels der Energiezellen produzierenden Industrie, umfassend die Schritte:
- Herstellung von Einheiten (16; 17A) eines ersten Typs aus jeweils mindestens einer Elektrode (13, 15) und/oder mindestens einem Separator (12, 14);
- Herstellung von Einheiten (17; 17B) mindestens eines weiteren Typs aus jeweils mindestens einer Elektrode (13, 15) und/oder mindestens einem Separator (12, 14);
- Stapeln der Einheiten (16, 17, 17A, 17B) zur Herstellung eines Zellstapels (10);
- wobei mindestens ein Typ von Einheiten (16, 17, 17A, 17B) als mehrschichtige Einheit gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede mehrschichtige Einheit als Verbundeinheit (20-24) vorgefertigt und beim Stapeln zur Herstellung des Zellstapels (10) als Ganzes in einem Schritt verarbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend eine Abschlusseinheit (16) in Form einer Separator-Elektrode-Separator-Verbundeinheit (20) und Basiseinheiten (17) in Form vorgefertigter Monozellen (21) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend Basiseinheiten (17A) in Form einer Separator-Anode-Verbundeinheit (22) und Basiseinheiten (17B) in Form einer Separator-Kathode-Verbundeinheit gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschlusseinheit (16) in Form eines Separators (14) vorgesehen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend Basiseinheiten (17A) in Form einer Separator-Elektrode (13,15)-Separator-Verbundeinheit (20, 23) und Basiseinheiten (17B) in Form einer Gegenelektrode (15, 13) gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Abschlusseinheiten (16) in Form einer Separator-Gegenelektrode
(15.13)-Verbundeinheit (22) vorgesehen sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Abschlusseinheiten (16) in Form einer Gegenelektrode (15, 13) vorgesehen sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend Basiseinheiten (17A) in Form einer Elektrode (15,13)-Separator-Gegenelektrode (13,15)-Verbund- einheit (24), Basiseinheiten (17B) in Form eines Separators (14) und eine Abschlusseinheit (16) in Form einer Separator- Gegenelektrode (13, 15)-Separator-Verbundeinheit (20) gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend Basiseinheiten (17A) in Form einer Separator-Elektrode (13,15)-Separator-Verbundeinheit (20) und Basiseinheiten (17B) in Form einer Gegenelektrode
(15.13)-Separator- Elektrode (13,15)-Separator-Gegenelektrode (15,13)-Verbundeinheit (26) gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend Basiseinheiten (17) in Form vorgefertigter Monozellen (21) und eine Abschlusseinheit (16) in Form einer Elektrode (13, 15) gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend Basiseinheiten (17) in Form vorgefertigter Monozellen (21) und eine Abschlusseinheit (16) in Form einer Elektrode-Separator-Gegenelektrode-Separator- Elektrode-Verbundeinheit (26) gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend gleichartigen Basiseinheiten (17) und zwei von den Basiseinheiten (17) jeweils verschiedene, untereinander gleiche oder untereinander unterschiedliche Abschlusseinheiten (16) gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Basiseinheiten (17) in Form vorgefertigter Monozellen (21), eine Abschlusseinheit (16) in Form einer Elektrode-Separator- Gegenelektrode-Verbundeinheit (24) und eine Abschlusseinheit (16) in Form einer Elektrode-Separator-Verbundeinheit (22) vorgesehen sind.
14. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellstapel (10) umfassend mindestens eine U-Verbundeinheit (27-29) in Form eines U-förmigen Separators (18) und einer dazwischen angeordneten Elektrode (13, 15) gebildet wird. 21
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Verbundeinheit (29) eine außen an dem U-Separator (18) angeordnete Gegenelektrode (15, 13) aufweist.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere im Falle mindestens einer außenliegenden Elektrode (13, 15) des Zellstapels (10) folgender weiterer Schritt vorgesehen ist:
- Umwickeln des Zellstapels (10) mit einem Isolator, insbesondere mit Separatorfolie, oder
- ein- oder beidseitiges Abschließen des Zellstapels mit Separatoren (12, 14) oder dem freien Ende mindestens eines verlängerten Separators (19).
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgefertigte Abschlusseinheit (16) abgelegt wird und danach Basiseinheiten (17; 17A, 17B) nacheinander auf die Abschlusseinheit (16) gestapelt werden.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine verlängerte Separatorfolie (19) in mindestens einer außenliegenden Einheit (16, 17, 17A, 17B) des Zellstapels (10) vorgesehen.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass folgender weitere Schritt vorgesehen ist:
- Umwickeln des Zellstapels (10) mit dem freien Ende der verlängerten Separatorfolie (19); und/oder
- Umlegen des freien Endes der verlängerten Separatorfolie (19) auf eine freiliegende Elektrode (13, 15). 22 Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode (13) in einer Basiseinheit (17) zweiseitig beschichtet und eine Anode (13) in einer Abschlusseinheit (16) einseitig, insbesondere nur einseitig, beschichtet ist. Maschine (50) der Energiezellen produzierenden Industrie, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (50) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist und zu diesem Zweck eine Stapelstation (40) zum Stapeln der Einheiten (16, 17, 17A, 17B) zur Herstellung eines Zellstapels (10) aufweist. Maschine (50) nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (50) mindestens einen Speicher (59) zum Zwischenspeichern mindestens eines Typs von Einheiten (17B) aufweist. Maschine (50) der Energiezellen produzierenden Industrie, insbesondere nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (50) in einer Betriebsart A und in einer Betriebsart B betreibbar ausgebildet und eingerichtet ist, wobei in der Betriebsart A Einheiten (16, 17, 17A, 17B) von einem Typ A herstellbar sind und in der Betriebsart B Einheiten (16, 17, 17A, 17B) von einem von Typ A verschiedenen Typ B herstellbar sind, und wobei in der Betriebsart A oder in der Betriebsart B oder in einer weiteren Betriebsart die Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ A zur Herstellung eines Zellstapels (10) mit den Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ B kombinierbar sind. 23 Maschine (50) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (50) eine erste Maschine (51) und eine zweite Maschine (52) aufweist, wobei die erste Maschine (51) mit der zweiten Maschine (52) über einen Zuführpfad zum Zuführen der Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ A verbunden ist und die erste Maschine (51) ausgebildet und eingerichtet ist, in der Betriebsart A Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ A herzustellen und die zweite Maschine (52) ausgebildet und eingerichtet ist, in der Betriebsart B Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ B herzustellen, und wobei die zugeführten Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ A zur Herstellung eines Zellstapels (10) mit den Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ B kombinierbar sind. Maschine (50) nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Stapelstation (40) zur Herstellung eines Zellstapels (10) und eine Speicherstation (59) für die Einheiten (16, 17, 17A, 17B) vom Typ A oder vom Typ B aufweist und die Speicherstation (59) in die Stapelstation (40) integriert oder dieser vorgeordnet oder nachgeordnet ist.
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