WO2012013286A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines mehrschichtigen elektrodenaufbaus, galvanische zelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines mehrschichtigen elektrodenaufbaus, galvanische zelle Download PDF

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Definitions

  • Electrode structure galvanic cell
  • the present invention relates to a process for the preparation of a
  • Electrode structure in particular for a galvanic cell, a galvanic cell with such an electrode assembly and an apparatus for
  • Connection system is laminated and wound, housed and poled etc.
  • the inventors are also known a method in which on a
  • Substrate film on both sides in each case a layer of a filler material is thermally sprayed to a film layer with certain electrical or
  • an insulator foil, an anode foil, a separator foil and a cathode foil are laminated and the laminated foil layer structure rolled up in such a dimensioned length (wound), that the entire wound length (area or volume) provides the required capacity of a galvanic cell.
  • the thus prepared coils are then contacted and housed to complete a galvanic cell, and a plurality of cells thus fabricated are interconnected and in turn housed to form a battery.
  • a step of forming at least two layers of the electrode assembly to each other by thermal spraying or deposition Under an electrode structure is in accordance with the invention, a
  • An electrode assembly may also include a part (such as a cathode structure or an anode structure or a
  • Galvanic cell is understood in the context of the invention, an electrochemical system, which is also able to convert chemical into electrical energy and / or vice versa, and in particular is also able to deliver electrical energy.
  • thermal spraying is a process for applying an injection molding material (also referred to as additive in the context of this application) in particle form, using thermal and kinetic energy.
  • the method may be implemented in preferred embodiments or developments such that the step of thermal spraying comprises at least one, preferably several, in particular all of the steps:
  • a plasma is understood to mean a gas which consists partly or completely of free charge carriers, such as electrons and ions.
  • Thermal spraying is the plasma spraying.
  • the additive is melted in or outside a spray apparatus by a plasma jet and thrown onto the workpiece surface.
  • the plasma is generated by an arc, which is concentrated in a working gas (argon, helium, nitrogen,
  • preferably water-cooled spray nozzle burns and is accelerated.
  • the process can be used in normal atmosphere, in inert atmosphere, in inert gas, in vacuum or under water.
  • the plasma breaks that
  • layer-wise drying means that in the course of application or immediately after the application of a layer, it is dried before a further layer is applied or further method steps are carried out. It does not have to (but can) all layers are specially dried.
  • preconditioning is understood to mean the setting of air to a specific dew point or dew point range. As within the meaning of the invention preferably usable dew point range, an absolute dew point of -60 to -100 has been found.
  • Training be realized so that at least one, preferably more, in particular all of the steps:
  • a carrier substrate preferably in the form of a film, in particular in band form, preferably provided on a roll;
  • a carrier substrate is understood to mean a structure which can be coated by a thermal spraying method.
  • an electrically insulating plastic such as polyimide
  • a collector material in particular a metallic material such as aluminum or copper, an electrically conductive polymer film or a carbon material, or a separator material, each preferably in sheet form, comprises or consists thereof.
  • a collector material is understood to be an electrically conductive material which, in conjunction with a galvanic cell, can be used to collect charge carriers in the active part of a galvanic cell and to exchange them with the environment.
  • Separator material is understood in the context of the invention, a material that between an anode region (negatively charged region) and a
  • Cathode area (positively charged area) of a galvanic cell can be arranged to separate them.
  • a separator material is largely impermeable to charge carriers (electrons) (electrically insulating), but at least partially permeable to ions.
  • Electrode structure each fulfill the function of an anode, a cathode, a current collector or conductor, a separator, an electrolyte or an insulator in terms of a galvanic cell, preferably at least one of the layers lithium or a lithium compound or a lithium-intercalatable material.
  • a lithium-intercalatable material is understood as meaning a material which can take up or store lithium, in particular lithium ions, without substantially changing its structure.
  • lithium intercalatable materials are, for example, but not limited to, crystals such as graphite or Si (silicon), preferably in an amorphous, nanocrystalline form, or the like for the anode side and certain heavy metal oxides for the cathode side.
  • At least one of the layers may comprise lithium or a lithium compound such as Li 4 Ti 5 O 12 (lithium titanate) for the anode side and compounds (oxides) with cobalt, nickel and other elements such as LiNi x Co x O or LiFePo 4 or LiMn 2 0 4 or Li (Co x Ni y Mn z ) 0 2 or LiNiP0 4 or LiMnP0 4 or LiCo0 2 or LiNi0 2 or the like for the cathode side.
  • the above-mentioned substances are to be understood as preferred but not exclusive examples.
  • the method is preferred, but not limited to, to fabricating an electrode assembly for lithium-ion cells, lithium-polymer cells, or other lithium-based primary or secondary cell types of any type.
  • the sprayed material at least one layer of additives, in particular from nano-Sl, magnesium oxide,
  • three-dimensional structures of the additives extend at least partially in a direction orthogonal or oblique to a plane of the carrier substrate.
  • Such additives can be used as the main constituent of a separate layer or as an admixture with other additives. If you
  • Form three-dimensional structures they are suitable as a conductivity additive, for example, to interlock different layers, in particular a conductor layer and an electrode layer with each other.
  • the method can be used in further preferred embodiments or
  • the base material is preferably coated on at least one side, in particular on both sides, with an inorganic material
  • an at least partially permeable base material preferably an organic material is used, which is preferably configured as a non-woven fabric,
  • the organic material preferably comprises a polymer, and more preferably a polyethylene terephthalate (PET),
  • PET polyethylene terephthalate
  • organic material is coated with an inorganic, preferably ion-conducting material, which is more preferably ion-conducting in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C,
  • the inorganic material preferably comprises at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates of at least one of the elements Zr, Al, Li, particularly preferably zirconium oxide,
  • the inorganic, ion-conducting material preferably has particles with a maximum diameter of less than 100 nm.
  • Carrier substrate forms.
  • sprayed layers are formed in segments, with separation regions between the segments extending in at least one direction along a surface of a carrier substrate, preferably along and / or across a feed direction of the carrier substrate, demarcated and separately controllable regions may be formed in an electrode assembly.
  • the method may be further preferred
  • Separation areas between the segments are preferably formed by one or more of the following measures:
  • the electrode assembly has at least two carrier substrates, preferably
  • a step of feeding a second carrier substrate and attaching to the outermost layer is provided, wherein preferably on the second
  • Carrier substrate further layers are formed; and or
  • first sub-electrode structure with a first carrier substrate and a second sub-electrode structure with a second carrier substrate are formed, which then in another
  • Process section are joined together on opposite flat sides, for example by means of an adhesive and / or by the action of heat and / or by the action of pressure and / or by adhesion at least one of the formed on the opposite sides
  • Partial electrode structure and the second part of the electrode structure further layers are formed.
  • the method can be used in further preferred embodiments or
  • Each carrier substrate is a collector foil material or has a collector material as a sprayed layer
  • first carrier substrate and the second carrier substrate have non-overlapping edge zones
  • edge zones are preferably formed in that the first carrier substrate and the second carrier substrate are offset in the lateral direction, or
  • first carrier substrate and the second carrier substrate in the region of one or both lateral edges notches preferably have the same distance and the same length, whereby tabs are defined between the recesses, wherein in the electrode structure tabs of the first
  • Carrier substrate have no overlap or contact with tabs of the second carrier substrate
  • Training be realized so that it has at least one of the steps:
  • Assembling the electrode structure as an active region of a galvanic cell preferably comprising a step of winding the electrode
  • Electrode structure or steps of cutting to cell size and stapeln the cut sections can be the step of winding the electrode structure onto a flat core, wherein the flat core is preferably formed from a material which conducts heat well.
  • the invention also includes a galvanic cell whose electrode assembly is made by a method as described above.
  • the invention also encompasses a device which is designed and arranged for producing a multilayer electrode structure or a galvanic cell, in particular by a method as described above, and which comprises:
  • a drying device which is designed and arranged to dry a sprayed-on layer before forming a next layer, wherein the drying device has a
  • Feed device which is designed and arranged for supplying preconditioned, in particular dried air
  • a supply and conveying device which is designed and arranged for supplying and conveying a carrier substrate or a half-finished or finished electrode assembly.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a plant for producing a
  • Electrode strip a schematic representation of an injection unit in the system of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a sequence of several
  • Injection units in the plant of Figure 1 in a plan view. are Fign.
  • 4A to 4G are schematic cross-sectional views of a
  • Electrode structure at locations "A” to "D” in Figure 3, "E” in Figure 1 and “F” and “G” in Fig. 5. a schematic representation of a system for producing a finished strip with two electrode bands; a schematic representation of an injection unit in one
  • Embodiment a schematic representation of a spray gun in a further embodiment; a schematic representation of an injection unit in a further embodiment; a schematic representation of a system for producing a finished strip with two carrier film strips; a schematic representation of a processing line as an embodiment of the present invention; a schematic representation of a procedure for producing a film stack as an embodiment of the present invention; Fig. 12 is a schematic representation of a plant for the production
  • FIGS. 13A and 13B are schematic illustrations of one
  • FIG. 14A to 14C are schematic representations of a
  • Fig. 15 is a schematic view of an electrode tape according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 16 is a schematic diagram of an electrode tape according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 17 is a schematic representation of a film roll with
  • Electrode tapes according to FIG. 16 are Electrode tapes according to FIG. 16.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a system 10 for producing an electrode tape 22 as a preferred embodiment of the present invention.
  • the system 10 has a unwind station 12, which is a continuous
  • Carrier film strip 14 provides, a Vorbearbeitungsumble 16 for pre-processing of the carrier film tape 14, a coating line 18 for coating the carrier film strip 14, a post-processing line 20 for post-processing of the coated strip, and a Aufrollstation 24 for rolling the Electrode band 22 on. Between the pre-processing section 16 and the post-processing section 20, the film strip is also referred to as semifinished product 34.
  • the unwind station 12 receives a coil 12a rotatably mounted, on which the carrier film tape 14 is rolled up.
  • the unwind station 12 may preferably include drive means for driving the coil, brake means for braking the coil, a shuttle roller for setting a predetermined belt tension, detection means for detecting state values of the carrier film belt 14 such as a running speed Slack or tension or markers on the belt, evaluation means for evaluating the condition values to detect, for example, an intact condition of the belt, a previous run length, a break or end thereof, control means for controlling the drive means and / or the braking means and or the pendulum roller, preferably within specified parameters of
  • the unwinding station 12 may also have only a few of the named elements in preferred modifications.
  • the pre-processing path 16 although not shown in detail, preferably a guide roller, one or more drive roller pairs, a detection device for detecting state values of the
  • Deflection rollers for reducing internal mechanical stresses wherein the guide rollers can be additionally tempered, one or more storage rollers for length compensation of the carrier film strip 14, and
  • the Preprocessing section 16 may also have only some of the elements mentioned in preferred modifications.
  • the coating line 18 has an input unit 26, a plurality
  • Injection units 28 (28-1, 28-n), an output unit 30 and a
  • the injection units 28 serve the - here, without limiting the generality, both sides - coating the film strip with one additive. A preferred construction of the injection units 28 will be explained in more detail later.
  • output unit 30 may preferably comprise one or more guide and / or deflection rollers, one or more drive roller pairs, one or more storage rollers for length compensation of the foil strip, and other suitable devices.
  • Input unit 26 and the output unit 30 may in preferred
  • Supply unit 32 serves to supply in particular the injection units 28 and is connected via a line network 32a with these.
  • the finishing line 20, although not shown in detail, may preferably include a guide roll, one or more drive roller pairs, a calendering arrangement for calendering the semi-finished product 34, one or more cooling rolls for cooling the electrode belt 22, one or more
  • Preprocessing section 16 may also have only some of the elements mentioned in preferred modifications.
  • the Aufrollstation 24 receives a coil 24a rotatably mounted, which is initially empty and in the course of operation of the system 10, the electrode tape 22 receives.
  • the reeling station 24 may preferably include a driving means for driving the coil, a braking means for braking the coil, a swinging roller for setting a predetermined one Tape tension, a detection device for detecting
  • Condition values of the carrier film tape 14 an evaluation device for evaluating the state values, a control device for controlling the
  • the unwinding station 2 may also have only a few of the named elements in preferred modifications.
  • Detecting devices pendulum rollers, storage rollers, drive rollers, etc. are provided. Upon detection of one end of the carrier sheet belt 14 in the unwind station 12 or a fully filled coil 24a in the
  • the semifinished product 34 in the injection unit 28 is guided via a deflection roller 36, a first wet roller 38, a first drying roller 40, a second wet roller 38, a second drying roller 40 and a further deflection roller 42.
  • an additive Z is applied in a spray mist 45 to the semifinished product 34 by means of at least one plasma spraying apparatus 44.
  • the previously applied additive layer (Z) with one of at least one air nozzle 46 discharged air jet 47 deleted deleted. In this way, the semi-finished product 34 is coated on both sides.
  • Each of the plasma sprayers 44 has a (bipolar)
  • DC power supply 48 for supplying a working voltage and a gas supply line 50 for supplying a gas (G) such as argon, helium, nitrogen, hydrogen or the like. Via a valve 52, a gas stream 54 of the gas G in the gas connection line 50 can be controlled.
  • An additive supply line 66 enters the plasma spray gun 44
  • the additive Z is stored in an additive container 68 as a supply of powdery, granulated or otherwise eligible additive particles 70 is plasticized in this form by means of a feed line 66 arranged in the extruder 72 and the
  • Plasma spray gun 44 supplied in plasticized form.
  • the air stream 78, the gas stream 54 and the cooling water stream 60 are provided by the supply unit 32 of the coating line 18 (FIG. 1).
  • the used cooling water (hot water WW) 64 is supplied to the supply unit 32 again, where it is cooled and returned to the cooling water circuit.
  • the used cooling water (hot water WW) 64 is collected and, optionally after purification and further treatment, discharged as wastewater.
  • the air L is in the
  • Supply unit 32 conditioned and dried.
  • the additives (Z) to be sprayed are stored centrally in the supply unit 32 and supplied to the injection units 28, where they are plasticized shortly before introduction into the plasma spraying apparatuses 44.
  • the promotion of additives may, for example, but not only, by bed, Rüttel thoroughlyung, with a carrier gas, a Carrier liquid, in particular an ionic liquid, or others
  • the additives can be processed in powdery, granulated or other form.
  • the above-described extruder 72 exemplifies a paste extrusion method. In preferred modifications, the
  • Additives also plasticized by other extrusion processes, made doughy by the addition of an ionic liquid and / or melted.
  • the ionic liquid may be an electrolyte that is preferably added to the electrode areas.
  • Preparing the additive may be applied directly to the spray gun 44 or may be part of a specially adapted spray gun.
  • supply lines 66 in can be understood symbolically so far.
  • the plasma spray gun 44 has an AC or DC instead of the DC jack 48
  • Multi-phase power connection as well as a power supply for rectifying
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of an exemplary sequence of several injection units 28 in the system 10 of FIG. 1 as a preferred one
  • FIGS. 4A to 4E Embodiment of the present invention.
  • the viewing direction in Fig. 3 corresponds to an arrow "III" in Fig. 2.
  • the progress of a means of the in Figs. 1 illustrated plant or in Figs. 2 and 3, according to the present invention will also be described on the basis of selected states in FIGS. 4A to 4E.
  • Injection units 28-1, 28-2 and 28-3 provided in succession.
  • dashed lines To simplify the drawing leads are shown only schematically and without inputs or attachments; general supply elements for electricity, gas and cooling water are also omitted in the figure.
  • Dash-dotted lines "A”, “B”, “C”, “D” mark boundaries in front of and behind and between the injection units 28-1, 28-2, 28-3, respectively.
  • the in Fign. 4A to 4D illustrated process states of the film strip 14 or semi-finished product 34 correspond to cross-sections of the same at the boundary lines "A" to "D” in Fig.
  • the process state shown in Fig. 4E is that of the finished electrode tape 22 after the post-processing section 20 and corresponds to a cross-section of the electrode tape 22 at a dot-dash line "E" in Fig. 1 in
  • a plurality of plasma sprayers 44-1, 44-2, 44-3 and a plurality of air nozzles 46 are arranged in rows side by side in the injection units 28-1, 28-2, 28-3, respectively. In this way, the
  • FIG. 4A shows the uncoated state of the carrier film belt 14 before entering the first injection unit 28-1 (boundary line "A" in Fig. 3).
  • the carrier film tape 14 is a tape made of a polyimide film.
  • the carrier film tape 14 is a tape made of a polyimide film.
  • Carrier sheet material other materials, in particular, but not only, electrically insulating polymeric films may be used.
  • the carrier films used may be provided (primed) in a further preferred modification with a primer or primer.
  • the first injection unit 28-1 is used to coat the carrier film strip 14 with a conductive material which is effective in a galvanic cell as a current collector (collector) of an electrode side.
  • the collector material contains copper for the anode side or
  • Aluminum for the cathode side.
  • a different metal a conductive polymer, carbon fibers, graphite or another conductor material is used for the conductor layers.
  • the carrier film belt 14 is fed to the first injection unit 28-1 after pre-processing in the pre-processing path 16.
  • a plasticized additive mass 80-1 containing particles of a collector material (coll.) Is fed via an additive feed line 66-1 and into a spray mist 45-1 by means of four plasma spraying units 44-1 arranged side by side be applied to the carrier film tape 14.
  • the four plasma spray guns 44-1 each generate spray mist 45-1, which at the latest when impinging on the guided over the wet roller 38
  • the structure of the semifinished product 34 (1) after the first injection unit 28-1 (boundary line "B" in FIG. 3) is shown in cross section in FIG. 4B. Accordingly, a conductor layer (collector layers) 2 with copper-containing material (Cu) is arranged as a collector material in this process state on the front and back of the carrier film strip. The conductor layers 2 each extend over the entire width of the carrier film strip 14.
  • the second injection unit 28-2 serves to coat the semifinished product 34 (1) with an electrochemically active material which is effective in a galvanic cell as electrode of an electrode side.
  • the electrode material contains lithium-intercalatable graphite for the anode side or a lithium-intercalatable heavy metal oxide for the
  • the semi-finished product 34 (1) is fed to the second injection unit 28-2.
  • a plasticized additive mass 80-2 is supplied which contains particles of the electrode material (El.) And applied to the carrier film strip 14 by means of three plasma spray devices 44-2 arranged next to one another in a spray mist 45-2 ,
  • the three plasma spray guns 44-2 each generate spray mist 45-2, which unite at the latest when striking the guided over the wet roller 38 semi-finished 34- 1 and cover a delimited by aperture 82 width of the semifinished product 34 (1).
  • Six air nozzles 46 are arranged over the relevant width of the semifinished product 34-1 and each generate air jets 47, which unite at the latest when hitting the moist, coated, guided over the drying roller 40 semi-finished 34 (1) and the relevant width of the
  • Injection unit 28-2 as semifinished product 34 (2).
  • Electrochemically active electrode material arranged for the anode side.
  • the electrode layers 4 each extend over a limited width of the semifinished product 34 (FIG. 2). While the electrode layers 4 release only a little of the conductor layers 2 at one edge, they release the conductor layers 2 over a greater width at the opposite edge.
  • the third injection unit 28-3 serves to coat the semifinished product 34 (2) with a material which is effective in a galvanic cell as a separating material (separator) between the electrode sides.
  • the separator material contains an organic, in particular polymeric, material such as PET and an inorganic, in particular ceramic material such as zirconium oxide. Such a material combination corresponds to that of a film material sold under the trade name Separion.
  • the inorganic material may also be another suitable ceramic compound, in particular from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates of at least one of the elements Zr, Al, Li.
  • the separator material may be any lithium ion-conducting electrolyte.
  • the semi-finished product 34 (2) is fed to the third injection unit 28-3. There is three juxtaposed plasma sprayers 44-3 on a
  • Additive supply line 66-3 a plasticized additive mass 80-3 supplied containing particles of the separator material (Sep.).
  • the three Plasma spray guns 44-3 each produce spray mist 45-3, which unite at the latest when striking the guided over the wet roller 38 semi-finished 34- 2 and cover a delimited by an aperture 82 width of the semifinished product 34 (2).
  • Six air nozzles 46 are arranged over the relevant width of the semifinished product 34-2 and generate air jets 47, which unite at the latest when hitting the moist, coated, guided over the drying roller 40 semi-finished 34 (2) and the width of the concerned
  • Cover semi-finished 34-2 as a continuous air curtain The above-described process, visible in FIG. 3 for the front side of the film strip, is repeated for the backside of the strip according to the arrangement in the lower half of FIG. Thereafter, the foil strip leaves the third
  • Injection unit 28-3 as semifinished product 34 (3).
  • the covered width is slightly larger in the third injection unit 28-3 than in the second injection unit 28-2.
  • the injection width of the third injection unit 28-3 can also be limited by one or more apertures.
  • Process state on the front and back of the semifinished product 34 (2) each have a separator 6 (Sep.) arranged.
  • the separator layers 6 each extend slightly wider than the electrode layers 4, so that the latter are completely covered.
  • the smaller edge left free in FIG. 4C is completely covered by the separator layers 4;
  • the larger edge left open in FIG. 4C remains largely free, so that the collector layers 2 remain uncovered there.
  • the application of the separator material (Sep.) by the injection units 28-3 and the subsequent drying are preferably carried out such that the organic material in the separator layer 6 assumes a fleece-like structure.
  • Fig. 4E shows the structure of the finished electrode tape 22 after exiting the post-processing line 20 (boundary line "E" in Fig. 1).
  • the separator material (Sep.) by the injection units 28-3 and the subsequent drying.
  • Post-processing section 20 has inter alia a calender arrangement, in which the semi-finished product 34 (3) is calendered.
  • calendering the surface of the layer structure is made uniform and are in particular stepped transitions between the electrode layers 4 and the
  • the free edge on one side of the electrode tape 22, on which the collector layers are not covered, is also referred to as the lead-out region or contact region 84.
  • the additives contain a conductor material, an electrochemically active material or a separator material.
  • the additives of the respective layers can, if required, further additives, polymer binders, conductive salts, organic or inorganic solvents, etc.
  • 4F shows two electrode bands 22-1, 22-2, which are produced according to the method explained above, in an assembly-appropriate arrangement.
  • a first electrode band 22-1 corresponds to an electrode assembly of a cathode side of a galvanic cell with a carrier layer
  • Carrier film strip 14 Carrier film strip 14), a collector layer 2-1 on both sides with aluminum (AI), an electrode layer 4-1 arranged thereon with a Li-intercalatable heavy metal oxide (Met-Ox) and one of these in each case
  • Electrode tape 22-2 an electrode structure of an anode side of a galvanic cell with a carrier layer (carrier film tape 14), a double-sided collector layer 2-1 with copper (Cu), one on each
  • Electrode belts 22-1, 22-2 are arranged offset so that the areas covered with separator layers 6 facing each other and the respective contact areas 84-1, 84-2 protrude from opposite sides.
  • the interconnected separator layers 6 form a continuous separator layer, and the discharge regions 84-1, 84-2 protrude laterally in different directions from the layer structure.
  • the layer structure between the carrier layers 14 of the electrode strips 22-1, 22-2 thus corresponds to the construction of a galvanic cell with electrodes 4-1, 4-2, a separator 6 arranged therebetween and connected to the respective electrodes 4-1, 4-2 Collectors 2-1, 2-2 with
  • Deriving areas 84-1, 84-2 which can not come into contact with each other.
  • This layer structure will be referred to hereinafter as the characteristic cell layer 86.
  • a layer structure, as shown in Fig. 4G, is wound in subsequent steps, not shown, assembled, housed, contacted and poled, etc., to be processed into salable galvanic cells. Since the layer structure of the electrode strips 22-1, 22-2 is symmetrical and, when the layer structure is wound, the surface of the separator region 6 of the anode region located at the top in FIG. 4G comes into contact with the surface of the separator region 6 of the cathode region lying below in FIG. 4G, With each wrapping, a further layer structure is formed, which is the
  • characteristic cell stratification 86 corresponds. With n complete layers, 2n-1 characteristic cell stratifications are thus formed. The projecting on opposite end faces of such a film roll
  • Deriving regions 84-1, 84-2 form so-called discharge vanes, which can be used for contacting in the galvanic cell.
  • a release layer is applied to the surface before being wound up, which volatilizes either independently or before it, for example in the case of further processing Unwind the coil, remove it.
  • the finished strips 22 can be wound up together with a separating film which is to be removed during further processing, for example during unwinding of the coil.
  • the carrier film tapes 14 are made of, or at least comprise, the conductor material (collector material) itself such as copper, aluminum, or another metal, carbon fiber material, graphite, or conductive polymer. If such a carrier film with collector material, optionally primed, as
  • FIG. 5 is a schematic representation of a system 100 for producing a finished strip 1 10 of two electrode strips 22-1, 22-1.
  • the system 100 has a first unwind station 102-1, which supplies a first electrode belt 22-1 wound continuously on a coil 102a, a second unwind station 102-1, which supplies a second electrode belt 22-2 continuously wound on a coil 102a, two pre-processing paths 104-1, 104-2 for pre-processing the electrode bands 22-1, 22-2, a
  • Laminating line 106 for laminating the electrode strips 22-1, 22-2, a post-processing line 108 for post-processing of the laminated strip, and a Aufrollstation 112 for rolling up the finished strip 1 10 on a coil 1 12a.
  • the unwind stations 102-1, 102-2, the pre-processing lines 104-1, 104-2, the post-processing section 108 and the reeling station 112 are the same or similar to the corresponding system parts of the system 10 of FIG. 1, so that to avoid repetition of the made to that
  • the laminating section 106 has two input stations 1 14-1, 114-2
  • Pressure roller pair 118 for applying a pressure 120 to be laminated to electrode bands 22-1, 22-2, an output unit 122, a
  • the input stations 114-1, 114-2, the output unit 122 and the supply unit 124 are the same or similar to the corresponding system parts of the injection line 18 of FIG. 1, so that reference can be made to avoid repetition on the explanations made there, as far as the following description nothing different or supplementary can be found.
  • the first electrode band 22-1 is a cathode band and the second electrode band 22-2 is an anode band.
  • the cathode belt 22-1 and the anode belt 22-2 have a construction according to FIG. 4F and are guided in the installation 100 in such a way that they are in front of the lamination path 106 (see a dot-dash line "F" in FIG ) as shown schematically in Fig. 4F.
  • the cathode belt 22-1 and the anode belt 22-2 are first led via the input stations 114-1, 114-2 to the wetting units 16-16, 16-2.
  • the wetting units 1 16-1, 116-2 each have a plurality of guide rollers 1 16a, a wet roller 1 16b and one or more spraying device / s 116c.
  • the sprayer (s) 116c provide uniform widthwise wetting of the surface of one of the separator layers 6 (FIG. 4F) of the electrode belt 22-1 or 22-2 with a polymer.
  • the polymer serves to dissolve or render the separator layers 6 susceptible to adhesion.
  • the structure of the wetting unit 116-1 is shown in FIG indicated schematically;
  • the wetting unit 116-2 is, although not shown in detail, constructed mirror-inverted identical.
  • the cathode belt 22-1 and the anode belt 22-2 are then fed to the pressure roller pair 118, where the separator layers 6 are pressed against each other under pressure (arrows 120) and join together.
  • the pressure on the pressure rollers can be produced hydraulically, via electrical actuating drives or the like.
  • the connection process is through the
  • Heating device 126 is supported, which heats the connection point in the region of the pressure roller pair 118 with heat radiation (arrow 127).
  • Supply unit 124 serves to supply the various parts of the lamination path 106 with electrical current or electrical voltage, air, process gases, additives, hydraulic force, etc.
  • wetting facilities are dispensed with.
  • one or both of the pair of pressure rollers 118 are heated to assist in the bonding process.
  • Pressure roller pair 118 supplied electrode strips 22-1, 22-2 sprayed.
  • the sprayers 116c may in preferred modifications be
  • FIG. 6 shows a view corresponding to FIG. 2 of an injection unit 28 in a further preferred embodiment of the invention.
  • the semifinished product 34 is guided via a deflecting roller 36, then via two injection rollers 130 and finally via a further deflecting roller 36.
  • the running or deflection directions of the injection rollers 130 are
  • Each spray roll 130 is associated with a series of spray guns 44 flanked by two rows of air nozzles 46.
  • the series arrangements of spray guns 44 and air nozzles 46 extend over all or part of the width of the spray rolls 130, analogous to the arrangement in FIG. 3; in the illustrated view, only one spray gun 44 and two flanking air nozzles 46 are visible on each spray roller 130.
  • the spray guns 44 are each a spray mist 45, and the air nozzles 46 each emit an air jet 47, which limits the spray mist 45 and directs and optionally mixed with this.
  • a layer of an additive (Z) is applied to the front or back of the semifinished product 34, which by means of the surrounding air jets 47, the in
  • Width direction of the injection rollers 130 forming air curtains is effectively dried simultaneously with and immediately after the order.
  • Fig. 7 shows schematically a spray gun 132 after another
  • FIG. 8 shows in a view corresponding to FIG. 2 an injection unit 28 in a further preferred embodiment of the invention.
  • the semifinished product 34 via a guide roller 36, via an injection roller 130, which is a first series arrangement of
  • a deflecting roller 36 arranged away from the injection roller 130, from the latter via a further injection roller 130, which is associated with a second series arrangement of plasma sprayers 44, a deflecting roller 36 remote from the further injection roller 130, and finally via a further guide roller 36 led.
  • Deflection directions of the injection rollers 130 are in opposite directions, so that on the one (in the figure upper) spray roller 130, a first flat side (front) of the semifinished product 34 lies outside and on the other (in the figure lower) spray roller 130, a second flat side (back) of the semifinished product 34 is outside.
  • a layer of an additive (Z) is applied in each case on the front or rear side of the semifinished product 34 in the manner already described.
  • the injection unit 28 is encapsulated in a housing 140 such that
  • a fan 142 On a wall of the housing 140, a fan 142 is arranged, which presses via an air line 74 supplied air L (air stream 78) in the housing 140. On another wall of the housing 140, a further fan 144 is arranged, which dissipates used air or exhaust air AL in an exhaust duct 146 and thus from the housing 140 also (exhaust air flow 148).
  • the air line 74 is connected to a
  • the blower 142 may be part of a Air conditioner which conditions or dries and heats conventional atmospheric or room air.
  • the guided into the housing 1 0 air (L) also passes over the semifinished product 34, in particular in the area between a plasma spray gun 44 and the next guide roller 130. This is an effective drying by the plasma spray gun 44th
  • Processing state (temperature, etc.) brought.
  • the semifinished product 34 is supported between an injection roller 130 and the subsequent deflection roller 36 by suitable means.
  • the support means may preferably (but not only) be disposed on the side of the semifinished product which has not been last coated.
  • a suitable support means may preferably, but not only, be a slide plate on which the semifinished product slides, an air cushion plate over which the semifinished product floats on an air cushion, an endless conveyor belt which moves with the semifinished product 34 and on which the semifinished product 34 rests , If the support means is located above the semifinished product 34 in order to avoid contact with the last sprayed-on layer, a device may be provided which attaches the semifinished product 34, for example by negative pressure, magnetic or electrostatic attraction or the like
  • multiple injection units 28 may be housed in a common housing 140 and supplied with dry air.
  • Coiling of the electrode strips 22, are performed.
  • two installations 10 according to FIG. 1 and one installation 100 according to FIG. 5 can be combined in a single installation, wherein the reeling station 24 of the installation 10 in FIG. 1 as well as the unrolling stations 102 in FIG.
  • the post-processing section 20 of the system 10 in FIG. 1 and / or the preprocessing sections 104 in the system in FIG. 5 or individual stations can also be omitted or combined in intermediate processing lines.
  • FIG. 9 schematically shows an exemplary plant 150 for the continuous production of a finished strip 110 from two carrier film strips 14-1, 14-2 as a further embodiment variant of the present invention.
  • the system 150 has a first unwind station 12-1, which is a first
  • the unwind stations 12-1, 12-2 and the preprocessing sections 16-1, 16-2 are constructed the same or similar to the corresponding system parts of the system 10 of FIG. 1; the post-processing section 108 and the reeling station 112 correspond to the same system parts of the system 100 of FIG. 5, so that in order to avoid repetition of the explanations made to this corresponding reference can be made, as far as the following
  • the coating and Lam inierumble 152 has two input stations 26- 1, 26-2 for detecting the coming from the Vorbearbeitungsumblen 16-1, 16-2 Shinfolienbs 14-1, 14-2 (from there as a semi-finished 34-1, 34- 2), multiple injection units 28-1 1, 28-12, 28-13, 28-14 to
  • the input stations 26-1, 26-2 correspond to the input station 26 of the system 10 of FIG. 1, the pair of printing rollers 118, the output unit 122, the supply unit and the heater 126 correspond to the respective system components of the laminating path 106 of the system 100 of FIG. so that in order to avoid repetition to the explanations made there, reference can be made accordingly, as far as the following
  • Carrier film tape 14-1, 14-2 each one polyimide film (primed), wherein the first carrier film tape 14-1 the construction of a cathode side and the second carrier film tape 14-1 the construction of an anode side of the finished strip 110 is used.
  • the coating and laminating section 152 the
  • the first injection units 28-1, 28-21 of each side in the sequence serve in each case for double-sided coating of the semi-finished products 34-1, 34-2 with a conductivity additive such as carbon nanotubes and an adhesion promoter.
  • the adhesion promoter essentially serves for wetting the carrier film and the adhesion of the additive particles; it may partially volatilize during subsequent drying.
  • the additive particles have a maximum length which is greater than a height of the adhesion promoter after drying. Thus, the additive particles protrude after completion of the layer in different directions in space from the adhesive layer.
  • the successive second injection units 28-12, 28-22 of each side serve respectively to coat the semifinished products 34-1, 34-2 on both sides with a conductor material (containing copper for the anode side and aluminum for the cathode side, respectively), and the third injection units 28-13, 28-23 each side are each the two-sided coating of the semi-finished products 34-1, 34-2 with an electrochemically active electrode material (cathode or anode material).
  • the length of the additive particles is such that they still through the
  • Conductor layer project into the electrode layer, but at least substantially not beyond.
  • the additive particles serve the toothing and thus the improvement of an electrical connection between the conductor layer (collector layer) and the respective electrode layer.
  • conductivity additives such as nano-Sl, magnesia, alumina, carbon black, certain ionic liquids, etc. More preferably, the conductivity additives have three-dimensional structures, such as nanotubes, that are at least partially in a direction orthogonal or oblique to a plane of the
  • Carrier film strips 14-1, 14-2 extend.
  • the conductivity additive is used as
  • the semi-finished products 34-1, 34-2 are each fed to an intermediate processing unit 153-1, 153-2.
  • the intermediate processing units 153-1, 153-2 have, for example, but not only, an abrasive device 153a for removing excess additive particles, and a calendering device 153b for compacting the previously applied layers, as shown in the figure for the intermediate processing unit 153-1. From the intermediate processing units 153-1, 153-2, the intermediate processing units 153-1, 153-2, the
  • Semi-finished 34-1, 34-2 each supplied to the fourth injection units 28-14, 28-24. These injection units 28-14, 28-24 are used for one-sided coating of the semi-finished products 34-1, 34-2 with a separator material. After that, the
  • Pressure (arrows 120) and supported by the heater 126 are pressed together and connect to each other.
  • the laminate After the connection (lamination) of the two semi-finished products 34-1, 34-2, the laminate is fed to the last injection unit 28-30, where the laminate, which still has free electrode layers on the outer sides, is coated on both sides with a separator material. In the subsequent output unit 122, the coated laminate is calendered again (calender assembly 154).
  • the post-processing section 108 of this system 150 has a
  • FIG. 10 is a schematic representation of a processing line 160 for a semifinished product 34 that may be used, for example, but not limited to, instead of or as part of one of the initial stations or finishing lines of the above
  • the processing section 160 serves for processing an already coated semifinished product 34 which has a conductor or collector layer 2, an electrode layer 4 (dashed line) and a separator layer 6.
  • the conductor layer 2 is exposed as a discharge region 84 at a lateral edge of the semifinished product 34 and is covered in the remaining region by the separator layer 6, just like the
  • interposed electrode layer 4 which is less wide than the
  • Separator layer 6 is (see dashed line in Fig. 10).
  • the processing section 160 has a memory unit 162, a punching unit 164 and a drive unit 166.
  • the storage unit 162 has at least one storage roller and corresponding guide rollers (not shown in detail).
  • the drive unit 166 keeps the semi-finished product 34 taut.
  • Punching unit 164 has a punching unit (not shown in detail), which punch out rectangular recesses 168 from the discharge area 84.
  • Recesses 168 cover the entire width of the diverter region 84 and extend into the separator layer 6, but not as far as the electrode layer 4. The region remaining between the recesses 168 is referred to as
  • Ableitfahnen 169 of the electrode assembly (electrode belt 22).
  • the punches are made with a cycle length I (hereinafter also referred to as pitch I), wherein a length li of the recesses 168 (also referred to as a punching) is greater than a length l 2 of the remaining Ableitfahnen 169 (hereinafter also referred to as the contact width l 2 ) plus one
  • the electrode belt 22 leaving the processing section 160 can be wound up on a coil or continuously processed further, as in the system 10 shown in FIG. FIG. 11 shows, in a three-dimensional view, schematic processing steps for the further processing of two electrode bands 22, which were produced as shown in FIG. 10.
  • a first electrode tape 22-1 is supplied from the left side in the figure, and a second electrode tape 22-2 is fed from the right side in the figure (arrow directions 170-1, 170-2 symbolize) also corresponding conveyors).
  • the first electrode band 22-1 be a cathode band and let the second electrode band 22-2 be an anode band.
  • each electrode band 22-1, 22-2 a piece of a length I is separated in each case, the length I corresponding to the cycle length or the pitch I in FIG. 10.
  • the separation takes place between two Ableitfahnen 169-1 or 169-2, as close as possible to a counter to the feed direction 170-1 or 170-2 next Ableitfahne (dashed dividing lines 172-1, 172-2 in Fig. 1 1
  • band sections 174-1, 174-2 of a length which corresponds to pitch I are formed.
  • the location of the dividing lines 172-1, 172-2 is determined so that each severed tape portion 174-1, 174-2 has a complete (ie, unseparated) bleed tab 169-1, 169-2 and the bleed tabs 169-1, 169 -2 completely on one side of the length (the pitch) I of the band portion 174-1, 174-2 bisecting center line 175-1, 175-2 comes to rest.
  • the band sections 174-1, 174-2 cut off from the electrode bands 22-1, 22-2 are alternately conveyed to a stacking station (arrow directions 176-1, 176-2 also symbolize corresponding conveying devices) and placed on top of each other so that they form a stack 178 (an arrow direction 180 also symbolizes a corresponding stacking device).
  • Belt section 174-1 to lie over one of a Ableitfahne 22-2 free half of a stacking direction next or previous band portion 174-2 and vice versa.
  • discharge lugs 22-1 of the first band sections 174-1 oppose each other in the stacking direction
  • respective discharge lugs 22-2 of the second band sections 174-2 in the stack 178 oppose each other in the stacking direction.
  • stacks 178 having a predetermined number of tape sections 174-1, 174-2 therein
  • the number of tape sections 174-1, 174-2 of a stack 178 is determined by the desired capacity of the battery or cell.
  • Fig. 12 shows schematically an exemplary plant 200 for the continuous production of a finished strip 212 from three carrier film strips 14-1, 14-2, 14-3 as a further embodiment of the present invention.
  • the carrier film tapes 14-1, 14-2, 14-3 of coils 202-1 become. 202-2, 202-3 and in each case a Vorbearbeitungsumble 204-1, 204-2, 204-3 supplied.
  • the first carrier film strip 14-1 comprises aluminum or an aluminum alloy or is produced therefrom.
  • Carrier film strip 14-2 comprises copper or a copper alloy or is produced therefrom.
  • the third carrier tape 14-3 has PET
  • the carrier film belts 14-1, 14-2 can therefore also be used as collector belts
  • the cathode collector belt 14-1 in two successive spray stations 28-1 1, 28-12 successively on one side Carbon Nanotubes (NanoC) and a cathode material (Kath.) Coated as described above. Likewise, that will be described above.
  • resulting semi-finished products 34-1, 34-2 can thus also be referred to as electrode strips (cathode strip 34-1, anode strip 34-2).
  • the carbon nanotubes serve as a conductivity additive; they protrude into the respective
  • Electrode layers applied by the spray stations 28-12, 28-22 are not longer than the thickness of the electrode layers in this embodiment.
  • the third carrier film strip 14-3 is coated after pretreatment in a spray station 28-30 on both sides with zirconium oxide (ZrO), wherein the particle size is preferably not more than 100 nm.
  • ZrO zirconium oxide
  • Carrier film tape 14-3 is an organic carrier material which is a poor electron conductor (ie an insulator). It is processed so that the material of the third carrier sheet 14-3 at least partially
  • ZrO is an inorganic material which is a good ion conductor in a typical temperature working range of -40 ° C to 200 ° C for high performance batteries.
  • the resulting semi-finished product 34-3 after coating can also be referred to as a separator belt.
  • ZrO for zirconia is used here as an abbreviation, not necessarily as a molecular formula.
  • Anode belt 34-1 and the cathode belt 34-2 is arranged and the Electrode layers of the electrode bands 34-1, 34-2 facing the Separatorband 34-3.
  • the laminate is then coated on both sides with an insulator material (ISO) in a spray station 28-40 and rolled up after passing through a reworking section 210 as a finished strip 212 on a coil 214.
  • ISO insulator material
  • the finished strip 212 of this embodiment has a structure in
  • the collector strips 14-1, 14-2 are each coated in such a way that an edge remains free as a contact region or discharge region.
  • the PET tape 14-3 is coated all over and is slightly wider than the electrode layers on the electrode tapes 34-1, 34-2, but narrower than the collector tapes 14-1, 14-2. During lamination, the contact areas of the
  • Electrode bands 34-1, 34-2 to opposite sides beyond the edges of the separator band 34-3.
  • the separator band 34-3 In a preferred, unspecified modification, the
  • Electrode bands 34-1, 34-2 also on the outside with a
  • Coating with the insulator layer Can be omitted in this modification.
  • the electrode structure of the resulting finished strip corresponds to the layer structure shown in FIG. 4G, but with the difference that the middle separator layer is formed by the separator strip 34-3.
  • a finished strip with such an electrode structure can be wound directly without requiring an insulating layer or a corresponding finished strip of mirror-image layering.
  • the contact areas of the electrode bands 34-1, 34-2 are punched out prior to lamination, as shown in FIG.
  • the electrode bands 34-1, 34-2 are thus punched out the separator belt 34-3 laminates that the contact portions protrude to the same side and the Ableitfahnen (169 in Fig. 10) of the electrode bands 34-1, 34-2 are staggered.
  • Fig. 13A shows a portion of an electrode tape 220 in a preferred embodiment of the invention in a plan view
  • Fig. 13B shows the electrode tape 220 of this alternative embodiment in a cross-sectional view taken along a bold dotted line in Fig. 13A looking in the direction of an associated arrow.
  • the electrode tape 220 of this alternative embodiment has a structure similar to that shown in FIG. 4E. In other words, on one
  • Carrier tape 14 are on both sides in the following order one
  • Electrode tape 220 is provided. In the middle of the electrode strip 220 in the width direction, the layer structure is interrupted by a trench (longitudinal trench) 222 in each case.
  • the ditch 222 extends to the
  • delimited segments can be created in the transverse direction, which can be addressed or controlled separately, for example, in a finished cell.
  • the segmentation in the transverse direction can be realized, for example, but not only, by the fact that between individual
  • Spray devices which are arranged distributed over the width of the semifinished product (34), are arranged panels which shield a selected region of the semifinished product, so that delimited injection zones are defined.
  • the conductor layer 2 is designed to be continuous in the width direction and extends the trench 222 only to the conductor layer 2.
  • this modification although a separate control of the two segments is not possible. However, it is conceivable that in the event of a deterioration of one segment, for example (but not only) due to overheating or other overloading, the other segment may continue to work.
  • FIG. 14A shows a portion of an electrode tape 230 in a preferred modification of the alternative embodiment of FIG. 13 in a plan view.
  • FIG. 14B shows the electrode tape 230 of this alternative embodiment in one Cross-sectional view, and
  • Fig. 14C shows the electrode tape 230 of this
  • Electrode layer 4 on one side of the trench 232 of an anode side, on the other side of the trench 232 of a cathode side of a galvanic cell, as shown in Fig. 14B. After the layer structure has been formed, contact areas on each side of the trench 232 are punched out analogously to the illustration in FIG. 10, the remaining discharge lugs 96 being formed offset in the longitudinal direction.
  • the electrode tape 230 is folded along the trench 232, and the two halves are folded on each other (curved arrows in Fig. 14B) and bonded together by pressure, heat, binder, or the like, as shown in Fig. 14C. In this way, a more complete
  • Electrode layer structure (finished tape 238, Fig. 14C) of a galvanic cell with prepared for contacting Ableitfahen in a continuous
  • Fig. 15 shows a portion of a finished strip 240 in another
  • the layer structure of the finished strip 240 corresponds - without limiting the generality - that of the finished strip 22 in Fig. 4E. In contrast, extend through the layer structure transverse trenches 242 across the width of the finished strip 240. In this way, a segmentation of the finished strip 240 in
  • segments 244 of a length s Longitudinal realized to form segments 244 of a length s.
  • the segments 244 can be controlled separately, for example in a finished galvanic cell, it can 244 in case of failure of a segment
  • Other segments 244 continue to work, and / or the transverse trenches 242 may serve as markers for orientation or synchronization in subsequent
  • Process steps such as punching, cutting, lamination and / or the like are used.
  • Segmentation in the longitudinal direction can be realized, for example, but not only, by interrupting the application in a timed manner by the spray guns, so that uncoated zones (trenches as separating regions of the segments) remain, and / or in that the feed or
  • Feed rate of the semifinished product is briefly increased in a predetermined cycle, so that zones arise in which the spray application is thinner, and / or in that in temporal timing a mask is pushed between the spray guns and the semi-finished, which
  • the layer structure of the electrode band 240 changes from segment 244 to segment 244 between an anode assembly and a cathode assembly, contact regions 84 are formed on both edges of the electrode band 240 and alternately becomes the contact region 84 of one segment 244 or the other segment 244 punched out.
  • the segments 244 of this modification can be zigzagged along the transverse trenches 242 (fanfold or accordion folding) and connected to each other by pressure, heat, bonding or the like. By the number of segments 244 thus connected, the capacity of such a structure can be determined.
  • the layer structure alternating in the feed direction can, for example, but not only, be controlled by pulsed activation of several
  • Fig. 16 shows a portion of an electrode tape 250 as a preferred modification of the alternative embodiment shown in Fig. 15 in a plan view, and Fig. 17 illustrates an effect of this arrangement.
  • segments 254 of constant length s are formed in the electrode belt 250 by transverse trenches 252.
  • the measure of a gap ti, t 2 , t, (length of the transverse trenches 252) between segments 254 changes as the feed x progresses.
  • FIG. 17 shows a preferred application of the configuration shown in FIG.
  • two electrode belts 250-1, 250-2 are wound on a flat winding core 256 to form the active part of a galvanic cell.
  • the electrode bands 250-1, 250-2 may be connected to a finished strip.
  • the detailed depiction of the layer structure was omitted in the figure; he is on the
  • Reverse sections of a roll produced in this way can be separated, for example, at parting lines 258 in order to obtain a parallelepiped-shaped film stack. (Separation at parting lines 258 is advantageous if the
  • Carrier film tapes of the electrode strips 250-1, 250-2 have a collector material, as they would otherwise touch and contact in the area of the reversing sections. On the other hand, if the carrier film tapes are nonconductive, the turnarounds may also remain.
  • a similar effect as shown in Fig. 17 can also be achieved if the transverse trenches each have equal lengths t in that the finished strip or electrode strip is stretched during the winding at the transverse trenches in accordance with a growing thickness of the coil. Stretching can be supported, for example, but not only, by heating.
  • injection units 28 can be combined in a single housing.
  • injection units 28 can be divided to the front and back of the strip and / or first several or all layers of the front side of the semifinished product 34 applied successively and then several or all layers of the back of the semifinished product 34 are applied successively.
  • the supply of plant components, apparatus and components takes place in varying degrees of centralization or decentralization.
  • calendering of the semifinished product can take place after each injection step or can be provided at selected points in the process sequence. There may be intercooling or intermediate heating be provided the slides.
  • the spray rolls (wet rolls) can be cooled or heated.
  • Layers are applied to one of the front or back of the backing sheet, all or only selected layers are dried immediately after application, and then some or all of the layers are applied to the other of the front and back, all or only selected layers be dried immediately after application. In preferred developments is between
  • a winding core on which an electrode strip or finished strip is wound in order to form an active part of a galvanic cell can be produced from a good heat conductor.
  • a method according to the invention for producing a multi-layered, preferably in the direction of symmetry, electrode structure, in particular for a galvanic cell advantageously has a step of forming at least two layers of the electrode structure on one another by thermal spraying or deposition.
  • the invention is also directed to an electrode assembly produced by the method described, to a galvanic cell having such an electrode assembly, and to an apparatus for carrying out the method. Described above
  • Plasma or other spray guns, series or other arrangements thereof, as well as all equipment parts and apparatuses containing them, such as coating and laminating lines or the like, can be used as thermal spraying or depositing arrangements in the sense of
  • Carrier film strips, intermediates and semi-finished products can be understood as a carrier substrate in the context of the invention.
  • Electrode strips, finished strips, film stacks or intermediate products can be understood as an electrode structure in the sense of the invention. Coils can be understood as roles within the meaning of the invention. Trenches (longitudinal and transverse trenches) can be understood as separation areas in the sense of the invention.
  • Ceramic layers or electrodes of all kinds for ionic batteries are produced by thermal spraying. These ceramic layers such as Separion can be deposited on the electrodes or separately as a separator, such as in a multilayer or
  • the method advantageously takes advantage of the fact that the materials are produced in a melted or doughy state, by paste extrusion or doughed by means of ionic liquids.
  • Layers are applied to existing substrates such as collector foil material or polyimide foils as substrate carriers. In this case, preferably a minimum thermal influence of the materials themselves. Layer thicknesses are in the range of 10 to 150 ⁇ .
  • the preferred method is carried out according to a particular embodiment as a plasma spraying of air such that preconditioned or dried air is removed from a dry room for this plasma spraying process. Thus, moisture ranges are reached, which are in the range of an absolute dew point from -60 to -100. This can also be avoided that arise micro inclusions in the materials or
  • Moisture traces between layers are formed or remain.
  • a special inert atmosphere can be produced, which can optionally be supported by negative pressure.
  • the dense layers and the adhesive strength can be adjusted defused in the process by material or according to the
  • particular conductivity additives are added in their own injection stages or together with other additives.
  • These are conductivity additives such as nano-Si or MgO, their magnesium oxide, aluminum oxide, carbon black, nanotubes or ionic liquids. These can also be used to absorb additional water, contribute to the stability of the layer, contain the ionic conductivity component lithium-ion or promote the later interpretation of ionic electrochemical systems or allow.
  • the method is preferably used for double-sided coating, but it is also applicable in a further preferred modification for one-sided coating.
  • the subject is run on plates or the like, with a preferred arrangement in the area in the sense of drying is preferred.
  • the layers are optionally recalendered directly after the thermal spraying. Thereafter, the electrodes may be processed into either wound, stacked, prismatic wound cells, and the like.
  • Substrate films, the copper or aluminum foils (in general the collector foils) or the absorption of moisture, which can settle between the layers and then later affect the quality of the electrical determinant significance can be excluded by the described method also completely or at least partially , In that regard, the production process is supported, especially the time-critical shift is slowing down.
  • a preferred embodiment is to previously deposit, shave or carbon nanotubes or the like on the substrate
  • the invention has been described in terms of a preferred example of an electrode assembly for a lithium-ion cell, the invention is in all its forms on electrode foils and all types of galvanic cells, in which a multilayer electrode structure is required or advantageous, applicable.
  • Separion is a registered trademark of Evonik Litarion GmbH.
  • 169 (169-1, 169-2) discharge lance (cathode side, anode side)
  • 250 250-1, 250-2 electrode band (cathode, anode side)

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen, vorzugsweise in Schichtungsrichtung symmetrischen Elektrodenaufbaus, insbesondere für eine galvanische Zelle, weist einen Schritt eines Ausbildens wenigstens zweier Schichten des Elektrodenaufbaus aufeinander durch thermisches Spritzen oder Abscheiden auf. Die Erfindung richtet sich auch auf einen mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellten Elektrodenaufbau, auf eine galvanische Zelle mit einem solchen Elektrodenaufbau, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines mehrschichtigen
Elektrodenaufbaus, galvanische Zelle
B e s c h r e i b u n g Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Elektrodenaufbaus, insbesondere für eine galvanische Zelle, eine galvanische Zelle mit einem solchen Elektrodenaufbau sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens. Aus der DE 102 31 319 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Energiespeichern, vorzugsweise auf Basis von wiederaufladbaren Lithium- Polymer-Zellen, bekannt. Das Verfahren basiert auf der Beschichtungs- bzw. Extrusionstechnologie wie etwa Filmbeschichtungs-, Extrusions-, Gieß- und Laminiertechniken, bei der alle erforderlichen Komponenten für die jeweiligen Elektroden bzw. auch für den Separator als streichfähige, beschichtungsfähige bzw. extrusionsfähige Gemische mit Lösungsmittel, Leitsalz, Additiven und den Aktivkomponenten (Li-interkalierbaren Kohlenstoffen bzw. Li-interkalierbaren Schwermetalloxiden) vorliegen und in einem kontinuierlichen, vorzugsweise einstufigen Prozess verarbeitet werden, wobei die Monomeren polymerisieren und sich verfestigen. Auf diese Weise werden Anodenmassen und
Kathodenmassen auf entsprechende Stromableiter aufgetragen und mit einem Separator als Zwischenschicht zu einem Verbundsystem angeordnet. Die Gemische sind Dispersionen bzw. streichfähige Pasten, die bei Raumtemperatur auf die geprimerten Abieiter aufgetragen werden. Das entstandene
Verbindungssystem wird laminiert und gewickelt, eingehaust und gepolt usw. Den Erfindern ist ferner ein Verfahren bekannt, bei welchem auf einer
Substratfolie beidseits jeweils eine Schicht eines Zusatzwerkstoffes thermisch aufgespritzt wird, um eine Folienschicht mit bestimmten elektrischen bzw.
elektrochemischen Eigenschaften herzustellen, die etwa in Coilform
(Rollenform) zur weiteren Verwendung bereitgestellt wird. Auf diese Weise hergestellte Folienschichten unterschiedlicher Eigenschaften können dann abgespult und laminiert werden, um einen Elektrodenaufbau für eine
galvanische Zelle herzustellen. Dabei werden beispielsweise eine Isolatorfolie, eine Anodenfolie, eine Separatorfolie und eine Kathodenfolie laminiert und der so laminierte Folienschichtaufbau in einer derart bemessenen Länge aufgerollt (gewickelt), dass die gesamte aufgewickelte Länge (Fläche bzw. Volumen) die geforderten Kapazität einer galvanischen Zelle liefert. Die so hergestellten Wickel werden anschließend kontaktiert und eingehaust, um eine galvanische Zelle fertigzustellen, und mehrere so hergestellter Zellen werden miteinander verschaltet und ihrerseits eingehaust, um eine Batterie auszubilden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenaufbaus, eine galvanische Zelle mit einem entsprechend hergestellten Elektrodenaufbau sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der
Unteransprüche.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen, vorzugsweise in Schichtungsrichtung symmetrischen Elektrodenaufbaus, insbesondere für eine galvanische Zelle, einen Schritt eines Ausbildens wenigstens zweier Schichten des Elektrodenaufbaus aufeinander durch thermisches Spritzen oder Abscheiden auf. Unter einem Elektrodenaufbau wird im Sinne der Erfindung auch eine
Schichtstruktur verstanden, bei welcher wenigstens eine Schicht elektrisch und/oder elektrochemisch wirksam ist. Ein Elektrodenaufbau kann auch einen Teil (etwa eine Kathodenstruktur oder eine Anodenstruktur oder eine
Trennstruktur) oder eine Gesamtheit eines elektrochemischen Systems wie etwa eines aktiven Bereichs einer galvanischen Zelle ausbilden. Unter einer
Galvanischen Zelle wird im Sinne der Erfindung ein elektrochemisches System verstanden, das auch in der Lage ist, chemische in elektrische Energie umzuwandeln und/oder umgekehrt, und insbesondere auch in der Lage ist, elektrische Energie abzugeben.
Unter thermischem Spritzen wird im Sinne der Erfindung ein Verfahren zum Auftragen eines Spritzgutes (im Rahmen dieser Anmeldung auch als Zusatzstoff bezeichnet) in Partikelform, unter Verwendung thermischer und kinetischer Energie.
Wenn mehrere Schichten aufeinander durch thermisches Spritzen ausgebildet werden, können auch komplexe Elektrodenstrukturen in einem kontinuierlichen Verfahren aufgebaut werden.
Das Verfahren kann in bevorzugten Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass der Schritt des thermischen Spritzens wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, insbesondere alle der Schritte aufweist:
- Vorbereiten eines Spritzguts in pastöser, aufgeschmolzener oder teigiger Form, insbesondere durch Pastenextrudieren oder Teigigmachen mittels eines ionischen Liquids;
- Spritzen des Spritzguts mit einem Plasma zur Herstellung einer Schicht; und
- schichtweises Trocknen wenigstens einer aufgespritzten Schicht mit vorkonditionierter, insbesondere getrockneter Luft. Unter einem Plasma wird im Sinne der Erfindung ein Gas verstanden, das teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern, wie etwa Elektronen und Ionen, besteht. Eine neben anderen Verfahren bevorzugte Form des
thermischen Spritzens ist das Plasmaspritzen. Dabei wird der Zusatzstoff in oder außerhalb einer Spritzapparatur durch einen Plasmastrahl geschmolzen und auf die Werkstückoberfläche geschleudert. Das Plasma wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der gebündelt in einem Arbeitsgas (Argon, Helium, Stickstoff,
Wasserstoff oder ein Gemisch daraus) zwischen einer vorzugsweise zentrisch angeordneten Elektrode (Kathode) und einer die Anode bildenden,
vorzugsweise wassergekühlten Spritzdüse brennt und beschleunigt wird. Das Verfahren kann in Normalatmosphäre, in inerter Atmosphäre, in Schutzgas, Vakuum oder unter Wasser angewendet werden. Das Plasma reißt das
Spritzgut mit sich, wobei das Spritzgut vorzugsweise ganz oder teilweise aufgeschmolzen wird. Unter einem schichtweisen Trocknen wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass im Zuge eines Aufbringens oder unmittelbar nach dem Aufbringen einer Schicht diese getrocknet wird, bevor eine weitere Schicht aufgebracht wird oder weitere Verfahrensschritte vorgenommen werden. Es müssen nicht (können aber) alle Schichten eigens getrocknet werden. Unter einem Vorkonditionieren wird im Sinne der Erfindung das Einstellen von Luft auf einen bestimmten Taupunkt oder Taupunktbereich verstanden. Als im Sinne der Erfindung bevorzugt nutzbarer Taupunkt bereich hat sich ein absoluter Taupunkt von -60 bis -100 erwiesen.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, insbesondere alle der Schritte aufweist:
- Vorbereiten eines Trägersubstrats, vorzugsweise in Form einer Folie, insbesondere in Bandform, bevorzugt auf einer Rolle bereitgestellt;
- Zuführen des Trägersubstrats, um den Schritt des thermischen Spritzens auf dem Trägersubstrat auszuführen; und
- Aufhaspeln des Elektrodenaufbaus auf Rollen. Unter einem Trägersubstrat wird im Sinne der Erfindung eine Struktur verstanden, die durch ein thermisches Spritzverfahren beschichtet werden kann.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass ein Trägersubstrat verwendet wird, das einen elektrisch isolierenden Kunststoff, beispielsweise Polyimid,
Polyethylenterephthalat oder dergleichen, ein Kollektormaterial, insbesondere einen metallischen Werkstoff wie etwa Aluminium oder Kupfer, eine elektrisch leitfähigen Polymerfolie oder einem Carbonmaterial, oder ein Separatormaterial, jeweils bevorzugt in Folienform, aufweist oder daraus besteht.
Unter einem Kollektormaterial wird im Sinne der Erfindung ein elektrisch leitfähiges Material verstanden, das im Zusammenhang mit einer galvanischen Zelle dazu verwendbar ist, Ladungsträger in dem aktiven Teil einer galvanischen Zelle zu sammeln und mit der Umgebung auszutauschen. Unter einem
Separatormaterial wird im Sinne der Erfindung ein Material verstanden, das zwischen einem Anodenbereich (negativ geladenen Bereich) und einem
Kathodenbereich (positiv geladenen Bereich) einer galvanischen Zelle, anordenbar ist, um diese zu trennen. Ein Separatormaterial ist für Ladungsträger (Elektronen) weitgehend undurchlässig (elektrisch isolierend), für Ionen dagegen wenigstens teilweise durchlässig.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass das Spritzgut elektrische und/oder chemische und/oder mechanische Eigenschaften aufweist, die in der
aufgespritzten Schicht, insbesondere in Zusammenwirkung mit einer anderen Schicht oder anderen Schichten oder dem Trägersubstrat des
Elektrodenaufbaus, jeweils die Funktion einer Anode, einer Kathode, eines Stromsammlers bzw. Leiters, eines Separators, eines Elektrolyts oder eines Isolators im Sinne einer galvanischen Zelle erfüllen, wobei vorzugsweise wenigstens eine der Schichten Lithium oder eine Lithiumverbindung oder ein Lithium-interkalierbares Material aufweist. Unter einem Lithium-interkalierbaren Material wird im Sinne der Erfindung ein Material verstanden, welches Lithium, insbesondere Lithium-Ionen, aufnehmen bzw. einlagern kann, ohne seine Struktur wesentlich zu ändern. Als Lithium- interkalierbare Materialien eignen sich beispielsweise, aber nicht nur, Kristalle wie etwa Graphit oder Si (Silizium), vorzugsweise in amorpher, nanokristalliner Form, oder dergleichen für die Anodenseite und bestimmte Schwermetalloxide für die Kathodenseite. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eine der Schichten Lithium oder eine Lithiumverbindung aufweisen wie etwa Li4Ti5012 (Lithiumtitanat) für die Anodenseite und Verbindungen (Oxide) mit Kobalt, Nickel und anderen Elementen wie etwa LiNixCoxO oder LiFeP04 oder LiMn204 oder Li(CoxNiyMnz)02 oder LiNiP04 oder LiMnP04 oder LiCo02 oder LiNi02 oder dergleichen für die Kathodenseite. Die oben angegebenen Stoffe sind als bevorzugte, aber nicht ausschließliche, Beispiele zu verstehen. Mit anderen Worten, das Verfahren eignet sich bevorzugt, aber nicht nur, zur Herstellung eines Elektrodenaufbaus für Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen oder andere primäre oder sekundäre Zelltypen jeder Art auf der Basis von Lithium.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass das Spritzgut wenigstens einer Schicht Zusätze, die insbesondere aus Nano-Sl, Magnesiumoxid,
Aluminiumoxid, Ruß, ionischen Flüssigkeiten, Kohlenstoff-Nanotubes
ausgewählt sind, aufweist, wobei vorzugsweise dreidimensionale Strukturen der Zusätze wie etwa Nanotubes sich wenigstens teilweise in einer Richtung orthogonal oder schräg zu einer Ebene des Trägersubstrats erstrecken.
Derartige Zusätze können als Hauptbestandteil einer eigenen Schicht oder als Zumischung zu anderen Zusatzstoffen verwendet werden. Wenn sie
dreidimensionale Strukturen ausbilden, eignen sie sich als Leitfähigkeitsadditiv, um beispielsweise verschiedene Schichten, insbesondere eine Leiterschicht und eine Elektrodenschicht, miteinander zu verzahnen. Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass eine als Separator wirkende Schicht oder Folie nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist und einen zumindest teilweise stoffdurchlässigen Grundwerkstoff aufweist,
wobei der Grundwerkstoff vorzugsweise auf mindestens einer Seite, insbesondere auf beiden Seiten, mit einem anorganischen Material beschichtet ist,
wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Grundwerkstoff vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist,
wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst,
wobei das organische Material mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet ist, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40°C bis 200°C ionenleitend ist,
wobei das anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li umfasst, besonders bevorzugt Zirkonoxid,
und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser von unter 100 nm aufweist.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass das organische Material als ein Trägersubstrat für den Elektrodenaufbau verwendet wird und das anorganische Material eine im Rahmen des Verfahrens aufgespritzte Schicht auf dem
Trägersubstrat bildet.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass die Stärke einer aufgespritzten Schicht zwischen 10 und 150 μηη liegt. Wenn aufgespritzte Schichten in Segmenten ausgebildet werden, wobei Trennbereiche zwischen den Segmenten sich in wenigstens einer Richtung entlang einer Oberfläche eines Trägersubstrats, vorzugsweise längs und/oder quer zu einer Vorschubrichtung des Trägersubstrats erstrecken, können abgegrenzte und separat ansteuerbare Zonen in einem Elektrodenaufbau ausgebildet werden. Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten
Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass
Trennbereiche zwischen den Segmenten vorzugsweise durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen ausgebildet werden:
getaktetes Unterbrechen des Spritzauftrags;
- Spritzen durch eine Maske;
- Spritzen mittels mehrerer, quer zur Vorschubrichtung verteilter
Spritzvorrichtungen mit abgegrenzten Spritzzonen;
- getaktetes Verändern der Zuführgeschwindigkeit des Trägersubstrats.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass der Elektrodenaufbau wenigstens zwei Trägersubstrate aufweist, wobei vorzugsweise
nach Ausbilden einer oder mehrerer Schichten auf einem ersten Trägersubstrat ein Schritt eines Zuführens eines zweiten Trägersubstrats und Anbindens an die äußerste Schicht vorgesehen ist, wobei vorzugsweise auf dem zweiten
Trägersubstrat weitere Schichten ausgebildet werden; und/oder
in separaten Verfahrensabschnitten ein erster Teilelektrodenaufbau mit einem ersten Trägersubstrat und ein zweiter Teilelektrodenaufbau mit einem zweiten Trägersubstrat ausgebildet werden, die dann in einem weiteren
Verfahrensabschnitt an gegenüberliegenden Flachseiten miteinander verbunden werden, beispielsweise mittels eines Klebstoffs und/oder durch Einwirkung von Wärme und/oder durch Einwirkung von Druck und/oder durch Adhäsionswirkung wenigstens einer der an den gegenüberliegenden Seiten ausgebildeten
Schichten, wobei vorzugsweise nach dem Verbinden des ersten
Teilelektrodenaufbaus und des zweiten Teilelektrodenaufbaus weitere Schichten ausgebildet werden. Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass das erste und das zweite
Trägersubstrat jeweils ein Kollektor-Folienmaterial ist oder ein Kollektormaterial als aufgespritzte Schicht aufweist;
wobei das erste Trägersubstrat und das zweite Trägersubstrat einander nicht überlappende Randzonen aufweisen;
wobei die Randzonen vorzugsweise dadurch ausgebildet werden, dass das erste Trägersubstrat und das zweite Trägersubstrat in seitlicher Richtung versetzt sind, oder
das erste Trägersubstrat und das zweite Trägersubstrat im Bereich eines oder beider seitlicher Ränder Ausklinkungen vorzugsweise gleichen Abstands und gleicher Länge aufweisen, wodurch zwischen den Ausnehmungen Laschen definiert sind, wobei in dem Elektrodenaufbau Laschen des ersten
Trägersubstrat keine Überlappung oder Berührung mit Laschen des zweiten Trägersubstrats aufweisen;
und wobei weitere Schichten des Elektrodenaufbaus auf einander
überlappenden Flächen des ersten und des zweiten Trägersubstrats ausgebildet werden.
Das Verfahren kann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen bzw.
Weiterbildungen so verwirklicht sein, dass es wenigstens einen der Schritte aufweist:
Kalandrieren des Schichtaufbaus nach dem Spritzen; und
Konfektionieren des Elektrodenaufbaus als aktiver Bereich einer galvanischen Zelle, vorzugsweise enthaltend einen Schritt eines Wickeins des
Elektrodenaufbaus oder Schritte eines Ablängens auf Zellenmaß und Stapeins der abgelängten Abschnitte. In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Schritt des Konfektionierens den Schritt eines Wickeins des Elektrodenaufbaus auf einen flachen Kern, wobei der flache Kern vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet ist. Die Erfindung umfasst auch eine Galvanische Zelle, deren Elektrodenaufbau nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung, die zum Herstellen eines mehrschichtigen Elektrodenaufbaus oder einer galvanischen Zelle insbesondere durch ein oben beschriebenes Verfahren ausgelegt und eingerichtet ist und die aufweist:
eine Anordnung zum thermischen Spritzen oder Abscheiden, die ausgelegt und eingerichtet ist, wenigstens zwei Schichten aufeinander auszubilden,
wobei vorzugsweise eine Trocknungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgelegt und eingerichtet ist, eine aufgespritzten Schicht vor Ausbilden einer nächsten Schicht zu trocknen, wobei die Trocknungseinrichtung eine
Zuführungseinrichtung aufweist, die zur Zuführung vorkonditionierter, insbesondere getrockneter Luft ausgelegt und eingerichtet ist,
wobei ferner vorzugsweise eine Zuführungs- und Fördereinrichtung vorgesehen ist, die zur Zuführung und Förderung eines Trägersubstrats bzw. eines halbfertigen oder fertigen Elektrodenaufbaus ausgelegt und eingerichtet ist.
Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde. In den Zeichnungen: ist Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines
Elektrodenbandes; eine schematische Darstellung einer Spritzeinheit in der Anlage von Fig. 1 ; ist Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Abfolge mehrerer
Spritzeinheiten in der Anlage von Fig. 1 in einer Draufsicht; sind Fign. 4A bis 4G schematische Querschnittsansichten eines
Elektrodenaufbaus an Stellen "A" bis "D" in Fig. 3, "E" in Fig. 1 sowie "F" und "G" in Fig. 5; eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Fertigbandes mit zwei Elektrodenbändern; eine schematische Darstellung einer Spritzeinheit in einer
Ausführungsvariante; eine schematische Darstellung eines Spritzapparats in einer weiteren Ausführungsvariante; eine schematische Darstellung einer Spritzeinheit in einer weiteren Ausführungsvariante; eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung eines Fertigbandes mit zwei Trägerfolienbändern; eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsstrecke als eine Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung; eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs zur Herstellung eines Folienstapels als eine Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung; ist Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung
Fertigbandes mit drei Trägerfolienbändern; sind Fig. 13A und 13B schematische Darstellungen eines
Elektrodenbandes nach einer Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung in Draufsicht und Querschnitt; sind Fign. 14A bis 14C schematische Darstellungen eines
Elektrodenbandes nach einer Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung in Draufsicht und Querschnitt sowie eines daraus hergestellten Fertigbandes im Querschnitt; ist Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Elektrodenbandes nach einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung; ist Fig. 16 eine schematische Darstellung eines Elektrodenbandes nach einer Ausführungsvariarite der vorliegenden Erfindung; und ist Fig. 17 eine schematische Darstellung eines Folienwickels mit
Elektrodenbändern gemäß Fig. 16.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch sind und sich auf die Wiedergabe der für das Verständnis der Erfindung wichtigsten Merkmale beschränken. Auch ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren wiedergegebenen Abmessungen und Größenverhältnisse allein der Deutlichkeit der Darstellung geschuldet sind und in keiner Weise einschränkend zu verstehen sind, es sei denn, aus der Beschreibung ergäbe sich etwas anderes. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Anlage 10 zur Herstellung eines Elektrodenbandes 22 als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Anlage 10 weist eine Abrollstation 12, welche ein kontinuierliches
Trägerfolienband 14 liefert, eine Vorbearbeitungsstrecke 16 zur Vorbearbeitung des Trägerfolienbandes 14, eine Beschichtungsstrecke 18 zur Beschichtung des Trägerfolienbandes 14, eine Nachbearbeitungsstrecke 20 zur Nachbearbeitung des beschichteten Bandes, und eine Aufrollstation 24 zum Aufwalzen des Elektrodenbandes 22 auf. Zwischen der Vorbearbeitungsstrecke 16 und der Nachbearbeitungsstrecke 20 wird das Folienband auch als Halbzeug 34 bezeichnet. Die Abrollstation 12 nimmt ein Coil 12a drehbar gelagert auf, auf welchem das Trägerfolienband 14 aufgerollt ist. Die Abrollstation 12 kann, obschon dies nicht näher dargestellt ist, bevorzugt eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Coils, eine Bremseinrichtung zum Abbremsen des Coils, eine Pendelwalze zum Einstellen einer vorbestimmten Bandspannung, eine Detektionseinrichtung zum Detektieren von Zustandswerten des Trägerfolienbandes 14 wie etwa einer Laufgeschwindigkeit, einer Schlaffheit bzw. Spannung oder von Markern auf dem Band, eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der Zustandswerte, um beispielsweise einen intakten Zustand des Bandes, einie bisherige Lauflänge, ein Reißen oder ein Ende desselben festzustellen, eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtung und/oder der Bremseinrichtung und/oder der Pendelwalze, vorzugsweise innerhalb festgelegter Parameter der
Laufgeschwindigkeit, der Schlaffheit bzw. Spannung des Bandes oder dergleichen, und Umlenkwalzen zur Festlegung einer Abzugsrichtung des Bandes aufweisen. Die Abrollstation 12 kann in bevorzugten Abwandlungen auch nur einige der genannten Elemente aufweisen.
Die Vorbearbeitungsstrecke 16 kann, obschon dies nicht näher dargestellt ist, bevorzugt eine Führungswalze, ein oder mehrere Antriebswalzenpaare, eine Detektionseinrichtung zum Detektieren von Zustandswerten des
Trägerfolienbandes 14, eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der
Zustandswerte, um beispielsweise einen intakten Zustand des Bandes, die bisherige Lauflänge, ein Reißen oder ein Ende desselben festzustellen, eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebswalzen, eine oder mehrere
Umlenkwalzen zur Verminderung von inneren mechanischen Spannungen, wobei die Umlenkwalzen zusätzlich temperiert sein können, eine oder mehrere Speicherwalzen zum Längenausgleich des Trägerfolienbandes 14, und
Umlenkwalzen zur Festlegung einer Abzugsrichtung aufweisen. Die Vorbearbeitungsstrecke 16 kann in bevorzugten Abwandlungen auch nur einige der genannten Elemente aufweisen.
Die Beschichtungsstrecke 18 weist eine Eingangseinheit 26, mehrere
Spritzeinheiten 28 (28-1 , 28-n), eine Ausgangseinheit 30 und eine
Versorgungseinheit 32 auf. Die Spritzeinheiten 28 dienen der - hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, beidseitigen - Beschichtung des Folienbandes mit jeweils einem Zusatzstoff. Ein bevorzugter Aufbau der Spritzeinheiten 28 wird später genauer erläutert werden. Die Eingangseinheit 26 und die
Ausgangseinheit.30 können, obschon dies nicht näher dargestellt ist, bevorzugt eine oder mehrere Führungs- und/oder Umlenkwalzen, ein oder mehrere Antriebswalzenpaare, eine oder mehrere Speicherwalzen zum Längenausgleich des Folienbandes und andere geeignete Einrichtungen aufweisen. Die
Eingangseinheit 26 und die Ausgangseinheit 30 können in bevorzugten
Abwandlungen auch nur einige der genannten Elemente aufweisen. Die
Versorgungseinheit 32 dient der Versorgung insbesondere der Spritzeinheiten 28 und ist über ein Leitungsnetz 32a mit diesen verbunden.
Die Nachbearbeitungsstrecke 20 kann, obschon dies nicht näher dargestellt ist, bevorzugt eine Führungswalze, ein oder mehrere Antriebswalzenpaare, eine Kalanderanordnung zum Kalandrieren des Halbzeugs 34, eine oder mehrere Kühlwalzen zur Kühlung des Elektrodenbandes 22, eine oder mehrere
Speicherwalzen zum Längenausgleich des Elektrodenbandes 22, und
Umlenkwalzen zur Festlegung einer Abzugsrichtung aufweisen. Die
Vorbearbeitungsstrecke 16 kann in bevorzugten Abwandlungen auch nur einige der genannten Elemente aufweisen.
Die Aufrollstation 24 nimmt ein Coil 24a drehbar gelagert auf, das zunächst leer ist und im Verlauf des Betriebs der Anlage 10 das Elektrodenband 22 aufnimmt. Die Aufrollstation 24 kann, obschon dies nicht näher dargestellt ist, bevorzugt eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Coils, eine Bremseinrichtung zum Abbremsen des Coils, eine Pendelwalze zum Einstellen einer vorbestimmten Bandspannung, eine Detektionseinrichtung zum Detektieren von
Zustandswerten des Trägerfolienbandes 14, eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der Zustandswerte, eine Steuereinrichtung zum Steuern der
Antriebseinrichtung und/oder der Bremseinrichtung und/oder der Pendelwalze, vorzugsweise innerhalb festgelegter Parameter der Laufgeschwindigkeit, der Schlaffheit bzw. Spannung des Bandes oder dergleichen, und Umlenkwalzen zur Festlegung einer Einlaufrichtung des Bandes aufweisen. Die Abrollstation 2 kann in bevorzugten Abwandlungen auch nur einige der genannten Elemente aufweisen.
Wo immer es vorteilhaft ist, können im Verlauf der Anlage 10 weitere
Detektionseinrichtungen, Pendelwalzen, Speicherwalzen, Antriebswalzen etc. vorgesehen werden. Bei Detektion eines Endes des Trägerfolienbandes 14 in der Abrollstation 12 oder eines vollständig gefüllten Coils 24a in der
Aufrollstation 24 fährt eine übergeordnete Anlagen-Steuerungseinrichtung (nicht näher dargestellt) die Anlage herunter, um einen Wechsel der Coils in der Abrollstation 12 und der Aufrollstation 24 zu ermöglichen. In einer bevorzugten Abwandlung sind Speicherwalzen in der Vorbearbeitungsstrecke 16 und/oder der Nachbearbeitungsstrecke 20 so ausgelegt, dass die gespeicherte
Bandlänge ausreicht, um auch ohne Herunterfahren der Anlage einen
Coilwechsel vornehmen zu können.
Anhand der Fig. 2 wird nachstehend ein beispielhafter, bevorzugter Aufbau einer Spritzeinheit 28 im Einzelnen beschrieben.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird das Halbzeug 34 in der Spritzeinheit 28 über eine Umlenkwalze 36, eine erste Nasswalze 38, eine erste Trockenwalze 40, eine zweite Nasswalze 38, eine zweite Trockenwalze 40 und eine weitere Umlenkwalze 42 geführt. Im Bereich der Nasswalzen 38 wird mittels mindestens eines Plasmaspritzapparates 44 ein Zusatzstoff Z in einem Spritznebel 45 auf das Halbzeug 34 aufgebracht. Im Bereich der Trockenwalzen 40 wird die zuvor aufgebrachte Zusatzstoffschicht (Z) mit einem von mindestens einer Luftdüse 46 abgegebenen Luftstrahls 47 bestrichen. Auf diese Weise wird das Halbzeug 34 beidseitig beschichtet.
Jeder der Plasmaspritzapparate 44 weist einen (zweipoligen)
Gleichstromanschluss 48 zur Versorgung mit einer Arbeitsspannung und eine Gasanschlussleitung 50 zur Versorgung mit einem Gas (G) wie etwa Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder dergleichen auf. Über ein Ventil 52 ist ein Gasstrom 54 des Gases G in der Gasanschlussleitung 50 steuerbar. Zur Kühlung der Plasmaspritzapparate 44 ist jeweils eine Kühlwasservorlaufleitung 56 mit einer Pumpe 58 zur Versorgung mit einem Strom 60 von Kühlwasser
(KW), sowie eine Kühlwasserrücklaufleitung 62 zur Abführung eines Stromes 64 von verbrauchtem (erwärmtem) Kühlwasser (WW) vorgesehen. Über eine Zusatzstoff-Zuführungsleitung 66 wird dem Plasmaspritzapparat 44 ein
Zusatzstoff (Z) zugeführt. Der Zusatzstoff Z ist in einem Zusatzstoffbehälter 68 als Vorrat pulveriger, granulierter oder sonst förderfähiger Zusatzstoff-Teilchen 70 gelagert, wird in dieser Form mittels eines in der Zusatzstoff- Zuführungsleitung 66 angeordneten Extruders 72 plastifiziert und dem
Plasmaspritzapparat 44 in plastifizierter Form zugeführt. Der Luftstrom 78, der Gasstrom 54 und der Kühlwasserstrom 60 werden von der Versorgungseinheit 32 der Beschichtungsstrecke 18 (Fig. 1) bereitgestellt. Das verbrauchte Kühlwasser (Warmwasser WW) 64 wird der Versorgungseinheit 32 wieder zugeführt, dort gekühlt und in den Kühlwasserkreis zurückgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsalternative wird das verbrauchte Kühlwasser (Warmwasser WW) 64 aufgefangen und, gegebenenfalls nach Reinigung und weiterer Aufbereitung, als Abwasser abgeleitet. Die Luft L wird in der
Versorgungseinheit 32 konditioniert und getrocknet. In einer weiteren
bevorzugten Ausführungsvariante werden die zu spritzenden Zusatzstoffe (Z) in der Versorgungseinheit 32 zentral gelagert und den Spritzeinheiten 28 zugeführt, wobei sie kurz vor Einleitung in die Plasmaspritzapparate 44 plastifiziert werden. Die Förderung der Zusatzstoffe kann beispielsweise, aber nicht nur, durch Schüttung, Rüttelschüttung, mit einem Trägergas, einer Trägerflüssigkeit, insbesondere einer ionischen Flüssigkeit, oder andere
Verfahren erfolgen.
Die Zusatzstoffe können in pulveriger, granulierter oder sonstiger Form verarbeitet werden. Der oben beschriebene Extruder 72 exemplifiziert ein Pastenextrusionsverfahren. In bevorzugten Abwandlungen können die
Zusatzstoffe auch mittels anderer Extrusionsverfahren plastifiziert, durch Zugabe eines ionischen Liquids teigig gemacht und/oder eingeschmolzen werden. Das ionische Liquid kann ein Elektrolyt sein, der den Elektrodenbereichen bevorzugt zugemischt wird. Der Extruder 72 oder eine sonstige Einrichtung zum
Vorbereiten des Zusatzstoffes kann direkt an dem Spritzapparat 44 angebracht oder Teil eines besonders angepassten Spritzapparates sein. In den Figuren dargestellte Zuführungsleitungen 66 in können insoweit auch symbolisch verstanden werden.
In dem Plasmaspritzapparat 44 wird mit Hilfe der Arbeitsspannung ein
Lichtbogen gezündet und aus dem Gas G ein Plasma erzeugt und beschleunigt. Durch das beschleunigte Plasma wird der zugeführte Zusatzstoff Z
geschmolzen, mitgerissen und als Spritznebel 45 auf die Oberfläche des Halbzeugs 34 geschleudert.
In einer bevorzugten Abwandlung weist der Plasmaspritzapparat 44 anstelle des Gleichstromanschlusses 48 einen Wechselstrom- oder
Mehrphasenstromanschluss sowie ein Netzteil zum Gleichrichten und
Umspannen der Wechsel- oder Mehrphasenspannung in eine Gleichspannung.
Die Luftdüse 46 wird über eine Luftanschlussleitung 74 mit einem Ventil 76 mit Druckluft (L) versorgt. Der Luftstrom 78 ist mittels des Ventils 76 einstellbar. Durch die konditionierte und getrocknete Luft kann eine wirksame Trocknung der Zusatzstoff-Schichten (Z) erreicht werden. Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht einer beispielhaften Abfolge mehrerer Spritzeinheiten 28 in der Anlage 10 von Fig. 1 als eine bevorzugte
Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung. Die Blickrichtung in Fig. 3 entspricht einem Pfeil "III" in Fig. 2. Der Fortgang eines mittels der in Fign. 1 dargestellten Anlage bzw. den in Fign. 2 und 3 dargestellten Anlagenteilen durchgeführten Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird zudem anhand ausgewählter Zustände in Fign. 4A bis 4E veranschaulicht.
Gemäß der Darstellung in Fig. 3 sind in dieser Ausführungsvariante drei
Spritzeinheiten 28-1 , 28-2 und 28-3 hintereinander vorgesehen. In der Figur sind Bauelemente in einer Ebene der oberen Nass- und Trockenwalzen 38, 40 und darüber durchgezogen dargestellt, während Zeichnungselemente unterhalb dieser Ebene nur gestrichelt angedeutet sind. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind Zuleitungen nur schematisch und ohne Ein- oder Anbauelemente dargestellt; allgemeine Versorgungselemente für Strom, Gas und Kühlwasser sind zudem in der Figur weggelassen. Strichpunktierte Linien "A", "B", "C", "D" markieren Grenzen vor und hinter bzw. zwischen den Spritzeinheiten 28-1 , 28-2, 28-3. Die in Fign. 4A bis 4D dargestellten Verfahrenszustände des Folienbandes 14 bzw. Halbzeugs 34 entsprechen Querschnitten desselben an den Grenzlinien "A" bis "D" in Fig. 3 in Blickrichtung der dort angegebenen Pfeile. Der in Fig. 4E dargestellte Verfahrenszustand ist derjenige des fertigen Elektrodenbandes 22 nach der Nachbearbeitungsstrecke 20 und entspricht einem Querschnitt des Elektrodenbandes 22 an einer strichpunktierten Linie "E" in Fig. 1 in
Blickrichtung eines dort angegebenen Pfeils.
Gemäß der Darstellung in Fig. 3 sind in den Spritzeinheiten 28-1 , 28-2, 28-3 jeweils mehrere Plasmaspritzapparate 44-1 , 44-2, 44-3 und mehrere Luftdüsen 46 in Reihen nebeneinander angeordnet. Auf diese Weise können die
zugehörigen Spritznebel 45-1 , 45-2, 45-3 und Luftstrahlen 47 die gesamte Breite des Trägerfolienbandes 14 bzw. des Halbzeuges 34 oder eine gewünschte Breite darauf abdecken. Fig. 4A zeigt den unbeschichteten Zustand des Trägerfolienbandes 14 vor Eintritt in die erste Spritzeinheit 28-1 (Grenzlinie "A" in Fig. 3). In der
dargestellten Ausführungsvariante ist das Trägerfolienband 14 ein Band aus einer Polyimidfolie. In bevorzugten Abwandlungen können als
Trägerfolienmaterial auch andere Materialien, insbesondere, aber nicht nur, elektrisch isolierende polymere Folien, verwendet werden. Die verwendeten Trägerfolien können in einer weiteren bevorzugten Abwandlung mit einem Haftvermittler oder Primer versehen (geprimert) sein. Die erste Spritzeinheit 28-1 dient der BeSchichtung des Trägerfolienbandes 14 mit einem leitfähigen Material, das in einer galvanischen Zelle als Stromsammler (Kollektor) einer Elektrodenseite wirksam ist. Das Kollektormaterial enthält in einer bevorzugten Ausführungsvariante Kupfer für die Anodenseite bzw.
Aluminium für die Kathodenseite. In bevorzugten Abwandlungen wird für die Leiterschichten alternativ oder zusätzlich jeweils ein anderes Metall, ein leitfähiges Polymer, Carbonfasern, Graphit oder ein anderes Leitermaterial verwendet.
Das Trägerfolienband 14 wird der ersten Spritzeinheit 28-1 nach Vorbearbeitung in der Vorbearbeitungsstrecke 16 zugeführt. In der ersten Spritzeinheit 28-1 wird über eine Zusatzstoff-Zuführungsleitung 66-1 eine plastifizierte Zusatzstoff- Masse 80-1 zugeführt, die Partikel eines Kollektormaterials (Koll.) enthält und mittels vier nebeneinander angeordneten Plasmaspritzapparaten 44-1 in einem Spritznebel 45-1 auf das Trägerfolienband 14 aufgetragen werden. Die vier Plasmaspritzapparate 44-1 erzeugen jeweils Spritznebel 45-1 , die sich spätestens bei Auftreffen auf das über die Nasswalze 38 geführte
Trägerfolienband 14 vereinigen und die gesamte Breite des Trägerfolienbandes 14 abdecken. Acht Luftdüsen 46 sind ebenfalls über die gesamte Breite des Trägerfolienbandes 14 angeordnet und erzeugen jeweils Luftstrahlen 47, die sich spätestens bei Auftreffen auf das feuchte, beschichtete, über die
Trockenwalze 40 geführte Trägerfolienband 14 vereinigen und die gesamte Breite des Trägerfolienbandes 14 als durchgängiger Luftvorhang abdecken. Der zuvor beschriebene, in Fig. 3 für die Vorderseite des Folienbandes sichtbare Vorgang wird für die Rückseite des Bandes entsprechend der Anordnung in der unteren Hälfte der Fig. 2 wiederholt. Danach verlässt das Folienband die erste Spritzeinheit 28-1 als Halbzeug 34(1).
Der Aufbau des Halbzeugs 34(1 ) nach der ersten Spritzeinheit 28-1 (Grenzlinie "B" in Fig. 3) ist in Fig. 4B im Querschnitt gezeigt. Demnach ist in diesem Verfahrenszustand auf Vorder- und Rückseite des Trägerfolienbandes jeweils eine Leiterschicht (Kollektorschichten) 2 mit kupferhaltigem Material (Cu) als Kollektormaterial angeordnet. Die Leiterschichten 2 erstrecken sich jeweils über die gesamte Breite des Trägerfolienbandes 14.
Die zweite Spritzeinheit 28-2 dient der Beschichtung des Halbzeugs 34(1) mit einem elektrochemisch aktiven Material, das in einer galvanischen Zelle als Elektrode einer Elektrodenseite wirksam ist. Das Elektrodenmaterial enthält in einer bevorzugten Ausführungsvariante Lithium-interkalierbares Graphit für die Anodenseite bzw. ein Lithium-interkalierbares Schwermetalloxid für die
Kathodenseite. Das Halbzeug 34(1 ) wird der zweiten Spritzeinheit 28-2 zugeführt. Dort wird über eine Zusatzstoff-Zuführungsleitung 66-2 eine plastifizierte Zusatzstoff- Masse 80-2 zugeführt, die Partikel des Elektrodenmaterials (El.) enthält und mittels drei nebeneinander angeordneten Plasmaspritzapparaten 44-2 in einem Spritznebel 45-2 auf das Trägerfolienband 14 aufgetragen werden. Die drei Plasmaspritzapparate 44-2 erzeugen jeweils Spritznebel 45-2, die sich spätestens bei Auftreffen auf das über die Nasswalze 38 geführte Halbzeug 34- 1 vereinigen und eine durch Blenden 82 abgegrenzte Breite des Halbzeuges 34(1) abdecken. Sechs Luftdüsen 46 sind über die betreffende Breite des Halbzeuges 34-1 angeordnet und erzeugen jeweils Luftstrahlen 47, die sich spätestens bei Auftreffen auf das feuchte, beschichtete, über die Trockenwalze 40 geführte Halbzeug 34(1) vereinigen und die betreffende Breite des
Halbzeuges 34-1 als durchgängiger Luftvorhang abdecken. Der zuvor beschriebene, in Fig. 3 für die Vorderseite des Folienbandes sichtbare Vorgang wird für die Rückseite des Bandes entsprechend der Anordnung in der unteren Hälfte der Fig. 2 wiederholt. Danach verlässt das Folienband die zweite
Spritzeinheit 28-2 als Halbzeug 34(2).
Der Aufbau des Halbzeugs 34(2) nach der zweiten Spritzeinheit 28-2 (Grenzlinie "C" in Fig. 3) ist in Fig. 4C im Querschnitt gezeigt. Demnach ist in diesem Verfahrenszustand auf Vorder- und Rückseite des Halbzeuges 34(1 ) jeweils eine Elektrodenschicht 4 mit Li-interkalierbarem Graphit (Gr.) als
elektrochemisch aktives Elektrodenmaterial für die Anodenseite angeordnet. Die Elektrodenschichten 4 erstrecken sich jeweils über eine begrenzte Breite des Halbzeuges 34(2). Während die Elektrodenschichten 4 an einem Rand nur wenig der Leiterschichten 2 freilassen, lassen sie an dem gegenüberliegenden Rand die Leiterschichten 2 über eine größere Breite frei.
Die dritte Spritzeinheit 28-3 dient der Beschichtung des Halbzeugs 34(2) mit einem Material, das in einer galvanischen Zelle als Trennmaterial (Separator) zwischen den Elektrodenseiten wirksam ist. Das Separatormaterial enthält in einer bevorzugten Ausführungsvariante einen organischen, insbesondere polymeren Material wie etwa PET und ein anorganisches, insbesondere keramisches Material wie etwa Zirkonoxid. Eine solche Materialkombination entspricht derjenigen eines Folienmaterials, das unter dem Handelsnahmen Separion vertrieben wird. Das anorganische Material kann in bevorzugten Abwandlungen auch eine andere geeignete keramische Verbindung sein, insbesondere aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li. Allgemein kann das Separatormaterial jeder lithiumionenleitender Elektrolyt sein.
Das Halbzeug 34(2) wird der dritten Spritzeinheit 28-3 zugeführt. Dort wird drei nebeneinander angeordneten Plasmaspritzapparaten 44-3 über eine
Zusatzstoff-Zuführungsleitung 66-3 eine plastifizierte Zusatzstoff-Masse 80-3 zugeführt, die Partikel des Separatormaterials (Sep.) enthält. Die drei Plasmaspritzapparate 44-3 erzeugen jeweils Spritznebel 45-3, die sich spätestens bei Auftreffen auf das über die Nasswalze 38 geführte Halbzeug 34- 2 vereinigen und eine durch eine Blende 82 abgegrenzte Breite des Halbzeuges 34(2) abdecken. Sechs Luftdüsen 46 sind über die betreffende Breite des Halbzeuges 34-2 angeordnet und erzeugen jeweils Luftstrahlen 47, die sich spätestens bei Auftreffen auf das feuchte, beschichtete, über die Trockenwalze 40 geführte Halbzeug 34(2) vereinigen und die betreffende Breite des
Halbzeuges 34-2 als durchgängiger Luftvorhang abdecken. Der zuvor beschriebene, in Fig. 3 für die Vorderseite des Folienbandes sichtbare Vorgang wird für die Rückseite des Bandes entsprechend der Anordnung in der unteren Hälfte der Fig. 2 wiederholt. Danach verlässt das Folienband die dritte
Spritzeinheit 28-3 als Halbzeug 34(3). Die abgedeckte Breite ist in der dritten Spritzeinheit 28-3 jeweils geringfügig größer als in der zweiten Spritzeinheit 28- 2. Obschon nicht näher dargestellt, kann die Spritzbreite der dritten Spritzeinheit 28-3 ebenfalls durch eine oder mehrere Blenden begrenzt werden.
Der Aufbau des Halbzeugs 34(3) nach der dritten Spritzeinheit 28-3 (Grenzlinie "D" in Fig. 3) ist in Fig. 4D im Querschnitt gezeigt. Demnach ist in diesem
Verfahrenszustand auf Vorder- und Rückseite des Halbzeuges 34(2) jeweils eine Separatorschicht 6 (Sep.) angeordnet. Die Separatorschichten 6 erstrecken sich jeweils etwas breiter als die Elektrodenschichten 4, sodass letztere vollständig abgedeckt werden. Der kleinere in Fig. 4C frei gelassene Rand wird dabei durch die Separatorschichten 4 vollständig bedeckt; der größere in Fig. 4C frei gelassene Rand bleibt jedoch weitgehend frei, sodass die Kollektorschichten 2 dort unbedeckt bleiben. Der Auftrag des Separatormaterials (Sep.) durch die Spritzeinheiten 28-3 und die anschließende Trocknung erfolgen bevorzugt so, dass das organische Material in der Separatorschicht 6 eine vliesartige Struktur annimmt. Fig. 4E zeigt den Aufbau des fertigen Elektrodenbandes 22 nach Austritt aus der Nachbearbeitungsstrecke 20 (Grenzlinie "E" in Fig. 1). Die
Nachbearbeitungsstrecke 20 weist unter anderem eine Kalanderanordnung auf, in welcher das Halbzeug 34(3) kalandriert wird. Durch das Kalandrieren wird die Oberfläche des Schichtaufbaus vergleichmäßigt und werden insbesondere stufige Übergänge zwischen den Elektrodenschichten 4 und den
Separatorschichten 6 planiert. Die Separatorschichten 6 bilden somit
durchgängig ebene Oberflächen. Der auf einer Seite des Elektrodenbandes 22 freie Rand, an welchem die Kollektorschichten nicht bedeckt sind, wird auch als Ableitbereich oder Kontaktbereich 84 bezeichnet.
Vorstehend wurde nur gesagt, dass die Zusatzstoffe ein Leitermaterial, ein elektrochemisch aktives Material oder ein Separatormaterial enthalten. Die Zusatzstoffe der jeweiligen Schichten können nach Bedarf weitere Additive, Polymerbinder, Leitsalze, organische oder anorganische Lösemittel u.s.w.
enthalten. Fig. 4F zeigt zwei Elektrodenbänder 22-1 , 22-2 die nach dem vorstehend erläuterten Verfahren hergestellt sind, in einer montagegerechten Anordnung. Dabei entspricht ein erstes Elektrodenband 22-1 einem Elektrodenaufbau einer Kathodenseite einer galvanischen Zelle mit einer Trägerschicht
(Trägerfolienband 14), einer beidseitigen Kollektorschicht 2-1 mit Aluminium (AI), einer darauf jeweils angeordneten Elektrodenschicht 4-1 mit einem Li- interkalierbaren Schwermetalloxid (Met-Ox) und einer diese jeweils
abdeckenden Separatorschicht 6 (Sep). Ebenso entspricht ein zweites
Elektrodenband 22-2 einem Elektrodenaufbau einer Anodenseite einer galvanischen Zelle mit einer Trägerschicht (Trägerfolienband 14), einer beidseitigen Kollektorschicht 2-1 mit Kupfer (Cu), einer darauf jeweils
angeordneten Elektrodenschicht 4-1 mit einem Li-interkalierbaren Graphit (Gr) und einer diese jeweils abdeckenden Separatorschicht 6 (Sep). Die
Elektrodenbänder 22-1 , 22-2 sind dabei versetzt so angeordnet, dass die mit Separatorschichten 6 bedeckten Bereiche zueinander weisen und die jeweiligen Kontaktbereiche 84-1 , 84-2 von entgegengesetzten Seiten abragen. Durch Verbinden (Laminieren) des Elektrodenbandes 22-1 der Anodenseite und des Elektrodenbandes 22-2 der Kathodenseite in Anordnung gemäß Fig. 4F an den zueinander weisenden Flächen der Separatorschichten 6 wird ein
Schichtaufbau erzielt, der in Fig. 4G gezeigt ist. Die miteinander verbundenen Separatorschichten 6 bilden dabei eine durchgängige Separatorschicht aus, und die Ableitbereiche 84-1 , 84-2 ragen seitlich in unterschiedlichen Richtungen von dem Schichtaufbau ab. Der Schichtaufbau zwischen den Trägerschichten 14 der Elektrodenbänder 22-1 , 22-2 entspricht somit dem Aufbau einer galvanischen Zelle mit Elektroden 4-1 , 4-2, einem dazwischen angeordneten Separator 6 und mit den jeweiligen Elektroden 4-1 , 4-2 verbundenen Kollektoren 2-1 , 2-2 mit
Ableitbereichen 84-1 , 84-2, die miteinander nicht in Berührung kommen können. Dieser Schichtaufbau wird nachstehend als charakteristische Zellenschichtung 86 bezeichnet. Ein Schichtaufbau, wie er in Fig. 4G gezeigt ist, wird in nachfolgenden, nicht näher dargestellten Schritten gewickelt, konfektioniert, eingehaust, kontaktiert und gepolt etc., um zu verkaufsfähigen galvanischen Zellen verarbeitet zu werden. Da der Schichtaufbau der Elektrodenbänder 22-1 , 22-2 symmetrisch ist und bei Wicklung des Schichtaufbaus die in Fig. 4G oben liegende Oberfläche der Separatorschicht 6 des Anodenbereichs mit der in Fig. 4G unten liegenden Oberfläche der Separatorschicht 6 des Kathodenbereichs in Kontakt kommt, bildet sich mit jeder Umwicklung eine weiterer Schichtaufbau, der der
charakteristischen Zellenschichtung 86 entspricht. Bei n vollständigen Lagen bilden sich somit 2n-1 charakteristische Zellenschichtungen aus. Die an gegenüberliegenden Stirnseiten eines solchen Folienwickels abragenden
Ableitbereiche 84-1 , 84-2 bilden sogenannte Ableitfahnen, die zur Kontaktierung in der galvanischen Zelle nutzbar sind.
Um zu verhindern, dass die Fertigbänder 22 in den Coils 24a aneinander haften, kann in einer bevorzugten Ausführungsoption vorgesehen sein, dass vor dem Aufwickeln eine Trennschicht auf die Oberfläche aufgetragen wird, die sich bei Weiterverarbeitung entweder selbständig verflüchtigt oder davor, etwa beim Abwickeln des Coils, zu entfernen ist. In einer alternativen Ausführungsoption können die Fertigbänder 22, zusammen mit einer Trennfolie aufgewickelt werden, die bei Weiterverarbeitung, etwa beim Abwickeln des Coils, zu entfernen ist.
In bevorzugten Ausführungsalternativen sind die Trägerfolienbänder 14 (14-1 , 14-2) aus dem Leitermaterial (Kollektormaterial) selbst wie etwa Kupfer, Aluminium oder einem anderen Metall, Carbonfasermaterial, Graphit oder einem leitfähigem Polymer hergestellt oder weisen solches zumindest auf. Wenn eine solche Trägerfolie mit Kollektormaterial, gegebenenfalls geprimert, als
Ausgangsmaterial verwendet wird, kann auch auf die ßeschichtung mit
Kollektormaterial verzichtet werden und unmittelbar das Elektrodenmaterial als erste Schicht aufgetragen werden. Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Anlage 100 zur Herstellung eines Fertigbandes 1 10 aus zwei Elektrodenbändern 22-1 , 22-1.
Die Anlage 100 weist eine erste Abrollstation 102-1 , welche ein erstes kontinuierlich auf einem Coil 102a aufgewickeltes Elektrodenband 22-1 liefert, eine zweite Abrollstation 102-1 , welche ein zweites kontinuierlich auf einem Coil 102a aufgewickeltes Elektrodenband 22-2 liefert, zwei Vorbearbeitungsstrecken 104-1 , 104-2 zur Vorbearbeitung der Elektrodenbänder 22-1 , 22-2, eine
Laminierstrecke 106 zum Laminieren der Elektrodenbänder 22-1 , 22-2, eine Nachbearbeitungsstrecke 108 zur Nachbearbeitung des laminierten Bandes, und eine Aufrollstation 112 zum Aufrollen des Fertigbandes 1 10 auf einem Coil 1 12a auf.
Die Abrollstationen 102-1 , 102-2, die Vorverarbeitungsstrecken 104-1 , 104-2, die Nachbearbeitungsstrecke 108 und die Aufrollstation 112 sind gleich oder ähnlich den entsprechenden Anlagenteilen der Anlage 10 aus Fig. 1 aufgebaut, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dazu gemachten
Erläuterungen entsprechend Bezug genommen werden kann, soweit nachstehender Beschreibung nichts Abweichendes oder Ergänzendes zu entnehmen ist.
Die Laminierstrecke 106 weist zwei Eingangsstationen 1 14-1 , 114-2 zur
Erfassung der aus den Vorbearbeitungsstrecken 104-1 , 104-2 kommenden Elektrodenbänder 22-1 , 22-2, zwei Spritzeinheiten 116-1 , 116-2, ein
Druckwalzenpaar 118 zum Ausüben eines Drucks 120 auf zu laminierende Elektrodenbänder 22-1 , 22-2, eine Ausgangseinheit 122, eine
Versorgungseinheit 124 und eine Hilfseinheit 126 auf. Die Eingangsstationen 114-1 , 114-2, die Ausgangseinheit 122 und die Versorgungseinheit 124 sind gleich oder ähnlich den entsprechenden Anlagenteilen der Spritzstrecke 18 aus Fig. 1 aufgebaut, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dort dazu gemachten Erläuterungen entsprechend Bezug genommen werden kann, soweit nachstehender Beschreibung nichts Abweichendes oder Ergänzendes zu entnehmen ist.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist das erste Elektrodenband 22-1 ein Kathodenband und ist das zweite Elektrodenband 22-2 ein Anodenband. Das Kathodenband 22-1 und das Anodenband 22-2 weisen einen Aufbau gemäß Fig. 4F auf und werden in der Anlage 100 so geführt, dass sie sich vor Eintritt in die Laminierstrecke 106 (vgl. eine strichpunktierte Linie "F" in Fig. 5) so gegenüberliegen, wie es in Fig. 4F schematisch gezeigt ist.
Innerhalb der Laminierstrecke 106 werden das Kathodenband 22-1 und das Anodenband 22-2 über die Eingangsstationen 114-1 , 114-2 zunächst zu den Benetzungseinheiten 1 16-1 , 1 16-2 geführt. Die Benetzungseinheiten 1 16-1 , 116-2 weisen jeweils mehrere Umlenkwalzen 1 16a, eine Nasswalze 1 16b und einen oder mehrere Sprühapparat/-e 116c auf. Der oder die Sprühapparat/-e 116c sorgen für eine in Breitenrichtung durchgängige Benetzung der Oberfläche einer der Separatorschichten 6 (Fig. 4F) des Elektrodenbandes 22-1 bzw. 22-2 mit einem Polymer. Das Polymer dient dem Anlösen oder Haftbarmachen der Separatorschichten 6. Der Aufbau der Benetzungseinheit 116-1 ist in der Figur schematisch angedeutet; die Benetzungseinheit 116-2 ist, obschon nicht näher dargestellt, spiegelbildlich identisch aufgebaut. Das Kathodenband 22-1 und das Anodenband 22-2 werden nun dem Druckwalzenpaar 118 zugeführt, wo die Separatorschichten 6 unter Druckeinwirkung (Pfeile 120) aufeinandergepresst werden und sich miteinander verbinden. Der Druck auf die Druckwalzen kann in bevorzugten Ausführungsvarianten hydraulisch, über elektrische Stelltriebe oder dergleichen hergestellt werden. Der Verbindungsprozess wird durch die
Heizeinrichtung 126 unterstützt, welche die Verbindungsstelle im Bereich des Druckwalzenpaares 118 mit Wärmestrahlung (Pfeil 127) erwärmt. Die
Versorgungseinheit 124 dient der Versorgung der verschiedenen Teile der Laminierstrecke 106 mit elektrischem Strom bzw. elektrischer Spannung, Luft, Prozessgasen, Zusatzstoffen, hydraulischer Kraft u.s.w.
In bevorzugten Abwandlungen kann auf die Heizeinheit und/oder auf die
Benetzungseinrichtungen verzichtet werden. In einer weiteren bevorzugten Abwandlung ist eine oder sind beide des Druckwalzenpaares 118 beheizt, um den Verbindungsprozess zu unterstützen. In einer weiteren bevorzugten
Abwandlung wird das Polymer direkt in den Spalt zwischen den dem
Druckwalzenpaar 118 zugeführten Elektrodenbänder 22-1 , 22-2 gesprüht. Die Sprühapparate 116c können in bevorzugten Abwandlungen als
Plasmaspritzapparate ausgebildet sein.
Fig. 6 zeigt in einer Ansicht entsprechend Fig. 2 eine Spritzeinheit 28 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung.
In der Spritzeinheit 28 wird das Halbzeug 34 über eine Umlenkwalze 36, sodann über zwei Spritzwalzen 130 und schließlich über eine weitere Umlenkwalze 36 geführt. Die Lauf- bzw. Umlenkrichtungen der Spritzwalzen 130 sind
gegensinnig, sodass auf der einen (in der Figur oberen) Spritzwalze 130 eine erste Flachseite (Vorderseite) des Halbzeugs 34 außen liegt und auf der anderen (in der Figur unteren) Spritzwalze 130 eine zweite Flachseite
(Rückseite) des Halbzeugs 34 außen liegt. Jeder Spritzwalze 130 ist eine Reihenanordnung von Spritzapparaten 44 zugeordnet, die von zwei Reihenanordnungen von Luftdüsen 46 flankiert ist. Die Reihenanordnungen von Spritzapparaten 44 und Luftdüsen 46 erstrecken sich über die gesamte oder einen Teil der Breite der Spritzwalzen 130, analog der Anordnung in Fig. 3; in der dargestellten Ansicht sind an jeder Spritzwalze 130 nur ein Spritzapparat 44 und zwei flankierende Luftdüsen 46 sichtbar.
Versorgungs- und Anbauteile wie z.B. Leitungen, Extruder, Behälter, Pumpen, Ventile etc. sind der Einfachheit halber in der Figur weggelassen; diesbezüglich wird auf die in Fig. 2 dargestellte Spritzeinheit 28 und diesbezügliche
Erläuterungen Bezug genommen.
Die Spritzapparate 44 geben jeweils einen Spritznebel 45 ab, und die Luftdüsen 46 geben jeweils einen Luftstrahl 47 ab, der den Spritznebel 45 eingrenzt und lenkt sowie gegebenenfalls sich mit diesem vermischt. Auf diese Weise wird auf der Vorder- bzw. Rückseite des Halbzeugs 34 eine Schicht eines Zusatzstoffes (Z) aufgebracht, die mittels der umgebenden Luftstrahlen 47, die in
Breitenrichtung der Spritzwalzen 130 Luftvorhänge ausbilden, gleichzeitig mit und unmittelbar nach dem Auftrag wirksam getrocknet wird.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Spritzapparat 132 nach einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird neben dem in einem Extruder 72 plastifizierten Zusatzstoff (Z) auch die vorkonditionierte und getrocknete Luft (L) über eine Luft-Zuführungsleitung 74 mit einem Ventil 76 dem Spritzapparat 132 selbst zugeführt. Ein von dem Spritzapparat 90 abgegebener Spritznebel 134 weist neben dem Zusatzstoff Z auch die getrocknete Luft L auf. Somit ist bereits der Spritznebel 134 vorgetrocknet. Der Spritzapparat 132 dieses Ausführungsbeispiels kann mit oder ohne zusätzliche Lufttrocknung (Luftdüsen 46, vgl. Fig. 2 oder Fig. 5) eingesetzt werden. Fig. 8 zeigt in einer Ansicht entsprechend Fig. 2 eine Spritzeinheit 28 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung.
In der Spritzeinheit 28 wird das Halbzeug 34 über eine Umlenkwalze 36, über eine Spritzwalze 130, der eine erste Reihenanordnung von
Plasmaspritzapparaten 44 zugeordnet ist, eine von der Spritzwalze 130 entfernt angeordnete Umlenkwalze 36, von dieser über ein weitere Spritzwalze 130, der eine zweite Reihenanordnung von Plasmaspritzapparaten 44 zugeordnet ist, eine von der weiteren Spritzwalze 130 entfernt angeordnete Umlenkwalze 36, und schließlich über eine weitere Umlenkwalze 36 geführt. Die Lauf- bzw.
Umlenkrichtungen der Spritzwalzen 130 sind gegensinnig, sodass auf der einen (in der Figur oberen) Spritzwalze 130 eine erste Flachseite (Vorderseite) des Halbzeugs 34 außen liegt und auf der anderen (in der Figur unteren) Spritzwalze 130 eine zweite Flachseite (Rückseite) des Halbzeugs 34 außen liegt. Mittels der Plasmaspritzapparate 44 wird jeweils auf der Vorder- oder Rückseite des Halbzeugs 34 auf bereits beschriebene Weise eine Schicht eines Zusatzstoffes (Z) aufgebracht.
Die Spritzeinheit 28 ist in einem Gehäuse 140 so gekapselt, dass
Atmosphärenverluste weitgehend minimiert sind. An einer Wand des Gehäuses 140 ist ein Gebläse 142 angeordnet, das über eine Luftleitung 74 zugeführte Luft L (Luftstrom 78) in das Gehäuse 140 drückt. An einer anderen Wand des Gehäuses 140 ist ein weiteres Gebläse 144 angeordnet, welches verbrauchte Luft bzw. Abluft AL in eine Abluftleitung 146 und damit aus dem Gehäuse 140 hinaus abführt (Abluftstrom 148). Die Luftleitung 74 ist mit einer
Versorgungseinheit (hier nicht näher dargestellt) verbunden, wo Luft
vorkonditioniert bzw. getrocknet und erwärmt wird und als trockene Luft L bereitgestellt wird. In einer Abwandlung kann das Gebläse 142 Teil eines Klimageräts sein, welches herkömmliche Atmosphären- oder Raumluft konditioniert bzw. trocknet und erwärmt. Die in das Gehäuse 1 0 geführte Luft (L) überstreicht auch das Halbzeug 34, insbesondere in dem Bereich zwischen einem Plasmaspritzapparat 44 und der nächsten Umlenkwalze 130. Hierdurch wird eine wirksame Trocknung der durch den Plasmaspritzapparat 44
aufgebrachten Schicht (Z) erreicht. Zusätzlich wird das Halbzeug 34, das innerhalb des Gehäuses 140 insgesamt der trockenen Luft L ausgesetzt ist, bereits vor den Plasmaspritzapparaten 44 auf einen geeigneten
Verarbeitungszustand (Temperatur etc.) gebracht.
In einer nicht näher dargestellten bevorzugten Abwandlung wird das Halbzeug 34 zwischen einer Spritzwalze 130 und der darauf folgenden Umlenkwalze 36 durch geeignete Mittel gestützt. Das Stützmittel kann bevorzugt (aber nicht nur) auf derjenigen Seite des Halbzeugs, die zuletzt nicht beschichtet wurde, angeordnet. Ein geeignetes Stützmittel kann vorzugsweise, aber nicht nur, eine Gleitplatte, auf welcher das Halbzeug gleitet, eine Luftpolsterplatte, über welcher das Halbzeug auf einem Luftpolster schwebt, ein Endlosförderband, welches sich mit dem Halbzeug 34 mitbewegt und auf welchem das Halbzeug 34 ruht, sein. Befindet sich das Stützmittel zur Vermeidung einer Berührung der zuletzt aufgespritzten Schicht oberhalb des Halbzeugs 34, kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, welche das Halbzeug 34 beispielsweise durch Unterdruck, magnetische oder elektrostatische Anziehung oder dergleichen, an das
Stützmittel zieht. In einer bevorzugten Abwandlung können mehrere Spritzeinheiten 28 in einem gemeinsamen Gehäuse 140 untergebracht und mit trockener Luft versorgt werden.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass zwei Elektrodenbänder 22-1 , 22-2 separat hergestellt und an einem anderen Ort (einer anderen Anlage)
zusammenlaminiert werden. In einer bevorzugten Abwandlung kann das Verfahren von der Bereitstellung des Trägerfolienbandes 14 bis zur Zusammenführung zweier Elektrodenbänder 22 zu einem Fertigband 44 kontinuierlich in einer Anlage, d.h., ohne
Aufhaspelung der Elektrodenbänder 22, durchgeführt werden. Es können beispielsweise zwei Anlagen 10 nach Fig. 1 und eine Anlage 100 nach Fig. 5 in einer einzigen Anlage zusammengefasst sein, wobei die Aufrollstation 24 der Anlage 10 in Fig. 1 sowie die Abrollstationen 102 in Fig. 5 entfallen. Je nach Verfahrensführung können auch die Nachbearbeitungsstrecke 20 der Anlage 10 in Fig. 1 und/oder die Vorbearbeitungsstrecken 104 in der Anlage in Fig. 5 oder einzelne Stationen darin entfallen oder in Zwischenbearbeitungsstrecken zusammengefasst werden.
Fig. 9 zeigt schematisch eine beispielhafte Anlage 150 zur kontinuierlichen Herstellung eines Fertigbandes 110 aus zwei Trägerfolienbändern 14-1 , 14-2 als eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
Die Anlage 150 weist eine erste Abrollstation 12-1 , welche ein erstes
kontinuierlich auf einem Coil 12a aufgewickeltes Trägerfolienband 14-1 liefert, eine zweite Abrollstation 12-1 , welche ein zweites kontinuierlich auf einem Coil 102a aufgewickeltes Trägerfolienband 14-2 liefert, zwei
Vorbearbeitungsstrecken 16-1 , 16-2 zur Vorbearbeitung der Trägerfolienbänder 14-1 , 14-2, eine Beschichtungs- und Laminierstrecke 152 zum Beschichten und Laminieren der Trägerfolienbänder 14-1 , 14-2, eine Nachbearbeitungsstrecke 108 zur Nachbearbeitung des laminierten Bandes, und eine Aufrollstation 112 zum Aufrollen des Fertigbandes 110 auf einem Coil 112a auf.
Die Abrollstationen 12-1 , 12-2 und die Vorverarbeitungsstrecken 16-1 , 16-2 sind gleich oder ähnlich den entsprechenden Anlagenteilen der Anlage 10 aus Fig. 1 aufgebaut; die Nachbearbeitungsstrecke 108 und die Aufrollstation 112 entsprechen den gleichen Anlagenteilen der Anlage 100 aus Fig. 5, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dazu gemachten Erläuterungen entsprechend Bezug genommen werden kann, soweit nachstehender
Beschreibung nichts Abweichendes oder Ergänzendes zu entnehmen ist.
Die Beschichtungs- und Lam inierstrecke 152 weist zwei Eingangsstationen 26- 1 , 26-2 zur Erfassung der aus den Vorbearbeitungsstrecken 16-1 , 16-2 kommenden Trägerfolienbänder 14-1 , 14-2 (ab dort als Halbzeuge 34-1 , 34-2 bezeichnet), mehrere Spritzeinheiten 28-1 1 , 28-12, 28-13, 28-14 zur
Beschichtung des ersten Halbzeuges 34-1 , mehrere Spritzeinheiten 28-21 , 28- 22, 28-23, 28-24 zur Beschichtung des zweiten Halbzeuges 34-2, zwei
Zwischenbearbeitungseinheiten 153-1 , 153-2 zur Zwischenbearbeitung der Halbzeuge 34-1 , 34-1 zwischen der vorletzten Spritzeinheit 28-13, 28-23 und der letzten Spritzeinheit 28-14, 28-24 jeder Seite, ein Druckwalzenpaar 118 zum Ausüben eines Drucks 120 auf die zu laminierenden Halbzeuge 34-1 , 34-2, eine Spritzeinheit 28-30 zur Beschichtung des Laminats, eine Ausgangseinheit 122, eine nicht näher dargestellte Versorgungseinheit und eine Heizeinrichtung 126 nebst einer Reihe nicht näher bezeichneter Umlenkwalzen auf.
Die Eingangsstationen 26-1 , 26-2 entsprechen der Eingangsstation 26 der Anlage 10 aus Fig. 1 , das Druckwalzenpaar 118, die Ausgangseinheit 122, die Versorgungseinheit und die Heizeinrichtung 126 entsprechen den jeweiligen Anlagenteilen der Laminierstrecke 106 der Anlage 100 aus Fig. 5, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dort dazu gemachten Erläuterungen entsprechend Bezug genommen werden kann, soweit nachstehender
Beschreibung nichts Abweichendes oder Ergänzendes zu entnehmen ist.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind das erste und das zweite
Trägerfolienband 14-1 , 14-2 jeweils eine Polyimidfolie (geprimert), wobei das erste Trägerfolienband 14-1 dem Aufbau einer Kathodenseite und das zweite Trägerfolienband 14-1 dem Aufbau einer Anodenseite des Fertigbandes 110 dient. Innerhalb der Beschichtungs- und Laminierstrecke 152 werden das
Kathodenband 22-1 und das Anodenband 22-2 über die Eingangsstationen 26-
1 , 26-2 zunächst zu den Spritzeinheiten 28-1 1 , 28-14 bzw. 28-21 28-24 geführt.
Bei der vorliegenden Ausführungsvariante dienen die in der Abfolge ersten Spritzeinheiten 28-1 1 , 28-21 jeder Seite jeweils der beidseitigen Beschichtung der Halbzeuge 34-1 , 34-2 mit einem Leitfähigkeitsadditiv wie etwa Kohlenstoff- Nanotubes sowie einem Haftvermittler. Der Haftvermittler dient im Wesentlichen der Benetzung der Trägerfolie und der Anhaftung der Additivpartikel; er kann sich bei der nachfolgenden Trocknung teilweise verflüchtigen. Die Additivpartikel weisen eine größte Länge auf, die größer als eine Höhe des Haftvermittlers nach der Trocknung ist. Somit ragen die Additivpartikel nach Fertigstellung der Schicht in verschiedenen Raumrichtungen aus der Haftvermittlerschicht hervor.
Die in der Abfolge zweiten Spritzeinheiten 28-12, 28-22 jeder Seite dienen jeweils der beidseitigen Beschichtung der Halbzeuge 34-1 , 34-2 mit einem Leitermaterial (enthaltend Kupfer für die Anodenseite bzw. Aluminium für die Kathodenseite), und die dritten Spritzeinheiten 28-13, 28-23 jeder Seite dienen jeweils der beidseitigen Beschichtung der Halbzeuge 34-1 , 34-2 mit einem elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterial (Kathoden- bzw. Anodenmaterial). Die Länge der Additivpartikel ist so bemessen, dass sie noch durch die
Leiterschicht hindurch in die Elektrodenschicht ragen, aber wenigstens im Wesentlichen nicht darüber hinaus. Die Additivpartikel dienen der Verzahnung und damit der Verbesserung einer elektrischen Verbindung zwischen der Leiterschicht (Kollektorschicht) und jeweiligen Elektrodenschicht.
In bevorzugten Abwandlungen werden andere Leitfähigkeitsadditive verwendet wie etwa Nano-Sl, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Ruß, bestimmte ionische Flüssigkeiten etc. Besonders bevorzugt weisen die Leitfähigkeitsadditive dreidimensionale Strukturen wie etwa Nanotubes auf, die sich wenigstens teilweise in einer Richtung orthogonal oder schräg zu einer Ebene der
Trägerfolienbänder 14-1 , 14-2 erstrecken.
In weiteren bevorzugten Abwandlungen wird das Leitfähigkeitsadditiv als
Gemisch mit dem Leitermaterial und/oder dem Elektrodenmaterial gespritzt.
Nach den ersten drei Spritzeinheiten jeder Seite werden die Halbzeuge 34-1 , 34-2 jeweils einer Zwischenbearbeitungseinheit 153-1 , 153-2 zugeführt. Die Zwischenbearbeitungseinheiten 153-1 , 153-2 weisen beispielsweise, aber nicht nur, eine Abrasiveinrichtung 153a zur Entfernung überstehender Additivpartikel und eine Kalanderanordnung 153b zur Verdichtung der bislang aufgetragenen Schichten aufweisen, wie in der Figur für die Zwischenbearbeitungseinheit 153-1 dargestellt. Von den Zwischenbearbeitungseinheiten 153-1 , 153-2 aus werden die
Halbzeuge 34-1 , 34-2 jeweils den vierten Spritzeinheiten 28-14, 28-24 zugeführt. Diese Spritzeinheiten 28-14, 28-24 dienen der einseitigen Beschichtung der Halbzeuge 34-1 , 34-2 mit einem Separatormaterial. Danach werden die
Halbzeuge 34-1 , 34-1 mit zueinander weisenden Separatorschichten dem Druckwalzenpaar 1 18 zugeführt, wo die Separatorschichten unter
Druckeinwirkung (Pfeile 120) und unterstützt durch die Heizeinrichtung 126 aufeinandergepresst werden und sich miteinander verbinden.
Nach der Verbindung (Laminierung) der beiden Halbzeuge 34-1 , 34-2 wird das Laminat der letzten Spritzeinheit 28-30 zugeführt, wo das Laminat, das an den Außenseiten noch freie Elektrodenschichten aufweist, beidseitig mit einem Separatormaterial beschichtet wird. In der anschließenden Ausgangseinheit 122 wird das beschichtete Laminat noch einmal kalandriert (Kalanderanordnung 154).
Die Nachbearbeitungsstrecke 108 dieser Anlage 150 weist eine
Kühlwalzenanordnung 156 und eine Speicherwalzenanordnung 158 auf. Das Fertigband 1 10 wird schließlich in der Aufrolleinheit 1 12 auf einem Coil 1 12a aufgerollt.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsstrecke 160 für ein Halbzeug 34, die beispielsweise, aber nicht nur, anstelle oder als Teil einer der Ausgangsstationen oder Nachbearbeitungsstrecken der vorstehend
beschriebenen Anlagen verwendet werden kann.
Die Bearbeitungsstrecke 160 dient der Bearbeitung eines bereits beschichteten Halbzeugs 34, das eine Leiter- bzw. Kollektorschicht 2, eine Elektrodenschicht 4 (gestrichelt) und eine Separatorschicht 6 aufweist. Die Leiterschicht 2 liegt als Ableitbereich 84 an einem lateralen Rand des Halbzeugs 34 frei und wird im übrigen Bereich von der Separatorschicht 6 bedeckt, ebenso wie die
dazwischen angeordnete Elektrodenschicht 4, die weniger breit als die
Separatorschicht 6 ist (vgl. gestrichelte Linie in Fig. 10).
Die Bearbeitungsstrecke 160 weist eine Speichereinheit 162, eine Stanzeinheit 164 und eine Antriebseinheit 166 auf. Die Speichereinheit 162 weist wenigstens eine Speicherwalze sowie entsprechende Umlenkwalzen (nicht näher dargestellt) auf. Die Antriebseinheit 166 hält das Halbzeug 34 gestrafft. Die
Stanzeinheit 164 weist ein Stanzwerk (nicht näher dargestellt) auf, welches aus dem Ableitbereich 84 rechteckige Ausnehmungen 168 ausstanzt. Die
Ausnehmungen 168 umfassen die gesamte Breite des Ableitbereichs 84 und reichen in die Separatorschicht 6 hinein, aber nicht bis zu der Elektrodenschicht 4. Der zwischen den Ausnehmungen 168 verbleibende Bereich wird als
Ableitfahnen 169 des Elektrodenaufbaus (Elektrodenbandes 22) bezeichnet. Die Stanzungen erfolgen mit einer Taktlänge I (nachstehend auch als Teilungsmaß I bezeichnet), wobei eine Länge Ii der Ausnehmungen 168 (auch als Stanzmaß bezeichnet) größer ist als eine Länge l2 der verbleibenden Ableitfahnen 169 (nachstehend auch als Kontaktbreite l2 bezeichnet) zuzüglich eines
angemessenen Sicherheitszuschlages. Das die Bearbeitungsstrecke 160 verlassende Elektrodenband 22 kann wie in der in Fig. 1 gezeigten Anlage 10 auf einem Coil aufgewickelt oder kontinuierlich weiterverarbeitet werden. Fig. 11 zeigt in einer räumlichen Ansicht schematisch Verarbeitungsschritte zur Weiterverarbeitung zweier Elektrodenbänder 22, die gemäß der Darstellung in Fig. 10 hergestellt wurden.
Gemäß der Darstellung in Fig. 11 wird ein erstes Elektrodenband 22-1 von der in der Figur linken Seite aus zugeführt und wird ein zweites Elektrodenband 22-2 von der in der Figur rechten Seite aus zugeführt (Pfeilrichtungen 170-1 , 170-2 symbolisieren auch entsprechende Fördereinrichtungen). Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei das erste Elektrodenband 22-1 ein Kathodenband und sei das zweite Elektrodenband 22-2 ein Anodenband.
Von jedem Elektrodenband 22-1 , 22-2 wird jeweils ein Stück einer Länge I abgetrennt, wobei die Länge I der Taktlänge bzw. dem Teilungsmaß I in Fig. 10 entspricht. Die Trennung erfolgt zwischen zwei Ableitfahnen 169-1 bzw. 169-2, möglichst dicht an einer entgegen der Vorschubrichtung 170-1 bzw. 170-2 nächsten Ableitfahne (gestrichelte Trennlinien 172-1 , 172-2 in Fig. 1 1
symbolisieren auch entsprechende Trenneinrichtungen). Durch die Trennung entstehen Bandabschnitte 174-1 , 174-2 einer Länge, die dem Teilungsmaß I entspricht. Die Lage der Trennlinien 172-1 , 172-2 ist so bestimmt, dass jeder abgetrennte Bandabschnitt 174-1 , 174-2 eine vollständige (d.h., ungetrennte) Ableitfahne 169-1 , 169-2 aufweist und die Ableitfahne 169-1 , 169-2 vollständig auf einer Seite einer die Länge (das Teilungsmaß) I des Bandabschnittes 174-1 , 174-2 halbierenden Mittellinie 175-1 , 175-2 zu liegen kommt.
Die von den Elektrodenbändern 22-1 , 22-2 abgetrennten Bandabschnitte 174-1 , 174-2 werden abwechselnd zu einem Stapelplatz gefördert (Pfeilrichtungen 176- 1 , 176-2 symbolisieren auch entsprechende Fördereinrichtungen) und aufeinander abgelegt, sodass sie einen Stapel 178 bilden (eine Pfeilrichtung 180 symbolisiert auch eine entsprechende Stapeleinrichtung). Durch die
abwechselnde Ablage kommt jeweils eine Ableitfahne 22-1 eines ersten
Bandabschnitts 174-1 über einer von einer Ableitfahne 22-2 freien Hälfte eines in Stapelrichtung nächsten oder vorherigen Bandabschnitts 174-2 zu liegen und umgekehrt. So liegen jeweils Ableitfahnen 22-1 der ersten Bandabschnitte 174-1 einander in Stapelrichtung gegenüber und liegen jeweils Ableitfahnen 22-2 der zweiten Bandabschnitte 174-2 in dem Stapel 178 einander in Stapelrichtung gegenüber. Obschon in der Figur nicht näher dargestellt, werden Stapel 178 mit einer vorbestimmten Anzahl von Bandabschnitten 174-1 , 174-2 darin
zusammengefasst, um weiter zu einer Batterie bzw. Batteriezelle verarbeitet zu werden. Die Anzahl von Bandabschnitten 174-1 , 174-2 eines Stapels 178 wird durch die gewünschte Kapazität der Batterie bzw. Zelle bestimmt.
Fig. 12 zeigt schematisch eine beispielhafte Anlage 200 zur kontinuierlichen Herstellung eines Fertigbandes 212 aus drei Trägerfolienbändern 14-1 , 14-2, 14-3 als eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Darstellung in Fig. 12 werden die Trägerfolienbänder 14-1 , 14-2, 14- 3 von Coils 202-1. 202-2, 202-3 und jeweils einer Vorbearbeitungsstrecke 204-1 , 204-2, 204-3 zugeführt. Das erste Trägerfolienband 14-1 weist Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung auf bzw. ist daraus hergestellt. Das zweite
Trägerfolienband 14-2 weist Kupfer bzw. eine Kupferlegierung auf bzw. ist daraus hergestellt. Das dritte Trägerfolienband 14-3 weist PET
(Polyethylenterephthalat) auf bzw. ist daraus hergestellt. Kupfer und Aluminium sind gute elektrische Leiter und sind als Kollektormaterialien geeignet. Die Trägerfolienbänder 14-1 , 14-2 können daher auch als Kollektorbänder
(Kathodenkollektorband 14-1 , Anodenkollektorband 14-2) bezeichnet werden.
Nach der Vorbearbeitung wird das Kathodenkollektorband 14-1 in zwei aufeinander folgenden Spritzstationen 28-1 1 , 28-12 nacheinander einseitig mit Kohlenstoff-Nanotubes (NanoC) und einem Kathodenmaterial (Kath.) wie vorstehend beschrieben beschichtet. Gleichermaßen wird das
Anodenkollektorband 14-2 in zwei aufeinander folgenden Spritzstationen 28-21 , 28-22 nacheinander einseitig mit Kohlenstoff-Nanotubes (NanoC) und einem Anodenmaterial (An.) wie vorstehend beschrieben beschichtet. Die
resultierenden Halbzeuge 34-1 , 34-2 können somit auch als Elektrodenbänder (Kathodenband 34-1 , Anodenband 34-2) bezeichnet werden. Die Kohlenstoff- Nanotubes dienen als Leitfähigkeitsadditiv; sie ragen in die jeweiligen
Elektrodenschichten, die durch die Spritzstationen 28-12, 28-22 aufgebracht werden, und sind in dieser Ausführungsvariante nicht länger als die Dicke der Elektrodenschichten.
Das dritte Trägerfolienband 14-3 wird nach Vorbearbeitung in einer Spritzstation 28-30 beidseitig mit Zirkonoxid (ZrO) beschichtet, wobei die Teilchengröße bevorzugt nicht mehr als 100 nm beträgt. Das PET des dritten
Trägerfolienbandes 14-3 ist ein organisches Trägermaterial, welches ein schlechter Elektronenleiter (also ein Isolator) ist. Es ist so verarbeitet, dass das Material des dritten Trägerfolienbandes 14-3 wenigstens teilweise
stoffdurchlässig ist, insbesondere für Li-Ionen. Bevorzugt ist es als nicht verwebtes Vlies verarbeitet. ZrO ist ein anorganisches Material, welches in einem für Hochleistungsbatterien typischen bzw. bevorzugten Temperatur- Arbeitsbereich von -40°C bis 200°C ein guter lonenleiter ist. Diese
Materialkombination eignet sich gut als Separatormaterial für galvanische Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen. Somit kann das resultierende Halbzeug 34-3 nach Beschichtung auch als Separatorband bezeichnet werden. (Man beachte, dass ZrO für Zirkonoxid hier als Abkürzung, nicht notwendig als Summenformel verwendet wird.)
Nach der Beschichtung werden die Halbzeuge 34-1 , 34-2, 34-3, soweit erforderlich, über Umlenkwalzen 206 geführt und mittels Druckwalzen 208 aufeinander laminiert, wobei das Separatorband 34-3 zwischen dem
Anodenband 34-1 und dem Kathodenband 34-2 angeordnet ist und die Elektrodenschichten der Elektrodenbänder 34-1 , 34-2 dem Separatorband 34-3 zugewandt sind. Das Laminat wird daraufhin in einer Spritzstation 28-40 beidseitig mit einem Isolatormaterial (Iso.) beschichtet und nach Durchlaufen einer Nachbearbeitungsstrecke 210 als Fertigband 212 auf einem Coil 214 aufgerollt.
Weitere Anlagenteile, Versorgungselemente und sonstige Einzelheiten, insbesondere, aber nicht nur, wie sie im Zusammenhang mit anderen
Ausführungsvarianten beschrieben wurden, sind in der Anlage 200 dieser Ausführungsvariante nach Bedarf hinzuzufügen und entsprechend zu verwenden, und zugehörige Erläuterung sind entsprechend anwendbar, soweit vorstehender Beschreibung nichts Abweichendes oder Ergänzendes zu entnehmen ist. Obschon in der Figur nicht näher dargestellt, können eventuell über die Elektrodenschichten hinausragenden Additivpartikel vor der weiteren Verarbeitung der Halbzeuge 34-1 , 34-2 abrasiv gekürzt werden.
Das Fertigband 212 dieser Ausführungsvariante weist einen Aufbau in
Schichtungsrichtung derart auf, dass Kollektorschichten unterschiedlicher Polung außen liegen (weshalb diese nach außen auch mit einer Isolierung versehen sind). Wenn das Fertigband 212 zu einer galvanischen Zelle weiterverarbeitet wird, können jeweils zwei Fertigbänder 212 mit
entgegengesetzter Pollage verwendet werden (sodass Kollektorbereiche gleicher Polung einander jeweils gegenüberliegen); auf diese Weise können kapazitive Effekte zwischen Kollektorschichten vermindert werden.
Die Kollektorbänder 14-1 , 14-2 werden jeweils so beschichtet, dass ein Rand als Kontaktbereich bzw. Ableitbereich frei bleibt. Das PET-Band 14-3 wird auf ganzer Breite beschichtet und ist geringfügig breiter als die Elektrodenschichten auf den Elektrodenbändern 34-1 , 34-2, aber schmäler als die Kollektorbänder 14-1 , 14-2. Bei der Laminierung ragen die Kontaktbereiche der
Elektrodenbänder 34-1 , 34-2 zu gegenüberliegenden Seiten über die Ränder des Separatorbandes 34-3 hinaus. ln einer bevorzugten, nicht näher dargestellten Abwandlung werden die
Elektrodenbänder 34-1 , 34-2 auch auf der Außenseite mit einem
entsprechenden Schichtaufbau (NanoC, An. bzw. Kath.) sowie einer weiteren Separatorschicht beschichtet. Diese Außenbeschichtung kann nach der Laminierung an dem Laminat oder vor der Laminierung erfolgen. Die
Beschichtung mit der Isolatorschicht (Iso.) kann bei dieser Abwandlung entfallen. Der Elektrodenaufbau des resultierenden Fertigbandes entspricht dem in Fig. 4G gezeigten Schichtaufbau, doch mit dem Unterschied, dass die mittlere Separatorschicht durch das Separatorband 34-3 gebildet wird. Ein Fertigband mit einem solchen Elektrodenaufbau kann unmittelbar gewickelt werden, ohne dass eine Isolierschicht oder ein entsprechendes Fertigband spiegelbildlicher Schichtung erforderlich wären. In einer weiter bevorzugten, nicht näher dargestellten Abwandlung werden die Kontaktbereiche der Elektrodenbänder 34-1 , 34-2 vor der Laminierung wie in Fig. 10 gezeigt (und in dem Zusammenhang erläutert) ausgestanzt und die Elektrodenbänder 34-1 , 34-2 so auf das Separatorband 34-3 laminiert, dass die Kontaktbereiche zur gleichen Seite abragen und die Ableitfahnen (169 in Fig. 10) der Elektrodenbänder 34-1 , 34-2 auf Lücke versetzt angeordnet sind.
Fig. 13A zeigt einen Abschnitt eines Elektrodenbandes 220 in einer bevorzugten Ausführungsalternative der Erfindung in einer Draufsicht, und Fig. 13B zeigt das Elektrodenband 220 dieser Ausführungsalternative in einer Querschnittsansicht entlang einer starken strichpunktierten Linie in Fig. 13A in Blickrichtung eines zugehörigen Pfeils.
Das Elektrodenband 220 dieser Ausführungsalternative weist einen Aufbau ähnlich dem in Fig. 4E dargestellten auf. Mit anderen Worten, auf einem
Trägerfolienband 14 sind beidseitig in nachstehender Reihenfolge eine
Leiterschicht 2, eine Elektrodenschicht 4 und eine Separatorschicht 6
aufgebracht/ Anders als in Fig. 4E liegt die Leiterschicht 2 an beiden Rändern (in Breitenrichtung) des Elektrodenbandes 220 frei; es sind somit je zwei randseitige Kontaktbereiche 84 auf Vorder- und Rückseite des
Elektrodenbandes 220 vorgesehen. In der Mitte des Elektrodenbandes 220 in Breitenrichtung gesehen ist der Schichtaufbau jeweils durch einen Graben (Längsgraben) 222 unterbrochen. Der Graben 222 reicht bis auf das
Trägerfolienband 14.
Auf diese Weise können in Querrichtung abgegrenzte Segmente geschaffen werden, die beispielsweise in einer fertigen Zelle separat ansprechbar bzw. ansteuerbar sind. Die Segmentierung in Querrichtung kann beispielsweise, aber nicht nur, dadurch verwirklicht werden, dass zwischen einzelnen
Spritzapparaten, die über die Breite des Halbzeugs (34) verteilt angeordnet sind, Blenden angeordnet sind, die einen ausgewählten Bereich des Halbzeugs abschirmen, sodass abgegrenzte Spritzzonen definiert sind.
In einer bevorzugten, nicht näher dargestellten Abwandlung ist die Leiterschicht 2 in Breitenrichtung durchgehend ausgeführt und reicht der Graben 222 nur bis zur Leiterschicht 2. Bei dieser Abwandlung ist zwar eine separate Ansteuerung der beiden Segmente nicht möglich. Es ist jedoch denkbar, dass bei einer Verschlechterung des einen Segments, beispielsweise (aber nicht nur) aufgrund Überhitzung oder sonstiger Überlastung, das andere Segment noch weiter arbeiten kann.
In einer weiteren bevorzugten Abwandlung sind die Leiterschicht 2 und/oder wenigstens die Elektrodenschicht 4 in Breitenrichtung unterbrochen, während die Separatorschicht 6 in Breitenrichtung durchgehend ausgebildet ist. Bei dieser Abwandlung bildet die Separatorschicht 6 eine durchgehende Oberfläche, während die Segmentierung unter der Oberfläche verwirklicht und wirksam ist. Fig. 14A zeigt einen Abschnitt eines Elektrodenbandes 230 in einer bevorzugten Abwandlung der Ausführungsalternative von Fig. 13 in einer Draufsicht, Fig. 14B zeigt das Elektrodenband 230 dieser Ausführungsalternative in einer Querschnittsansicht, und Fig. 14C zeigt das Elektrodenband 230 dieser
Ausführungsalternative in einer Querschnittsansicht nach einem weiteren Verfahrensschritt. Bei dieser Abwandlung entspricht der Schichtaufbau (Leiterschicht 2,
Elektrodenschicht 4) auf einer Seite des Grabens 232 einer Anodenseite, auf der anderen Seite des Grabens 232 einer Kathodenseite einer galvanischen Zelle, wie in Fig. 14B gezeigt. Nach Ausbildung des Schichtaufbaus werden Kontaktbereiche auf jeder Seite des Grabens 232 analog zu der Darstellung in Fig. 10 ausgestanzt, wobei die verbleibenden Ableitfahnen 96 in Längsrichtung auf Lücke versetzt ausgebildet werden.
Anschließend wird das Elektrodenband 230 entlang dem Graben 232 gefalzt und die beiden Hälften aufeinander geklappt (gekrümmte Pfeile in Fig. 14B) und durch Druck, Wärme, Bindemittel oder dergleichen miteinander verbunden, wie in Fig. 14C gezeigt. Auf diese Weise wird ein vollständiger
Elektrodenschichtaufbau (Fertigband 238, Fig. 14C) einer galvanischen Zelle mit zur Kontaktierung vorbereiteten Ableitfahnen in einem kontinuierlichen
Verfahren und auf einem einzigen Substrat (Trägerfolienband) 14 hergestellt. Insbesondere, aber nicht nur, kann die Anordnung der Stanzungen so erheblich vereinfacht werden, da eine Synchronisierung unterschiedlicher Bänder bzw. Halbzeuge bei Laminierung und/oder Stanzung entfällt.
Fig. 15 zeigt einen Abschnitt eines Fertigbandes 240 in einer weiteren
bevorzugten Ausführungsalternative in einer Draufsicht. Der Schichtaufbau des Fertigbandes 240 entspricht - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - demjenigen des Fertigbandes 22 in Fig. 4E. Im Unterschied dazu erstrecken sich durch den Schichtaufbau Quergräben 242 über die Breite des Fertigbandes 240. Auf diese Weise wird eine Segmentierung des Fertigbandes 240 in
Längsrichtung verwirklicht, um Segmente 244 einer Länge s auszubilden. Die Segmente 244 können beispielsweise in einer fertigen galvanischen Zelle gesondert angesteuert werden, es können bei Ausfall eines Segments 244 die anderen Segmente 244 weiter arbeiten, und/oder die Quergräben 242 können als Marker zur Orientierung bzw. Synchronisierung bei nachfolgenden
Verfahrensschritte wie Stanzung, Schnitt, Laminierung und/oder dergleichen dienen.
Eine Segmentierung in Längsrichtung kann beispielsweise, aber nicht nur, dadurch verwirklicht werden, dass der Auftrag durch die Spritzapparate getaktet unterbrochen wird, sodass unbeschichtete Zonen (Gräben als Trennbereiche der Segmente) verbleiben, und/oder dadurch, dass die Zuführ- bzw.
Vorschubgeschwindigkeit des Halbzeugs in einem vorbestimmten Takt kurzzeitig erhöht wird, sodass Zonen entstehen, in denen der Spritzauftrag dünner ist, und/oder dadurch, dass in zeitlicher Taktung eine Maske zwischen die Spritzapparate und das Halbzeug geschoben wird, welches den
Spritzauftrag jeweils kurzzeitig unterbricht.
In einer nicht näher dargestellten Abwandlung wechselt der Schichtaufbau des Elektrodenbandes 240 von Segment 244 zu Segment 244 zwischen einem Anodenaufbau und einem Kathodenaufbau, sind an beiden Rändern des Elektrodenbandes 240 Kontaktbereiche 84 ausgebildet und wird abwechselnd der Kontaktbereich 84 des einen Segment 244 oder des anderen Segment 244 ausgestanzt. Zur weiteren Verarbeitung können die Segmente 244 dieser Abwandlung im Zick-Zack entlang den Quergräben 242 gefalzt (Leporello- oder Ziehharmonikafaltung) und jeweils durch Druck, Wärme, Bindemittel oder dergleichen miteinander verbunden. Durch die Anzahl der auf diese Weise verbundenen Segmente 244 kann die Kapazität eines solchen Aufbaus festgelegt werden. Der in Vorschubrichtung abwechselnde Schichtaufbau kann beispielsweise, aber nicht nur, durch getaktetes Ansteuern mehrerer
hintereinander angeordneter Reihenanordnungen von Spritzapparaten verwirklicht werden. Fig. 16 zeigt einen Abschnitt eines Elektrodenbandes 250 als eine bevorzugte Abwandlung der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsalternative in einer Draufsicht, und Fig. 17 veranschaulicht eine Wirkung dieser Anordnung. Gemäß der Darstellung in Fig. 16 werden in dem Elektrodenband 250 Segmente 254 konstanter Länge s durch Quergräben 252 ausgebildet. Bei der
vorliegenden Abwandlung ändert sich das Maß eines Zwischenraumes ti, t2, t, (Länge der Quergräben 252) zwischen Segmenten 254 mit fortschreitendem Vorschub x.
Fig. 17 zeigt eine bevorzugte Anwendung der in Fig. 16 gezeigten Konfiguration.
Gemäß der Darstellung in Fig. 17 sind zwei Elektrodenbänder 250-1 , 250-2 auf einem flachen Wickelkern 256 aufgewickelt, um den aktiven Teil einer galvanischen Zelle auszubilden. Die Elektrodenbänder 250-1 , 250-2 können zu einem Fertigband verbunden sein. Der Einfachheit halber wurde in der Figur auf die detaillierte Darstellung des Schichtaufbaus verzichtet; er ist auf der
Kathodenseite mit 8-1 und auf der Anodenseite mit 8-2 bezeichnet; nur die zugehörigen Trägerfolienbänder sind schraffiert. Gemäß der Darstellung in Fig. 17 sind die beschichteten Segmente 254 entlang Flachseiten des Wickelkerns 256 angeordnet, während die unbeschichteten Quergräben Umkehrabschnitte an den (gerundeten) Kanten des Wickelkerns 256 ausbilden. Die
Umkehrabschnitte eines solcherart hergestellten Wickels können beispielsweise an Trennlinien 258 abgetrennt werden, um einen quaderförmigen Folienstapel zu erhalten. (Eine Abtrennung an Trennlinien 258 ist vorteilhaft, falls die
Trägerfolienbänder der Elektrodenbänder 250-1 , 250-2 ein Kollektormaterial aufweisen, da sich diese sonst im Bereich der Umkehrabschnitte berühren und kontaktieren würden. Sind die Trägerfolienbänder dagegen nichtleitend, können die Umkehrabschnitte auch verbleiben.)
In einer bevorzugten Abwandlung kann eine ähnliche Wirkung wie in Fig. 17 gezeigt auch erzielt werden, wenn die Quergräben jeweils gleiche Längen t aufweisen, indem das Fertigband oder Elektrodenband während des Wickeins an den Quergräben entsprechend einer wachsender Dicke des Wickels gedehnt werden. Die Dehnung kann beispielsweise, aber nicht nur, durch Erwärmung unterstützt werden.
In einer weiteren bevorzugten Abwandlung kann eine Dehnung des
Fertigbandes an den Umkehrabschnitten bei Wicklung auf einem flachen Wickelkern auch ohne Quergräben durchgeführt werden. Obschon die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsvarianten in ihren wesentlichen Merkmalen beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern durch die Patentansprüche definiert ist und in dem durch die Patentansprüche
vorgegebenen Umfang und Bereich abgewandelt und erweitert werden kann, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, wie es nachstehend angedeutet ist.
Wie bereits erwähnt, können mehrere Spritzeinheiten 28 in einem einzigen Gehäuse zusammengefasst werden. In weiteren bevorzugten Abwandlungen können Spritzeinheiten 28 nach Vorder- und Rückseite des Bandes geteilt werden und/oder zunächst mehrere oder alle Schichten der Vorderseite des Halbzeuges 34 nacheinander aufgebracht und anschließend mehrere oder alle Schichten der Rückseite des Halbzeuges 34 nacheinander aufgebracht werden.
Die Zusammenfassung der Versorgungseinrichtungen in Versorgungseinheiten innerhalb der Beschichtungs- bzw. Laminierstrecken dient der
Veranschaulichung. In bevorzugten Abwandlungen erfolgt die Versorgung der Anlagenteile, Apparate und Bauelemente in unterschiedlichen Graden der Zentralisierung oder Dezentralisierung. In bevorzugten Abwandlungen kann ein Kalandrieren des Halbzeugs nach jedem Spritzschritt erfolgen oder an ausgewählten Stellen im Verfahrensablauf vorgesehen sein. Es können Zwischenkühlungen oder Zwischenerwärmungen der Folien vorgesehen sein. Die Spritzwalzen (Nasswalzen) können gekühlt oder beheizt sein.
In weiteren bevorzugten Abwandlungen, können zuerst einige oder alle
Schichten auf einer der Vorder- oder Rückseite des Trägerfolienbandes aufgebracht werden, wobei alle oder nur ausgewählte Schichten unmittelbar nach dem Aufbringen getrocknet werden, und danach einige oder alle Schichten auf der anderen der Vorder- und Rückseite aufgebracht werden, wobei ebenfalls alle oder nur ausgewählte Schichten unmittelbar nach dem Aufbringen getrocknet werden. In bevorzugten Weiterbildungen wird zwischen
ausgewählten Spritzschritten jeweils ein Zwischenkalandrieren des Halbzeugs vorgenommen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann ein Wickelkern, auf welchem ein Elektrodenband bzw. Fertigband aufgewickelt wird, um einen aktiven Teil einer galvanischen Zelle auszubilden, aus einem guten Wärmeleiter hergestellt sein.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand der
Plasmaspritztechnologie erläutert. In bevorzugten Abwandlungen ist die
Erfindung auch für andere thermische Spritz- oder Abscheideverfahren anwendbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen, vorzugsweise in Schichtungsrichtung symmetrischen Elektrodenaufbaus, insbesondere für eine galvanische Zelle, weist vorteilhaft einen Schritt eines Ausbildens wenigstens zweier Schichten des Elektrodenaufbaus aufeinander durch thermisches Spritzen oder Abscheiden auf. Die Erfindung richtet sich auch auf einen mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellten Elektrodenaufbau, auf eine galvanische Zelle mit einem solchen Elektrodenaufbau, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Vorstehend beschriebene
Plasma- oder sonstige Spritzapparate, Reihen- oder sonstige Anordnungen davon, sowie alle Anlagenteile und Vorrichtungen, die solche enthalten, wie etwa Beschichtungs- und Laminierstrecken oder dergleichen, können als Anordnungen zum thermischen Spritzen oder Abscheiden im Sinne der
Erfindung verstanden werden. Angegebene Zusatzstoffe können als Spritzgut im Sinne der Erfindung verstanden werden. Trägerfolienbänder, Zwischenprodukte und Halbzeuge können als Trägersubstrat im Sinne der Erfindung verstanden werden. Elektrodenbänder, Fertigbänder, Folienstapel oder Zwischenprodukte können als Elektrodenaufbau im Sinne der Erfindung verstanden werden. Coils können als Rollen im Sinne der Erfindung verstanden werden. Gräben (Längs- und Quergräben) können als Trennbereiche im Sinne der Erfindung verstanden werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können multifunktionale
Keramikschichten oder Elektroden aller Art für ionische Batterien mittels thermischem Spritzen hergestellt werden. Dabei können diese keramischen Schichten wie etwa Separion auf die Elektroden beziehungsweise separat als Separator abgeschieden werden, etwa in einer Multilayer- oder
Sandwichanordnung. In Anordnung mehrerer parallel oder unmittelbar folgender Spritzeinrichtungen zum Aufbau der Elektroden ergeben sich multifunktionale Charaktere dieser Verbindungen wie zum Beispiel hohe chemische Stabilität, Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit.
Für elektrochemische Elemente können spezifische elektrische Eigenschaften gezielt eingestellt werden, auch Isolations- und Leitfähigkeit. Das Verfahren nutzt vorteilhaft aus, dass die Materialien in eingeschmolzenem oder im teigigen Zustand, durch Pastenextrusion hergestellt oder mittels ionischen Liquids teigig gemacht werden.
Auf vorhandene Substrate wie Kollektor-Folienmaterial oder Polyimidfolien als Substratsträger, werden Schichten aufgebracht. Dabei erfolgt vorzugsweise eine mindeste thermische Beeinflussung der Materialien selbst. Schichtdicken liegen im Bereich von 10 bis 150 μπι. Das bevorzugte Verfahren wird gemäß einer besonderen Ausführung als Plasmaspritzen an Luft derart ausgeführt, dass aus einem trockenen Raum vorkonditionierte oder getrocknete Luft für dieses Plasmaspritzverfahren entnommen wird. So werden Feuchtebereiche erreicht, die im Bereich eines absoluten Taupunkts von -60 bis -100 liegen. Dadurch kann auch vermieden werden, dass Mikroeinschlüsse in den Materialien entstehen oder
Feuchtespuren zwischen Schichten gebildet werden bzw. verbleiben. Beim Beschichten in Systemen, geführt für einen niedrigen Taupunkt, kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante eine besondere inerte Atmosphäre hergestellt werden, die gegebenenfalls durch Unterdruck unterstützt werden kann. Die dichten Schichten und die Haftfestigkeit können in dem Verfahren nach Material entschärft eingestellt oder gemäß der
Energiespeichercharakteristik ebenso eingestellt werden.
Wenn nach einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahren trockene, erhitzte Luft benutzt wird, um auch den Sprühstrahl bzw. Spritzstrahl zu erzeugen, wird auch keine reine Wärmequelle benötigt, um das Areal thermisch spritzfähig zu machen.
In bevorzugten Ausführungsvarianten werden besondere Leitfähigkeitsadditive in eigenen Spritzstufen oder gemeinsam mit andere Zusatzstoffen hinzugefügt. Es handelt sich dabei um Leitfähigkeitsadditive wie Nano-Si oder MgO, ihres Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Ruß, Nanotubes oder ionische Flüssigkeiten. Diese können auch zur Aufnahme weiteren Wassers dienen, zur Stabilität der Schicht beitragen, die ionische Leitfähigkeitskomponente Lithium-Ion enthalten oder die spätere Interpretation von ionischen elektrochemischen Systemen befördern oder ermöglichen. Das Verfahren wird bevorzugt zur beidseitigen Beschichtung verwendet, es ist aber in einer weiteren bevorzugten Abwandlung auch zur einseitigen Beschichtung anwendbar. Das Thema wird über Platten rollen oder dergleichen geführt, wobei einer bevorzugten Anordnung in der Fläche im Sinne von Trocknen bevorzugt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführung wird direkt nach dem thermischen Spritzen die Schichten optional nachkalandriert. Danach können die Elektroden entweder zu gewickelten, zu Stapelzellen, prismatisch gewickelten Zellen und dergleichen verarbeitet werden.
Durch die Verwendung ionischer Liquide schon bei Herstellung der Elektroden erhalten diese eine höhere Lagerfähigkeit. Das Durchoxidieren der
Substratfolien, der Kupfer- oder Aluminiumfolien (allgemein der Kollektorfolien) bzw. die Aufnahme von Feuchtigkeit, die sich zwischen den Schichten absetzen kann und dann später die Qualität der elektrische bestimmende Signifikanz beeinflussen wird, kann durch die beschriebene Verfahrensweise auch ganz oder wenigstens teilweise ausgeschlossen werden. Insoweit wird auch der Produktionsprozess unterstützt, vor allem die zeitkritische Verlagerung wird langsamer.
Eine bevorzugte Ausführungsoption besteht darin, Kohlenstoff-Nanotubes oder dergleichen auf dem Substrat vorher abzuscheiden, abrasieren oder
aufzubringen. Dadurch können auch Hochleistungsschichten mit Bewehrungen aus C, die auch besonders leitfähig und thermisch kühlend sind, bereitgestellt werden. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Merkmale aller
Ausführungsbeispiele, -Varianten, -Optionen und -alternativen und aller
Abwandlungen und Weiterbildungen beliebig untereinander austauschbar sind, soweit es sich nicht ersichtlich aus technischen oder physikalischen Gründen verbietet.
Obschon die Erfindung an einem bevorzugten Beispiel eines Elektrodenaufbaus für eine Lithium-Ionen-Zelle beschrieben wurde, ist die Erfindung auf alle Arten on Elektrodenfolien und alle Arten galvanischer Zellen, in welchen ein mehrschichtiger Elektrodenaufbau erforderlich oder vorteilhaft ist, anwendbar.
Separion ist eine eingetragene Marke der Evonik Litarion GmbH.
Liste der Bezugszeichen:
2 Leiterschicht (Kollektorschicht)
2-1 Kathodenkollektorschicht
2-2 Anodenkollektorschicht
4 Elektrodenschicht (elektrochemisch aktive Schicht)
4-1 Kathodenschicht
4-2 Anodenschicht
6 Separatorschicht
10 Anlage
12 Abrollstation
12a Coil
14 Trägerfolie
16 Vorbearbeitungsstrecke
18 Beschichtungsstrecke
20 Nachbearbeitungsstrecke
22 Elektrodenband
22-1 Elektrodenband (Kathodenband)
22-2 Elektrodenband (Anodenband)
24 Aufrollstation
24a Coil
26 Eingangseinheit
28-1 , .... 28-n Spritzeinheit
30 Ausgangseinheit
32 Versorgungseinheit
32a Leitungsnetz (Versorgungs- und Rücklaufleitungen)
34 Halbzeug
36 Umlenkwalze
38 Nasswalze
40 Trocken walze
42 Umlenkwalze
44 Plasmaspritzapparat
45 Spritznebel 46 Luftdüse
47 Luftstrahl
48 Gleichstromanschluss
50 Gasanschlussleitung
52 Ventil
54 Gasstrom
56 Kühlwasservorlaufleitung
58 Pumpe
60 Kühlwasserstrom
62 Kühlwasserrücklaufleitung
64 Warmwasser (rücklaufendes Kühlwasser)
66 Zusatzstoff-Zuführungsleitung
68 Zusatzstoffbehälter
70 Zusatzstoff
72 Extruder
74 Luftanschlussleitung
76 Ventil
78 Luftstrom
80 Zusatzstoff-Strom
82 Blende
84 Ableitbereich
84-1 Kathodenableitbereich
84-2 Anodenableitbereich
86 Schichtung (charakteristische Zellschichtung) 100 Anlage
102-1 , 102-2 Abrollstation Kathodenseite, Anodenseite
102a Coil
104-1 , 104-2 Vorbearbeitungsstrecke Kathodenseite, Anodenseite
106 Laminierstrecke
108 Nachbearbeitungsstrecke
110 Fertigband
1 12 Aufrollstation
1 12a Coil 114-1 , 114-2 Eingangsstation Kathodenseite, Anodenseite
116-1 , 116-2 Spritzstation Kathodenseite, Anodenseite
118 Druckwalzenpaar
120 Druck
122 Ausgangsstation
124 Versorgungsstation
126 Heizeinheit
127 Wärmestrahlung
130 Spritzwalze
132 Spritzapparat
134 Spritzstrahl
140 Gehäuse
142 Gebläse
144 Gebläse
146 Abluftleitung
148 Abluftstrom
150 Anlage
152 Beschichtungs- und Laminierstrecke
153-1 , 153-2 Zwischenbearbeitungseinheiten Kathodenseite,
Anodenseite
153a Abrasiveinrichtung
153b Kalanderanordnung
154 Kalanderanordnung
156 Kühlwalzenanordnung
158 Speicherwalzenanordnung
160 Verarbeitungsstrecke
162 Speichereinheit
164 Stanzeinheit
166 Vorschubeinheit
168 (168-1 , 168-2) Ausnehmung (Kathodenseite, Anodenseite)
169 (169-1 , 169-2) Ableitfahne (Kathodenseite, Anodenseite)
170-1 , 170-2 Vorschubrichtung; Fördereinrichtung Kathodenseite,
Anodenseite
172-1 , 172-2 Trennlinie; Trenneinrichtung Kathodenseite, Anodenseite 174- 1 , 174-2 Bandabschnitt Kathodenseite, Anodenseite
175- 1 , 175-2 Mittellinie Kathodenseite, Anodenseite
176- 1 , 176-2 Vorschubrichtung; Fördereinrichtung Kathodenseite,
Anodenseite
178 Stapel
180 Stapelrichtung; Ablageeinrichtung
200 Anlage
202-1 , 202-2, 202-3 Coil (Kathodenseite, Anodenseite, Separatorseite)
204-1 , 204-2, 204-3 Vorbearbeitungsstrecke (dto.)
206 Umlenkwalze
208 Druckwalzenpaar
210 Nachbearbeitungsstrecke
212 Fertigband
214 Coil
220 Elektrodenband (oder Fertigband)
222 (Längs-) Graben
230 Elektrodenband (Halbzeug)
232 (Längs-) Graben
238 Fertigband
240 Elektrodenband (oder Fertigband)
242 Quergraben
244 Segment
250 (250-1 , 250-2) Elektrodenband (Kathoden-, Anodenseite)
242 Quergraben
244 Segment
256 Wickelkern
258 Trennlinien
An. Anodenmaterial
El. Elektrode (-nschicht)
G Gas
Gr. Graphit, Li-interkalierbar
Iso. Isolatormaterial L Luft
Kath. Kathodenmaterial
KW Kaltwasser
Koll. Kollektor (-Schicht)
Met-Ox (Schwer-) Metalloxid, Li-interkalierbar
Sep. Separator (-schicht)
WW Warmwasser
Z Zusatzstoff (-schicht)
ZrO Zirkonoxid
I Abschnittlänge (Teilungsmaß)
Länge einer Ableitfahne (Kontaktbreite)
l2 Länge einer Ausnehmung (Stanzmaß)
Länge eines Segments
Länge eines Quergrabens
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass vorstehende Bezugszeichenliste integraler Bestandteil der Beschreibung ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen, vorzugsweise in Schichtungsrichtung symmetrischen Elektrodenaufbaus, insbesondere für eine galvanische Zelle, gekennzeichnet durch einen Schritt eines Ausbildens wenigstens zweier Schichten des Elektrodenaufbaus aufeinander durch thermisches Spritzen oder Abscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des thermischen Spritzens wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, insbesondere alle der Schritte aufweist:
- Vorbereiten eines Spritzguts in pastöser, aufgeschmolzener oder teigiger Form, insbesondere durch Pastenextrudieren oder Teigigmachen mittels eines ionischen Liquids;
- Spritzen des Spritzguts mit einem Plasma zur Herstellung einer Schicht; und
- schichtweises Trocknen wenigstens einer aufgespritzten Schicht mit vorkonditionierter, insbesondere getrockneter Luft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, insbesondere alle der Schritte:
- Vorbereiten eines Trägersubstrats, vorzugsweise in Form einer Folie, insbesondere in Bandform, bevorzugt auf einer Rolle bereitgestellt;
- Zuführen des Trägersubstrats, um den Schritt des thermischen Spritzens auf dem Trägersubstrat auszuführen; und
- Aufhaspeln des Elektrodenaufbaus auf Rollen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Trägersubstrat verwendet wird, das einen elektrisch isolierenden
Kunststoff, beispielsweise Polyimid, Polyethylenterephthalat oder dergleichen, ein Kollektormaterial, insbesondere einen metallischen Werkstoff wie etwa Aluminium oder Kupfer, eine elektrisch leitfähigen Polymerfolie oder einem Carbonmaterial, oder ein Separatormaterial, jeweils bevorzugt in Folienform, aufweist oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgut elektrische und/oder chemische und/oder
mechanische Eigenschaften aufweist, die in der aufgespritzten Schicht, insbesondere in Zusammenwirkung mit einer anderen Schicht oder anderen Schichten oder dem Trägersubstrat des Elektrodenaufbaus, jeweils die Funktion einer Anode, einer Kathode, eines Stromsammlers bzw. Leiters, eines Separators, eines Elektrolyts oder eines Isolators im Sinne einer galvanischen Zelle erfüllen, wobei vorzugsweise wenigstens eine der Schichten Lithium oder eine Lithiumverbindung oder ein Lithium- interkalierbares Material aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgut wenigstens einer Schicht Zusätze, die insbesondere aus Nano-Sl, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Ruß, ionischen
Flüssigkeiten, Kohlenstoff-Nanotubes ausgewählt sind, aufweist, wobei vorzugsweise dreidimensionale Strukturen der Zusätze wie etwa
Nanotubes sich wenigstens teilweise in einer Richtung orthogonal oder schräg zu einer Ebene des Trägersubstrats erstrecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Separator wirkende Schicht oder Folie nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist und einen zumindest teilweise
stoffdurchlässigen Grundwerkstoff aufweist,
wobei der Grundwerkstoff vorzugsweise auf mindestens einer Seite, insbesondere auf beiden Seiten, mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Grundwerkstoff vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist,
wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) umfasst,
wobei das organische Material mit einem anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet ist, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40°C bis 200°C ionenleitend ist, wobei das anorganische Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate,
Aluminosilikate wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li umfasst, besonders bevorzugt Zirkonoxid,
und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser von unter 100 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material als ein Trägersubstrat für den Elektrodenaufbau verwendet wird und das anorganische Material eine im Rahmen des Verfahrens aufgespritzte Schicht auf dem Trägersubstrat bildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stärke einer aufgespritzten Schicht zwischen 10 und 150 μητι liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass aufgespritzte Schichten in Segmenten ausgebildet werden, wobei Trennbereiche zwischen den Segmenten sich in wenigstens einer Richtung entlang einer Oberfläche eines
Trägersubstrats, vorzugsweise längs und/oder quer zu einer
Vorschubrichtung des Trägersubstrats erstrecken, wobei Trennbereiche zwischen den Segmenten vorzugsweise durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen ausgebildet werden: - getaktetes Unterbrechen des Spritzauftrags;
- Spritzen durch eine Maske;
- Spritzen mittels mehrerer, quer zur Vorschubrichtung verteilter Spritzvorrichtungen mit abgegrenzten Spritzzonen;
- getaktetes Verändern der Zuführgeschwindigkeit des
Trägersubstrats.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Elektrodenaufbau wenigstens zwei
Trägersubstrate aufweist, wobei vorzugsweise
nach Ausbilden einer oder mehrerer Schichten auf einem ersten
Trägersubstrat ein Schritt eines Zuführens eines zweiten Trägersubstrats und Anbindens an die äußerste Schicht vorgesehen ist, wobei vorzugsweise auf dem zweiten Trägersubstrat weitere Schichten ausgebildet werden; und/oder
in separaten Verfahrensabschnitten ein erster Teilelektrodenaufbau mit einem ersten Trägersubstrat und ein zweiter Teilelektrodenaufbau mit einem zweiten Trägersubstrat ausgebildet werden, die dann in einem weiteren Verfahrensabschnitt an gegenüberliegenden Flachseiten miteinander verbunden werden, beispielsweise mittels eines Klebstoffs und/oder durch Einwirkung von Wärme und/oder durch Einwirkung von Druck und/oder durch Adhäsionswirkung wenigstens einer der an den gegenüberliegenden Seiten ausgebildeten Schichten, wobei
vorzugsweise nach dem Verbinden des ersten Teilelektrodenaufbaus und des zweiten Teilelektrodenaufbaus weitere Schichten ausgebildet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Trägersubstrat jeweils ein Kollektor-Folienmaterial ist oder ein Kollektormaterial als aufgespritzte Schicht aufweist;
wobei das erste Trägersubstrat und das zweite Trägersubstrat einander nicht überlappende Randzonen aufweisen; wobei die Randzonen vorzugsweise dadurch ausgebildet werden, dass
- das erste Trägersubstrat und das zweite Trägersubstrat in seitlicher Richtung versetzt sind, oder
- das erste Trägersubstrat und das zweite Trägersubstrat im Bereich eines oder beider seitlicher Ränder Ausnehmungen vorzugsweise gleichen Abstands und gleicher Länge aufweisen, wodurch zwischen den Ausklinkungen Laschen definiert sind, wobei in dem Elektrodenaufbau Laschen des ersten Trägersubstrat keine Überlappung oder Berührung mit Laschen des zweiten Trägersubstrats aufweisen;
und wobei weitere Schichten des Elektrodenaufbaus auf einander überlappenden Flächen des ersten und des zweiten Trägersubstrats ausgebildet werden. 13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter
gekennzeichnet durch wenigstens einen der Schritte:
Kalandrieren des Schichtaufbaus nach dem Spritzen; und
Konfektionieren des Elektrodenaufbaus als aktiver Bereich einer galvanischen Zelle, vorzugsweise enthaltend einen Schritt eines Wickeins des Elektrodenaufbaus, insbesondere auf einem flachen Kern, wobei der flache Kern vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet ist, oder Schritte eines Ablängens auf Zellenmaß und
Stapeins der abgelängten Abschnitte, wobei der Schritt des
Konfektionierens wenigstens den ersten der Schritte aufweist:
14. Galvanische Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Elektrodenaufbau der galvanischen Zelle durch einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist.
Vorrichtung, die zum Herstellen eines mehrschichtigen
Elektrodenaufbaus oder einer galvanischen Zelle insbesondere durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgelegt und eingerichtet ist und die aufweist:
eine Anordnung zum thermischen Spritzen oder Abscheiden, die ausgelegt und eingerichtet ist, wenigstens zwei Schichten aufeinander auszubilden,
wobei vorzugsweise eine Trocknungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgelegt und eingerichtet ist, eine aufgespritzten Schicht vor Ausbilden einer nächsten Schicht zu trocknen, wobei die Trocknungseinrichtung eine Zuführungseinrichtung aufweist, die zur Zuführung
vorkonditionierter, insbesondere getrockneter Luft ausgelegt und eingerichtet ist,
wobei ferner vorzugsweise eine Zuführungs- und Fördereinrichtung vorgesehen ist, die zur Zuführung und Förderung eines Trägersubstrats bzw. eines halbfertigen oder fertigen Elektrodenaufbaus ausgelegt und eingerichtet ist.
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