EP4701968A1 - Vorrichtung und verfahren für die energiezellen, insbesondere batteriezellen, produzierende industrie zum umwickeln eines stapels - Google Patents

Vorrichtung und verfahren für die energiezellen, insbesondere batteriezellen, produzierende industrie zum umwickeln eines stapels

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EP4701968A1
EP4701968A1 EP24722012.2A EP24722012A EP4701968A1 EP 4701968 A1 EP4701968 A1 EP 4701968A1 EP 24722012 A EP24722012 A EP 24722012A EP 4701968 A1 EP4701968 A1 EP 4701968A1
Authority
EP
European Patent Office
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material web
stack
trailer
winding
stacking
Prior art date
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Pending
Application number
EP24722012.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Kreysern
Karsten Meinke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koerber Technologies GmbH
Original Assignee
Koerber Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Koerber Technologies GmbH filed Critical Koerber Technologies GmbH
Publication of EP4701968A1 publication Critical patent/EP4701968A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
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    • B65H45/00—Folding thin material
    • B65H45/12—Folding articles or webs with application of pressure to define or form crease lines
    • B65H45/20—Zig-zag folders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B65H23/04—Registering, tensioning, smoothing or guiding webs longitudinally
    • B65H23/18—Registering, tensioning, smoothing or guiding webs longitudinally by controlling or regulating the web-advancing mechanism, e.g. mechanism acting on the running web
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a device for the energy cell, in particular battery cell, manufacturing industry for wrapping a stack that comprises a plurality of segments and a material web, in particular a separator web.
  • the device is designed to form a stack with segments arranged in folds of the material web and to wrap the same material web, in particular a separator web.
  • the invention further relates to a method for the energy cell, in particular battery cell, manufacturing industry for wrapping a stack that comprises a plurality of segments and a material web, in particular a separator web.
  • Such energy cells have a structure made up of a large number of segments stacked to form a stack, between which another material is arranged.
  • the segments can be designed as electrode sheets, for example, so that anode and cathode sheets alternate one after the other in the stack.
  • a layer of a material web or separator web is arranged between two adjacent electrode sheets.
  • the separators can be arranged in the form of individual separator sheets or material sheets between the electrodes.
  • a device for the energy cell, in particular battery cell, manufacturing industry for wrapping a stack that comprises a plurality of segments and a material web, in particular a separator web.
  • the device is designed to form a stack with segments arranged in folds of the material web and to wrap the same material web, in particular a separator web, around it.
  • the device has a stacking table with a stacking position on which the stack can be formed, and a winding device with a winding position, wherein the stack can be wrapped with the same, continuous material web, in particular a separator web, at the winding position.
  • the device is designed to move the stack from the stacking position into the winding position, wherein the material web is pulled out of a material web feed device by the movement of the stack from the stacking position in the direction of the winding position to form a material web trailer, and to wrap the stack with the material web trailer of the material web in the winding position, wherein a separating device is provided which is designed to separate the material web trailer from the material web of the material web feed device so that the material web trailer has a free end.
  • the material web on the stacking table no longer needs to be moved as soon as sufficient extraction of the material web or separator web beyond the stacking position has been achieved by moving the stack in the direction of the winding position or by moving the stack to the winding position.
  • the material web can therefore remain in position on the stacking table after extraction, so that after separation no movement of the material web relative to the stacking table is necessary until the new stack is completely built up.
  • a new stack is started by depositing a segment, for example an anode or cathode sheet, on the material web.
  • the stacking table is preferably vertically movable for this purpose.
  • the stacking table preferably moves downwards during the formation of the stack and, after a completed stack has been removed, returns to the starting position in contact with the material web. Accordingly, even after sufficient extraction to form the material web trailer, no realignment of the material web on the stacking table is necessary, so that the depositing of the first segment of the stack can begin. Furthermore, it is therefore not necessary to pull the material web back on the stacking table. It is preferably possible to either separate the material web first or to start the following stacking process before the material web is separated, preferably immediately after the material web trailer has been formed.
  • the stacking process can thus be continued very quickly after a very short interruption, which increases the production rate in the manufacture of energy cells, especially battery cells, for example Li-ion batteries, of the device. Wrapping the stack with the same, continuous, i.e. one-piece, material web can thus be carried out while the stacking process of the next stack has already started. This not only increases the throughput, but also allows more processing time to be allocated to the wrapping process, so that a higher quality can be achieved.
  • the material web is separated before the first fold is formed on the first deposited segment.
  • the material web is separated before the start of the formation of a further stack by depositing a first segment.
  • the length of the material web intended for wrapping is preferably defined by the distance between the stack position and the winding position, whereby the material web trailing edge is formed, and the position of the separating line of the separating device.
  • the length of the material web trailing edge can be set shorter if the stack is moved to an intermediate position before the winding position and the material web is separated at the resulting length.
  • the device comprises a tensioning holding device which is designed to hold the material web tensioner and/or the free end of the material web tensioner by means of negative pressure.
  • the tensioning holding device is preferably designed in the form of a suction bar which can suck and fix the material web and/or the material web tension along a transverse line of the material web and/or the material web tension.
  • the tension holding device is designed to hold the material web by means of negative pressure before it is separated by the separating device. This makes it possible to achieve a defined positioning of the tension holding device in relation to the material web tension, so that after the material web has been separated, the free end of the material web tension can be held directly by the tension holding device by means of negative pressure.
  • the tension holding device is preferably designed to hold the material web tension before and after the material web has been separated, or to hold the free end of the material web tension after the separation.
  • the material web tension is preferably separated between the tension holding device and the stacking table, so that the separating device is preferably arranged between the stacking table and the tension holding device.
  • the separating device is preferably arranged in a fixed position between the stacking position and the winding position, wherein the separating device is simultaneously vertically movable to carry out the separating process, so that the moving mass is reduced and a cable trail for energy and data transmission can be dispensed with.
  • the separating device can be attached to the tension holding device.
  • the separating device can be attached to the stacking table or to an element above the stacking table.
  • the stacking table preferably comprises a suction surface which is designed to hold the material web by means of negative pressure. Accordingly, the material web can be temporarily fixed on the stacking table, which is advantageous after the material web trailer has been pulled out and before the material web is separated. Therefore, the material web trailer can also be held by the stacking table in addition to the trailer holding device, so that the material web can be separated by the separating device if the material web is held on both sides of the separating line. In this way, sufficient tension on the material web can be maintained when the material web is separated. Furthermore, the suction surface on the stacking table can prevent the material web from slipping on the stacking table. The position of the material web on the stacking table is therefore fixed.
  • the material web can therefore preferably be fixed on the stacking table by the suction surface using negative pressure before and after separation.
  • the proposed device is preferably designed so that the material web is fixed on the stacking table between the operating state immediately before the material web is separated and the formation of the free end of the material web trailer until the movement of the finished stack in the direction of the winding device. In this advantageous embodiment, there is therefore no movement of the material web relative to the stacking table after the material web is separated until the end of stacking.
  • the tensioning holding device and/or the winding device are designed to move the free end of the material web tensioner and the winding position towards each other during wrapping with the material web tensioner of the stack.
  • the winding device is stationary and only the tensioning holding device is moved in the direction of the winding device.
  • the tension holding device is designed to move the free end of the material web trailer during wrapping with a constant web tension in the direction of the winding position.
  • the web tension can therefore be adapted to the requirements of the winding progress.
  • the winding device can thereby advantageously rotate the stack around itself and pull the material web trailer accordingly, whereby the tension holding device can maintain sufficient web tension in the material web trailer and can guide the free end.
  • the winding device can rotate the stack at a constant speed, and the post-tensioning holding device can be moved at a non-linear speed in the direction of the winding position. Due to the edges of the cuboid-like stack, there are discontinuities in the winding.
  • the rotational speed of the winding device is preferably coordinated with the speed of the post-tensioning holding device. It can therefore also be advantageous if neither the winding device nor the post-tensioning holding device are moved at a constant speed.
  • the post-tensioning holding device can be moved vertically, ie perpendicular to the direction of the post-tensioning tracking, in order to compensate for the discontinuities in the winding.
  • the separating device has a hot wire.
  • the separating device with the hot wire for separating the material web or separator web the separating line or cutting edge can be arranged at a very small distance on the stacking table.
  • the material web is preferably made of a polymer, which is separated by the thermal influence of the hot wire. Due to the possible very small distance of the separating line from the stacking table, the protrusion of the material web on the stack can be minimized, so that the material web does not have to be pulled back after the separating process before the first deposit of a segment for the next stack. This saves process time, and the position of the end of the material web can be fixed and therefore controlled at all times by the suction surface of the stacking table.
  • the separating device has an ultrasonic knife.
  • An ultrasonic knife also makes it possible for the separating line to be close to the stacking table The necessary distance from the dividing line to the stacking table is slightly larger than with the hot wire, but with the ultrasonic knife any thermal influence can be avoided.
  • the separating device preferably separates the material web directly next to the stacking position so that the separating line is as close as possible to a new stack on the stacking table with a minimal overhang.
  • the minimized overhang can be easily wrapped up with the material web when it is later wrapped.
  • the distance from the dividing line or cutting edge of the supplied material web on the stacking table to the edge of the first segment on the material web of a new stack is preferably less than 50 mm, more preferably less than 25 mm, particularly preferably less than 10 mm. In particularly advantageous embodiments, the distance from the dividing line or edge of the supplied material web on the stacking table to the cutting edge of the first segment on the material web of a new stack is less than 5 mm. The resulting overhang of 4 mm, for example, can be wrapped up without any problems.
  • the device preferably comprises a fixing device which is designed to fix the material web trailer wound around the stack by the winding device.
  • the material web trailer can be fixed, for example, using an adhesive strip.
  • the free end of the web trailer can be placed on the web trailer, which is already wrapped around the The stack is wrapped around and fixed.
  • the fixation can be achieved, for example, by applying an adhesive or an adhesive strip through the fixing device.
  • the wrapped stack can then be permanently fixed.
  • the device has a conveyor carriage which can be combed with the stacking table for transferring the stack to the conveyor carriage and with the winding device for transferring it to the winding device.
  • the stacking table is preferably vertically movable, so that the stacking table preferably descends for transfer and the stack can be transferred to the conveyor carriage, which preferably meshes with the stacking table.
  • the stacking table then preferably moves back up to a starting position.
  • the winding device is vertically movable. After the stack has been moved to the winding position by means of the conveyor carriage, it can be transferred from the conveyor carriage to the winding device, for example by a meshing transfer.
  • the winding device and the conveyor carriage preferably mesh with one another, so that an opposing vertical movement, for example by lowering the conveyor carriage or raising the winding device, enables a transfer in order to ensure that the stack is held in the transfer without gaps.
  • the conveyor carriage preferably has a clamping lever which is designed to clamp a stack onto the conveyor carriage.
  • the clamping lever can be L-shaped, for example, with one leg of the L-shaped clamping lever resting on the top of the stack.
  • the stack is preferably clamped between the support surface of the conveyor carriage and the clamping lever, so that the stack can be moved from the stacking position to the winding position on the conveyor carriage without the segments and material web slipping relative to one another on the conveyor carriage.
  • the conveyor carriage can be moved from the stacking position to the winding position, in particular transversely to the folds of a stack. This means that the conveyor carriage can be moved from the stacking position to the winding position preferably in a direction that is orthogonal to the course of the fold edges of the folds.
  • the material web can be pulled out of a material web feed device by the conveyor carriage to form the material web trailer.
  • This can be achieved in particular by clamping the stack on the conveyor carriage, whereby the corresponding tensile forces of the trailer can be absorbed on the stack, in particular on the upper part of the stack, without damaging the upper segment, for example an anode.
  • this can achieve advantageous functional integration, since the stack can be conveyed to the winding device at the same time as the material web trailer is pulled out.
  • the material web trailer can therefore preferably be pulled or carried along by the conveyor carriage.
  • the material web runs over the empty stacking table by moving the conveyor carriage into the winding position. This makes it possible for a subsequent stack to be stacked directly on the material web after the material web trailer has been completely pulled out onto the stacking table and the material web located on it.
  • At least two conveyor carriages are fixed at the same distance from each other as the distance between the stacking position and the winding position. This allows the two conveyor carriages to be moved together using a common control, whereby the two conveyor carriages can be positioned at the stacking position and the winding position at the same time due to the corresponding distance.
  • the second conveyor carriage is designed to remove the wrapped stack from the winding device and to feed it to a further processing step to produce an energy cell.
  • the second conveyor carriage is preferably constructed in the same way and therefore preferably also has a corresponding clamping lever for securing the wrapped stack.
  • two conveyor carriages can be controlled and moved separately from each other.
  • a method is proposed for the energy cell, in particular battery cell, manufacturing industry for wrapping a stack comprising a plurality of segments and a material web, in particular a separator web.
  • the following steps are proposed: - forming a stack with the segments arranged in folds of the material web segments at a stacking position on a stacking table;
  • the proposed method is carried out with a previously described device, for example according to one of claims 1 to 13.
  • the start of depositing segments of a new stack onto the material web on the stacking table takes place before the start of wrapping the previous stack. This enables a high production rate, while at the same time allowing sufficient time for wrapping.
  • Separation takes place after the stack has been moved and the material web trailer has been pulled out. Separation preferably takes place before the stack is wrapped with the material web trailer.
  • the material web trailer is separated from the material web of the material web feed device as soon as the material web is held by the trailer holding device and the suction surface of the stacking table, wherein the separation takes place between the suction surface of the stacking table and the trailer holding device.
  • the free end of the material web trailer and the winding position are moved towards each other, preferably horizontally and vertically, during wrapping of the stack with the material web trailer by moving the trailer holding device and/or the winding device.
  • This enables the respective stack to be wrapped with the material web trailer with a free end of the material web trailer that is controlled at all times, wherein the tension of the material web trailer can be maintained by the moving trailer holding device for the complete wrapping.
  • Fig. 1 to 6 show a device for wrapping a stack for an energy cell with a material web in different operating situations.
  • FIGS 1 to 6 show an embodiment of an advantageous device 10 for wrapping a stack 11 for producing an energy cell, in particular a battery cell, for example a Li-ion battery.
  • the device 10 has a feed for segments 12, 13 in the upper area, which can in particular be electrode sheets.
  • Electrode sheets are, for example, anode or cathode sheets that have a conductor foil with a conductor tab, which in turn are coated with active anode or cathode material.
  • segments 12, 13, as shown in the figures are fed from the left and right to the stacking position 16 via rotatably mounted bodies.
  • a preferably endless material web 14, in particular made of a separator material, is also fed.
  • the segments 12, 13 are each stacked alternately in folds of the material web 14 to form a stack 11.
  • the material web 14 can in particular be a separator web which separates the different segments 12, 13 and, in the case of an ion battery, enables ion transfer.
  • the stack 11 is started with the material web 14 as the lowest layer on the stacking table 15.
  • the segments 12, 13 are then placed individually and alternately on the Stacking table 15 of device 10, wherein after each deposited segment 12, 13, the material web 14 is placed over the respective segment 12, 13 by a material web feed device 27, so that the individual segments 12, 13 are covered on both sides by a fold of the material web 14.
  • the device 10 serves to wrap such a stack as efficiently as possible with the material web 14, to convey it further and to enable a high production rate overall, which is explained below using different operating situations in Figures 1 to 6.
  • Figure 1 shows the beginning of a first stack 11, which in this embodiment does not have a precursor stack for the sake of simplicity.
  • the stacking table 15 is located at a stacking position 16 on which segments 12, 13 and the material web 14 are stacked.
  • the stacking table 15 is preferably lowered as the height of the stack 11 increases.
  • a last segment 12 is placed on the stack 11.
  • the web path of the material web 14 is on the right-hand side of the illustration, with the material web feed device 27, which is in the right-hand position in Figure 1, shifting the web path of the material web 14 and thus the exit of the material web 14 between the two sides of the stack 11, where the folds are formed.
  • the stack 11 has the intended number of segments 12, 13 and is thus finished.
  • FIG 2 shows the device 10 with a completed stack 11 in the stacking position 16.
  • the stacking table 15 is lowered in this state and the stack 11 lies on the conveyor carriage 24, which is made possible by combing or forking the stacking table 15 with the conveyor carriage 24.
  • the conveyor carriage 24 comprises a clamping lever 26 which is L-shaped and has one end rotatably attached to the conveyor carriage 24.
  • the free leg of the L-shaped clamping lever 26 is moved to the uppermost layer of the stack 11, the material web 14, in the transition from the operating state of Figure 1 to Figure 2, so that the stack 11 is fixed on the conveyor carriage 24 in the stacking position 16 with the clamping lever 24.
  • the stacking table 15 is lowered further to clear the way for the conveyor carriage 24.
  • the conveyor carriage 24 then moves with the stack 11 from the stacking position 16 towards the winding position 18.
  • Figure 2 shows the tensioning device 22, which in this operating state is positioned to the side of the area between the stacking position 16 and the winding position 18, and can be moved laterally into this area.
  • the tensioning device can also be moved from below to the material web.
  • the tensioning device 22 is provided with a vacuum connection so that the material web 14 can be held by means of negative pressure on the tensioning device 22, for example on a suction bar.
  • Figure 3 shows the device 10 in an operating state in which the stack 11 has been conveyed into the winding position 18.
  • the stack 11 can also be moved in the direction of the winding position 18, initially to an intermediate position between the stack position 16 and the winding position 18. This can be advantageous because if the length of the trailer changes, the winding position 18 does not have to be realigned.
  • the material web 14 was pulled along by the movement of the conveyor carriage 24, whereby it is stretched in the form of a material web trailer 19 between the stack 11 in the winding position 18 or, if applicable, in the intermediate position and the feed of the material web 14 by the material web feed device 27, in this embodiment in Figure 3 to the left of the stacking table 15.
  • the material web 14 is therefore prepared directly above the winding table 15 as the lowest layer of the subsequent stack 11 and the necessary material web trailing edge 19 of the material web 14 for wrapping the stack 11 at the winding position 18 is located between the winding position 18 and the stacking position 16.
  • the length of the material web trailing edge 19 can be adjusted by moving the stack 11 in the direction of the winding position 18 by first conveying the stack 11 on the conveyor carriage 24 to an intermediate position before the winding position 18 and then separating the material web 14 at this length. In this case, the stack 11 is only conveyed to the winding position 18 after separation.
  • Figure 4 shows how the tensioning holding device 22 is moved from the side or from below into the area between the stacking position 16 and the winding position 18 and is raised so far that the tensioning holding device 22 comes into contact with the material web tension 19 and the material web tension 19 can be fixed with negative pressure.
  • a suction surface is provided on the stacking table 15, which also holds the pulled material web 14 by means of negative pressure.
  • a separating device 21 which in this advantageous embodiment is arranged between the stacking table 15 and the tensioning holding device 22, the material web tension 19 is cut or separated between the tensioning holding device 22 and the stacking table 15 as close as possible to the stack 11 at a separating line 28.
  • the resulting free end of the material web tension 19 is held by the tensioning holding device 22 before, during and after separation in this advantageous embodiment. Furthermore, in this advantageous embodiment, the other created end of the material web 14 is also held on the stacking table 15 before, during and after the separation by means of negative pressure.
  • the separation or cutting of the material web 14 is therefore preferably carried out when the material web tensioner 19 is at a standstill. Furthermore, the separation preferably takes place when the material web 14 is held on both sides of the separation line 28. The resulting free end 25 is held by the tensioner holding device 22. Furthermore, the stack 11 in Figure 4 is transferred from the conveyor carriage 24 to the winding device 17, preferably by combing or forking the winding device 17 and the conveyor carriage 24 and, for example, by raising or lowering the winding device 17. The clamping of the stack 11 on the conveyor carriage 24 by the clamping lever 26 is released by pivoting the clamping lever 26. The conveyor carriage 24 is moved out of the area of the winding device 17 to avoid a collision when the stack 11 rotates through the winding device 17, for example to the right in Figure 4.
  • the device 10 is shown in an operating state in which the stack 11 is wound into the material web trailer 19 by the winding device 17 at the winding position 18. Accordingly, the formation of a stack 11 and the wrapping of another stack 11 take place simultaneously at different positions 16, 18.
  • the free end of the material web tensioner 19 is guided during the winding process by the tensioner holding device 22 while maintaining sufficient web tension, so that the tensioner holding device 22 moves towards the winding device 17. This occurs at the same time as the subsequent stack 11 is formed on the stacking position 16.
  • the material web trailer 19 wound around the stack 11 is fixed by a fixing device 23 to the trailer holding device 22, preferably by means of an adhesive, for example an adhesive strip.
  • an adhesive for example an adhesive strip.
  • the wrapped stack 11 is conveyed away from the winding device 24.
  • the first conveyor carriage 24, which has transferred the stack 11 to the winding device 17, has, as can be seen in Figure 6, temporarily moved to the stacking position 16 in order to then be able to take over the following stack 11 analogously to the operating state of Figure 1.
  • the first segment 13, for example an anode sheet can be placed from the right onto the material web 14, in particular the separator web, on the stacking table 15.
  • the material web 14 is then folded over the first and lowest segment 13 of the stack 11 by the movement of the material web feed device 20.
  • the next segment 12, for example a cathode sheet can then be placed from the left.
  • the stack 11 is accordingly constructed with a Z-fold of the material web 14.
  • the second to last segment 12, for example a cathode sheet is placed from the left and then covered by the material web 14, which moves from right to left.
  • the last segment 13, for example an anode sheet is placed from the right and initially remains open on the stack.
  • the top segment 13 is preferably only covered by the material web 14 during the winding process.

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Abstract

Die Erfindung betriff eine Vorrichtung (10) für die Energiezellen produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels (11), der eine Vielzahl von Segmenten (12,13) und eine Materialbahn (14) umfasst. Die Vorrichtung (10) ist dazu eingerichtet, einen Stapel (11) mit in Falten der Materialbahn (14) angeordneten Segmenten (12,13) zu bilden und mit der gleichen Materialbahn (14) zu umwickeln. Die Erfindung betrifft weiterhin ein korrespondierendes Verfahren.

Description

Vorrichtung und Verfahren für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels, der eine Vielzahl von Segmenten und eine Materialbahn, insbesondere Separatorbahn, umfasst. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, einen Stapel mit in Falten der Materialbahn angeordneten Segmenten zu bilden und mit der gleichen Materialbahn, insbesondere Separatorbahn, zu umwickeln. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels, der eine Vielzahl von Segmenten und eine Materialbahn, insbesondere Separatorbahn, umfasst.
Es ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt, Energiezellen oder auch Energiespeicher in Kraftfahrzeugen, sonstigen Landfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder auch in stationären Anlagen in Form von Batteriezellen oder Brennstoffzellen zu verwenden, bei denen sehr große Energiemengen über größere Zeiträume gespeichert werden können. Dazu weisen solche Energiezellen eine Struktur aus einer Vielzahl von zu einem Stapel gestapelten Segmenten auf, zwischen denen ein weiteres Material angeordnet ist. Die Segmente können beispielsweise als Elektrodenblätter ausgebildet sein, so dass in dem Stapel Anoden- und Kathodenblätter abwechselnd aufeinander folgen. Zwischen zwei benachbarten Elektrodenblättern ist in einem solchen Fall eine Lage einer Materialbahn oder Separatorbahn angeordnet. Gemäß einer ersten Variante können die Separatoren in Form von vereinzelten Separatorblättern oder Material blättern zwischen den Elektroden angeordnet sein. Gemäß einer zweiten Variante ist es außerdem bekannt, den Separator in Form einer Materialbahn durch die Ausbildung einer z-förmigen Faltgeometrie, also durch eine sogenannt Z-Faltung, um die Segmente zu legen.
Zum Bilden der Z-Faltung ist es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt, den Zellstapel auf einem Stapeltisch zu bilden, der horizontal verschiebbar gelagert ist. In einer ersten Ablageposition wird ein Anodenblatt auf eine über den Stapeltisch gespannte Separatorbahn gelegt. Durch ein Verschieben des Stapeltisches in Horizontalrichtung bis in eine zweite Ablageposition wird die Separatorbahn um das abgelegte Anodenblatt gelegt bzw. gefaltet. Anschließend wird in der zweiten Ablageposition ein Kathodenblatt auf die Separatorbahn gelegt. Durch eine Horizontalbewegung des Stapeltisches zurück in die erste Ablageposition wird die Separatorbahn um das Kathodenblatt gelegt bzw. gefaltet, so dass darauf nach Erreichen der ersten Ablageposition wieder ein Anodenblatt abgelegt werden kann. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Zellstapelhöhe erreicht ist, der Zellstapel also fertig gestellt ist. Auf diese Weise kann die eingangs erwähnte Z-Faltung fertigungstechnisch realisiert werden. Weiterhin ist es bekannt, dass der fertige Stapel mit der gleichen Materialbahn oder Separatorbahn eingewickelt wird, was jedoch die Produktionsrate der Stapel negativ beeinflussen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine verbesserte Vorrichtung für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels, der eine Vielzahl von Segmenten und eine Materialbahn umfasst, bereitzustellen sowie ein entsprechend verbessertes Verfahren anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der dazugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Zur Lösung der Aufgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels vorgeschlagen, der eine Vielzahl von Segmenten und eine Materialbahn, insbesondere Separatorbahn, umfasst. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, einen Stapel mit in Falten der Materialbahn angeordneten Segmenten zu bilden und mit der gleichen Materialbahn, insbesondere Separatorbahn, zu umwickeln. Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Stapeltisch mit einer Stapelposition, auf dem der Stapel bildbar ist, und eine Wickelvorrichtung mit einer Wickelposition aufweist, wobei auf der Wickelposition der Stapel mit der gleichen, zusammenhängenden Materialbahn, insbesondere Separatorbahn, umwickelbar ist. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, den Stapel von der Stapelposition in die Wickelposition zu bewegen, wobei die Materialbahn durch die Bewegung des Stapels von der Stapelposition in Richtung der Wickelposition unter Bildung eines Materialbahnnachspanns aus einer Materialbahnzuführeinrichtung ausgezogen wird, und den Stapel mit dem Materialbahnnachspann der Materialbahn in der Wickelposition zu umwickeln, wobei eine Trenneinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, den Materialbahnnachspann von der Materialbahn der Materialbahnzuführeinrichtung zu trennen, so dass der Materialbahnnachspann ein freies Ende aufweist. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es möglich, dass die Materialbahn auf dem Stapeltisch nicht mehr bewegt werden muss, sobald ein ausreichender Auszug der Materialbahn oder Separatorbahn über die Stapelposition hinaus durch die Bewegung des Stapels in Richtung der Wickelposition oder auch durch die Bewegung des Stapels bis zur Wickelposition erreicht ist. Die Materialbahn kann daher auf dem Stapeltisch nach dem Auszug in der Position verbleiben, so dass nach dem Trennen keine Bewegung der Materialbahn relativ zum Stapeltisch bis zum vollständigen Aufbau des neuen Stapels notwendig ist. Ein neuer Stapel wird durch die Ablage eines Segments, beispielsweise eines Anoden- oder Katho- denblatts, auf der Materialbahn begonnen. Der Stapeltisch ist hierfür vorzugsweise vertikal bewegbar. Der Stapeltisch bewegt sich vorzugsweise während der Bildung des Stapels nach unten und fährt nach dem Abtransport eines abgeschlossenen Stapels wieder in die Ausgangsposition in Kontakt mit der Materialbahn. Dementsprechend ist auch nach dem ausreichenden Auszug unter Bildung des Materialbahnnachspanns kein neues Ausrichten der Materialbahn auf dem Stapeltisch notwendig, so dass mit dem Ablegen des ersten Segments des Stapels begonnen werden kann. Weiterhin ist es dementsprechend auch nicht notwendig die Materialbahn auf dem Stapeltisch zurückzuziehen. Es ist vorzugsweise direkt nach der Bildung des Materialbahnnachspanns möglich, die Materialbahn entweder zunächst zu trennen oder zunächst mit dem folgenden Stapelprozess zu beginnen bevor die Materialbahn getrennt wird.
Der Stapelprozess kann somit nach einer sehr kurzen Unterbrechung sehr schnell wieder fortgesetzt werden, was die Produktionsrate bei der Herstellung von Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, beispielsweise Li-Ionen Batterien, der Vorrichtung erhöht. Das Umwickeln des Stapels mit der gleichen, zusammenhängenden, d.h. einteiligen, Materialbahn kann somit während des bereits wieder gestarteten Stapelprozesses des nächsten Stapels ausgeführt werden. Dies erhöht nicht nur den Durchsatz, sondern ermöglicht es auch dem Vorgang des Umwickelns mehr Prozesszeit einzuräumen, so dass eine höhere Qualität erreicht werden kann.
Vorzugsweise erfolgt das Trennen der Materialbahn vor der Bildung der ersten Faltung auf dem ersten abgelegten Segment. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Trennen der Materialbahn vor dem Beginn der Bildung eines weiteren Stapels durch die Ablage eines ersten Segments. Durch das Trennen der Materialbahn vor der ersten Faltung kann erreicht werden, dass die Trenneinrichtung sehr nah an dem Stapeltisch angeordnet sein kann, wobei gleichzeitig eine Kollision der Trenneinrichtung beim Trennen mit weiteren Teilen der Vorrichtung zur Ablage der Segmente und insbesondere einer Materialbahnzuführeinrichtung zur Bildung der ersten Falte der Materialbahn vermieden werden kann. Die Trenneinrichtung ist vorzugsweise zwischen der Stapelposition und der Wickelposition angeordnet.
Die Länge der für das Umwickeln vorgesehenen Materialbahn wird vorzugsweise durch den Abstand der Stapelposition zur Wickelposition, wodurch der Materialbahnnachspann gebildet wird, und die Lage der Trennlinie der Trenneinrichtung definiert. In alternativen vorteilhaften Ausführungsformen kann die Länge des Materialbahnnachspanns kürzer eingestellt werden, wenn der Stapel bis zu einer Zwischenposition vor der Wickelposition bewegt wird und die Materialbahn bei der sich ergebenen Länge getrennt wird. In vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung eine Nachspannhaltevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Materialbahnnachspann und/oder das freie Ende des Materialbahnnachspanns mittels Unterdrück zu halten.
Die Nachspannhaltevorrichtung ist vorzugsweise in Form eines Saugbalkens ausgeführt, der entlang einer Querlinie der Materialbahn und/oder des Materialbahnnachspanns die Materialbahn und/oder den Materialbahnnachspann ansaugen und fixieren kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nachspannhaltevorrichtung dazu eingerichtet, die Materialbahn vor dem Trennen durch die Trenneinrichtung mittels Unterdrucks zu halten. Hierdurch kann eine definierte Positionierung der Nachspannhaltevorrichtung zu dem Materialbahnnachspann erreicht werden, so dass nach dem Trennen der Materialbahn das freie Ende des Materialbahnnachspanns unmittelbar von der Nachspannhaltevorrichtung mittels Unterdrück gehalten werden kann. Die Nachspannhaltevorrichtung ist vorzugsweise vor und nach dem Trennen der Materialbahn zum Halten des Materialbahnnachspanns beziehungsweise nach dem Trennen zum Halten des freien Endes des Materialbahnnachspanns eingerichtet.
Ein unkontrolliertes und freibewegliches freies Ende des Materialbahnnachspanns wird daher direkt bei der Bildung des freien Endes vermieden. Daher ist beispielsweise auch ein sehr langer Materialbahnnachspann zwischen dem freien Ende und dem Stapel möglich, ohne dass Prozessunsicherheiten durch eine lose Materialbahn erzeugt werden. Das Trennen der Materialbahn kann daher sehr nah am Stapeltisch erfolgen. Es ist daher beispielsweise möglich den Materialbahnnachspann in einem Längenbereich des Abstands von der Stapelposition und der zugehörigen Trennlinie bis zu der Wickelposition zu bilden und kontrolliert zum Umwickeln zu nutzen.
Der Materialbahnnachspann wird vorzugsweise zwischen Nachspannhaltevorrichtung und Stapeltisch getrennt, so dass die Trenneinrichtung vorzugsweise zwischen Stapeltisch und Nachspannhaltevorrichtung angeordnet ist. Die Trenneinrichtung ist vorzugsweise ortsfest zwischen der Stapelposition und der Wickelposition angeordnet, wobei die Trenneinrichtung gleichzeitig zur Durchführung des Trennvorgangs vertikal beweglich ist, so dass die bewegte Masse reduziert und auf einen Kabelschlepp für Energie- und Datenübertragung verzichtet werden kann. In alternativen Ausführungsformen kann die Trenneinrichtung an der Nachspannhaltevorrichtung befestigt sein. In weiteren alternativen Ausführungsformen kann die Trenneinrichtung am Stapeltisch oder an einem Element oberhalb des Stapeltisches befestigt sein.
Vorzugsweise umfasst der Stapeltisch eine Ansaugfläche, die dazu eingerichtet ist, die Materialbahn mittels Unterdrück zu halten. Dementsprechend kann die Materialbahn zeitweise auf dem Stapeltisch fixiert werden, was nach dem Auszug des Materialbahnnachspanns und vor dem Trennen der Materialbahn vorteilhaft ist. Daher kann der Materialbahnnachspann neben der Nachspannhaltevorrichtung auch von dem Stapeltisch gehalten werden, so dass das Trennen der Materialbahn durch die Trenneinrichtung erfolgen kann, wenn die Materialbahn beidseitig der Trennlinie gehalten wird. Auf diese Weise kann eine ausreichende Spannung der Materialbahn beim Trennen der Materialbahn aufrechterhalten werden. Weiterhin kann durch die Ansaugfläche auf dem Stapeltisch verhindert werden, dass die Materialbahn auf dem Stapeltisch verrutscht. Die Lage der Materialbahn auf dem Stapeltisch ist daher fixiert. Die Material- bahn kann daher vorzugsweise vor und nach dem Trennen auf dem Stapeltisch durch die Ansaugfläche mittels Unterdrück fixiert sein. Vorzugsweise ist die vorgeschlagene Vorrichtung dazu eingerichtet, dass die Materialbahn zwischen dem Betriebszustand unmittelbar vor dem Trennen der Materialbahn und der Bildung des freien Endes des Materialbahnnachspanns bis zur Bewegung des fertigen Stapels in Richtung der Wickelvorrichtung auf dem Stapeltisch fixiert ist. Es erfolgt daher in dieser vorteilhaften Ausführungsform keine Bewegung der Materialbahn relativ zum Stapeltisch nach dem Trennen der Materialbahn bis zum Ende des Stapelns.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Nachspannhaltevorrichtung und/oder die Wickelvorrichtung dazu eingerichtet sind, das freie Ende des Materialbahnnachspanns und die Wickelposition während eines Umwickelns mit dem Materialbahnnachspann des Stapels zueinander zu bewegen. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Wickelvorrichtung ortsfest und es wird lediglich die Nachspannhaltevorrichtung in Richtung der Wickelvorrichtung bewegt.
Vorzugsweise ist die Nachspannhaltevorrichtung dazu eingerichtet, das freie Ende des Materialbahnnachspanns während des Umwickelns mit einer konstanten Bahnspannung in Richtung der Wickelposition zu bewegen. Die Bahnspannung kann daher an die Erfordernisse des Wickelfortschritts angepasst werden. Die Wickelvorrichtung kann hierdurch den Stapel in vorteilhafter Weise um sich selbst drehen und den Materialbahnnachspann dementsprechend nachziehen, wobei die Nachspannhaltevorrichtung eine ausreichende Bahnspannung im Materialbahnnachspann aufrechterhalten und das freie Ende nachführen kann. Beispielsweise kann die Wickelvorrichtung den Stapel mit einer konstanten Geschwindigkeit rotieren, und die Nachspannhaltevorrichtung kann mit einer nicht-linearen Geschwindigkeit in Richtung der Wickelposition verfahren werden. Aufgrund der Kanten des quaderähnlichen Stapels liegen Unstetigkeiten beim Umwickeln vor. Daher ist die Drehgeschwindigkeit der Wickelvorrichtung vorzugsweise mit der Geschwindigkeit der Nachspannhaltevorrichtung abgestimmt. Es kann daher auch vorteilhaft sein, wenn weder die Wickelvorrichtung noch die Nachspannhaltevorrichtung mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Nachspannhaltevorrichtung vertikal, d.h. senkrecht zur Richtung der Nachführung des Nachspanns, bewegbar sein, um die Unstetigkeiten beim Umwickeln auszugleichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trenneinrichtung einen Heißdraht auf. Mit der Trenneinrichtung mit dem Heißdraht zum Trennen der Materialbahn oder auch Separatorbahn kann die Trennlinie oder Schnittkante mit einem sehr geringen Abstand am Stapeltisch angeordnet werden. Die Materialbahn ist vorzugsweise aus einem Polymer hergestellt, welches durch den thermischen Einfluss des Heißdrahts getrennt wird. Durch den möglichen sehr geringen Abstand der Trennlinie zum Stapeltisch kann der Überstand der Materialbahn auf dem Stapel minimiert werden, so dass die Materialbahn nach dem Trennvorgang nicht vor der ersten Ablage eines Segments für den nächsten Stapel zurückgezogen werden muss. Dies spart Prozesszeit ein, und die Lage des Endes der Materialbahn kann durch die Ansaugfläche des Stapeltisches jederzeit fixiert und dementsprechend kontrolliert bleiben.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform weist die Trenneinrichtung ein Ultraschallmesser auf. Ein Ultraschallmesser ermöglicht es ebenfalls, dass die Trennlinie nah dem Stapeltisch angeordnet werden kann. Der notwendige Abstand von der Trennlinie zum Stapeltisch ist etwas größer als beim Heißdraht, allerdings kann mit dem Ultraschallmesser jeglicher thermischer Einfluss vermieden werden.
Die Trenneinrichtung trennt die Materialbahn vorzugsweise direkt neben der Stapelposition, so dass die Trennlinie möglichst nah an einem neuen Stapel auf dem Stapeltisch mit einem minimalen Überstand liegt. Der minimierte Überstand kann beim späteren Umwickeln mit der Materialbahn unproblematisch mit eingewickelt werden.
Der Abstand der Trennlinie oder Schnittkante der zugeführten Materialbahn auf dem Stapeltisch bis zur Kante des ersten Segments auf der Materialbahn eines neuen Stapels ist vorzugsweise weniger als 50 mm, weiter vorzugsweise weniger als 25 mm, besonders bevorzugt weniger als 10 mm. In besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist der Abstand der Trennlinie oder Kante der zugeführten Materialbahn auf dem Stapeltisch bis zur Schnittkante des ersten Segments auf der Materialbahn eines neuen Stapels weniger als 5 mm. Der resultierende Überstand von beispielsweise 4 mm kann unproblematisch mit eingewickelt werden.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Fixiereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den durch die Wickelvorrichtung um den Stapel gewickelte Materialbahnnachspann zu fixieren. Die Fixierung des Materialbahnnachspanns kann beispielsweise mit einem Klebestreifen erfolgen.
Dementsprechend kann das freie Ende des Materialbahnnachspanns auf dem Materialbahnnachspann, welcher bereits um den Stapel gewickelt ist, fixiert werden. Die Fixierung kann beispielsweise durch eine Applikation eines Klebstoffs oder eines Klebestreifens durch die Fixiereinrichtung erreicht werden. Der umwickelte Stapel kann somit abschließend dauerhaft fixiert werden.
Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Förderschlitten aufweist, welcher mit dem Stapeltisch zur Übergabe des Stapels auf den Förderschlitten und mit der Wickelvorrichtung zur Übergabe auf die Wickelvorrichtung kämmbar ist.
Dies ermöglicht eine einfache Übergabe des Stapels von dem Stapeltisch auf den Förderschlitten. Der Stapeltisch ist vorzugsweise vertikal bewegbar, so dass der Stapeltisch zur Übergabe vorzugsweise abtaucht, und der Stapel auf den Förderschlitten, welcher vorzugsweise mit dem Stapeltisch kämmt, übergeben werden kann. Der Stapeltisch fährt anschließend vorzugsweise wieder nach oben in eine Ausgangsposition.
In möglichen Ausführungsformen ist die Wickelvorrichtung vertikal bewegbar. Der Stapel kann, nachdem er zu der Wickelposition mittels des Förderschlittens bewegt wurde, von dem Förderschlitten an die Wickelvorrichtung beispielsweise durch eine kämmende Übergabe übergeben werden. Die Wickelvorrichtung und der Förderschlitten kämmen vorzugsweise miteinander, so dass eine gegenläufige vertikale Bewegung, beispielsweise durch ein Absenken des Förderschlittens oder ein Anheben der Wickelvorrichtung, eine Übergabe ermöglicht, um die Halterung des Stapels in den Übergeben lückenlos gewährleisten zu können. Vorzugsweise weist der Förderschlitten einen Klemmhebel auf, welcher dazu eingerichtet ist, einen Stapel auf dem Förderschlitten festzuklemmen. Der Klemmhebel kann beispielsweise L-förmig ausgeführt sein, wobei ein Schenkel des L-förmigen Klemmhebels auf der Oberseite des Stapels anliegt. Der Stapel wird vorzugsweise zwischen der Auflagefläche des Förderschlittens und dem Klemmhebel eingeklemmt, so dass eine Bewegung des Stapels von der Stapelposition zu der Wickelposition auf dem Förderschlitten ohne ein Verrutschen der Segmente und Materialbahn zueinander auf dem Förderschlitten möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Förderschlitten von der Stapelposition zur Wickelposition bewegbar, insbesondere quer zu den Falten eines Stapels. Dies bedeutet, dass der Förderschlitten von der Stapelposition zur Wickelposition vorzugsweise in einer Richtung bewegbar ist, welche orthogonal zum Verlauf der Faltkanten der Falten liegt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Materialbahn unter Bildung des Materialbahnnachspanns aus einer Materialbahnzuführeinrichtung durch den Förderschlitten ausziehbar ist. Dies kann insbesondere durch die Klemmung des Stapels auf dem Förderschlitten erreicht werden, wodurch die entsprechenden Zugkräfte des Nachspanns auf den Stapel, insbesondere auf den oberen Teil des Stapels, aufgenommen werden können ohne das obenliegende Segment, beispielsweise eine Anode, zu beschädigen. Weiterhin kann hierdurch eine vorteilhafte Funktionsintegration erreicht werden, da die Förderung des Stapels zur Wickelvorrichtung gleichzeitig mit dem Ausziehen des Materialbahnnachspanns erfolgen kann. Der Materialbahnnachspann kann daher vorzugsweise von dem Förderschlitten mitgezogen oder mitgeführt werden. Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Materialbahn durch die Bewegung des Förderschlittens in die Wickelposition über den leeren Stapeltisch verläuft. Dies ermöglicht es, dass ein nachfolgender Stapel unmittelbar auf der Materialbahn nach dem vollständigen Auszug des Materialbahnnachspanns auf dem Stapeltisch und der darauf befindlichen Materialbahn gestapelt werden kann.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Förderschlitten im gleichen Abstand wie der Abstand von Stapelposition und Wickelposition zueinander fixiert sind. Hierdurch können die zwei Förderschlitten mittels einer gemeinsamen Ansteuerung zusammen bewegt werden, wobei die beiden Förderschlitten durch den korrespondierenden Abstand gleichzeitig an der Stapelposition und an der Wickelposition positioniert werden können. Der zweite Förderschlitten ist dazu eingerichtet, den umwickelten Stapel von der Wickelvorrichtung abzunehmen und einem weiteren Bearbeitungsschritt zur Herstellung einer Energiezelle zuzuführen. Der zweite Förderschlitten ist vorzugsweise gleichartig aufgebaut und weist daher vorzugsweise ebenfalls einen entsprechenden Klemmhebel zur Sicherung des umwickelten Stapels auf. In einer alternativen Ausführungsform sind zwei Förderschlitten getrennt voneinander ansteuer- und bewegbar.
Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe der Erfindung ein Verfahren für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels vorgeschlagen, der eine Vielzahl von Segmenten und eine Materialbahn, insbesondere Separatorbahn, umfasst. Es werden folgende Schritte vorgeschlagen: - Bilden eines Stapels mit in Falten der Materialbahn angeordneten Segmenten an einer Stapelposition auf einem Stapeltisch;
- Bewegen des Stapels von der Stapelposition in die Wickelposition und Ausziehen der Materialbahn aus einer Materialbahnzuführeinrichtung durch die Bewegung des Stapels von der Stapelposition zur Wickelposition unter Bildung eines Materialbahnnachspanns;
- Umwickeln des Stapels mit dem Materialbahnnachspann der Materialbahn in der Wickelposition durch eine Wickelvorrichtung;
- Trennen des Materialbahnnachspanns von der Materialbahn der Materialbahnzuführeinrichtung und Herstellen eines freien Endes der Materialbahnschleppe, wobei zuerst das Umwickeln des Stapels und anschließend das Trennen der Materialbahn durchgeführt wird, oder wobei zuerst das Trennen der Materialbahn und anschließend das Umwickeln des Stapels durchgeführt wird, oder wobei das Trennen der Materialbahn und das Umwickeln des Stapels zumindest teilweise parallel durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung, beispielsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der Beginn des Ablegens von Segmenten eines neuen Stapels auf die Materialbahn auf dem Stapeltisch vor dem Beginn des Umwickelns des vorherigen Stapels. Dies ermöglicht eine hohe Produktionsrate, wobei gleichzeitig eine ausreichende Zeit für das Umwickeln zur Verfügung steht.
Das Trennen erfolgt nach dem Bewegen des Stapels und dem Ausziehen des Materialbahnnachspanns. Weiterhin erfolgt das Trennen vorzugsweise bevor das Umwickeln des Stapels mit dem Materialbahnnachspann erfolgt. Gemäß einer Weiterentwicklung wird folgender Verfahrensschritt vorgeschlagen:
- Halten der Materialbahn durch eine Nachspannhaltevorrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung wird folgender Verfahrensschritt vorgeschlagen:
- Halten der Materialbahn durch eine Ansaugfläche eines Stapeltisches.
Vorzugsweise wird der Materialbahnnachspann von der Materialbahn der Materialbahnzuführeinrichtung getrennt, sobald die Materialbahn durch die Nachspannhaltevorrichtung und die Ansaugfläche des Stapeltisches gehalten ist, wobei das Trennen zwischen der Ansaugfläche des Stapeltisches und der Nachspannhaltevorrichtung erfolgt.
Weiter vorzugsweise werden das freie Ende des Materialbahnnachspanns und die Wickelposition während eines Umwickelns des Stapels mit dem Materialbahnnachspann durch Bewegung der Nachspannhaltevorrichtung und/oder der Wickelvorrichtung zueinander bewegt, vorzugsweise horizontal und vertikal. Dies ermöglicht das Umwickeln des jeweiligen Stapels mit dem Materialbahnnachspann mit einem jederzeit kontrollierten freien Ende des Materialbahnnachspanns, wobei die Spannung des Materialbahnnachspanns durch die bewegte Nachspannhaltevorrichtung für das vollständige Umwickeln aufrechterhalten werden kann.
Die mit dem Verfahren verbundenen Wirkungen und Vorteile stimmen mit den oben vorgeschlagenen Wirkungen und Vorteilen der Vorrichtung überein. Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 bis 6 eine Vorrichtung für das Umwickeln eines Stapels für eine Energiezelle mit einer Materialbahn in verschiedenen Betriebssituationen.
In den Figuren 1 bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Vorrichtung 10 zum Umwickeln eines Stapels 11 für die Herstellung einer Energiezelle, insbesondere Batteriezelle, beispielsweise Li- Ionen Batterie gezeigt. Die Vorrichtung 10 weist im oberen Bereich eine Zuführung für Segmente 12, 13 auf, die insbesondere Elektrodenblätter sein können. Elektrodenblätter sind beispielsweise Anoden- oder Kathodenblätter, die eine Leiterfolie mit einer Leiterfahne aufweisen, die wiederum mit aktivem Anoden- oder Kathodenmate- rial beschichtet sind. Für die Herstellung einer Energiezelle werden unterschiedliche Segmente 12, 13, wie in den Figuren dargestellt, jeweils von links und rechts über drehbar gelagerte Körper zur Stapelposition 16 zugeführt. Weiterhin wird eine vorzugsweise endlose Materialbahn 14, insbesondere aus einem Separatormaterial, zugeführt. Die Segmente 12, 13 werden jeweils abwechselnd in Falten der Materialbahn 14, zu einem Stapel 11 gestapelt. Die Materialbahn 14 kann insbesondere eine Separatorbahn sein, welche die unterschiedlichen Segmente 12, 13 trennt und im Fall einer lonen- Batterie einen lonentransfer ermöglicht.
Der Stapel 11 wird in diesem Ausführungsbeispiel mit der Materialbahn 14 als unterste Lage auf dem Stapeltisch 15 begonnen. Die Segmente 12, 13 werden dann einzeln und abwechselnd auf dem Stapeltisch 15 der Vorrichtung 10 gestapelt, wobei nach jedem abgelegten Segment 12, 13 die Materialbahn 14 von einer Materialbahnzuführeinrichtung 27 über das jeweilige Segment 12, 13 gelegt wird, so dass das einzelne Segmente 12, 13 beidseitig von einer Falte der Materialbahn 14 abgedeckt sind. Es ergibt sich ein Stapel 11 auf dem Stapeltisch 15 für die Herstellung einer Energie- oder Batteriezelle mit einer sogenannten Z-Faltung.
Die Vorrichtung 10 dient dazu, ein solchen gebildeten Stapel möglichst effizient mit der Materialbahn 14 zu umwickeln, weiter zu fördern und insgesamt eine hohe Produktionsrate zu ermöglichen, was im Folgenden anhand unterschiedlicher Betriebssituationen der Figuren 1 bis 6 erläutert wird.
Figur 1 zeigt den Beginn eines ersten Stapels 11 , welcher in diesem Ausführungsbeispiel zur vereinfachten Darstellung keinen Vorläuferstapel besitzt. Der Stapeltisch 15 befindet sich an einer Stapelposition 16, auf der Segmente 12, 13 und die Materialbahn 14 aufgestapelt werden. Der Stapeltisch 15 wird hierfür vorzugsweise mit ansteigender Höhe des Stapels 11 abgesenkt. In Figur 1 wird ein letztes Segment 12 auf dem Stapel 11 abgelegt. Der Bahnlauf der Materialbahn 14 befindet sich in diesem Zustand auf der rechten Seite der Darstellung, wobei die Materialbahnzuführeinrichtung 27, die sich in Figur 1 auf der rechten Position befindet, den Bahnlauf der Materialbahn 14 und somit den Austritt der Materialbahn 14 zwischen den beiden Seiten des Stapels 11 verschiebt, wo jeweils die Falten entstehen.
Im Übergang zum Betriebszustand der Figur 2 ist die Materialbahn
14 nach links durch die Verschiebung der Materialbahnzuführeinrichtung 27 über den Stapel 11 gefaltet und deckt somit die oberste Lage des Stapels 11 , beispielsweise ein Segment 12, ab. Es kann weiterhin noch eine abschließende Lage, beispielsweise ein Segment 13, aufgelegt werden, dessen Abdeckung durch die Materialbahn 14 erst beim Wickeln erfolgt. Dementsprechend weist der Stapel 11 die vorgesehene Anzahl von Segmenten 12, 13 auf und ist somit fertig gestellt.
Figur 2 zeigt die Vorrichtung 10 mit einem fertig gestellten Stapel 11 auf der Stapelposition 16. Der Stapeltisch 15 ist in diesem Zustand abgesenkt und der Stapel 11 liegt auf dem Förderschlitten 24 auf, was durch ein Kämmen oder Vergabeln des Stapeltisches 15 mit dem Förderschlitten 24 ermöglicht wird. Der Förderschlitten 24 umfasst einen Klemmhebel 26, welcher L-förmig ausgeführt und mit einem Ende drehbar am Förderschlitten 24 befestigt ist. Der freie Schenkel des L-förmigen Klemmhebels 26 ist im Übergang vom Betriebszustand der Figur 1 zur Figur 2 auf die oberste Lage des Stapels 11 , die Materialbahn 14, bewegt, so dass der Stapel 11 auf dem Förderschlitten 24 in der Stapelposition 16 mit dem Klemmhebel 24 fixiert ist. Der Stapeltisch 15 wird weiter abgesenkt, um den Weg für den Förderschlitten 24 frei zu machen. Der Förderschlitten 24 bewegt sich anschließend mit dem Stapel 11 von der Stapelposition 16 in Richtung der Wickelposition 18.
Weiterhin ist in der Figur 2 die Nachspannhaltevorrichtung 22 gezeigt, welche in diesem Betriebszustand seitlich des Bereichs zwischen Stapelposition 16 und Wickelposition 18 positioniert ist, und in diesen Bereich hinein seitlich verfahrbar ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Nachspannvorrichtung auch von unten zur Materialbahn bewegt werden. Die Nachspannhaltevorrichtung 22 ist mit einem Unterdruckanschluss versehen, so dass die Material- bahn 14 mittels Unterdrück an der Nachspannhaltevorrichtung 22, beispielsweise an einem Saugbalken, gehalten werden kann.
Figur 3 zeigt die Vorrichtung 10 in einem Betriebszustand, bei dem der Stapel 11 in die Wickelposition 18 gefördert wurde. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Stapel 11 auch in Richtung der Wickelposition 18 zunächst auf eine Zwischenposition zwischen Stapelposition 16 und Wickelposition 18 bewegt werden. Dies kann vorteilhaft sein, da bei einer Längenänderung des Nachspanns die Wickelposition 18 nicht neu ausgerichtet werden muss. Die Materialbahn 14 wurde durch die Bewegung des Förderschlittens 24 nachgezogen, wodurch diese in Form eines Materialbahnnachspanns 19 zwischen dem Stapel 11 auf der Wickelposition 18 oder gegebenenfalls auf der Zwischenposition und der Zuführung der Materialbahn 14 durch die Materialbahnzuführeinrichtung 27, in diesem Ausführungsbeispiel in der Figur 3 links vom Stapeltisch 15, gespannt ist. Die Materialbahn 14 ist daher oberhalb des Wickeltischs 15 als unterste Lage des nachfolgenden Stapels 11 direkt vorbereitet und der notwendige Materialbahnnachspann 19 der Materialbahn 14 für das Umwickeln des Stapels 11 auf der Wickelposition 18 liegt zwischen der Wickelposition 18 und der Stapelposition 16 vor. In möglichen Ausführungsbeispielen kann die Länge des Materialbahnnachspanns 19 durch die Bewegung des Stapels 11 in Richtung der Wickelposition 18 eingestellt werden, in dem der Stapel 11 auf dem Förderschlitten 24 zunächst auf eine Zwischenposition vor der Wickelposition 18 gefördert wird, und die Materialbahn 14 anschließend bei dieser Länge getrennt wird. Der Stapel 11 wird in diesem Fall erst nach der Trennung bis zur Wickelposition 18 gefördert.
Der Stapeltisch 15 ist in dem Betriebszustand der Figur 3 wieder in die Anfangsposition angehoben, und es kann unmittelbar mit der Ablage des ersten Segments 13 auf die Materialbahn 14 auf dem Stapeltisch 15 begonnen werden, wie in Figur 3 dargestellt.
Es wird in Figur 4 dargestellt, wie die Nachspannhaltevorrichtung 22 von der Seite oder von unten in den Bereich zwischen der Stapelposition 16 und der Wickelposition 18 eingefahren und soweit angehoben wird, dass die Nachspannhaltevorrichtung 22 in Kontakt mit dem Materialbahnnachspann 19 kommt und der Materialbahnnachspann 19 mit Unterdrück fixiert werden kann. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist auf dem Stapeltisch 15 eine Ansaugfläche vorgesehen, welche die nachgezogene Materialbahn 14 mittels Unterdrück ebenfalls hält. Mit einer Trenneinrichtung 21 , die in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel zwischen dem Stapeltisch 15 und der Nachspannhaltevorrichtung 22 angeordnet ist, wird der Materialbahnnachspann 19 zwischen der Nachspannhaltevorrichtung 22 und dem Stapeltisch 15 möglichst nah am Stapel 11 an einer Trennlinie 28 geschnitten oder getrennt. Das entstehende freie Ende des Materialbahnnachspanns 19 wird in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel vor, während und nach dem Trennen von der Nachspannhaltevorrichtung 22 gehalten. Weiterhin wird in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel das andere geschaffene Ende der Materialbahn 14 auf dem Stapeltisch 15 auch vor, während und nach dem Trennen mittels Unterdrück gehalten.
Das Trennen oder Schneiden der Materialbahn 14 erfolgt somit vorzugsweise im Stillstand des Materialbahnnachspanns 19. Weiterhin erfolgt das Trennen vorzugsweise, wenn die Materialbahn 14 beidseitig der Trennlinie 28 gehalten wird. Das entstehende freie Ende 25 wird von der Nachspannhaltevorrichtung 22 gehalten. Weiterhin ist der Stapel 11 in der Figur 4 von dem Förderschlitten 24 an die Wickelvorrichtung 17 vorzugsweise durch ein Kämmen oder Vergabeln der Wickelvorrichtung 17 und des Förderschlittens 24 und beispielsweise durch ein Anheben oder Absenken der Wickelvorrichtung 17 übergeben. Die Klemmung des Stapels 11 auf dem Förderschlitten 24 durch den Klemmhebel 26 ist hierzu durch Ausschwenken des Klemmhebels 26 aufgehoben. Der Förderschlitten 24 ist zur Vermeidung einer Kollision bei der Rotation des Stapels 11 durch die Wickelvorrichtung 17 aus dem Bereich der Wickelvorrichtung 17 bewegt, beispielsweise nach rechts in der Figur 4.
In Figur 5 ist die Vorrichtung 10 in einem Betriebszustand gezeigt, in dem der Stapel 11 in den Materialbahnnachspann 19 durch die Wickelvorrichtung 17 an der Wickelposition 18 eingewickelt wird. Dementsprechend erfolgt das Bilden eines Stapels 11 und das Einwickeln eines weiteren Stapels 11 gleichzeitig an unterschiedlichen Positionen 16,18.
Das freie Ende des Materialbahnnachspanns 19 wird während des Wickelvorgangs durch die Nachspannhaltevorrichtung 22 unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden Bahnspannung nachgeführt, so dass sich die Nachspannhaltevorrichtung 22 zur Wickelvorrichtung 17 hinbewegt. Dies geschieht gleichzeitig zur Bildung des nachfolgenden Stapels 11 auf der Stapelposition 16.
Der um den Stapel 11 gewickelte Materialbahnnachspann 19 wird von einer Fixiereinrichtung 23 an der Nachspannhaltevorrichtung 22 vorzugsweise mittels eines Klebemittels, beispielsweise eines Klebestreifens, fixiert. In einem abschließenden Schritt, der in Figur 6 dargestellt ist, wird der umwickelte Stapel 11 aus der Wickelvorrichtung 24 weggefördert. Der erste Förderschlitten 24, welcher den Stapel 11 an die Wickeleinrichtung 17 übergeben hat, ist, wie in Figur 6 erkennbar, zwischenzeitlich auf die Stapelposition 16 bewegt, um anschließend den nachfolgenden Stapel 11 analog zum Betriebszustand der Figur 1 übernehmen zu können.
In einem weiteren alternativen Ablauf des Stapelvorgangs mit der Vorrichtung 10 kann das erste Segment 13, beispielsweise ein Anodenblatt, von rechts auf die Materialbahn 14, insbesondere Separatorbahn, auf dem Stapeltische 15 aufgelegt werden. Die Materialbahn 14 wird anschließend durch die Bewegung der Materialbahnzuführeinrichtung 20 über das erste und unterste Segment 13 des Stapels 11 gefaltet. Das nächste Segment 12, beispielsweise ein Ka- thodenblatt, kann anschließend von links aufgelegt werden. Der Stapel 11 wird entsprechend mit einer Z-Faltung der Materialbahn 14 aufgebaut. Das vorletzte Segment 12, beispielsweise ein Katho- denblatt, wird von links aufgelegt und anschließend von der Materialbahn 14, die sich dabei von rechts nach links bewegt, abgedeckt. Das letzte Segment 13, beispielsweise ein Anodenblatt, wird von rechts aufgelegt und bleibt zunächst offen auf dem Stapel liegen. Das oberste Segment 13 wird vorzugsweise erst beim Wickelvorgang durch die Materialbahn 14 abgedeckt.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung
11 Stapel
12 Segmente
13 Segmente
14 Materialbahn
15 Stapeltisch
16 Stapelposition
17 Wickelvorrichtung
18 Wickelposition
19 Materialbahnnachspann
20 Materialbahnzuführeinrichtung
21 Trenneinrichtung
22 Nachspannhaltevorrichtung
23 Fixiereinrichtung
24 Förderschlitten
25 freies Ende
26 Klemmhebel
27 Materialbahnzuführeinrichtung
28 Trennlinie

Claims

Ansprüche:
1. Vorrichtung (10) für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels (11), der eine Vielzahl von Segmenten (12,13) und eine Materialbahn (14), insbesondere Separatorbahn, umfasst, wobei
- die Vorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, einen Stapel (11) mit in Falten der Materialbahn (14) angeordneten Segmenten (12,13) zu bilden und mit der gleichen Materialbahn (14), insbesondere Separatorbahn, zu umwickeln, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Vorrichtung (10) einen Stapeltisch (15) mit einer Stapelposition (16), auf dem der Stapel (11) bildbar ist, und eine Wickelvorrichtung (17) mit einer Wickelposition (18) aufweist, wobei auf der Wickelposition (18) der Stapel (11) mit der gleichen, zusammenhängenden Materialbahn (14), insbesondere Separatorbahn, umwickelbar ist, wobei
- die Vorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, den Stapel (11) von der Stapelposition (16) in die Wickelposition (18) zu bewegen, wobei
- die Materialbahn (14) durch die Bewegung des Stapels (11) von der Stapelposition (16) in Richtung der Wickelposition (18) unter Bildung eines Materialbahnnachspanns (19) aus einer Materialbahnzuführeinrichtung (20) ausgezogen wird,
- und den Stapel (11) mit dem Materialbahnnachspann (19) der Materialbahn (14) in der Wickelposition (18) zu umwickeln, wobei
- eine Trenneinrichtung (21) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, den Materialbahnnachspann (19) von der Materialbahn (14) der Materialbahnzuführeinrichtung (20) zu trennen, so dass der Materialbahnnachspann (19) ein freies Ende (25) aufweist.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Nachspannhaltevorrichtung (22) umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Materialbahnnachspann (19) und/oder das freie Ende (25) des Materialbahnnachspanns (19) mittels Unterdrück zu halten.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapeltisch (15) eine Ansaugfläche umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Materialbahn (14) mittels Unterdrück zu halten.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachspannhaltevorrichtung (22) und/oder die Wickelvorrichtung (17) dazu eingerichtet sind, das freie Ende (25) des Materialbahnnachspanns (19) und die Wickelposition (18) während eines Umwickelns mit dem Materialbahnnachspann (19) des Stapels (11) zueinander zu bewegen.
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (21) einen Heißdraht aufweist.
6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (21) ein Ultraschallmesser aufweist.
7. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand einer Trennlinie (28) oder Schnittkante der zugeführten Materialbahn (14) auf dem Sta- peltisch (15) bis zur Kante des ersten Segments (12, 13) auf der Materialbahn (14) eines neuen Stapels (11) weniger als 50 mm, vorzugsweise weniger als 25 mm, weiter vorzugsweise weniger als 10 mm, besonders bevorzugt weniger als 5 mm ist.
8. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Fixiereinrichtung (23) umfasst, die dazu eingerichtet ist, den durch die Wickelvorrichtung (17) um den Stapel (11) gewickelte Materialbahnnachspann (19) zu fixieren.
9. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einen Förderschlitten (24) aufweist, welcher mit dem Stapeltisch (15) zur Übergabe des Stapels auf den Förderschlitten (24) und mit der Wickelvorrichtung (17) zur Übergabe auf die Wickelvorrichtung (17) kämmbar ist.
10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderschlitten (24) einen Klemmhebel (26) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, einen Stapel (11) auf dem Förderschlitten (24) festzuklemmen.
11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderschlitten (24) von der Stapelposition (16) zur Wickelposition (18), insbesondere quer zu den Falten eines Stapels (11), bewegbar ist.
12. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (14) unter Bildung des Materialbahnnachspanns (19) aus einer Materialbahnzuführein- richtung (20) durch den Förderschlitten (24) ausziehbar ist.
13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (14) durch die Bewegung des Förderschlittens (24) in die Wickelposition (18) über den leeren Stapeltisch (15) verläuft.
14. Verfahren für die Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, produzierende Industrie zum Umwickeln eines Stapels (11), der eine Vielzahl von Segmenten (12,13) und eine Materialbahn (14), insbesondere Separatorbahn, umfasst, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Bilden eines Stapels (11) mit in Falten der Materialbahn (14) angeordneten Segmenten (12, 13) an einer Stapelposition (16) auf einem Stapeltisch (15);
- Bewegen des Stapels (11) von der Stapelposition (16) in die Wickelposition (18) und Ausziehen der Materialbahn (14) aus einer Materialbahnzuführeinrichtung (20) durch die Bewegung des Stapels (11) von der Stapelposition (16) in die Richtung der Wickelposition (18) unter Bildung eines Materialbahnnachspanns (19);
- Umwickeln des Stapels (11) mit dem Materialbahnnachspann (19) der Materialbahn (14) in der Wickelposition (18) durch eine Wickelvorrichtung (17),
- Trennen des Materialbahnnachspanns (19) von der Materialbahn (14) der Materialbahnzuführeinrichtung (20) und Herstellen eines freien Endes (25) des Materialbahnnachspanns (19), wobei zuerst das Umwickeln des Stapels (11) und anschließend das Trennen der Materialbahn (14) durchgeführt wird, oder wobei zuerst das Trennen der Materialbahn (14) und anschließend das Umwickeln des Stapels (11) durchgeführt wird, oder wobei das Trennen der Materialbahn (14) und das Umwickeln des Stapels (11) zumindest teilweise parallel durchgeführt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Ablegens von Segmenten (12, 13) eines neuen Stapels (11) auf die Materialbahn (14) auf dem Stapeltisch (15) vor dem Beginn des Umwickelns des vorherigen Stapels (11) erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Halten der Materialbahn (14) durch eine Nachspannhaltevorrichtung (22).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Halten der Materialbahn (14) durch eine Ansaugfläche eines Stapeltisches (15).
18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialbahnnachspann (19) von der Materialbahn (14) der Materialbahnzuführeinrichtung (20) getrennt wird, wenn die Materialbahn (14) durch die Nachspannhaltevorrichtung (22) und die Ansaugfläche des Stapeltisches (15) gehalten ist, wobei das Trennen zwischen der Ansaugfläche des Stapeltisches (15) und der Nachspannhaltevorrichtung (22) erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Bewegen des freien Endes (25) des Materialbahnnachspanns (19) und der Wickelposition (18) zueinander während eines Umwickelns des Stapels (11) mit dem Materialbahnnachspann
(19) durch Bewegung der Nachspannhaltevorrichtung (22) und/oder der Wickelvorrichtung (17).
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