EP4430691A1 - Verfahren zur herstellung von stapelförmigen energiezellen und herstelleinrichtung zur herstellung von stapelförmigen energiezellen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von stapelförmigen energiezellen und herstelleinrichtung zur herstellung von stapelförmigen energiezellen

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Publication number
EP4430691A1
EP4430691A1 EP22813124.9A EP22813124A EP4430691A1 EP 4430691 A1 EP4430691 A1 EP 4430691A1 EP 22813124 A EP22813124 A EP 22813124A EP 4430691 A1 EP4430691 A1 EP 4430691A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
cathode
separator
stacks
products
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22813124.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Meinke
Michael Kleine Wächter
Jan Kreysern
Nils Hofmann
Manfred Folger
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
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102021212280.9A external-priority patent/DE102021212280A1/de
Priority claimed from DE102022105433.0A external-priority patent/DE102022105433A1/de
Application filed by Koerber Technologies GmbH filed Critical Koerber Technologies GmbH
Publication of EP4430691A1 publication Critical patent/EP4430691A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • 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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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general

Definitions

  • the invention relates to a method for producing stacked energy cells with the features of the preamble of claim 1 and a production device for producing stacked energy cells with the features of the preamble of claim 9.
  • Energy cells or energy storage according to the invention are used in motor vehicles, other land vehicles, ships, airplanes or in stationary systems such as photovoltaic systems in the form of battery cells or fuel cells, where very large amounts of energy have to be stored over longer periods of time.
  • energy cells have a structure made up of a large number of segments stacked to form a stack. These segments are each alternating anode sheets and cathode sheets separated by separator sheets also made as segments. The segments are pre-cut in the manufacturing process and then placed on top of each other to form the stacks in the predetermined order and connected to one another by lamination.
  • the anode sheets and cathode sheets are first cut from a continuous web and then individually placed at intervals on a continuous web of a separator material.
  • This subsequently formed "double-layered" endless web of separator material with the applied anode sheets or cathode sheets is then a second step again cut into segments with a cutting device, the segments in this case being formed in two layers by a separator sheet with an anode sheet or cathode sheet arranged thereon.
  • the endless webs of the separator material with the anode sheets and cathode sheets placed on top of one another can also be placed on top of one another before cutting, so that an endless web with a first endless layer of the separator material with anode sheets or cathode sheets placed on it and a second endless layer of the separator material with anode sheets or cathode sheets in turn laid thereon.
  • This “four-layer” continuous web is then cut into segments by means of a cutting device, which in this case are formed in four layers with a first separator sheet, an anode sheet, a second separator sheet and a cathode sheet lying thereon.
  • Battery cells for example for electromobility, are now manufactured on production systems with an output of 100 to 240 mono cells per minute. These work in sub-areas or continuously with clocked discontinuous movements, such as back and forth movements, and are therefore limited in terms of production output.
  • a large part of the known machines works in the single-sheet stacking process (eg “pick and place”) with the disadvantage of slower processing. The laminating of cell formations is not possible here.
  • the segments are laid one on top of the other in a first step to form the so-called monocells consisting of a first separator sheet, an anode sheet arranged thereon, a second separator sheet arranged thereon and a cathode sheet arranged thereon.
  • the separator sheets can first be guided as two endless webs, with the already cut segments in the form of the anode sheets being placed on one of the endless webs and the already cut segments in the form of the cathode sheets being placed on the other endless web and connected to one another by a lamination process.
  • the composite webs prefabricated in this way are then connected to one another in a further lamination process to form a four-layer composite web.
  • the monocells are then cut from the composite web by cutting through the spaces between the successive anode sheets and cathode sheets, respectively.
  • the continuous webs made of the separator material with the anode sheets and cathode sheets arranged thereon can also be cut, with the monocells then being produced by a downstream composite process of a first cut separator sheet with an anode and a second cut separator sheet with a cathode.
  • the segments are then stacked into a stack of a plurality of segments. If the segments are monocells or separator sheets with anode or cathode sheets arranged thereon, a cathode or anode is located on a free side face of the stack. However, the finished stack of the multiplicity of monocells has to go to both Sides of the surface so be covered on the top and bottom by a separator sheet.
  • the invention is based on the object of providing a method and a production device for producing stacked energy cells, which enable production of the energy cells in a continuous production process at the highest possible piece rate.
  • the advantage of the proposed method can be seen in the fact that the energy cells with their separator sheets arranged on the bottom and top can be produced very easily by first feeding in the partial stacks, with the partial stacks also consisting of a large number of pre-stacked identical sub-stacks can exist to. These sub-stacks are then completed in the second step to form the complete energy cell by adding the or the other prefabricated preliminary product(s).
  • the supplemented preliminary products can be individual separator sheets, anodes, cathodes or combinations thereof.
  • the pre-products can be placed, placed in between or underneath in relation to the partial stack, depending on the alignment and design of the partial stack to be supplemented. If process engineering advantages can be achieved as a result, the preliminary products can also be fed in first and the partial stacks can then be placed on top of the preliminary products, under the preliminary products or between the preliminary products.
  • a particularly simple completion of the energy cells can be realized by stacking a large number of sub-stacks, each with a free anode or a free cathode to form a composite stack, and the composite stack by placing a precursor in the form of a separator sheet or in the form of a combination of two on top or underneath or more separator sheets is completed with at least one anode and/or cathode therebetween. Due to the design and the stacking, the composite stacks have a free anode or cathode on one surface, while the other surface is already formed by a separator sheet.
  • the free anode or cathode of the composite stack is covered by the preliminary product, which then realizes the surface of the composite stack as a separator sheet due to its design as a separator sheet or as a combination of several separator sheets with anodes or cathodes arranged in between. Since the composite stack itself now has a separator sheet on both sides due to the preliminary product, the previously completed composite stack can be further enlarged by applying a further partial stack or composite stack with a free anode or cathode on its surface.
  • the plurality of sub-stacks in the composite stack be formed from a first group, each with a separator sheet and each an anode, and a second group, each with a separator sheet and each a cathode, with the sub-stacks of the first group and the second group alternating and are arranged with an identical orientation of the separator sheet.
  • the sub-stacks are each formed by two separator sheets and an anode arranged between them and the preliminary products are formed by cathodes arranged between two sub-stacks in each case.
  • the partial stacks can thus be produced from two separator sheets and an anode arranged between them as identical parts in very large quantities in a favorable process.
  • the sub-stacks are then arranged between the sub-stacks by interposing the cathodes between the sub-stacks or placing a cathode on top of a sub-stack and placing another sub-stack on the cathode.
  • the partial stacks with the central anode are designed symmetrically with two identical surfaces and therefore do not require any special alignment of the surfaces for further processing.
  • the partial stacks do not have a free anode or cathode and are therefore much easier to handle, since the more sensitive and expensive anodes and cathodes are covered on both sides by separator sheets and are therefore protected.
  • handling can be made more robust, and the probability of damage and a functional impairment of the energy cell caused thereby can be reduced.
  • This is also due to the fact that minor impacts on the sparator blades have less of an impact on the functionality of the energy cell, since they only serve to separate the anodes and cathodes and to conduct the charge carriers in the energy cell.
  • the anodes in the sub-stacks are practically wrapped up by the separator sheets on both sides, so that undesired release of particles from the anodes can be reduced.
  • a preliminary product in the form of a combination of a separator sheet with a cathode arranged thereon is placed on at least one of the outer partial stacks with the cathode side.
  • the proposed further development allows the stack height to be increased in a simple manner, starting from the partial stacks.
  • the sub-stacks are each formed by two separator sheets and a cathode arranged between them, and the preliminary products are formed by anodes arranged between the sub-stacks.
  • the sub-stacks can thus be produced in an analogous manner from two separator sheets and a cathode arranged between them as identical parts in very large quantities.
  • the sub-stacks are then arranged between the sub-stacks by interposing the anodes between the sub-stacks or placing an anode on a sub-stack and placing another sub-stack on the anode between the sub-stacks.
  • the partial stacks with the central cathode are designed symmetrically with two identical surfaces and thus set the stage for further work. processing does not require any special alignment of the surfaces. Furthermore, this results in further advantages for handling, as are also achieved by the above-described arrangement of the partial stacks with two separator sheets and in each case an anode arranged between them.
  • a preliminary product in the form of a combination of a separator sheet with an anode arranged thereon is placed on at least one of the outer partial stacks with the anode side. Due to the proposed further development, the stack height can also be increased in this case in a simple manner, starting from the partial stacks.
  • a first feed device in which partial stacks of at least one separator sheet and at least one anode and/or at least one cathode or composite stack of a large number of such partial stacks are fed, and - a second feed device is provided, which feeds prefabricated preliminary products from at least one separator sheet , an anode, a cathode or a combination thereof, and
  • -a combination device which completes the energy cells by placing the pre-products on, under or between the partial stacks.
  • the proposed manufacturing facility enables a very high production capacity of the energy cells.
  • a first and a second feed device are provided in the manufacturing device, via which prefabricated partial stacks and preliminary products Combination device are supplied, which are then connected to each other in the combination device in a continuous or repetitive connection process.
  • a magazine in which the preliminary products are stored in magazines, and the preliminary products are fed from the magazine to the combination device.
  • the magazine creates a supply of preliminary products in the production facility, from which the preliminary products are supplied.
  • the magazine is refilled regularly, which can be done by an additional feed device or by manual filling.
  • the magazine practically forms an intermediate store for the preliminary products, which enables the production facility to operate independently with regard to a further supply of the preliminary products until the preliminary products stored in the magazine are used up.
  • the preliminary products can be stored in the magazine in the form of stacks.
  • the magazine can also be formed by a wound-up strip in which the primary products are stored in a state that is connected to one another. The primary products are then cut into individual primary products in a first step in the second feed device and then fed to the combination device in individual form after cutting.
  • FIG. 1 shows a partial stack and a preliminary product of an energy cell
  • FIG. 2 four endless webs for the production of partial stacks with two separator sheets, an anode and a cathode and a stacking of the partial stacks to form composite stacks
  • FIG. 3 shows three endless webs for the production of preliminary products with two separator sheets and an anode and a stacking of the preliminary products in a magazine
  • FIG. 5 shows a schematically illustrated production device with a magazine in the form of a stack from which the primary products are fed
  • FIG. 6 shows a diagrammatically represented production device with a magazine in the form of a coiled strip from which the pre-products are cut and supplied;
  • FIG. 8 shows an energy cell with a preliminary product with two separator sheets and an anode arranged between them and two composite stacks applied on both sides.
  • 9 shows an energy cell with a plurality of partial stacks each consisting of a separator sheet and an anode or a cathode and a preliminary product in the form of a single separator sheet;
  • FIG. 10 shows an energy cell with a plurality of partial stacks each consisting of two separator sheets with an anode arranged in between and two preliminary products in the form of a cathode each arranged in between;
  • FIG. 11 shows an energy cell with several partial stacks each consisting of two separator sheets with a cathode arranged in between and two intermediate products in the form of an anode each and two externally applied intermediate products in the form of a separator sheet each with an anode.
  • FIG. 1 shows an exemplary stacking of an energy cell EZ from a composite stack nx II comprising a multiplicity of partial stacks II and a preliminary product I according to a first exemplary embodiment.
  • the sub-stacks II each comprise a cathode K arranged on the upper side, which lies on a first separator sheet S1, which in turn lies on an anode A, which lies on a second separator sheet S2.
  • the structure of the partial stack II thus corresponds to the structure of a mono cell.
  • the preliminary product I comprises on its upper side a first separator sheet S1, which rests on an anode A, which in turn rests on a second separator sheet S2.
  • the preliminary product thus has a separator sheet S1 and S2 on both sides and, after being placed on the composite stack nx II, covers the free cathode K of the composite stack nx II on the outside. Since that Preliminary product I has a separator sheet S1 and S2 on both sides, so the finished energy cell EZ also has a separator sheet S1 on the side of the composite stack nx II, which was previously formed by the free cathode K.
  • FIG. 2 shows the production of the composite stack nx II of FIG.
  • endless webs E1 to E4 are provided, which are each fed from a roll.
  • the first continuous web E1 is formed by the material of the first separator sheets S1
  • the second continuous web E2 is formed from anode material
  • the third continuous web E3 is formed from the material of the second separator sheets S2
  • the fourth continuous web E4 is finally formed from the cathode material.
  • the second and fourth endless webs E2 and E4 are cut into anodes A and cathodes K of a predetermined width by means of a cutting device (not shown), which are then pulled apart to greater distances, for example via a pitch change drum or other spreading device, and spaced to one endless web each E1 or E3 can be presented.
  • the anodes A are first placed on the endless web E1 of the first separator sheets S1, then the endless web E3 of the second separator sheets S2 is placed on the anodes A, on which the isolated cathodes K are finally placed.
  • a four-layer endless web is formed, which is then cut into the individual sub-stacks II according to FIG.
  • the sub-stacks II are then stacked by means of a stacking device to form the composite stack nx II.
  • the preliminary products I can be produced according to the same principle as can be seen in FIG. Depending on the structure of the preliminary products I, these are made from one, two or three endless webs.
  • the preliminary products I have three layers and are produced from a first continuous web E1 of a material from the first separator sheets S1, a second continuous web E2 from an anode material and a third continuous web E3 from the material of the second separator sheets S2.
  • the anodes A are again cut into anodes A of a predetermined width by means of a cutting device and placed on the first endless web E1.
  • the third endless web E3 is then placed on the cut anodes A, so that a three-layer endless web is formed.
  • This three-layer endless web is then either wound up to form a magazine M in the form of a roll, as can be seen in FIG.
  • the endless web can also be cut into the preliminary products I of the predetermined width by means of a further cutting device by cutting through the gaps between the successive anodes A and stacked to form a magazine M, as can be seen in FIG.
  • the composite stacks nx II are fed in via a first feed device 1, and the preliminary products I are fed in from a magazine M via a second feed device 2 and then connected to one another in a combination device 3 to form the individual cells EZ, as shown in Figures 5 and 6 can be seen.
  • the magazine M is formed by a stack of precut, i.e. finished, preliminary products I, while the magazine M in the exemplary embodiment in FIG - before they are placed on the composite stack nx II.
  • the magazine M in the form of a stack has the advantage that the preliminary products I can be removed from the magazine M and fed to the combination device 3 without further preparation.
  • the stack can preferably be aligned in such a way that the primary products I are removed in the direction of their surface normal in a purely linear removal movement with the lowest possible lateral forces.
  • the magazine M in the form of a band has the advantage that a very large number of pre-products can be stored in it in a very space-saving form. Furthermore, the magazine M in the form of the roll can be handled very easily as a result, for which purpose it is particularly advantageous that the preliminary products I are still connected to one another in the band.
  • the preliminary products I of FIG. 3 with the two separator sheets S1 and S2 and the anode A arranged between them can be produced very easily in accordance with the partial stacks II of FIG.
  • the structure of the energy cell EZ in Figure 7 corresponds to that of the energy cell EZ in Figure 1, with the difference that here the composite stack nx II with the free cathode K is placed on the preliminary product I and not the preliminary product I on the composite stack nx II as in FIG FIG. 1. In terms of the process, however, it is advantageous after “replenishing” the preliminary products I according to FIG .
  • FIG. 8 shows another exemplary embodiment, in which the energy cell EZ from FIG. 1 or FIG a free cathode K is applied.
  • an enlarged energy cell EZ can be created using a single preliminary product I.
  • Figure 9 shows an energy cell EZ in which the multiplicity of sub-stacks II in the compound stack nx II consist of a first group each with a first separator sheet S1 and each anode A and a second group each with a second separator sheet S2 and each one Cathode K are formed, the sub-stacks II of the first group and the second group being arranged alternately and with an identical alignment of the separator sheets S1 and S2, or in other words the anodes A and the cathodes K are always on the same side of the separator sheets S1 and S2 in this case located at the top.
  • the preliminary product I is formed by a single third separator sheet S3, which is preferably identical to the first and the second separator sheet S1 and S2.
  • the third separator sheet S3 is from the top placed on the free anode A of the composite stack nx II and thus forms the free surface of the energy cell EZ.
  • the partial stacks II are each formed by two separator sheets S1 and S2 and an anode A arranged between them, and the primary products I are each formed by a cathode K arranged between two partial stacks II.
  • the partial stacks II can be produced from two separator sheets S1 and S2 and an anode A arranged between them as identical parts in very large numbers, which is favorable in terms of process technology.
  • the sub-stacks II are then arranged by interposing the cathodes K between the sub-stacks II or placing a cathode K on a sub-stack II and placing a further sub-stack II on the cathode K between the sub-stacks II.
  • the sub-stacks II with the central anode A are designed symmetrically with two identical surfaces and therefore do not require any special alignment of their surfaces for their further processing. Furthermore, the partial stacks II can thus be handled more easily via the free separator sheets S1 and S2, without the anodes A (FIG. 10) or cathodes K (FIG. 11) arranged between them having to be contacted in the process. This is advantageous insofar as the anodes A and cathodes K are fundamentally more sensitive, more expensive and of greater importance for the functionality of the energy cell EZ. In addition, this can reduce the particle release from the anodes A and the cathodes K, which in turn can reduce the pollution of the plant and the environment in general.
  • the energy cell EZ here comprises a number of sub-stacks II, which are each formed by two separator sheets S1 and S2 with a cathode K arranged between them.
  • the preliminary products I are formed here by individual anodes A, which are arranged between the sub-stacks II.
  • the stack height of the energy cell EZ is further increased by placing further pre-products I on top or underneath by means of a respective separator sheet S1 or S2 with an anode A arranged thereon.
  • the composite stacks n x II and the preliminary products I are fed into the production device according to the invention by separate feed devices 1 and 2 and connected to one another in a combination device 3 in a continuous or repetitive composite process and then finally discharged as finished stacked energy cells EZ.
  • the energy cells are then further processed through the further processing steps into a ready-to-use battery cell.
  • the preliminary products I are stored in magazines and the preliminary products I are fed from the magazine M to the combination device 3 .
  • the magazine M creates a supply of preliminary products I in the production facility, from which the preliminary products I are supplied.
  • the magazine M is filled up regularly, which can be done by a further feed device or by manual filling.
  • an autonomous production of the energy cells EZ can be realized in relation to the supply of the preliminary products I until the magazine M has been used up.
  • placing the preliminary products I on the composite stack nx II or the partial stack II is preferred, since the preliminary products I are fundamentally smaller or lighter than the partial stack II and the composite stack nx II and can therefore be handled more easily and with more precise positioning. If the manufacture of the energy cell EZ requires this, the preliminary products I can also be placed underneath or in between when the partial stack II and the compound stack nx II are stacked, in which the sequence of stacking is adjusted accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen (EZ) mit - einer Vielzahl von Separatorblättern (S1, S2, S3), und - einer Vielzahl von zwischen den Separatorblättern (S1, S2, S3) wechselweise angeordneten Anoden (A) und Kathoden (K), wobei - die Energiezellen (EZ) an ihren Oberseiten und ihren Unterseiten jeweils ein Separatorblatt (S1, S2, S3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem ersten Fertigungsschritt Teilstapel (II) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1, S2, S3) und wenigstens einer Anode (A) und/oder wenigstens einer Kathode (K) zugeführt werden, und - die Energiezellen (EZ) in einem zweiten Fertigungsschritt durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen von vorgefertigten Vorprodukten (I) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1, S2, S3), einer Anode (A), einer Kathode (K) oder eine Kombination davon an die Teilstapel (II) zu den Energiezellen (EZ) vervollständigt werden.

Description

verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen und Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und eine Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9.
Energiezellen oder auch Energiespeicher im Sinne der Erfindung werden z.B. in Kraftfahrzeugen, sonstigen Landfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder auch in stationären Anlagen wie z.B. Photovoltaikanlagen in Form von Batteriezellen oder Brennstoffzellen verwendet, bei denen sehr große Energiemengen über größere Zeiträume gespeichert werden müssen. Dazu weisen solche Energiezellen eine Struktur aus einer Vielzahl von zu einem Stapel gestapelten Segmenten auf. Diese Segmente sind jeweils sich abwechselnde Anodenblätter und Kathodenblätter, die durch ebenfalls als Segmente hergestellte Separatorblätter voneinander getrennt sind. Die Segmente werden in dem Herstellungsprozess vorgeschnitten und dann zu den Stapeln in der vorbestimmten Reihenfolge aufeinandergelegt und durch Laminieren miteinander verbunden. Dabei werden die Anodenblätter und Kathodenblätter zuerst von einer Endlosbahn geschnitten und dann vereinzelt in Abständen auf jeweils eine Endlosbahn eines Separatormaterials aufgelegt. Diese anschließend gebildete „doppellagige“ Endlosbahn aus dem Separatormaterial mit den aufgelegten Anodenblättern oder Kathodenblättern wird dann in einem zweiten Schritt wieder mit einer Schneidvorrichtung in Segmente geschnitten, wobei die Segmente in diesem Fall doppellagig durch ein Separatorblatt mit einem darauf angeordneten Anodenblatt oder Kathodenblatt gebildet sind. Sofern dies fertigungstechnisch machbar oder erforderlich ist, können die Endlosbahnen des Separatormaterials mit den aufgelegten Anodenblättern und Katho- denblättern auch vor dem Schneiden aufeinandergelegt werden, so dass eine Endlosbahn mit einer ersten endlosen Schicht des Separatormaterials mit darauf aufgelegten Anodenblättern oder Katho- denblättern und einer zweiten endlosen Schicht des Separatormaterials mit wiederum darauf aufgelegten Anodenblättern oder Katho- denblättern gebildet wird. Diese „vierlagige“ Endlosbahn wird dann mittels einer Schneidvorrichtung in Segmente geschnitten, welche in diesem Fall vierlagig mit einem ersten Separatorblatt, einem Anodenblatt, einem zweiten Separatorblatt und einem darauf anliegenden Kathodenblatt gebildet sind. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass ein Schnitt gespart werden kann.
Vorrichtungen zur Herstellung von Batteriezellen sind beispielsweise aus der WO 2016/041713 A1 und der DE 10 2017 216 213 A1 bekannt.
Die Herstellung von Batteriezellen beispielsweise für Elektromobilität erfolgt heute auf Produktionsanlagen mit einer Leistung von 100 bis 240 Monozellen pro Minute. Diese arbeiten in Teilbereichen oder durchgehend mit getakteten diskontinuierlichen Bewegungen, etwa Hin- und Her-Bewegungen, und sind damit hinsichtlich der Produktionsleistung limitiert. Ein Großteil der bekannten Maschinen arbeitet im Einzelblatt-Stapelverfahren (z.B. „Pick and Place“) mit dem Nachteil einer langsameren Verarbeitung. Das Laminieren von Zellformationen ist hier nicht möglich. Die Segmente werden in einem vorgelagerten Herstellungsschritt dabei in einem ersten Schritt zu den sogenannten Monozellen bestehend aus einem ersten Separatorblatt, einem darauf angeordneten Anodenblatt, einem darauf angeordneten zweiten Separatorblatt und einem darauf angeordneten Kathodenblatt aufeinandergelegt. Alternativ können die Separatorblätter zunächst als zwei Endlosbahnen geführt werden, wobei dann auf eine der Endlosbahnen die bereits geschnittenen Segmente in Form der Anodenblätter und auf die andere Endlosbahn bereits geschnittene Segmente in Form der Kathodenblätter aufgelegt und durch einen Laminierungsprozess miteinander verbunden werden. Anschließend werden die so vorgefertigten Verbundbahnen in einem weiteren Laminierungsprozess miteinander zu einer dann vierlagigen Verbundbahn miteinander verbunden. Die Monozellen werden dann durch einen Schnitt durch die Abstände zwischen den aufeinander folgenden Anodenblättern bzw. Kathodenblättern von der Verbundbahn geschnitten. Alternativ können die Endlosbahnen aus dem Separatormaterial mit den darauf angeordneten Anodenblättern und Kathodenblättern auch geschnitten werden, wobei die Monozellen dann durch einen nachgelagerten Verbundprozess von jeweils einem ersten geschnittenen Separatorblatt mit einer Anode mit einem zweiten geschnittenen Separatorblatt mit einer Kathode hergestellt werden.
Die Segmente werden dann zu einem Stapel aus einer Vielzahl von Segmenten aufeinandergestapelt. Sofern es sich bei den Segmenten um Monozellen oder Separatorblätter mit darauf angeordneten Anoden- oder Kathodenblättern handelt, befindet sich an einer freien Seitenfläche des Stapels eine Kathode oder Anode. Der fertige Stapel aus der Vielzahl von Monozellen muß jedoch zu beiden Seiten der Oberfläche also an der Oberseite und an der Unterseite durch jeweils ein Separatorblatt abgedeckt sein.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen zu liefern, welche eine Herstellung der Energiezellen in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess in einer möglichst hohen Stückrate ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Herstelleinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 9 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Gemäß dem Grundgedanken des nach Anspruch 1 vorgeschlagenen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt Teilstapel aus wenigstens einem Separatorblatt und wenigstens einer Anode und/oder wenigstens einer Kathode zugeführt werden, und die Energiezellen in einem zweiten Schritt durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen von vorgefertigten Vorprodukten aus wenigstens einem Separatorblatt, einer Anode, einer Kathode oder eine Kombination davon an die Teilstapel zu den Energiezellen vervollständigt werden.
Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Energiezellen mit ihren an der Unterseite und der Oberseite angeordneten Separatorblättern sehr einfach hergestellt werden können, indem zunächst die Teilstapel zugeführt werden, wobei die Teilstapel je nach der zu realisierenden Stapelhöhe auch aus einer Vielzahl von vorgestapelten identischen Teilstapeln bestehen kön- nen. Diese Teilstapel werden dann durch Ergänzen des oder der weiteren vorgefertigten Vorprodukte(s) in dem zweiten Schritt zu der kompletten Energiezelle vervollständigt. Je nach dem Aufbau der Teilstapel bzw. der Vielzahl der Teilstapel können die ergänzten Vorprodukte einzelne Separatorblätter, Anoden, Kathoden oder auch Kombinationen davon sein. Dabei können die Vorprodukte in Bezug auf den Teilstapel aufgelegt, zwischengelegt oder auch untergelegt werden, je nach der Ausrichtung und Ausbildung des zu ergänzenden Teilstapels. Sofern hierdurch prozesstechnische Vorteile erzielt werden können, können die Vorprodukte auch zuerst zugeführt werden und die Teilstapel dann auf die Vorprodukte, unter die Vorprodukte oder zwischen die Vorprodukte gelegt werden.
Eine besonders einfache Komplettierung der Energiezellen kann dadurch verwirklicht werden, indem eine Vielzahl von Teilstapeln mit jeweils einer freien Anode oder einer freien Kathode zu einem Verbundstapel aufgestapelt werden, und der Verbundstapel durch Aufoder Unterlegen eines Vorproduktes in Form eines Separatorblattes oder in Form einer Kombination aus zwei oder mehr Separatorblättern mit wenigstens einer dazwischen angeordneten Anode und/oder einer dazwischen angeordneten Kathode vervollständigt wird. Die Verbundstapel weisen aufgrund der Ausbildung und der Stapelung Teilstapel an ihrer einen Oberfläche eine freie Anode oder Kathode auf, während die andere Oberfläche bereits durch ein Separatorblatt gebildet ist. Die freie Anode oder Kathode des Verbundstapels wird durch das Vorprodukt abgedeckt, welches aufgrund seiner Ausbildung als Separatorblatt oder als Kombination von mehreren Separatorblättern mit dazwischen angeordneten Anoden oder Kathoden dann die Oberfläche des Verbundstapels als Separatorblatt verwirklicht. Da der Verbundstapel aufgrund des Vorproduktes nunmehr selbst an beiden Seiten jeweils ein Separatorblatt aufweist, kann der vorher komplettierte Verbundstapel durch Anlegen eines weiteren Teilstapels oder Verbundstapels mit einer freien Anode oder Kathode an seiner Oberfläche weiter vergrößert werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Vielzahl der Teilstapel in dem Verbundstapel aus einer ersten Gruppe mit jeweils einem Separatorblatt und jeweils einer Anode und einer zweiten Gruppe aus jeweils einem Separatorblatt und jeweils einer Kathode gebildet sind, wobei die Teilstapel der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe wechselweise und mit einer identischen Ausrichtung des Separatorblattes angeordnet sind.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Teilstapel durch jeweils zwei Separatorblätter und eine dazwischen angeordnete Anode und die Vorprodukte durch zwischen jeweils zwei Teilstapeln angeordnete Kathoden gebildet sind. Die Teilstapel können dadurch prozesstechnisch günstig aus zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Anode als Gleichteile in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden. Die Teilstapel werden dann durch Zwischenlegen der Kathoden zwischen die Teilstapel oder Auflegen einer Kathode auf einen Teilstapel und Auflegen eines weiteren Teilstapels auf die Kathode zwischen den Teilstapeln angeordnet. Dabei sind die Teilstapel mit der mittigen Anode symmetrisch mit zwei identischen Oberflächen ausgebildet und setzen damit für ihre Weiterarbeitung keine spezielle Ausrichtung der Oberflächen voraus. Ferner weisen die Teilstapel dadurch keine freie Anode oder Kathode auf und sind dadurch wesentlich einfacher zu handhaben, da die empfindlicheren und teureren Anoden und Kathoden zu beiden Seiten durch Separatorblätter abgedeckt und dadurch geschützt sind. Dadurch kann die Handhabung robuster gestaltet werden, bzw. es kann dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung und einer dadurch bedingte Funktionsbeeinträchtigung der Energiezelle reduziert werden. Dies ist auch dadurch bedingt, da geringfügige Einwirkungen auf die Sparatorblätter einen geringeren Einfluss auf die Funktionsfähigkeit der Energiezelle haben, da sie nur der Trennung der Anoden und Kathoden und der Durchleitung der Ladungsträger in der Energiezelle dienen. Ferner sind die Anoden in den Teilstapeln durch die beidseitigen Separatorblätter praktisch eingepackt, so dass unerwünschte Partikelfreisetzungen von den Anoden reduziert werden können.
Dabei wird in diesem Fall weiter vorgeschlagen, dass auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel ein Vorprodukt in Form einer Kombination eines Separatorblattes mit einer darauf angeordneten Kathode mit der Kathodenseite aufgelegt wird. Durch die vorgeschlagene Weiterentwicklung kann die Stapelhöhe ausgehend von den Teilstapeln auf einfache Art und Weise erhöht werden.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Teilstapel durch jeweils zwei Separatorblätter und eine dazwischen angeordnete Kathode und die Vorprodukte durch zwischen den Teilstapeln angeordnete Anoden gebildet sind. Die Teilstapel können dadurch in analoger Weise prozesstechnisch günstig aus zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Kathode als Gleichteile in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden. Die Teilstapel werden dann durch Zwischenlegen der Anoden zwischen die Teilstapel oder Auflegen einer Anode auf einen Teilstapel und Auflegen eines weiteren Teilstapels auf die Anode zwischen den Teilstapeln angeordnet. Dabei sind die Teilstapel mit der mittigen Kathode symmetrisch mit zwei identischen Oberflächen ausgebildet und setzen damit für ihre Weiterar- beitung keine spezielle Ausrichtung der Oberflächen voraus. Ferner ergeben sich dadurch weitere Vorteile für die Handhabung, wie sie auch durch die oben beschriebene Anordnung der Teilstapel mit zwei Separatorblättern und jeweils einer dazwischen angeordneten Anode erreicht werden.
Dabei ist es in diesem Fall bevorzugt, dass auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel ein Vorprodukt in Form einer Kombination eines Separatorblattes mit einer darauf angeordneten Anode mit der Anodenseite aufgelegt wird. Durch die vorgeschlagene Weiterentwicklung kann die Stapelhöhe auch in diesem Fall ausgehend von den Teilstapeln auf einfache Art und Weise erhöht werden.
Weiter wird zur Lösung der Aufgabe eine Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen nach dem Oberbegriff von Anspruch 9 vorgeschlagen, bei der
-eine erste Zuführeinrichtung vorgesehen ist, in welcher Teilstapel aus wenigstens einem Separatorblatt und wenigstens einer Anode und/oder wenigstens einer Kathode oder Verbundstapel aus einer Vielzahl von derartigen Teilstapeln zugeführt werden, und -eine zweite Zuführeinrichtung vorgesehen ist, welche vorgefertigte Vorprodukte aus wenigstens einem Separatorblatt, einer Anode, einer Kathode oder eine Kombination davon zuführt, und
-eine Kombinationseinrichtung vorgesehen ist, welche die Energiezellen durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen der Vorprodukte auf, unter oder zwischen die Teilstapel vervollständigt.
Die vorgeschlagene Herstelleinrichtung ermöglicht eine sehr hohe Produktionskapaziät der Energiezellen. Hierzu sind in der Herstelleinrichtung eine erste und eine zweite Zuführeinrichtung vorgesehen, über welche vorgefertigte Teilstapel und Vorprodukte einer Kombinationseinrichtung zugeführt werden, welche dann in der Kombinationseinrichtung in einem kontinuierlichen bzw. sich wiederholenden Verbindungsprozess miteinander verbunden werden.
Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass ein Magazin vorgesehen ist, in dem die Vorprodukte magaziniert bevorratet sind, und die Vorprodukte aus dem Magazin der Kombinationseinrichtung zugeführt werden. Durch das Magazin wird in der Herstelleinrichtung ein Vorrat aus Vorprodukten geschaffen, aus dem die Vorprodukte zugeführt werden. Das Magazin wird regelmäßig aufgefüllt, was durch eine weitere Zuführeinrichtung oder durch eine manuelle Befüllung erfolgen kann. Das Magazin bildet praktisch einen Zwischenspeicher für die Vorprodukte, welcher bis zum Aufbrauch der in dem Magazin bevorrateten Vorprodukte einen in Bezug auf eine weitere Zufuhr der Vorprodukte autarken Betrieb der Herstelleinrichtung ermöglicht. In dem Magazin können die Vorprodukte in Form von Stapeln bevorratet sein. Alternativ kann das Magazin auch durch ein aufgewickeltes Band gebildet sein, in dem die Vorprodukte in einem miteinander verbundenen Zustand bevorratet sind. Die Vorprodukte werden dann in der zweite Zuführeinrichtung in einem ersten Schritt in einzelne Vorprodukte geschnitten und dann nach dem Schneiden in vereinzelter Form der Kombinationseinrichtung zugeführt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Teilstapel und ein Vorprodukt einer Energiezelle; und Fig. 2 vier Endlosbahnen zur Herstellung von Teilstapeln mit zwei Separatorblättern, einer Anode und einer Kathode und eine Stapelung der Teilstapel zu Verbundstapeln; und
Fig. 3 drei Endlosbahnen zur Herstellung von Vorprodukten mit zwei Separatorblättern und einer Anode und einer Stapelung der Vorprodukte in einem Magazin; und
Fig. 4 drei Endlosbahnen zur Herstellung von Vorprodukten mit zwei Separatorblättern und einer Anode und einem Magazin in Form eines aufgerollten Bandes; und
Fig. 5 eine schematisch dargestellte Herstelleinrichtung mit einem Magazin in Form eines Stapels aus dem die Vorprodukte zugeführt werden; und
Fig. 6 eine schematisch dargestellte Herstelleinrichtung mit einem Magazin in Form eines aufgewickelten Bandes von dem die Vorprodukte geschnitten und zugeführt werden; und
Fig. 7 eine Energiezelle mit einem Vorprodukt mit zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Anode und einem von oben aufgelegten Verbundstapel; und
Fig. 8 eine Energiezelle mit einem Vorprodukt mit zwei Separatorblättern und einer dazwischen angeordneten Anode und zwei beidseitig angelegten Verbundstapeln. Fig. 9 eine Energiezelle mit einer Mehrzahl von Teilstapeln aus jeweils einem Separatorblatt und einer Anode oder einer Kathode und einem Vorprodukt in Form eines einzelnen Separatorblattes; und
Fig. 10 eine Energiezelle mit mehreren Teilstapeln aus jeweils zwei Separatorblättern mit einer dazwischen angeordneten Anode und zwei dazwischen angeordneten Vorprodukten in Form von jeweils einer Kathode; und
Fig. 11 eine Energiezelle mit mehreren Teilstapeln aus jeweils zwei Separatorblättern mit einer dazwischen angeordneten Kathode und zwei dazwischen angeordneten Vorprodukten in Form von jeweils einer Anode und zwei außen angelegten Vorprodukten in Form jeweils eines Separatorblattes mit einer Anode.
In der Figur 1 ist eine beispielhafte Stapelung einer Energiezelle EZ aus einem Verbundstapel n x II umfassend eine Vielzahl von Teilstapeln II und einem Vorprodukt I gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu erkennen. Die Teilstapel II umfassen jeweils eine an der Oberseite angeordnete Kathode K, welche auf einem ersten Separatorblatt S1 aufliegt, das seinerseits auf einer Anode A aufliegt, welche auf einem zweiten Separatorblatt S2 aufliegt. Der Aufbau des Teilstapels II entspricht damit dem Aufbau einer Monozelle. Das Vorprodukt I umfasst an seiner Oberseite ein erstes Separatorblatt S1 , welches auf einer Anode A aufliegt, die ihrerseits wieder auf einem zweiten Separatorblatt S2 aufliegt. Damit weist das Vorprodukt an beiden Seiten jeweils ein Separatorblatt S1 und S2 auf und deckt nach dem Auflegen auf den Verbundstapel n x II die freie Kathode K des Verbundstapels n x II zur Außenseite hin ab. Da das Vorprodukt I an beiden Seiten jeweils ein Separatorblatt S1 und S2 aufweist, weist damit auch die fertige Energiezelle EZ an der Seite des Verbundstapels n x II, welche vormals durch die freie Kathode K gebildet ist, ein Separatorblatt S1 auf.
In der Figur 2 ist die Herstellung des Verbundstapels n x II der Figur 1 zu erkennen. Es sind vier Endlosbahnen E1 bis E4 vorgesehen, welche jeweils von einem Wickel zugeführt werden. Die erste Endlosbahn E1 ist durch das Material der ersten Separatorblätter S1 gebildet, die zweite Endlosbahn E2 ist aus Anodenmaterial gebildet, die dritte Endlosbahn E3 ist aus dem Material der zweiten Separatorblätter S2 gebildet, und die vierte Endlosbahn E4 ist schließlich aus dem Kathodenmaterial gebildet. Die zweite und die vierte Endlosbahn E2 und E4 werden mittels einer nicht dargestellten Schneideinrichtung in Anoden A und Kathoden K einer vorbestimmten Breite geschnitten, welche dann z.B. über eine Teilungsänderungstrom- mel, oder eine sonstige Spreizeinrichtung zu größeren Abständen auseinandergezogen werden und beabstandet auf jeweils eine Endlosbahn E1 oder E3 aufgelegt werden. Dabei werden die Anoden A zuerst auf die Endlosbahn E1 der ersten Separatorblätter S1 aufgelegt, anschließend wird die Endlosbahn E3 der zweiten Separatorblätter S2 auf die Anoden A aufgelegt, auf die dann schließlich die vereinzelten Kathoden K aufgelegt werden. Dadurch wird eine vier- lagige Endlosbahn gebildet, welche dann durch eine weitere Schneideinrichtung durch Schnitte durch die Zwischenräume zwischen den aufeinander folgenden Anoden A und den aufeinander folgenden Kathoden K in die einzelnen Teilstapel II entsprechend der Figur 1 geschnitten werden. Die Teilstapel II werden dann mittels einer Stapeleinrichtung zu dem Verbundstapel n x II aufgestapelt. Die Vorprodukte I können nach demselben Prinzip hergestellt werden, wie in der Figur 3 zu erkennen ist. Je nach dem Aufbau der Vorprodukte I werden diese aus einer, zwei oder drei Endlosbahnen hergestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Vorprodukte I dreilagig und werden aus einer ersten Endlosbahn E1 eines Materials der ersten Separatorblätter S1 , einer zweiten Endlosbahn E2 eines Anodenmaterials und einer dritten Endlosbahn E3 aus dem Material der zweiten Separatorblätter S2 hergestellt. Die Anoden A werden wieder mittels einer Schneideinrichtung in Anoden A einer vorbestimmten Breite geschnitten und auf die erste Endlosbahn E1 aufgelegt. Anschließend wird die dritte Endlosbahn E3 auf die geschnittenen Anoden A aufgelegt, so dass eine dreilagige Endlosbahn gebildet wird. Diese dreilagige Endlosbahn wird dann entweder zu einem Magazin M in Form eines Wickels aufgewickelt, wie in der Figur 4 zu erkennen ist. Alternativ kann die Endlosbahn aber auch mittels einer weiteren Schneideinrichtung durch Schneiden durch die Zwischenräume zwischen den aufeinander folgenden Anoden A in die Vorprodukte I der vorbestimmten Breite geschnitten werden und zu einem Magazin M aufgestapelt werden, wie in der Figur 3 zu erkennen ist.
Zur Herstellung der Energiezellen EZ werden die Verbundstapel n x II über eine erste Zuführeinrichtung 1 zugeführt, und die Vorprodukte I werden über eine zweite Zuführeinrichtung 2 aus einem Magazin M zugeführt und dann in einer Kombinationseinrichtung 3 zu den Einzelzellen EZ miteinander verbunden, wie in den Figuren 5 und 6 zu erkennen ist. In der Figur 5 ist das Magazin M durch einen Stapel von vorgeschnittenen also fertigen Vorprodukten I gebildet, während das Magazin M in dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 durch einen Wickel eines Endlosbandes gebildet ist, von dem die Vorprodukte I in einem vorgelagerten Schneidvorgang abgeschnitten werden, be- vor sie auf die Verbundstapel n x II aufgelegt werden. Das Magazin M in Form des Stapels weist den Vorteil auf, dass die Vorprodukte I ohne eine weitere Vorbereitung aus dem Magazin M abgeführt und der Kombinationseinrichtung 3 zugeführt werden können. Dabei kann der Stapel bevorzugt gleich so ausgerichtet sein, dass die Vorprodukte I in Richtung ihrer Flächennormalen in einer rein linear ausgebildeten Abführbewegung mit möglichst geringen Querkräften abgeführt werden. Das Magazin M in Form des Bandes hat hingegen den Vorteil, dass eine sehr große Anzahl von Vorprodukten in einer sehr bauraumsparenden Form darin bevorratet werden können. Ferner kann das Magazin M in Form des Wickels dadurch sehr einfach gehandhabt werden, wozu es insbesondere von Vorteil ist, dass die Vorprodukte I in dem Band noch miteinander verbunden sind.
Ferner können die Herstellung der Vorprodukte I nach dem Prinzip der Figur 3 und die Herstellung der Teilstapel II nach der Figur 2 auf ein und derselben Maschine vorgenommen werden, wozu insbesondere die Anzahl und die Art der Endlosbahnen E1 bis E4 verschieden gewählt und kombiniert werden können. So können die Vorprodukte I der Figur 3 mit den beiden Separatorblättern S1 und S2 und der dazwischen angeordnet Anode A sehr einfach entsprechend den Teilstapeln II der Figur 2 hergestellt werden, indem lediglich die Endlosbahn E4 des Kathodenmaterials weggelassen werden muss.
In den Figuren 7 bis 11 sind verschiedene alternative Ausführungsformen von Energiezellen EZ mit verschieden ausgebildeten Teilstapeln II, Verbundstapeln n x II und Vorprodukten I aus den Separatorblättern S1 , S2 und S3 sowie aus den Anoden A und den Kathoden K gezeigt. Die Energiezelle EZ der Figur 7 entspricht in ihrem Aufbau der Energiezelle EZ der Figur 1 mit dem Unterschied, dass hier der Verbundstapel n x II mit der freien Kathode K auf das Vorprodukt I auflegt wird und nicht das Vorprodukt I auf den Verbundstapel n x II wie in der Figur 1. Prozesstechnisch ist allerdings nach „Nachlegen“ der Vorprodukte I gemäß der Figur 1 auf den Verbundstapel n x II von Vorteil, da die Vorprodukte I grundsätzlich eine geringere Masse als die Verbundstapel n x II aufweisen und dadurch die aufzulegende bzw. zu bewegende Masse geringer ist.
In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu erkennen, bei dem die Energiezelle EZ aus der Figur 1 bzw. Fig. 7 zu einer vergrößerten Energiezelle EZ mit einer größeren Stapelhöhe erweitert ist, indem an einer Seite ein weiterer Verbundstapel n x II in einer umgekehrten Anordnung mit einer freien Kathode K angelegt wird. Hierdurch kann eine vergrößerte Energiezelle EZ unter Verwendung eines einzigen Vorproduktes I geschaffen werden.
In der Figur 9 ist eine Energiezelle EZ gezeigt, bei dem die Vielzahl der Teilstapel II in dem Verbundstapel n x II aus einer ersten Gruppe mit jeweils einem ersten Separatorblatt S1 und jeweils einer Anode A und einer zweiten Gruppe aus jeweils einem zweiten Separatorblatt S2 und jeweils einer Kathode K gebildet sind, wobei die Teilstapel II der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe wechselweise und mit einer identischen Ausrichtung des Separatorblattes S1 und S2 angeordnet sind, oder anders ausgedrückt die Anoden A und die Kathoden K sind immer auf derselben Seite der Separatorblätter S1 und S2 in diesem Fall oben angeordnet. Das Vorprodukt I ist in diesem Fall durch ein einzelnes drittes Separatorblatt S3 gebildet, welches bevorzugt identisch mit dem ersten und dem zweiten Separatorblatt S1 und S2 ist. Das dritte Separatorblatt S3 wird von oben auf die Freie Anode A des Verbundstapels n x II aufgelegt und bildet damit die freie Oberfläche der Energiezelle EZ.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 10 sind die Teilstapel II durch jeweils zwei Separatorblätter S1 und S2 und einer dazwischen angeordneten Anode A und die Vorprodukte I durch jeweils eine zwischen zwei Teilstapeln II angeordnete Kathoden K gebildet. Die Teilstapel II können dadurch prozesstechnisch günstig aus zwei Separatorblättern S1 und S2 und einer dazwischen angeordneten Anode A als Gleichteile in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden. Die Teilstapel II werden dann durch Zwischenlegen der Kathoden K zwischen die Teilstapel II oder Auflegen einer Kathode K auf einen Teilstapel II und Auflegen eines weiteren Teilstapels II auf die Kathode K zwischen den Teilstapeln II angeordnet. Dabei sind die Teilstapel II mit der mittigen Anode A symmetrisch mit zwei identischen Oberflächen ausgebildet und setzen damit für ihre Weiterarbeitung keine spezielle Ausrichtung ihrer Oberflächen voraus. Ferner können die Teilstapel II dadurch einfacher über die freien Separatorblätter S1 und S2 gehandhabt werden, ohne dass die dazwischen angeordneten Anoden A (Fig. 10) oder Kathoden K (Fig. 11) dabei kontaktiert werden müssen. Dies ist insofern von Vorteil, da die Anoden A und Kathoden K grundsätzlich empfindlicher, teurer und für die Funktionsfähigkeit der Energiezelle EZ von größerer Bedeutung sind. Außerdem kann dadurch die Partikelfreisetzung aus den Anoden A und den Kathoden K reduziert werden, wodurch wiederum die Verschmutzung der Anlage und der Umgebung im Allgemeinen reduziert werden kann. Außerdem hat die Handhabung dadurch einen geringeren Einfluss auf die Anoden A und Kathoden K in ihren Zusammensetzungen und physischen Eigenschaften. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 11 ist der prinzipielle Aufbau der Energiezelle EZ des Ausführungsbeispiels der Figur 10 weiterentwickelt worden. Die Energiezelle EZ umfasst hier mehrere Teilstapel II, welche jeweils durch zwei Separatorblätter S1 und S2 mit einer dazwischen angeordneten Kathode K gebildet sind. Die Vorprodukte I sind hier durch einzelne Anoden A gebildet, welche zwischen den Teilstapeln II angeordnet sind. Ferner ist die Energiezelle EZ durch Auf- bzw. Unterlegen von weiteren Vorprodukten I gebildet durch jeweils ein Separatorblatt S1 oder S2 mit einer darauf angeordneten Anode A in der Stapelhöhe weiter vergrößert.
Die Verbundstapel n x II und die Vorprodukte I werden in der erfindungsgemäßen Herstelleinrichtung durch getrennte Zuführeinrichtungen 1 und 2 zugeführt und in einer Kombinationseinrichtung 3 in einem kontinuierlichen oder sich wiederholenden Verbundprozess miteinander verbunden und dann schließlich als fertig gestapelte Energiezellen EZ abgeführt. Anschließend werden die Energiezellen dann durch die weiteren Verarbeitungsschritte bis zu einer gebrauchsfertigen Batteriezelle weiterverarbeitet.
Dabei ist es nach dem vorgeschlagenen Verfahren und in der vorgeschlagenen Herstelleinrichtung on besonderem Vorteil, wenn die Vorprodukte I magaziniert bevorratet sind, und die Vorprodukte I aus dem Magazin M der Kombinationseinrichtung 3 zugeführt werden. Durch das Magazin M wird in der Herstelleinrichtung ein Vorrat aus Vorprodukten I geschaffen, aus dem die Vorprodukte I zugeführt werden. Das Magazin M wird regelmäßig aufgefüllt, was durch eine weitere Zuführeinrichtung oder durch eine manuelle Befüllung erfolgen kann. Hierdurch kann eine in Bezug auf die Zuführung der Vorprodukte I bis zu dem Aufbrauch des Magazins M autarke Herstellung der Energiezellen EZ verwirklicht werden. Grundsätzlich ist das Auflegen der Vorprodukte I auf die Verbundstapel n x II bzw. die Teilstapel II bevorzugt, da die Vorprodukte I grundsätzlich kleiner bzw. leichter als die Teilstapel II und die Ver- bundstapel n x II sind und damit einfacher und positionsgenauer zu handhaben sind. Sofern die Herstellung der Energiezelle EZ dies erfordert, können die Vorprodukte I in der Stapelung der Teilstapel II und der Verbundstapel n x II aber auch unter- oder zwischengelegt werden, in dem die Reihenfolge der Stapelung entsprechend ange- passt wird.
Bezugszeichenliste erste Zuführeinrichtung
2 zweite Zuführeinrichtung 3 Kombinationseinrichtung
A Anode
E1.E2.E3.E4 Endlosbahn
EZ Energiezelle
I Vorprodukt II Teilstapel n x II Verbundstapel
K Kathode
M Magazin
S1.S2.S3 Separatorplatt

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen (EZ) mit
-einer Vielzahl von Separatorblättern (S1 ,S2,S3), und
-einer Vielzahl von zwischen den Separatorblättern (S1 ,S2,S3) wechselweise angeordneten Anoden (A) und Kathoden (K), wobei
-die Energiezellen (EZ) an ihren Oberseiten und ihren Unterseiten jeweils ein Separatorblatt (S1 ,S2,S3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
-in einem ersten Fertigungsschritt Teilstapel (II) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1 ,S2,S3) und wenigstens einer Anode (A) und/oder wenigstens einer Kathode (K) zugeführt werden, und
-die Energiezellen (EZ) in einem zweiten Fertigungsschritt durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen von vorgefertigten Vorprodukten (I) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1 ,S2,S3), einer Anode (A), einer Kathode (K) oder eine Kombination davon an die Teilstapel (II) zu den Energiezellen (EZ) vervollständigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass -eine Vielzahl von Teilstapeln (II) mit jeweils einer freien Anode (A) oder einer freien Kathode (K) zu einem Verbundstapel (n x II) aufgestapelt werden, und
-der Verbundstapel (n x II) durch Auf- oder Unterlegens eines Vorproduktes (I) in Form eines Separatorblattes (S1 ,S2,S3) oder in Form einer Kombination aus zwei oder mehr Separatortblättern (S1 ,S2,S3) mit wenigstens einer dazwischen angeordneten Anode (A) und/oder einer dazwischen angeordneten Kathode (K) zu der Energiezelle (EZ) vervollständigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass -auf der freien Oberfläche des Vorproduktes (I) ein zweiter Teilstapel (II) oder Verbundstapel (n x II) mit einer freien Anode (A) oder einer freien Kathode (K) aufgelegt oder untergelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
-die Vielzahl der Teilstapel (II) in dem Verbundstapel (n x II) aus einer ersten Gruppe mit jeweils einem Separatorblatt (S1 , S2, S3) und jeweils einer Anode (A) und einer zweiten Gruppe aus jeweils einem Separatorblatt (S1 ,S2,S3) und jeweils einer Kathode (K) gebildet sind, wobei
-die Teilstapel (II) der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe wechselweise und mit einer identischen Ausrichtung des Separatorblattes (S1 ,S2,S3) angeordnet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass -die Teilstapel (II) durch jeweils zwei Separatorblätter (S1 , S2, S3) und eine dazwischen angeordnete Anode (A) und die Vorprodukte (I) durch zwischen jeweils zwei Teilstapeln (II) angeordnete Kathoden (K) gebildet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass -auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel (II) ein Vorprodukt (I) in Form einer Kombination eines Separatorblattes (S1 , S2, S3) mit einer darauf angeordneten Kathode (K) mit der Ka- thodenseite aufgelegt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass -die Teilstapel (II) durch jeweils zwei Separatorblätter
(51.52.53) und eine dazwischen angeordnete Kathode (K) und die Vorprodukte (I) durch zwischen den Teilstapeln (II) angeordnete Anoden (A) gebildet sind. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass -auf wenigstens einen der äußeren Teilstapel (II) ein Vorprodukt (I) in Form einer Kombination eines Separatorblattes (S1 , S2, S3) mit einer darauf angeordneten Anode (A) mit der Anodenseite aufgelegt wird. Herstelleinrichtung zur Herstellung von stapelförmigen Energiezellen (EZ) mit
-einer Vielzahl von Separatorblättern (S1 ,S2,S3), und -einer Vielzahl von zwischen den Separatorblättern (S1 ,S2,S3) wechselweise angeordneten Anoden (A) und Kathoden (K), wobei
-die Energiezellen (EZ) an ihren Oberseiten und ihren Unterseiten jeweils ein Separatorblatt (S1 ,S2,S3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
-eine erste Zuführeinrichtung (1) vorgesehen ist, in welcher Teilstapel (II) aus wenigstens einem Separatorblatt (S1 ,S2,S3) und wenigstens einer Anode (A) und/oder wenigstens einer Kathode (K) oder Verbundstapel (n x II) aus einer Vielzahl von teilstapeln (I) zugeführt werden, und
-eine zweite Zuführeinrichtung (2) vorgesehen ist, welche vorgefertigte Vorprodukte (I) aus wenigstens einem Separatorblatt
(51.52.53), einer Anode (A), einer Kathode (K) oder eine Kombination davon zuführt, und
-eine Kombinationseinrichtung (3) vorgesehen ist, welche die Energiezellen (EZ) durch Auf-, Unter- oder Zwischenlegen der Vorprodukte (I) auf, unter oder zwischen die Teilstapel (II) vervollständigt.
10. Herstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
-ein Magazin (M) vorgesehen ist, in dem die Vorprodukte (I) magaziniert bevorratet sind, und die Vorprodukte (I) aus dem Magazin (M) der Kombinationseinrichtung (3) zugeführt werden.
11. Herstelleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
-das Magazin (M) durch einen Stapel von Vorprodukten (I) oder durch ein Band mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Vorprodukten gebildet ist.
12. Herstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
-eine Vorfertigungseinrichtung vorgesehen ist, in welcher die Vorprodukte (I) in einem vorgelagerten Fertigungsschritt kontinuierlich hergestellt werden, und von der die Vorprodukte (I) der Kombinationseinrichtung (3) kontinuierlich zugeführt werden.
13. Herstelleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
-in der Vorfertigungseinrichtung mindestens eine Endlosbahn (E1 ,E2,E3,E4) eines Separator-, Anoden, oder Kathodenmate- rials oder einer Kombination davon zugeführt wird, von der die Vorprodukte (I) mittels einer Schneideinrichtung in einem peri- odischen Schnittvorgang abgeschnitten werden. Herstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass -die stapelförmigen Energiezellen (EZ) nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt werden.
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