EP4646298A1 - Vorrichtung zur beschichtung eines bahnförmigen trägermaterials mit einem beschichtungsmaterial - Google Patents

Vorrichtung zur beschichtung eines bahnförmigen trägermaterials mit einem beschichtungsmaterial

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EP4646298A1
EP4646298A1 EP24701312.1A EP24701312A EP4646298A1 EP 4646298 A1 EP4646298 A1 EP 4646298A1 EP 24701312 A EP24701312 A EP 24701312A EP 4646298 A1 EP4646298 A1 EP 4646298A1
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EP
European Patent Office
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pressure chamber
micro
coating
coating material
roller
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701312.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andre Dr. Josten
Dirk Robeling
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Olbrich GmbH
Original Assignee
Olbrich GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B28B5/026—Producing shaped articles from the material in moulds or on moulding surfaces, carried or formed by, in or on conveyors irrespective of the manner of shaping on conveyors of the endless-belt or chain type the shaped articles being of indefinite length
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to the technical field of the production of coatings of a web-shaped carrier material, such as a film, a foil, a fleece, a net and/or a fiber composite, for example separator films, in particular devices for producing carrier materials used in lithium-ion batteries, such as ceramic separator films and/or current collectors optionally provided with at least one adhesion promoter.
  • a web-shaped carrier material such as a film, a foil, a fleece, a net and/or a fiber composite
  • separator films for example separator films
  • devices for producing carrier materials used in lithium-ion batteries such as ceramic separator films and/or current collectors optionally provided with at least one adhesion promoter.
  • Separator films are used in batteries to spatially separate electrodes.
  • a separator film must serve as a barrier for the conduction of electrons in order to prevent a short circuit between the electrodes.
  • the separator film must enable the transport of ions between the electrodes.
  • separator films are often made from ceramic materials, whereby advantageous properties of the separator film can be achieved by specifically adjusting the porosity during production.
  • the separator In order to increase the specific energy density of a battery, the separator should be as thin and light as possible. In order to prevent battery fire or thermal runaway, however, the mechanical strength of the film must be ensured. As such, there are particularly high demands on the achievable tolerances of the manufacturing process and manufacturing equipment.
  • a web-shaped carrier material can be coated with a coating material or a coating mass comprising and/or consisting of a ceramic slurry.
  • the ceramic slurry is a suspension of a solvent, usually deionized water, and ceramic raw material particles.
  • the ceramic slurry layer is then transferred to a dryer in which the solvent is evaporated.
  • Current collectors are used to at least partially form electrodes within batteries, in particular lithium polymer batteries.
  • the current collectors are connected to the active anode or cathode mass, whereby an adhesion promoter is used to ensure adhesion between the anode or cathode mass on the one hand and the current collector on the other, in particular during charging and/or discharging of the battery.
  • the active anode or cathode mass with the current collector to which they are applied then forms the respective electrode.
  • such a current collector can be in the form of a film, fibers, a fleece, a net, which can in particular be smooth, rough or perforated, wherein the current collector can optionally comprise electrically conductive polymers, e.g. polypyrrole, polyaniline, polythiophene or similar, or at least comprise a filled plastic.
  • the filled plastic can comprise, for example, soot, graphite, metal powder or the like as a filling material or can also be electrically conductive itself at least in some areas.
  • the current collector can comprise at least one metal, such as silver, copper, tin, aluminum, titanium, chromium and/or nickel, at least in some areas, wherein the metal can also be present as a coating on at least one plastic film or at least one other material.
  • metal such as silver, copper, tin, aluminum, titanium, chromium and/or nickel
  • the adhesion promoter is an important component of the electrode, as it ensures the adhesion of the anode or cathode mass and the material encompassed by the current collector.
  • the adhesion or bonding of the transition metal oxides or carbons should fulfill the following bonds.
  • Transition metal oxides such as Co-III-oxide, Ni-II-oxide, Mn-IV-oxide, tungstates, molybdates, titanates, ferrates and chromates, each in the Li-containing form, e.g. LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 and similar, are usually used as active materials for the cathode, and graphites, carbons, soots and fibres are usually used as active materials for the anode.
  • the adhesion promoter can comprise a polymer that is indifferent to the processes and ion exchange reactions in the battery system and ensures the adhesion of the anode or cathode materials to the current collector.
  • the adhesion promoter comprises polyolefins such as polyisobutenes, EPDM rubbers and styrene-butadiene (isoprene) polymers.
  • the molecular weights of the polymers can be between 20,000 and 2,000,000, preferably between 50,000 and 300,000.
  • the amount used can be between 2 and 25% by weight, preferably between 3.5 and 15% by weight.
  • the proportion of the adhesion promoter in the active anode or cathode mass does not exceed 25% based on the solid mass, for example it is preferably 5-15% by mass.
  • electrically conductive fillers such as conductive carbon black, graphite, polypyrrole, polyaniline or similar materials can be mixed into the adhesion promoter in quantities of up to 50% by mass, based on the adhesion promoter.
  • a device for coating with a conventional coating fluid has a continuously rotating micro-engraving roller, which is designed to transfer the coating fluid over a circumference of the micro-engraving roller to a web-shaped carrier material transported in a feed direction.
  • a device is described in EP 0 214 574 A1.
  • a corresponding device has a rinsing tank, i.e. an open element, and a doctor blade, which forms an application gap with the circumference of the micro-engraving roller along a length of the micro-engraving roller.
  • the coating fluid is dosed directly into the application gap via the rinsing tank and transferred to the circumference.
  • a ceramic slurry especially for a separator film, or an adhesion promoter, especially for a current collector, differs from a conventional coating fluid.
  • the slurry or adhesion promoter is a multiphase fluid with solid particles, which tends to sedimentation.
  • the ceramic raw material particles or solid particles tend to form deposits on the walls of the device, especially on the doctor blade.
  • the flow field within the device changes. In order to guarantee precise manufacturing tolerances, operation must be interrupted regularly in order to thoroughly clean the device of deposits.
  • the solid particles contained in the adhesion promoter tend to sediment and foam during application to the carrier material or substrate that at least partially forms the current collector.
  • conductive carbon black when used as a main component of the adhesion promoter, tends to form chain-shaped agglomerates. Due to the good affinity of these carbon black agglomerates to air, the microfoam formed is additionally stabilized. Typical coating defects resulting from such a microfoam are "pinholes". These can arise after application of the adhesion promoter to the current collector due to burst microbubbles, especially regardless of whether carbon black or other solid particles are used as solid particles. Agglomerates can also and deposits of solid particles can lead to an uneven, particularly streaky and/or cloudy coating. This can lead to deposits of components of the coating material or the coating mass in the application unit due to sedimentation/separation and thus uneven transfer to the current collector.
  • the ceramic slurry and/or the adhesion promoter differ from conventional coating compounds or coating fluids in terms of rheology. As such, the ceramic slurry or the adhesion promoter tends to splash even at moderate rotation speeds of the engraved roller or at low feed speeds of the web. Splashes that reach the web lead to coating defects. In addition, the environment must be protected against heavy contamination by design measures at the coating plant.
  • the conventionally used engraving rollers with a diameter between 250 mm and 400 mm have curvature radii that are too large or curvatures that are too small.
  • separation processes occur between the ceramic solids and the solvent of the ceramic slurry or the adhesion promoter in the area of the transfer point to the web. This leads to an undesirable, streaky coating.
  • the device has a pressure chamber doctor blade which is designed to transfer the ceramic slurry or the adhesion promoter to the circumference of the micro-engraving roller.
  • a device is thus provided for coating a web-shaped carrier material with at least one coating material that is at least partially liquid, wherein the device comprises a continuously rotating micro-engraving roller which is designed to transfer the coating material over a circumference of the micro-engraving roller to the web-shaped carrier material transported in a feed direction, wherein the device has a pressure chamber doctor blade which is designed to transfer the coating material under excess pressure to the circumference of the micro-engraving roller.
  • the at least partially liquid coating material comprises at least one ceramic slurry and/or at least one adhesion promoter.
  • the micro-engraving roller When coating the web-shaped carrier material with the ceramic slurry, the micro-engraving roller is characterized by its comparatively small diameter. The small diameter and the associated small radius of curvature counteract undesirable separation processes.
  • the micro-engraving roller can have a diameter between 60 mm and 150 mm.
  • the smaller diameter of the micro-engraving roller in this type of device often has a negative effect on the maximum achievable carrier material speed.
  • the low-viscosity ceramic slurry tends to detach from the engraving roller due to centrifugal force and thus splash or mist.
  • the pressure chamber doctor blade negates this effect, so that a high carrier material speed is still possible.
  • the carrier material speed can be up to 500 m / min.
  • the feed direction and one rotation direction of the micro-engraving roller can be in opposite directions.
  • the device can therefore be characterized in that the feed direction and a rotation direction of the micro-engraving roller are opposite in a region of at least one coating line, which is formed in particular between the micro-engraving roller and web-shaped carrier material.
  • the pressure chamber doctor blade can have a pressure chamber which borders on a first peripheral portion of the micro-engraving roller and which is sealed from the environment of the device.
  • the pressure chamber doctor blade has at least one pressure chamber, which is open in particular to the micro-engraving roller and/or is sealed from the environment of the device.
  • a pressure chamber represents a closed system in which an overpressure can be built up.
  • the overpressure on the inlet side of the pressure chamber creates a liquid barrier between the adjacent pressure chamber doctor blade and the micro-engraving roller, which minimizes the ingress of air into the pressure chamber.
  • the ceramic slurry in the pressure chamber remains largely free of microbubbles.
  • the overpressure in the pressure chamber can be 50 to 800 mbar, in particular 100 to 500 mbar.
  • the device can be set up to coat the carrier material with a surface-specific weight of the ceramic slurry of less than 10 g/nü, in particular less than 5 g/nü.
  • the overpressure in the pressure chamber helps to accelerate the filling of cups and/or engraving lines and thus coating speeds.
  • these can easily be "overdosed” on a doctor blade on the outgoing side. Due to a positive pressure gradient between the pressure chamber and the ambient pressure, additional coating fluid flows downstream below the doctor blade and overfills the gravure roller in a controlled manner, which has a positive influence on the transfer of the fluid to the web and thus on the coating quality.
  • the pressure chamber doctor blade can have an outgoing and an incoming doctor blade, which seal the pressure chamber from the environment in the direction of rotation of the micro-engraving roller or against the direction of rotation of the micro-engraving roller.
  • the pressure chamber can have a feed line which is designed to meter the ceramic slurry into the pressure chamber.
  • the pressure chamber can also have an outlet which is designed to remove the ceramic slurry from the pressure chamber. In this way, a statistical residence time of the ceramic slurry within the device can be precisely set. As such, the slurry is not only removed from the pressure chamber via the circumference of the micro-engraving roller, but can also be discharged via the outlet via a controlled mass flow. If the residence time is too long, the ceramic slurry tends to coagulate the ceramic raw material particles, which increasingly changes the particle diameter distribution. This in turn accelerates sediment degradation and has a sensitive effect on the porosity of the separator film.
  • the pressure chamber has at least one feed line, which is particularly designed to at least partially meter the coating material, in particular the ceramic slurry and/or the adhesion promoter, into the pressure chamber.
  • the pressure chamber has at least one outlet via which the coating material, in particular the ceramic slurry and/or the adhesion promoter, is drained from the pressure chamber.
  • the pressure chamber doctor blade has at least one pressure reservoir upstream of the feed line and/or downstream of the discharge line, in particular in each case, which preferably provides an additional volume for the coating material, in particular the ceramic slurry and/or the adhesion promoter, in order to avoid pressure fluctuations in the pressure chamber.
  • the pressure chamber doctor blade can have a pressure reservoir upstream of the feed line and/or downstream of the discharge line to avoid pressure fluctuations in the pressure chamber.
  • This is an additional volume for the ceramic slurry, which is fluidically connected to the pressure chamber and supports the distribution of the ceramic slurry over a length of the pressure chamber doctor blade parallel to the longitudinal axis of the micro-engraving roller.
  • Transient effects such as fluctuations in the rotation speed of the micro-engraving roller or the mass flow provided by the pump, result in pressure fluctuations within the pressure chamber doctor blade.
  • Large volumes of the ceramic slurry within the pressure chamber doctor blade counteract the amplitude of these pressure fluctuations.
  • the additional volume provided by the pressure reservoir can therefore keep the volume of the pressure chamber small without pressure fluctuations within the pressure chamber having a negative effect on the porosity or coating thickness.
  • the small volume of the pressure chamber counteracts sedimentation within the pressure chamber.
  • the device can comprise a filter unit for filtering the ceramic slurry, which is fluidically connected to the pressure chamber doctor blade and arranged upstream of the inlet.
  • the device has at least one filter unit, in particular for filtering the coating material, in particular the ceramic slurry and/or the adhesion promoter, which is in particular fluidically connected to the pressure chamber doctor blade and/or is preferably arranged upstream of the feed line.
  • the feed line can have at least one nozzle through which the ceramic slurry can be metered into the pressure chamber and which is designed to to induce a rotating flow field within the pressure chamber. Due to the narrowing of the flow cross-section within the nozzle, the ceramic slurry is accelerated before entering the pressure chamber. The inflow angle of the nozzle is directed away from a geometric center of gravity of the pressure chamber, which induces a rotating flow field. This results in continuous mixing of the ceramic slurry within the pressure chamber, which counteracts coagulation. In addition, the rotating flow field results in velocity gradients close to the walls within the pressure chamber, which prevents sedimentation on the walls of the pressure chamber or breaks down the sediment layer.
  • the feed line has at least one nozzle, via which the coating material, in particular the ceramic slurry and/or the adhesion promoter, can preferably be metered into the pressure chamber and/or which is designed to induce at least one rotating flow field within the pressure chamber.
  • the flow line can have at least two nozzles, each of which has different inflow positions and/or inflow angles in order to induce the rotating flow field.
  • the at least two nozzles can have two opposing inflow angles and inflow positions on opposite sides of the pressure chamber.
  • the at least two nozzles can be designed to alternately change a direction of rotation of the rotating flow field.
  • the nozzles can be designed to individually control a metered mass flow of the ceramic slurry.
  • the inlet can have a swirl flap.
  • a rotation axis of the rotating flow field can be parallel to a rotation axis of the micro-engraving roller.
  • the pressure chamber can have a flow-guiding wall geometry which is designed to induce the rotating flow field.
  • the flow line has at least two nozzles, which preferably each have different inflow positions and/or inflow angles, in particular in order to induce the rotating flow field. It is preferred that the at least one nozzle is designed to induce a rotation axis of the rotating flow field parallel to a rotation axis of the micro-engraving roller.
  • the device may comprise a first guide roller and a second guide roller, wherein the first guide roller and the second guide roller are configured to guide the web-shaped carrier material over a peripheral portion of the micro-engraving roller.
  • the device has at least one first guide roller and/or at least one second guide roller, wherein preferably the first guide roller and/or the second guide roller is/are designed to guide the web-shaped carrier material over a peripheral section of the micro-engraving roller.
  • the micro-engraving roller is placed between two guide rollers on the carrier material, whereby a coating line - the kiss coating line - is formed between the engraving roller and the web. Due to the overfilling of the engraving roller by excess pressure within the pressure chamber and the resulting full-surface contact of the coating fluid in the area of the kiss coating line with the web, the uniform coating of the web-shaped carrier material is supported.
  • the peripheral section can have a wrap angle of 0.5° to 40°, preferably 5° to 30°, preferably 8° to 22°.
  • a tangential contact of the carrier material on the micro-engraving roller can be sufficient to ensure transfer of the coating material.
  • a diameter of the first and/or second guide roller can be larger than a diameter of the micro-engraving roller, in particular a multiple larger than a diameter of the micro-engraving roller.
  • a diameter of the first and/or second guide roller can be smaller than a diameter of the micro-engraving roller.
  • the micro-engraving roller can be positioned with a small distance between the first and second guide rollers. This leads to good contact between the web of material guided between the first and second guide rollers and the micro-engraving roller. This results in advantages for the transfer of the ceramic slurry dosed by the micro-engraving roller to the web of material. This allows a narrow kiss coating line to be formed between the engraving roller and the web of material at moderate wrap angles.
  • the device can also be set up to move the pressure chamber doctor blade horizontally in an oscillating manner to a longitudinal axis of the micro-engraving roller. This allows the solids/agglomerates that have stuck to the doctor blades of the pressure chamber doctor blade to be released. These solids can then be transported away and filtered out with the circulating fluid.
  • the setting of the discharge doctor blade of the pressure chamber doctor blade can be positive or negative (also referred to as dragging or piercing). Depending on the properties of the ceramic slurry, this variability of the doctor blade setting can have a positive effect on the quality of the coating film.
  • the pressure chamber doctor blade type can also have a minimized pressure chamber, which has a minimized volume for the ceramic slurry.
  • the minimized volume prevents surfaces for the accumulation of sediment.
  • the outgoing doctor blade and/or the incoming doctor blade can be designed as negatively angled doctor blades on both sides.
  • the pressure chamber doctor blade can have an overflow body for removing excess ceramic slurry from the pressure chamber.
  • the carrier material in particular for producing at least one current collector
  • At least in some areas comprises at least one film, at least one fiber composite, at least one fleece, at least one net, optionally at least one smooth, rough and/or perforated net,
  • At least partially comprises at least one electrically conductive polymer, in particular polypyrrole, polyaniline, polythiophene or the like,
  • the filling material is carbon black, conductive carbon black, graphite and/or metal powder includes,
  • At least partially comprises at least one metal, at least one metal oxide, silver, copper, tin, aluminium, titanium, chromium and/or nickel, and/or
  • At least in some areas comprises at least one, in particular partially metallic coating, optionally on at least one film, plastic film and/or another material.
  • the coating material in particular the adhesion promoter,
  • At least one polyolefin in particular at least partially comprising polyisobutene, ethylene-propylene-diene (monomer) rubber, styrene-butadiene, isoprene polymer, preferably with a molecular weight, in particular of the polymer, between 20,000 and 2,000,000, preferably between 50,000 and 300,000 and/or a proportion of 2 to 25% by weight, preferably 3.5 to 15% by weight of the coating material,
  • At least one polymer binder in particular based on polyacrylic acid, optionally comprising at least one electrically conductive additive
  • At least one electrical filler preferably comprising conductive carbon black, graphite, polypyrrole, and/or polyaniline, in particular in amounts of up to 50% by weight, based on the adhesion promoter.
  • an arrangement for producing a separator film comprising a device for coating a web-shaped carrier material according to one of the above-mentioned embodiments, a web-shaped carrier material, at least one deflection roller and a dryer, wherein the at least one deflection roller is designed to transfer the web-shaped carrier material from the device for coating the web-shaped carrier material to the dryer.
  • the invention provides an arrangement for producing at least one coated carrier material and/or substrate, in particular at least one Separator film and/or current collector, comprising at least one device for coating a web-shaped carrier material, as described here, in particular above, a web-shaped carrier material, and at least one deflection roller, further optionally comprising at least one dryer, wherein the at least one deflection roller is configured to transport the web-shaped carrier material further from the device for coating the web-shaped carrier material, in particular to transfer it to the dryer.
  • micro pressure chamber doctor blade in particular a micro engraving on a roller in combination with a pressure chamber doctor blade, coating irregularities such as the formation of a micro foam, which can lead to pinholes, and/or uneven coatings, which are particularly caused by deposits of components of the coating material or the coating mass in the application unit due to sedimentation/separation and thus uneven transfer to the carrier material or substrate, can be minimized.
  • synergistic effects also arise from using a combination of micro-engraving roller and pressure chamber doctor blade.
  • this combination enables the creation of synergistic effects such as "defect-free" filling of the micro-engraving roller and optimized transfer of the coating material to the carrier material by the micro-engraving roller, for example when producing a separator film or a current collector.
  • the invention provides a method for coating a web-shaped carrier material with at least one coating material which is at least partially liquid, comprising the steps
  • micro-engraving roller is rotated in a direction opposite to the feed direction.
  • an overpressure of 50 to 800 mbar, preferably 100 to 500 mbar, of the coating material is generated in the pressure chamber.
  • the coating material is dosed into the pressure chamber, in particular by means of at least one pre-run.
  • the coating material is drained from the pressure chamber, preferably by means of at least one drain.
  • the coating material is filtered, optionally by means of at least one filter unit, which is in particular fluidically connected to the pressure chamber doctor blade and/or is preferably arranged upstream of the feed line.
  • the method can be characterized in that the coating material can be metered into the pressure chamber, optionally by means of at least one nozzle, in particular one included in the feed line, and/or, optionally by means of the nozzle, at least one rotating flow field is induced within the pressure chamber.
  • the rotating flow field is induced by means of at least two nozzles, preferably included in the flow line, which preferably each have different inflow positions and/or inflow angles.
  • a rotation axis of the rotating flow field is induced parallel to a rotation axis of the micro-engraving roller.
  • the web-shaped carrier material is guided over a peripheral portion of the micro-engraving roller, preferably by means of at least one first guide roller and/or at least one second guide roller.
  • Figure 1 A a schematic representation of a device according to the
  • Figure 1 B a detailed enlargement of the surface of a micro-engraving roller in a device according to the prior art
  • Figure 2 A a schematic representation of a device according to the invention.
  • Figure 2 B a detailed enlargement of the surface of a micro-engraving roller in a device according to the invention
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a generic device for coating a web-shaped carrier material 1.
  • the web-shaped carrier material 1 is transported in a feed direction 11 and guided over an engraved roller 2.
  • a coating material such as a ceramic slurry 3 or an adhesion promoter
  • the web-shaped carrier material 1 which serves in particular as a substrate, and thus coated.
  • a rinsing chamber is arranged in addition to the engraved roller 2 arranged.
  • the coating material in particular ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, is metered under atmospheric pressure and finally transferred to the circumference 21 of the engraved roller 2.
  • Such a device has decisive disadvantages for the quality of the final product, in particular in the form of a separator film and/or a current collector, as well as for the economic efficiency of the manufacturing process.
  • air is introduced into the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter.
  • the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter tends to sediment within the rinsing chamber.
  • the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter starts to spray from a certain feed speed of the web, depending on the rotation speed of the engraved roller.
  • FIG. 1 A Shown greatly enlarged is a section of the circumference of the engraving roller 21 at a position shortly before the transfer of the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, to the carrier material 1.
  • the coating material, in particular the ceramic slurry 1 and/or the adhesion promoter was transferred to the surface of the engraving roller 21 in the rinsing chamber. Due to the atmospheric pressure applied to the rinsing chamber and the negligible geodetic pressure of the liquid column, even at carrier material speeds of less than 100 m/min, only the cups introduced into the surface are filled with coating material, in particular ceramic slurry 3 and/or adhesion promoter.
  • Fig. 2A shows a schematic representation of a device according to the invention.
  • the web-shaped carrier material 1 is transported in a feed direction 11 and guided by a first guide roller 5 and a second guide roller 6 over a peripheral section 22 of a micro-engraving roller 2 in the so-called kiss coating process.
  • a coating material in particular a ceramic slurry 3 and/or an adhesion promoter, is transferred to the web-shaped carrier material 1 over a circumference 21 of the micro-engraving roller and thus coated.
  • the feed direction 11 and a direction of rotation 23 of the micro-engraving roller 2 are in opposite directions.
  • the coated web-shaped carrier material is then transported further via a rubberized deflection roller 7.
  • a separator film it can be transported to a dryer (not shown), in which the ceramic slurry
  • drying of the coating material in particular using convection, thermal radiation, preferably by means of near infrared and/or by means of at least one diode laser, by means of contact heat and/or by means of air drying, is possible.
  • the coating material in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, is transferred to the circumference 21 of the micro-engraving roller 2 by means of a pressure chamber doctor blade 4 under overpressure.
  • the pressure chamber doctor blade 4 The pressure chamber doctor blade
  • the pressure chamber doctor blade has a pressure chamber 41 which is adjacent to the micro-engraving roller and is sealed from the surroundings of the device.
  • the pressure chamber doctor blade 4 has a pair of doctor blades which seal the pressure chamber 41 over the entire width of the micro-engraving roller in or against the direction of rotation 23, so that an overpressure can be built up within the pressure chamber 41.
  • the coating material in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, is metered into the pressure chamber 41 via a feed line 42.
  • a pressure reservoir 44 is arranged within the pressure chamber doctor blade 4, which suppresses or reduces operational pressure fluctuations within the pressure chamber doctor blade 4.
  • the pressure chamber doctor blade 4 is supplied with pressure via an inlet, in particular with a pump and/or a filter unit (not shown). the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter.
  • the pressure chamber 41 also has an outlet 43 which is designed to remove the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, from the pressure chamber 41.
  • a pressure reservoir 44 is also arranged downstream of the outlet. A controlled mass flow of the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, can be removed via an outlet.
  • the overpressure in the pressure chamber can be ensured via a throttle or a controllable valve and/or the pump pressure.
  • a statistical residence time of the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, within the pressure chamber doctor blade 4 can be influenced.
  • the discharged coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter can be mixed into the inlet and thus recirculated.
  • the overpressure in the pressure chamber 41 results in faster filling of the cups of the micro-engraving roller.
  • a detailed enlargement of the surface of a micro-engraving roller 2 of the device according to the invention is shown in Fig. 2 B.
  • the engraving roller can easily be "overdosed” by adjusting the overpressure. Due to the positive pressure gradient between the pressure chamber 41 and the ambient pressure, additional coating material, in particular ceramic slurry 3 and/or adhesion promoter, flows downstream below the pressure chamber doctor blade 4 and overfills the cups in the surface of the micro-engraving roller 1. This is advantageous for the transfer of the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, in the kiss coating process.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the pressure chamber doctor blade 4.
  • the feed 42 has a nozzle 421 through which the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, is dosed into the pressure chamber.
  • the coating material in particular the ceramic slurry and/or the adhesion promoter, is accelerated in a horizontal direction along the dashed line at the bottom of the pressure chamber 41. This induces a rotating flow field 422 within the pressure chamber 41.
  • the flow field 422 rotates about a rotation axis 423, which runs parallel to the rotation axis of the micro-engraving roller 2.
  • the rotation of the flow field 422 is wall-guided by a geometry of the pressure chamber 41 and amplified by the rotating surface 21 of the micro-engraving roller 2.
  • the rotating flow field 422 mixes the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, within the pressure chamber 41 and thus homogenizes it. This actively counteracts sedimentation. Furthermore, the rotating flow field 422 induces strong velocity gradients and thus shear stresses near the walls of the pressure chamber, which suppress the deposition of sediments or break up and remove deposits on the walls.
  • Fig. 4 shows another embodiment of the pressure chamber doctor blade 4, which has a minimized pressure chamber 41, which has a minimized volume for the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter.
  • the minimized volume avoids surfaces for the accumulation of sediment and minimizes the introduction of ambient air into the coating material, in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, within the pressure chamber.
  • Both the outgoing doctor blade and the incoming doctor blade are designed as negatively angled doctor blades.
  • the pressure chamber 41 does not have an outlet 43.
  • the excess coating material in particular the ceramic slurry 3 and/or the adhesion promoter, is removed from the pressure chamber 41 via the incoming doctor blade.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials (1) mit zumindest einem zumindest bereichsweise liquiden Beschichtungsmaterial (3), wie einem keramischen Slurry und/oder einem Haftvermittler, die Vorrichtung aufweisend eine kontinuierliche rotierende Mikrogravurwalze (2), welche dazu eingerichtet ist, über einen Umfang (21) der Mikrogravurwalze das Beschichtungsmaterial auf das in einer Vorschubrichtung (11) transportierte bahnförmige Trägermaterial zu übertragen. Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Druckkammerrakel (4) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das Beschichtungsmaterial unter Überdruck auf den Umfang der Mikrogravurwalze zu übertragen. Es wird weiterhin eine Anordnung zur Herstellung eines beschichteten Trägermaterials und/oder Substrat, insbesondere eines Separatorfilms und/oder eines Stromkollektors beschrieben.

Description

VORRICHTUNG ZUR BESCHICHTUNG EINES BAHNFÖRMIGEN TRÄGERMATERIALS MIT EINEM BESCHICHTUNGSMATERIAL
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Herstellung von Beschichtungen eines bahnförmigen Trägermaterials, wie eines Films, einer Folie, eines Vlies, eines Netzes und/oder eines Faserverbundes, beispielweise Separatorfilmen, insbesondere Vorrichtungen zur Herstellung von in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzten Trägermaterialen, wie keramischen Separatorfilmen und/oder optional mit zumindest einem Haftvermittler versehenen Stromkollektoren.
Separatorfilme werden in Batterien verwendet, um Elektroden räumlich zu trennen. Hierfür muss ein Separatorfilm als Barriere für die Leitung von Elektronen dienen, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu vermeiden. Ferner muss der Separatorfilm den Transport von Ionen zwischen den Elektroden ermöglichen. Aus diesen Gründen werden Separatorfilme häufig aus keramischen Werkstoffen hergestellt, wobei sich vorteilhafte Eigenschaften des Separatorfilms durch eine gezielte Anpassung der Porosität während der Herstellung erzielen lassen.
Um die spezifische Energiedichte einer Batterie zu erhöhen, sollte der Separator so dünn und leicht wie möglich sein. Um einen Batteriebrand bzw. thermal Runaway auszuschließen, muss hingegen die mechanische Festigkeit des Films sichergestellt sein. Als solches bestehen besonders hohe Anforderungen an die erzielbaren Toleranzen des Herstellungsprozesses und Herstellungsvorrichtungen.
Hierzu kann ein bahnförmiges Trägermaterial mit einem Beschichtungsmaterial bzw. einer Beschichtungsmasse umfassend ein und/oder bestehend aus einem keramischen Slurry beschichtet werden. Beim keramischen Slurry handelt es sich um eine Suspension aus einem Lösungsmittel, meist deionisiertes Wasser und keramischen Rohstoffpartikeln. Die keramische Slurryschicht wird abschließend in einem Trockner überführt, in welchem das Lösungsmittel verdampft wird. Bereits beim Beschichten des bahnförmigen Trägermaterials werden die oben genannten kritischen Eigenschaften des Separatorfilms entscheidend beeinflusst.
Stromkollektoren werden eingesetzt, um innerhalb von Batterien, insbesondere Lithium- Polymer-Batterien, zumindest teilweise Elektroden auszubilden. Dazu werden die Stromkollektoren mit der aktiven Anoden- bzw. Kathodenmasse verbunden, wobei ein Haftvermittler eingesetzt wird, der die Haftung zwischen Anoden- bzw. Kathodenmasse einerseits und Stromkollektor andererseits gewährleisten soll, insbesondere während des Ladens und/oder Entladens der Batterie. Die aktive Anoden- bzw. Kathodenmasse mit dem Stromkollektor, auf den sie aufgebracht werden, bildet dann die jeweilige Elektrode.
Insbesondere ein solcher Stromkollektor kann in Form von einer Folie, Fasern, einem Vlies, einem Netz, welches insbesondere glatt, rauh oder perforiert ausgebildet sein kann, vorliegen, wobei der Stromkollektor optional elektrisch leitfähige Polymere, z. B. Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen oder ähnliche, umfassen bzw. zumindest einen gefüllten Kunststoff umfassen kann. Der gefüllte Kunststoff kann als Füllgut beispielsweise Ruß, Graphit, Metallpulver oder dergleichen umfassen oder ebenfalls selber zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig sein. Weiterhin kann der Stromkollektor zumindest bereichsweise zumindest ein Metall, wie Silber, Kupfer, Zinn, Aluminium, Titan, Chrom, und/oder Nickel umfassen, wobei das Metall auch als Überzug auf zumindest einer Kunststofffolie oder zumindest einem anderen Werkstoff vorliegen kann.
Aus dem zuvor angeführten ergibt sich, dass der Haftvermittler eine wichtige Komponente der Elektrode darstellt, da er die Haftung der Anoden- bzw. Kathodenmasse und dem von dem Stromkollektor umfassten Material sicherstellt. Die Haftung bzw. die Bindung der Übergangsmetalloxide bzw. der Kohlenstoffe soll folgende Bindungen erfüllen. Es soll eine Haftung auf dem Stromkollektor, die auch über längere Zyklisierungen, insbesondere mehr als 200 Lade- bzw. Entladezyklen stabil ist, also keine Ablösung zeigt und so stabil ist, dass auch mechanische Belastungen wie Knicken oder Preßdruck nicht zu Rissen, Ablösungen oder Verschiebungen der Anoden- bzw. Kathodenmasse vom Stromkollektor führen. Als aktive Masse für die Kathode kommen üblicherweise Übergangsmetalloxide wie Co- III-oxid, Ni-II-oxid, Mn-IV-oxid, Wolframate, Molybdate, Titanate, Ferrate sowie Chromate jeweils in der Li -enthaltenen Form, z. B. LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 u. ä. - und als aktive Massen für die Anode kommen üblicherweise Graphite, Kohlenstoffe, Ruße, Fasern in Betracht.
Der Haftvermittler kann ein Polymer umfassen, das gegenüber den Prozessen und lonenaustauschreaktion im Batteriesystem indifferent ist und die Haftung der Anoden- bzw. Kathoden- Materialien auf dem Stromkollektor sicher stellt. Beispielsweise umfasst der Haftvermittler Polyolefine wie Polyisobutene, EPDM - Kautschuke sowie Styrol -Butadien. (Isopren) - Polymere. Die Molmassen der Polymere kann zwischen 20 000 bis 2 000 000, vorzugsweise zwischen 50 000 und 300 000 liegen. Die Einsatzmenge kann bei 2 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise bei 3,5 bis 15 Gew.-% liegen.
Durch diese Materialwahl kann sichergestellt werden, dass eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit - die Voraussetzung für die Wirksamkeit des Elektrodensystems - bereitgestellt wird. Dabei ist bevorzugt, dass der Anteil des Haftvermittlers in der aktiven Anoden- bzw. Kathodenmasse 25% bezogen auf die Festmasse nicht überschreitet, beispielweise liegt er vorzugsweise bei 5-15 Masseanteil. Ferner können zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit auch im Haftvermittler elektrisch leitfähige Füllstoffe wie Leitfähigkeitsruß, Graphit, Polypyrrol, Polyanilin od. ä. Materialien in Mengen bis zu 50% Masseanteil, bezogen auf den Haftvermittler, zugemischt werden.
Eine Vorrichtung zur Beschichtung mit einem konventionellen Beschichtungsfluid, beispielsweise Tinte oder Klebstoff, weist hierfür eine kontinuierlich rotierende Mikrogravurwalze auf, welche dazu eingerichtet ist, über einen Umfang der Mikrogravurwalze das Beschichtungsfluid auf ein in einer Vorschubrichtung transportiertes bahnförmiges Trägermaterial zu übertragen. Eine solche Vorrichtung ist in der EP 0 214 574 Al beschrieben. Um das Beschichtungsfluid auf den Umfang der Mikrogravurwalze zu übertragen, weist eine entsprechende Vorrichtung eine Anspülwanne, also ein offenes Element, und eine Rakel auf, welche entlang einer Länge der Mikrogravurwalze einen Auftragsspalt mit dem Umfang der Mikrogravurwalze bildet. Über die Anspülwanne wird das Beschichtungsfluid direkt in den Auftragsspalt dosiert und auf den Umfang übertragen. Problematisch ist hierbei, dass sich ein keramisches Slurry, insbesondere für einen Separatorfilm, bzw. ein Haftvermittler, insbesondere für einen Stromkollektor, von einem konventionellen Beschichtungsfluid unterscheidet. Insbesondere ist das Slurry bzw. der Haftvermittler ein Mehrphasenfluid mit Festkörperpartikeln, welches zur Entmischung der sogenannten Sedimentation neigt. Die keramischen Rohstoffpartikel bzw. Festkörperpartikel tendieren zur Ablagerungsbildung an den Wänden der Vorrichtung, insbesondere an der Rakel. Mit zunehmender Betriebsdauer der Vorrichtung ändert sich somit das Strömungsfeld innerhalb der Vorrichtung. Um dennoch präzise Fertigungstoleranzen zu garantieren, muss der Betrieb somit regelmäßig unterbrochen werden, um die Vorrichtung gründlich von den Ablagerungen zu reinigen.
Weitere Probleme ergeben sich durch den Eintrag von Umgebungsluft in das keramische Slurry und/oder den Haftvermittler, welcher systeminhärent in einer Anspülkammer stattfindet. In einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung resultiert dieser Eintrag in Beschichtungsfehlern, beispielsweise nicht ausreichend benetzte Membranstellen durch Mikrobläschen. Werden Mikrobläschen innerhalb des keramischen Slurrys bzw. des Haftvermittlers mit einer Gravurwalze auf die Warenbahn transportiert, bilden sich dort Fehlstellen aus, da die Luftblase die Beschichtungsmasse bzw. das Beschichtungsmaterial verdrängt. D.h. an diesen Stellen befindet sich kein bzw. zu wenig keramischer Slurry und/oder Haftvermittler. Durch diese Fehlstellen wird die Schutzwirkung der keramischen Schicht reduziert bzw. die Leitfähigkeit und/oder Haftwirkung des Haftvermittlers reduziert.
Insbesondere neigen auch die in dem Haftvermittler, insbesondere zur Erreichung der elektrischen Leitfähigkeit, enthaltenen Festkörperpartikel zu Sedimentation und Schaumbildung während der Applikation auf das Trägermaterial bzw. Substrat, dass zumindest teilweise den Stromkollektor ausbildet. Beispielsweise neigt Leitruss (Carbon Black), wenn es als ein Hauptbestandteil des Haftvermittlers eingesetzt wird, dazu, kettenförmige Agglomerate zu bilden. Aufgrund der guten Affinität dieser Carbon Black Agglomerate zu Luft, wird der gebildete Mikroschaum zusätzlich stabilisiert. Typische aus einem solchen Mikroschaum resultierende Beschichtungsdefekte sind „Pinholes“. Diese können nach Applikation des Haftvermittlers auf den Stromkollektor durch aufgeplatzte Mikrobläschen entstehen, insbesondere unabhängig davon, ob als Festkörperpartikel Carbon Black oder andere Festkörperpartikel eingesetzt werden. Auch können Agglomerate und Ablagerungen der Festkörperpartikel zu einer ungleichmäßigen insbesondere streifigen und/oder wolkigen Beschichtung führen. So kann es zu Ablagerungen von Bestandteilen des Beschichtungsmaterials bzw. der Beschichtungsmasse im Auftragswerk aufgrund von Sedimentation/ Separation und damit ungleichmäßige Übertragung auf den Stromkollektor kommen.
Ferner unterscheidet sich das keramische Slurry und/oder der Haftvermittler von konventionellen Beschichtungsmassen bzw. Beschichtungsfluids hinsichtlich der Rheologie. Als solches neigt das keramische Slurry bzw. der Haftvermittler bereits bei moderaten Rotationsgeschwindigkeiten der Gravurwalze bzw. bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit der Warenbahn zum Spritzen. Spritzer, welche auf die Warenbahn gelangen, führen zu Beschichtungsfehlem. Zudem muss die Umgebung durch konstruktive Maßnahmen am Beschichtungswerk gegen starke Verschmutzung geschützt werden.
Die konventionell eingesetzten Gravurwalzen mit einem Durchmesser zwischen 250 mm und 400 mm weisen zu große Krümmungsradien bzw. zu geringe Krümmungen auf. In einer hieraus resultierende breiten Beschichtungslinie, welche zwischen Gravurwalze und Trägermaterial gebildet wird, kommt es zu Separationsvorgängen zwischen den keramischen Festkörpern und des Lösungsmittels des keramischen Slurrys bzw. des Haftvermittlers im Bereich des Übertragungspunktes auf die Warenbahn. Dieses führt zu einer unerwünschten, streifigen Beschichtung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die eingangs beschriebene Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, sodass sich diese zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials mit einem keramischen Slurry bzw. einem Haftvermittler eignet. Eine entsprechende Vorrichtung ist durch Anspruch 1 beschrieben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 14. Anspruch 15 beschreibt eine Anordnung zur Herstellung eines keramischen Separatorfilms bzw. eines Stromkollektors, welche eine entsprechende Vorrichtung aufweist.
Demgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Druckkammerrakel aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das keramische Slurry bzw. den Haftvermittler auf den Umfang der Mikrogravurwalze zu übertragen. Es wird somit eine Vorrichtung zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials mit zumindest einem zumindest bereichsweise liquiden Beschichtungsmaterial geliefert, wobei die Vorrichtung eine kontinuierlich rotierende Mikrogravurwalze, welche dazu eingerichtet ist, über einen Umfang der Mikrogravurwalze das Beschichtungsmaterial auf das in einer Vorschubrichtung transportierte bahnförmige Trägermaterial zu übertragen, umfasst wobei die Vorrichtung eine Druckkammerrakel aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das Beschichtungsmaterial unter Überdruck auf den Umfang der Mikrogravurwalze zu übertragen.
Dabei wird vorgeschlagen, dass das zumindest teilweise liquide Beschichtungsmaterial zumindest ein keramisches Slurry und/oder zumindest einen Haftvermittler umfasst.
Bei der Beschichtung des bahnförmigen Trägermaterials mit des keramischen Slurry zeichnet sich die Mikrogravurwalze dadurch aus, dass sie einen vergleichsweise kleinen Durchmesser aufweist. Der kleine Durchmesser und der damit verbundene kleine Krümmungsradius wirken unerwünschten Separationsvorgängen entgegen. Die Mikrogravurwalze kann einen Durchmesser zwischen 60 mm und 150 mm aufweisen.
Hinsichtlich einer maximal erreichbaren Trägermaterialgeschwindigkeit wirkt sich der kleinere Durchmesser der Mikrogravurwalze in gattungsgemäßen Vorrichtungen hingegen oft negativ aus. Gerade bei hoher Trägermaterialgeschwindigkeit und damit deutlich höherer Rotationsgeschwindigkeit der Mikrogravurwalze im Vergleich zu konventionellen Gravurwalzen neigt der niedrigviskose keramische Slurry fliehkraftbedingt dazu, sich von der Gravurwalze zu lösen und damit zu spritzen oder zu nebeln. Die Druckkammerrakel negiert hingegen diesen Effekt, sodass eine hohe Trägermaterialgeschwindigkeit weiterhin möglich ist. Dabei kann die Trägermaterialgeschwindigkeit bis zu 500 m / min betragen. Dabei können die Vorschubrichtung und eine Rotationsrichtung der Mikrogravurwalze gegenläufig sein.
Die Vorrichtung kann also dadurch gekennzeichnet sein, dass die Vorschubrichtung und eine Rotationsrichtung der Mikrogravurwalze in einem Bereich zumindest einer Beschichtungslinie, welche insbesondere zwischen der Mikrogravurwalze und bahnförmigen Trägermaterials ausgebildet ist, gegenläufig sind. Ferner kann die Druckkammerrakel eine Druckkammer aufweisen, welche an einen ersten Umfangsabschnitt der Mikrogravurwalze grenzt und welche gegenüber einer Umgebung der Vorrichtung abgedichtet ist.
Für die Vorrichtung wird also vorgeschlagen, dass die Druckkammerrakel zumindest eine Druckkammer aufweist, welche insbesondere zu der Mikrogravurwalze geöffnet ist und/oder gegenüber einer Umgebung der Vorrichtung abgedichtet ist. Im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik gekannten offenen Element, wie einer Auffüllwanne, stellt eine Druckkammer ein geschlossenes System dar, in der ein Überdruck aufgebaut werden kann
In der Druckkammer wird durch den an der einlaufenden Seite der Druckkammer anliegenden Überdruck eine Flüssigkeitsbarriere zwischen anliegender Druckkammerrakel und Mikrogravurwalze aufgebaut, welche den Lufteintritt in die Druckkammer minimiert. Das keramische Slurry in der Druckkammer bleibt weitgehend frei von Mikrobläschen. Der Überdruck in der Druckkammer kann dabei 50 bis 800 mbar, insbesondere 100 bis 500 mbar betragen.
Es wird also für die Vorrichtung vorgeschlagen, dass in der Druckkammer ein Überdruck von 50 bis 800 mbar, vorzugsweise 100 bis 500 mbar vorliegt
Weitere Vorteile durch den in der Druckkammer anliegenden Überdruck ergeben sich aus einer schnelleren Befüllung von Näpfen und/oder Gravurlinien der Mikrogravurwalze. Da nur sehr wenig keramischer Slurry aufgetragen wird, ist ein Schöpfvolumen der Mikrogravurwalze gering und damit die Strukturen der Mikrogravurwalze sehr fein. Dabei kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, das Trägermaterial mit einem flächenspezifischen Gewicht des keramischen Slurrys von weniger als 10 g/nü, insbesondere weniger als 5 g/nü zu beschichten.
Gerade bei den hohen Beschichtungsgeschwindigkeiten kommt es in gattungsgemäßen Vorrichtungen häufig zu Befüllungsproblemen von Näpfen und/oder Gravurlinien der Mikrogravurwalze. Hier hilft der Überdruck in der Druckkammer, die Befüllung von Näpfen und/oder Gravurlinien zu beschleunigen und damit erst diese Beschichtungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Zudem können diese an einer Rakel der auslaufenden Seite leicht „überdosiert“ werden. Aufgrund eines positiven Druckgradienten zwischen Druckkammer und Umgebungsdruck fließt zusätzliches Beschichtungsfluid unterhalb der Rakel stromabwärts und überfüllt in kontrollierter Art und Weise die Gravurwalze, was einen positiven Einfluss auf die Übertragung des Fluids zur Warenbahn und damit auf die Beschichtungsqualität hat.
Die Druckkammerrakel kann eine auslaufende und eine einlaufende Rakel aufweisen, welche die Druckkammer in Rotationsrichtung der Mikrogravurwalze bzw. entgegen der Rotationsrichtung der Mikrogravurwalze gegenüber der Umgebung abdichten.
Die Druckkammer kann einen Vorlauf aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, das keramische Slurry in die Druckkammer zu dosieren. Die Druckkammer kann ebenfalls einen Ablauf aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, das keramische Slurry aus der Druckkammer zu entnehmen. Auf diese Weise kann eine statistische Verweildauer des keramischen Slurrys innerhalb der Vorrichtung präzise eingestellt werden. Als solches wird das Slurry nicht nur über den Umfang der Mikrogravurwalze aus der Druckkammer entnommen, sondern kann zusätzlich über einen kontrollierten Massenstrom über den Ablauf abgeführt werden. Bei zu langer Verweildauer neigt das keramische Slurry zur Koagulation der keramischen Rohstoffpartikel, wodurch sich die Partikeldurchmesserverteilung zunehmend verändert. Hierdurch wird wiederum die Sedimententerung beschleunigt als auch die Porosität des Separatorfilms empfindlich beeinflusst.
Für die Vorrichtung wird also vorgeschlagen, dass die Druckkammer zumindest einen Vorlauf aufweist, welcher insbesondere dazu eingerichtet ist, das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry und/oder den Haftvermittler, zumindest teilweise in die Druckkammer zu dosieren.
Alternativ oder ergänzend wird also ferner für die Vorrichtung vorgeschlagen, dass die Druckkammer zumindest einen Ablauf aufweist, über den das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry und/oder der Haftvermittler, aus der Druckkammer abgeleitet wird. Ferner ist also bevorzugt, dass die Druckkammerrakel stromaufwärts des Vorlaufs und/oder stromabwärts des Ablaufs, insbesondere jeweils, zumindest ein Druckreservoir aufweist, welches vorzugsweise ein zusätzliches Volumen für das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry und/oder den Haftvermittler, zur Vermeidung von Druckschwankungen in der Druckkammer bereitstellt.
Die Druckkammerrakel kann stromaufwärts des Vorlaufs und/oder stromabwärts des Ablaufs jeweils ein Druckreservoir zur Vermeidung von Druckschwankungen in der Druckkammer aufweisen. Hierbei handelt es sich um ein zusätzliches Volumen für das keramische Slurry, welches fluidisch mit der Druckkammer verbunden ist und die Verteilung des keramischen Slurrys über eine Länge der Druckkammerrakel parallel zur Längsachse der Mikrogravurwalze unterstützt. Transiente Effekte, wie beispielsweise Fluktuation in der Rotationsgeschwindigkeit der Mikrogravurwalze oder des durch die Pumpe bereitgestellten Massenflusses resultieren in Druckschwankungen innerhalb der Druckkammerrakel. Große Volumen des keramischen Slurrys innerhalb der Druckkammerrakel wirken der Amplitude dieser Druckschwankungen entgegen. Somit kann durch das Druckreservoir zusätzlich zur Verfügung gestellte Volumen ein Volumen der Druckkammer klein gehalten werden, ohne dass sich Druckschwankungen innerhalb der Druckkammer negativ auf die Porosität oder Beschichtungsdicke auswirken. Das kleine Volumen der Druckkammer hingegen wirkt der Sedimentation innerhalb der der Druckkammer entgegen.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung eine Filtereinheit zur Filterung des keramischen Slurrys aufweisen, welche fluidisch mit der Druckkammerrakel verbunden und stromaufwärts des Einflusses angeordnet ist.
Es wird also für die Vorrichtung vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zumindest eine Filtereinheit, insbesondere zur Filterung des Beschichtungsmaterials, insbesondere des keramischen Slurrys und/oder des Haftvermittlers, aufweist, welche insbesondere fluidisch mit der Druckkammerrakel verbunden und/oder vorzugsweise stromaufwärts des Vorlaufes angeordnet ist.
Insbesondere kann der Vorlauf zumindest eine Düse aufweisen, über welche das keramische Slurry in die Druckkammer eindosierbar ist und welche dazu eingerichtet ist, ein rotierendes Strömungsfeld innerhalb der Druckkammer zu induzieren. Durch die Strömungsquerschnittsverengung innerhalb der Düse wird das keramische Slurry vor Eintritt in die Druckkammer beschleunigt. Dabei ist ein Einströmwinkel der Düse abseits eines geometrischen Schwerpunkts der Druckkammer gerichtet, wodurch sich ein rotierendes Strömungsfeld induziert wird. Hierdurch findet eine kontinuierliche Durchmischung des keramischen Slurrys innerhalb der Druckkammer statt, welcher der Koagulation entgegenwirkt. Darüber hinaus resultiert das rotierende Strömungsfeld in wandnahen Geschwindigkeitsgradienten innerhalb der Druckkammer, wodurch Sedimentation an Wänden der Druckkammer verhindert wird oder die Sedimentschicht abgebaut werden.
Mit anderen Worten wird also vorgeschlagen, dass der Vorlauf zumindest eine Düse aufweist, über welche vorzugsweise das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry und/oder der Haftvermittler, in die Druckkammer eindosierbar ist und/oder welche dazu eingerichtet ist, zumindest ein rotierendes Strömungsfeld innerhalb der Druckkammer zu induzieren.
Der Vorlauf kann zumindest zwei Düsen aufweisen, welche jeweils unterschiedliche Einströmpositionen und/oder Einströmwinkel aufweisen, um das rotierende Strömungsfeld zu induzieren. Die zumindest zwei Düsen können zwei entgegengesetzte Einströmwinkel und Einströmpositionen an entgegengesetzten Seiten der Druckkammer aufweisen. Die zumindest zwei Düsen können dazu eingerichtet sein, eine Drehrichtung des rotierenden Strömungsfeldes alternierend zu ändern. Hierzu können die Düsen dazu eingerichtet sein, einen eindosierten Massenstrom des keramischen Slurrys individuell zu steuern. Alternativ oder zusätzlich kann der Einfluss eine Drallklappe aufweisen. Vorzugsweise kann eine Rotationsachse des rotierenden Strömungsfelds parallel zu einer Rotationsachse der Mikrogravurwalze sein. Ferner kann die Druckkammer eine strömungsführende Wandgeometrie aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, das rotierende Strömungsfeld zu induzieren.
Mit anderen Worten wird für die Vorrichtung vorgeschlagen, dass der Vorlauf zumindest zwei Düsen aufweist, welche vorzugsweise jeweils unterschiedliche Einströmpositionen und/oder Einströmwinkel aufweisen, insbesondere um das rotierende Strömungsfeld zu induzieren. Dabei ist bevorzugt, dass die zumindest eine Düse dazu eingerichtet ist, eine Rotationsachse des rotierenden Strömungsfelds parallel zu einer Rotationsachse der Mikrogravurwalze zu induzieren.
Die Vorrichtung kann eine erste Führungswalze und eine zweite Führungswalze aufweisen, wobei die erste Führungswalze und die zweite Führungswalze dazu eingerichtet sind, das bahnförmige Trägermaterial über einen Umfangsabschnitt der Mikrogravurwalze zu führen.
Mit anderen Worten wird also für die Vorrichtung vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zumindest eine erste Führungswalze und/oder zumindest eine zweite Führungswalze aufweist, wobei vorzugsweise die erste Führungswalze und/oder die zweite Führungswalze dazu eingerichtet ist bzw. sind, das bahnförmige Trägermaterial über einen Umfangsabschnitt der Mikrogravurwalze zu führen.
Dies ist vorteilhaft für die Übertragung des keramischen Slurrys im sogenannten Kiss- Coating- Verfahren: Die Mikrogravurwalze wird zwischen zwei Führungswalzen an das Trägermaterial angestellt, wobei sich eine Beschichtungslinie - die Kiss-Coating-Linie - zwischen Gravurwalze und Warenbahn ausgebildet. Wegen der Überfüllung der Gravurwalze durch Überdruck innerhalb der Druckkammer und des damit vollflächigen Kontaktes des Beschichtungsfluids im Bereich der Kiss-Coating-Linie zur Warenbahn wird die gleichmäßige Beschichtung des bahnförmigen Trägermaterials unterstützt.
Der Umfangsabschnitt kann einem Umschlingungswinkel von 0,5° bis 40°, bevorzugt 5 ° bis 30 °, vorzugsweise von 8 ° bis 22 ° aufweisen. So kann bereits eine tangentiale Berührung des Trägermaterials an der Mikrogravurwalze ausreichen, um eine Übertragung des Beschichtungsmaterials zu gewährleisten.
Ein Durchmesser der ersten und/oder zweiten Führungswalze kann größer als ein Durchmesser der Mikrogravurwalze, insbesondere ein Vielfaches größer als ein Durchmesser der Mikrogravurwalze sein.
Ein Durchmesser der ersten und/oder zweiten Führungswalze kann kleiner als ein Durchmesser der Mikrogravurwalze sein. Hierdurch bedingt kann die Mikrogravurwalze mit kleinen Abstand zwischen der ersten und der zweiten Führungswalze positioniert sein. Dieses führt zu einem guten Kontakt der zwischen ersten und zweiten Führungswalze geführten Warenbahn zur Mikrogravurwalze. Hieraus ergeben sich Vorteile für die Übertragung des durch die Mikrogravurwalze dosierten keramischen Slurrys auf die Warenbahn. Hierdurch kann bei moderaten Umschlingungswinkeln eine schmale Kiss- Coating-Linie, zwischen Gravurwalze und Warenbahn ausgebildet werden.
Die Vorrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, die Druckkammerrakel horizontal changierend zu einer Längsachse der Mikrogravurwalze zu bewegen. Dies erlaubt die sich an den Rakeln des Druckkammerrakel s festsetzende Feststoffe/ Agglomerate zu lösen. Diese Feststoffe können dann und mit dem umlaufenden Fluid abtransportiert und ausgefiltert werden.
Die Anstellung der auslaufenden Rakel des Druckkammerrakel s kann positiv oder negativ (auch als schleppend oder stechend bezeichnet) sein. Abgestimmt auf die Eigenschaften des keramischen Slurrys kann sich diese Variabilität der Rakelanstellung positiv auf die Qualität des Beschichtungsfilms auswirken.
Die Druckkammerrakel Typ kann ferner eine minimierte Druckkammer aufweisen, welche ein minimiertes Volumen für das keramische Slurry aufweist. Durch das minimierte Volumen werden Oberflächen zur Anlagerung von Sedimenten vermieden. Dabei kann die auslaufende Rakel und/oder die einlaufende Rakel beidseitig als negativ angestellte Rakel ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zum Ablauf kann die Druckkammerrakel einen Überströmkörper zum Abführen überschüssigen keramischen Slurrys aus der Druckkammer aufweisen.
Es wird für die Vorrichtung auch bevorzugt, dass das Trägermaterial, insbesondere zur Herstellung zumindest eines Stromkollektors,
• zumindest bereichsweise zumindest eine Folie, zumindest einen Faserverbund, zumindest ein Vlies, zumindest ein Netz, optional zumindest eine glattes, rauhes und/oder perforiertes Netz, umfasst,
• zumindest bereichsweise zumindest ein elektrisch leitfähiges Polymer, insbesondere Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen oder dergleichen, umfasst,
• zumindest bereichsweise zumindest ein gefülltes Kunststoffmaterial umfasst, wobei optional das Füllgut Ruß, Leitruss, Carbon Black, Graphit und/oder Metallpulver umfasst,
• zumindest bereichsweise zumindest ein Metall, zumindest ein Metalloxid, Silber, Kupfer, Zinn, Aluminium, Titan, Chrom und/oder Nickel umfasst, und/oder
• zumindest bereichsweise zumindest einen, insbesondere teilweise metallischen Überzug, optional auf zumindest einer Folie, Kunststofffolien und/oder einen anderen Werkstoff umfasst.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Beschichtungsmaterial, insbesondere der Haftvermittler,
• zumindest ein Polyolefin, insbesondere zumindest bereichsweise umfassend Polyisobutene, Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk, Styrol -Butadien, Isopren - Polymer, vorzugsweise mit einer Molmasse, insbesondere des Polymers, zwischen 20 000 bis 2 000 000, vorzugsweise zwischen 50 000 und 300 000 und/oder einem Anteil von 2 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise von 3,5 bis 15 Gew.-% des Beschichtungsmaterials, umfasst
• zumindest einen Polymerbinder, insbesondere auf Basis von Polyacryl säure, optional umfassend zumindest einen elektrisch leitfähigen Zusatz,
• zumindest ein Material auf Basis von Polyol efinen, Polyvinylethem, Polystyrol und/oder Kautschuken, vorzugsweise zumindest teilweise auf Basis von SBR (Styrol -Butadien-Rubber) umfasst und/oder
• zumindest einen elektrischen Füllstoff, vorzugsweise umfassend, Leitfähigkeitsruß, Graphit, Polypyrrol, und/oder Polyanilin umfasst, insbesondere in Mengen bis zu 50% Masseanteil, bezogen auf den Haftvermittler, umfasst.
Ferner wird eine Anordnung zur Herstellung eines Separatorfilms beansprucht, aufweisend eine Vorrichtung zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials entsprechend einer der ob en-genannten Ausführungsformen, ein bahnförmiges Trägermaterial, zumindest eine Umlenkrolle und einen Trockner, wobei die zumindest eine Umlenkrolle dazu eingerichtet ist, das bahnförmige Trägermaterial von der Vorrichtung zur Beschichtung des bahnförmigen Trägermaterials zu dem Trockner zu überführen.
Mit anderen Worten liefert die Erfindung eine Anordnung zur Herstellung zumindest eines beschichteten Trägermaterials und/oder Substrats, insbesondere zumindest eines Separatorfilms und/oder Stromkollektors, aufweisend zumindest eine Vorrichtung zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials, wie hier, insbesondere vorangehend, beschrieben, ein bahnförmiges Trägermaterial, und zumindest eine Umlenkrolle, ferner optional umfassend zumindest einen Trockner, wobei die zumindest eine Umlenkrolle dazu eingerichtet ist, das bahnförmige Trägermaterial von der Vorrichtung zur Beschichtung des bahnförmigen Trägermaterials weiter zu transportieren, insbesondere zu dem Trockner zu üb erführen.
Durch die Verwendung des Mikrodruckkammerrakel s, also insbesondere einer Mikrogravur auf einer Walze in Kombination mit einem Druckkammerrakel können Beschichtungsungleichmäßigkeiten, wie die Ausbildung eines Mikroschaums, der zu Pinholes führen kann, und/oder ungleichmäßige Beschichtungen, die insbesondere durch Ablagerungen von Bestandteilen des Beschichtungsmaterials bzw. der Beschichtungsmasse im Auftragswerk aufgrund von Sedimentation/ Separation und damit ungleichmäßige Übertragung auf das Trägermaterial bzw. Substrat minimiert werden.
Neben vorgenannten Vorteilen des Einsatzes einer Druckkammerrakel entstehen auch synergetische Effekte durch den Einsatz einer Kombination von Mikrogravurwalze und Druckkammerrakel. Insbesondere ermöglicht diese Kombination, beispielsweise bei der Herstellung eines Separatorfilms bzw. eines Stromkollektors, die Entstehung synergetischer Effekte wie eine „defektfreie“ Befüllung der Mikrogravurwalze und eine optimierte Übertragung des Beschichtungsmaterials auf das Trägermaterial durch die Mikrogravurwalze.
Ferner liefert die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials mit zumindest einem zumindest bereichsweise liquiden Beschichtungsmaterial, umfassend die Schritte
• Übertragung des Beschichtungsmaterials auf einen Umfang einer kontinuierlich rotierenden Mikrogravurwalze und
• Übertragen des Beschichtungsmaterials über den Umfang der Mikrogravurwalze auf das bahnförmige Trägermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial unter Überdruck mittels zumindest einer Druckkammerrakel auf die Mikrogravurwalze übertragen wird. Für das Verfahren wird vorgeschlagen, dass das bahnförmige Trägermaterial in einer Vorschubrichtung transportiert wird
Bevorzugt ist für das Verfahren, dass die Mikrogravurwalze in eine Richtung zu der Vorschubrichtung gegenläufig rotiert wird.
Auch wird für das Verfahren vorgeschlagen, dass in der Druckkammer ein Überdruck von 50 bis 800 mbar, vorzugsweise 100 bis 500 mbar, des Beschichtungsmaterials erzeugt wird.
Auch ist bevorzugt, dass das Beschichtungsmaterial, insbesondere mittels zumindest eines Vorlaufs, in die Druckkammer dosiert wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Beschichtungsmaterial, vorzugsweise mittels zumindest eines Ablaufs, aus der Druckkammer abgeleitet wird.
Auch ist bevorzugt, dass das Beschichtungsmaterial, optional mittels zumindest einer Filtereinheit, welche insbesondere fluidisch mit der Druckkammerrakel verbunden und/oder vorzugsweise stromaufwärts des Vorlaufes angeordnet ist, gefiltert wird.
Das Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Beschichtungsmaterial, optional mittels zumindest einer, insbesondere von dem Vorlauf umfassten, Düse, in die Druckkammer eindosierbar ist und/oder, optional mittels der Düse, zumindest ein rotierendes Strömungsfeld innerhalb der Druckkammer induziert wird.
Bei der vorangehenden Ausführungsform ist bevorzugt, dass mittels zumindest zweier, vorzugsweise von dem Vorlauf umfassten, Düsen, welche vorzugsweise jeweils unterschiedliche Einströmpositionen und/oder Einströmwinkel aufweisen, das rotierende Strömungsfeld induziert wird. Dabei wird für die beiden vorgenannten Ausführungsformen vorgeschlagen, dass, vorzugsweise mittels der zumindest einen Düse, eine Rotationsachse des rotierenden Strömungsfelds parallel zu einer Rotationsachse der Mikrogravurwalze induziert wird.
Auch wird für das Verfahren vorgeschlagen, dass das bahnförmige Trägermaterial, vorzugsweise mittels zumindest einer ersten Führungswalze und/oder zumindest einer zweiten Führungswalze, über einen Umfangsabschnitt der Mikrogravurwalze geführt wird.
Schließlich ist für das Verfahren bevorzugt, dass eine Vorrichtung wie hierin beschrieben, eingesetzt wird.
Weitere Details und Funktionsweisen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen illustriert und erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 A: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung entsprechend dem
Stand der Technik;
Figur 1 B : eine Detailvergrößerung der Oberfläche einer Mikrogravurwalze in einer Vorrichtung entsprechend dem Stand der Technik;
Figur 2 A: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Figur 2 B : eine Detailvergrößerung der Oberfläche einer Mikrogravurwalze in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 3 und 4: Detailansichten zweier Ausführungsformen erfindungsgemäßer
Druckkammerrakeln.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials 1. Das bahnförmige Trägermaterial 1 wird in einer Vorschubrichtung 11 transportiert und über eine Gravurwalze 2 geführt. Hierbei wird über einen Umfang 21 der Gravurwalze ein Beschichtungsmaterial, wie ein keramisches Slurry 3 oder ein Haftvermittler, auf das, insbesondere als Substrat dienendes, bahnförmige Trägermaterial 1 übertragen und somit beschichtet. Neben der Gravurwalze 2 ist eine Anspülkammer angeordnet. In dieser Anspülkammer wird das Beschichtungsmaterial, insbesondere keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, unter atmosphärischen Druck eindosiert und schließlich auf den Umfang 21 der Gravurwalze 2 übertragen. Für die Qualität des finalen Produktes, insbesondere in Form eines Separatorfilms und/oder eines Stromkollektors, als auch für die Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses hat eine solche Vorrichtung entscheidende Nachteile. Erstens, es findet ein Eintrag von Luft in das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, statt. Zweitens, das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, neigt bzw. neigen innerhalb der Anspülkammer zum Sedimentieren. Drittens, das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, fängt abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der Gravurwalze ab einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit der Warenbahn an zu spritzen. Ebenfalls ist problematisch, dass bedingt durch die niedrige Dicke des Trägermaterials, insbesondere der Separatorfilme und/oder der Stromkollektoren, ein Schöpfvolumen der Gravurwalze 2 gering ist. Hierdurch sind die in den Umfang 21 eingebrachten Strukturen, beispielsweise Linien oder Näpfe, ebenfalls sehr fein. Bei moderaten Trägermaterialgeschwindigkeiten kommt es in der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zu Befüllungsproblemen der Näpfchen bzw. Linien.
Dies ist anhand der Detailvergrößerung „A“, dargestellt in Fig. 1 A veranschaulicht. Stark vergrößert dargestellt ist ein Abschnitt des Umfangs der Gravurwalze 21 an einer Position kurz vor der Übertragung des Beschichtungsmaterials, insbesondere des keramischen Slurrys 3 und/oder des Haftvermittlers, auf das Trägermaterial 1. Das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 1 und/oder der Haftvermittler, wurde in der Anspülkammer auf die Oberfläche der Gravurwalze 21 übertragen. Durch den an der Anspülkammer anliegenden atmosphärischen Druck und den vernachlässigbaren geodätischen Druck der Flüssigkeitssäule werden selbst bei Trägermaterialgeschwindigkeiten von weniger als 100 m/min lediglich die in die Oberfläche eingebrachten Näpfe mit Beschichtungsmaterial, insbesondere keramischen Slurry 3 und/oder Haftvermittler, befüllt. Beim subsequenten Übertragen des Beschichtungsmaterials, insbesondere des keramischen Slurrys 3 und/oder des Haftvermittlers, auf das Trägermaterial 1 wird das Trägermaterial 1 lückenhaft oder mit einer intermittenten Dicke beschichtet. Fig. 2A zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das bahnförmige Trägermaterial 1 wird in einer Vorschubrichtung 11 transportiert und von einer ersten Führungswalze 5 und einer zweiten Führungswalze 6 über einen Umfangsabschnitt 22 einer Mikrogravurwalze 2 in dem sogenannten Kiss-Coating- Verfahren geführt. Hierbei wird über einen Umfang 21 der Mikrogravurwalze ein Beschichtungsmaterial, insbesondere ein keramisches Slurry 3 und/oder ein Haftvermittler, auf das bahnförmige Trägermaterial 1 übertragen und somit beschichtet. Hierzu ist die Vorschubrichtung 11 und eine Rotationsrichtung 23 der Mikrogravurwalze 2 gegenläufig. Anschließend wird über eine gummierte Umlenkrolle 7, das beschichtete bahnförmige Trägermaterial weiter transportiert. Insbesondere im Falle eines Separatorfilms kann es zu einem nicht dargestellten Trockner transportiert werden, in welchem der keramische Slurry
3 durch Verdampfung des Lösungsmittels getrocknet wird. Auch im Falle eines Stromkollektors kann der Weitertransport an zumindest eine weitere Verarbeitungseinheit erfolgen. Dabei kommt beispielsweise eine Trocknung des Beschichtungsmaterials, insbesondere unter Einsatz von Konvektion, Wärmestrahlung, vorzugsweise mittels nahem Infrarot und/oder mittels zumindest eines Diodenlasers, mittels Kontaktwärme und/oder mittels Lufttrocknung in Betracht.
Unterhalb der Mikrogravurwalze 2 wird das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, mittels einer Druckkammerrakel 4 unter Überdruck auf den Umfang 21 der Mikrogravurwalze 2 übertragen. Die Druckkammerrakel
4 ist aus hierbei als Ausbruch dargestellt. Die Druckkammerrakel weist eine Druckkammer 41 auf, welche an die Mikrogravurwalze angrenzt und gegenüber einer Umgebung der Vorrichtung abgedichtet ist. Hierzu weist die Druckkammerrakel 4 ein Rakelpaar auf, welches die Druckkammer 41 über die gesamte Bereite der Mikrogravurwalze in bzw. entgegen der Rotationsrichtung 23 abdichten, sodass innerhalb der Druckkammer 41 ein Überdruck aufgebaut werden kann. Das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, wird über einen Vorlauf 42 in die Druckkammer 41 dosiert.
Stromaufwärts vom Einlass ist ein Druckreservoir 44 innerhalb der Druckkammerrakel 4 angeordnet, welches betriebsbedingte Druckschwankungen innerhalb der Druckkammerrakel 4 unterdrückt oder mindert. Die Druckkammerrakel 4 wird über einen Zulauf, insbesondere mit einer Pumpe und/oder einer nicht dargestellten Filtereinheit, mit dem Beschichtungsmaterial, insbesondere dem keramischen Slurry 3 und/oder dem Haftvermittler, versorgt. Die Druckkammer 41 weist ferner einen Ablauf 43 auf, welcher dazu eingerichtet ist, das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder den Haftvermittler, aus der Druckkammer 41 zu entnehmen. Auch stromabwärts des Ablaufes ist ein Druckreservoir 44 angeordnet. Ein kontrollierter Massenstrom des Beschichtungsmaterials, insbesondere des keramischen Slurrys 3 und/oder des Haftvermittlers, kann über einen Auslauf entnommen werden. Der Überdruck in der Druckkammer kann dabei über eine Drossel oder ein steuerbares Ventil und/oder des Pumpendrucks sichergestellt werden. Als solches kann eine statistische Verweildauer des Beschichtungsmaterials, insbesondere des keramischen Slurrys 3 und/oder des Haftvermittlers, innerhalb der Druckkammerrakel 4 beeinflusst werden. Insbesondere kann das abgeführte Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, im Zulauf beigemischt und somit rezirkuliert werden.
Durch den in der Druckkammer 41 anliegenden Überdruck ergibt sich eine schnellere Befüllung der Näpfe der Mikrogravurwalze. Analog zu der Detailvergrößerung gezeigt Fig. 1 A ist eine Detailvergrößerung der Oberfläche einer Mikrogravurwalze der 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Fig. 2 B dargestellt. An der stromabwärtigen Seite der Druckkammer kann die Gravurwalze durch Einstellung des Überdrucks leicht „überdosiert“ werden. Aufgrund des positiven Druckgradienten zwischen Druckkammer 41 und Umgebungsdruck fließt zusätzliches Beschichtungsmaterial, insbesondere keramisches Slurry 3 und/oder Haftvermittler, unterhalb der Druckkammerrakel 4 stromabwärts und überfüllt die Näpfe in der Oberfläche der Mikrogravurwalze 1. Dieses ist vorteilhaft für die Übertragung des Beschichtungsmaterials, insbesondere des keramischen Slurry 3 und/oder des Haftvermittlers, im Kiss-Coating-Verfahren.
Aufgrund der Überfüllung der Gravurwalze 2 und des damit vollflächigen Kontaktes des Beschichtungsfluids im Bereich der Kiss-Coating-Linie zum Trägermaterial 1 wird die gleichmäßige Beschichtung auch bei Trägermaterialgeschwindigkeiten von deutlich mehr als 100 m/min unterstützt.
Fig 3. zeigt eine alternative Ausführungsform der Druckkammerrakel 4. Hierbei weist der Vorlauf 42 eine Düse 421 auf, über welche das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, in die Druckkammer dosiert wird. In der Düse wird das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry und/oder der Haftvermittler in horizontaler Richtung entlang der gestrichelten Linie am Boden der Druckkammer 41 beschleunigt. Hierdurch wird ein rotierendes Strömungsfeld 422 innerhalb der Druckkammer 41 induziert. Dabei rotiert das Strömungsfeld 422 um eine Rotationsachse 423, welche parallel zu der Rotationsachse der Mikrogravurwalze 2 verläuft. Die Rotation des Strömungsfelds 422 wird wandgeführt durch eine Geometrie der Druckkammer 41 als auch durch die rotierende Oberfläche 21 der Mikrogravurwalze verstärkt 2. Durch das rotierende Strömungsfeld 422 wird das Beschichtungsmaterial, insbesondere der keramische Slurry 3 und/oder der Haftvermittler, innerhalb der Druckkammer 41 durchmischt und somit homogenisiert. Hierdurch wird der Sedimentation aktiv entgegengewirkt. Ferner ruft das rotierende Strömungsfeld 422 in der Nähe der Wände der Druckkammer starke Geschwindigkeitsgradienten und somit Scherspannungen hervor, welche das Ablagern von Sedimenten unterdrückt oder Ablegungen und den Wänden aufbricht und beseitigt.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Druckkammerrakel 4, welche eine minimierte Druckkammer 41 aufweist, welche ein minimiertes Volumen für das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder den Haftvermittler, aufweist. Durch das minimierte Volumen werden Oberflächen zur Anlagerung von Sedimenten vermieden und das Einbringen von Umgebungsluft in das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry 3 und/oder den Haftvermittler, innerhalb der Druckkammer minimiert. Dabei sind sowohl die auslaufende Rakel als auch die einlaufende Rakel als negativ angestellte Rakel ausgeführt. Um das Volumen der Druckkammer 41 weiter zu reduzieren, weist die Druckkammer 41 keinen Ablauf 43 auf.
Stattdessen wird das überschüssige Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramischen Slurry 3 und/oder der Haftvermittler über die einlaufende Rakel aus der Druckkammer 41 abgeführt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichenliste:
Bahnförmiges Trägermaterial
Mikrogravurwalze
Keramisches Slurry
Druckkammerrakel erste Führungswalze zweite Führungswalze
Umlenkrolle
V or schubri chtung
Umfang der Mikrogravurwalze
Umfangsabschnitt
Rotationsrichtung der Mikrogravurwalze
Druckkammer
Vorlauf
Ablauf
Druckreservoir
Düse
Rotierendes Strömungsfeld
Rotationsachse des Strömungsfeldes Umschlingungswinkel

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials (1) mit zumindest einem zumindest bereichsweise liquiden Beschichtungsmaterial , die Vorrichtung aufweisend eine kontinuierlich rotierende Mikrogravurwalze (2), welche dazu eingerichtet ist, über einen Umfang (21) der Mikrogravurwalze (2) das Beschichtungsmaterial auf das in einer Vorschubrichtung (11) transportierte bahnförmige Trägermaterial (1) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest eine Druckkammerrakel (4) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das Beschichtungsmaterial unter Überdruck auf den Umfang (21) der Mikrogravurwalze zu übertragen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zumindest teilweise liquide Beschichtungsmaterial zumindest ein keramisches Slurry (3) und/oder zumindest einen Haftvermittler umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorschubrichtung (11) und eine Rotationsrichtung der Mikrogravurwalze (23) in einem Bereich zumindest einer Beschichtungslinie, welche insbesondere zwischen der Mikrogravurwalze (2) und bahnförmigen Trägermaterials (1) ausgebildet ist, gegenläufig sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Druckkammerrakel (4) zumindest eine Druckkammer (41) aufweist, welche insbesondere zu der Mikrogravurwalze (2) geöffnet ist und/oder gegenüber einer Umgebung der Vorrichtung abgedichtet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei in der Druckkammer (41) ein Überdruck von 50 bis 800 mbar, vorzugsweise 100 bis 500 mbar vorliegt.
6. Vorrichtung nach einen der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mikrogravurwalze zumindest bereichsweise einen Durchmesser zwischen 60 mm und 150 mm aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Druckkammer (41) zumindest einen Vorlauf (42) aufweist, welcher insbesondere dazu eingerichtet ist, das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry (3) und/oder den Haftvermittler, zumindest teilweise in die Druckkammer (41) zu dosieren.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Druckkammer (41) zumindest einen Ablauf (43) aufweist, über den das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry (3) und/oder der Haftvermittler, aus der Druckkammer (41) abgeleitet wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Druckkammerrakel (4) stromaufwärts des Vorlaufs (42) und/oder stromabwärts des Ablaufs (43), insbesondere jeweils, zumindest ein Druckreservoir (44) aufweist, welches vorzugsweise ein zusätzliches Volumen für das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry (3) und/oder den Haftvermittler, zur Vermeidung von Druckschwankungen in der Druckkammer (41) bereitstellt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Vorrichtung zumindest eine Filtereinheit, insbesondere zur Filterung des Beschichtungsmaterials, insbesondere des keramischen Slurrys (3) und/oder des Haftvermittlers, aufweist, welche insbesondere fluidisch mit der Druckkammerrakel (4) verbunden und/oder vorzugsweise stromaufwärts des Vorlaufes (42) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Vorlauf (42) zumindest eine Düse (421) aufweist, über welche vorzugsweise das Beschichtungsmaterial, insbesondere das keramische Slurry (3) und/oder der Haftvermittler, in die Druckkammer (41) eindosierbar ist und/oder welche dazu eingerichtet ist, zumindest ein rotierendes Strömungsfeld (422) innerhalb der Druckkammer (41) zu induzieren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Vorlauf (42) zumindest zwei Düsen aufweist, welche vorzugsweise jeweils unterschiedliche Einströmpositionen und/oder Einströmwinkel aufweisen, insbesondere um das rotierende Strömungsfeld (422) zu induzieren.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die zumindest eine Düse (421) dazu eingerichtet ist, eine Rotationsachse (423) des rotierenden Strömungsfelds parallel zu einer Rotationsachse der Mikrogravurwalze (2) zu induzieren.
14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung zumindest eine erste Führungswalze (5) und/oder zumindest eine zweite Führungswalze (6) aufweist, wobei vorzugsweise die erste Führungswalze (5) und/oder die zweite Führungswalze (6) dazu eingerichtet ist bzw. sind, das bahnförmige Trägermaterial (1) über einen Umfangsabschnitt (22) der Mikrogravurwalze (2) zu führen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Umfangsabschnitt (22) einem Umschlingungswinkel (a) von 0,5° bis 40°, bevorzugt, 5 ° bis 30 °, vorzugsweise von 8 ° bis 22 ° aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial, insbesondere zur Herstellung zumindest eines Stromkollektors,
• zumindest bereichsweise zumindest eine Folie, zumindest einen Faserverbund, zumindest ein Vlies, zumindest ein Netz, optional zumindest eine glattes, rauhes und/oder perforiertes Netz, umfasst,
• zumindest bereichsweise zumindest ein elektrisch leitfähiges Polymer, insbesondere Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen oder dergleichen, umfasst,
• zumindest bereichsweise zumindest ein gefülltes Kunststoffmaterial umfasst, wobei optional das Füllgut Ruß, Leitruss, Carbon Black, Graphit und/oder Metallpulver umfasst,
• zumindest bereichsweise zumindest ein Metall, zumindest ein Metalloxid, Silber, Kupfer, Zinn, Aluminium, Titan, Chrom und/oder Nickel umfasst, und/oder
• zumindest bereichsweise zumindest einen, insbesondere teilweise metallischen Überzug, optional auf zumindest einer Folie, Kunststofffolien und/oder einen anderen Werkstoff umfasst.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Beschichtungsmaterial, insbesondere der Haftvermittler,
• zumindest ein Polyolefin, insbesondere zumindest bereichsweise umfassend Polyisobutene, Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk, Styrol -Butadien, Isopren - Polymer, vorzugsweise mit einer Molmasse, insbesondere des Polymers, zwischen 20 000 bis 2 000 000, vorzugsweise zwischen 50 000 und 300 000 und/oder einem Anteil von 2 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise von 3,5 bis 15 Gew.-% des Beschichtungsmaterials, umfasst
• zumindest einen Polymerbinder, insbesondere auf Basis von Polyacryl säure, optional umfassend zumindest einen elektrisch leitfähigen Zusatz,
• zumindest ein Material auf Basis von Polyol efinen, Polyvinylethem, Polystyrol und/oder Kautschuken, vorzugsweise zumindest teilweise auf Basis von SBR (Styrol- Butadien-Rubber) umfasst und/oder
• zumindest einen elektrischen Füllstoff, vorzugsweise umfassend, Leitfähigkeitsruß, Graphit, Polypyrrol, und/oder Polyanilin umfasst, insbesondere in Mengen bis zu 50% Masseanteil, bezogen auf den Haftvermittler, umfasst.
18. Anordnung zur Herstellung zumindest eines beschichteten Trägermaterials und/oder Substrats, insbesondere zumindest eines Separatorfilms und/oder Stromkollektors, aufweisend zumindest eine Vorrichtung zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, ein bahnförmiges Trägermaterial (1), und zumindest eine Umlenkrolle (7), ferner optional umfassend zumindest einen Trockner, wobei die zumindest eine Umlenkrolle (7) dazu eingerichtet ist, das bahnförmige Trägermaterial (1) von der Vorrichtung zur Beschichtung des bahnförmigen Trägermaterials (1) weiter zu transportieren, insbesondere zu dem Trockner zu überführen.
19. Verfahren zur Beschichtung eines bahnförmigen Trägermaterials (1) mit zumindest einem zumindest bereichsweise liquiden Beschichtungsmaterial, umfassend die Schritte
• Übertragung des Beschichtungsmaterials auf einen Umfang (21) einer kontinuierlich rotierenden Mikrogravurwalze und • Übertragen des Beschichtungsmaterials über den Umfang (21) der Mikrogravurwalze (2) auf das bahnförmige Trägermaterial (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial unter Überdruck mittels zumindest einer Druckkammerrakel (4) auf die Mikrogravurwalze übertragen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das bahnförmige Trägermaterial (1) in einer Vorschubrichtung (11) transportiert wird
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei die Mikrogravurwalze (23) in eine Richtung zu der Vorschubrichtung (11) gegenläufig rotiert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei in der Druckkammer (41) ein Überdruck von 50 bis 800 mbar, vorzugsweise 100 bis 500 mbar, des Beschichtungsmaterials erzeugt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei das Beschichtungsmaterial, insbesondere mittels zumindest eines Vorlaufs (42), in die Druckkammer (41) dosiert wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei das Beschichtungsmaterial, vorzugsweise mittels zumindest eines Ablaufs (43), aus der Druckkammer (41) abgeleitet wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei das Beschichtungsmaterial, optional mittels zumindest einer Filtereinheit, welche insbesondere fluidisch mit der Druckkammerrakel (4) verbunden und/oder vorzugsweise stromaufwärts des Vorlaufes (42) angeordnet ist, gefiltert wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei das Beschichtungsmaterial, optional mittels zumindest einer, insbesondere von dem Vorlauf (42) umfassten, Düse (421), in die Druckkammer (41) eindosierbar ist und/oder, optional mittels der Düse (421), zumindest ein rotierendes Strömungsfeld (422) innerhalb der Druckkammer (41) induziert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei mittels zumindest zweier, vorzugsweise von dem Vorlauf (42) umfassten, Düsen, welche vorzugsweise jeweils unterschiedliche Einströmpositionen und/oder Einströmwinkel aufweisen, das rotierende Strömungsfeld (422) induziert wird.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei, vorzugsweise mittels der zumindest einen Düse (421), eine Rotationsachse (423) des rotierenden Strömungsfelds parallel zu einer Rotationsachse der Mikrogravurwalze (2) induziert wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei das bahnförmige Trägermaterial (1), vorzugsweise mittels zumindest einer ersten Führungswalze (5) und/oder zumindest einer zweiten Führungswalze (6), über einen Umfangsabschnitt (22) der Mikrogravurwalze (2) geführt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 eingesetzt wird.
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