WO2023052613A1

WO2023052613A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer elektrode

Info

Publication number: WO2023052613A1
Application number: PCT/EP2022/077334
Authority: WO
Inventors: Tobias JANSEN
Original assignee: Volkswagen Ag
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-04-06
Also published as: KR20240055901A; CA3233223A1; DE102021211096A1; CN118043981A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Diese umfasst ein Förderband (8) mit einem Band (10), welches auf dessen Auflageseite (22) eine sich in Bandquerrichtung (Q) erstreckende erste Vertiefung (24) aufweist, und ein Laserschneidgerät (14) zum Schneiden einer auf dem Band (10) aufliegenden bandförmigen Elektrodenfolie (6) im Bereich der ersten Vertiefung (24). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere anhand einer solchen Vorrichtung (2).

Description

Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Elektrode

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen- Batteriezelle, wobei die Vorrichtung ein Förderband sowie ein Laserschneidgerät umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere anhand der Vorrichtung.

Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise eine Traktionsbatterie (Hochvoltbatterie, HV-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.

Eine solche Traktionsbatterie, welche als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet ist, weist zumindest eine Batteriezelle auf, welche wiederum zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode umfasst. Zur Herstellung solcher Anoden bzw. solcher Kathoden wird typischerweise eine folienartige und bandförmige Elektrodenfolie, insbesondere beidseitig, mit einer Beschichtung mit Aktivmaterial versehen. Die Beschichtung wird anschließend durch zumindest ein Walzenpaar eines Kalanders verdichtet. Darauf folgend wird die beschichtete Elektrodenfolie unter Bildung der einzelnen Anoden bzw. der einzelnen Kathoden zu- und/oder abgeschnitten.

Beispielsweise ist aus der JP 2013 136437 A eine Vorrichtung mit einem Förderband bekannt, anhand welcher aus einer Elektrodenfolie, die in (Elektrodenfolien-)Längsrichtung intermittierend beschichtet ist, Elektroden vereinzelt werden. Hierzu wird die Elektrodenfolie abgelängt und unter Bildung der Kontaktbereiche (Kontaktfahne, Abtieiterfahne) im beschichtungsfreien Bereich zugeschnitten. Das aus Stahlplatten gebildete Band des Förderbands weist dabei durchgehende Löcher auf. Diese dienen zur Vermeidung einer Einwirken des Schneidwerkzeugs auf das Band im Zuge des Schneidvorgangs der Elektrodenfolie.

Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die bandförmige Elektrodenfolie durchgehend beschichtet ist, wobei in (Elektrodenfolien-)Querrichtung ein unbeschichteter Bereich für die Kontaktabschnitte (Ableiterfahnen) vorgesehen ist. Werden zunächst die Kontaktabschnitte ausgeschnitten („Notching“), besteht allerdings insbesondere bei vergleichsweise hohen Transportgeschwindigkeiten und/oder bei vergleichsweise dünnen Elektrodenfolien die Gefahr, dass die ausgeschnittenen Kontaktabschnitte beim Umlenken der Elektrodenfolie und/oder beim Aufwickeln der Elektrodenfolie auf eine Vorratsrolle umknicken oder verbiegen. Aufgrund dessen werden die Kontaktabschnitte geprägt, so dass deren Biegesteifigkeit erhöht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie anzugeben. Insbesondere soll mittels des Verfahrens und/oder mittels der Vorrichtung eine möglichst zeitsparende Herstellung der Elektrode realisiert sein und/oder eine Beschädigung des Bandes des Förderbandes vermieden sein.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Vorrichtung sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.

Die Vorrichtung ist zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgesehen und eingerichtet. Eine solche Elektrode umfasst ein folienartiges Substrat, welches im Folgenden auch als Elektrodenfolie bezeichnet wird. Dies ist beispielsweise als eine Metallfolie, insbesondere einer Aluminiumfolie oder einer Kupferfolie, oder anhand als eine beschichtete Kunststoff- oder Kohlenstofffolie ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die Elektrodenfolie, vorzugsweise beidseitig, eine einem ersten Abschnitt mit einer Beschichtung versehen die Aktivmaterial umfasst. Weiterhin umfasst eine solche Elektrode einen Kontaktabschnitt, anhand dessen die Elektrode mit weiteren Elektroden, einem Zellableiter oder dergleichen elektrisch verbunden werden kann. Die Vorrichtung umfasst hierbei ein Förderband mit einem auch als Gurt oder als Transportband bezeichnetem Band. Besonders bevorzugt ist das Förderband als ein Vakuumförderband ausgebildet, wobei das Band zweckmäßig durchgehende Kanäle oder Löcher aufweist, so dass auf einer Auflageseite des Bandes, auf welcher das zu fördernde Gut - hier die beschichtete Elektrodenfolie und/oder die Elektrode(n) - aufliegt, ein Unterdrück erzeugbar und das Gut entsprechend an das Band fixierbar ist.

Das Band weist dabei auf dessen Auflageseite (Außenseite, Oberseite) eine sich in Bandquerrichtung erstreckende erste Vertiefung auf. Die Vertiefung ist dabei nicht durchgehend durch das Band, also nuten- oder fugenartig, ausgebildet. Beispielsweise beträgt eine Tiefe der Vertiefung zwischen einem Viertel und drei Viertel der Banddicke. Beispielsweise beträgt die Tiefe der Vertiefung zwischen 2 mm und 10 mm.

Unter der Bandquerrichtung ist dabei diejenige Richtung zu verstehen, die senkrecht zu einer Laufrichtung (Förderrichtung, Längsrichtung) des Bandes und senkrecht zur Normalen einer mittels des Bandes aufgespannten Ebene orientiert ist.

Zweckmäßigerweise weist das Band mehrere erste Vertiefungen auf, die äquidistant in Bandlängsrichtung zueinander beabstandet sind. Dabei definiert der Abstand der ersten Vertiefungen die Breite der herzustellenden Elektrode.

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Laserschneidgerät (Laserstrahlschneidgerät). Dieses dient zum Schneiden einer auf dem Band aufliegenden, also einer mit dem Förderband geförderten, Elektrodenfolie im Bereich der ersten Vertiefung, insbesondere entlang der ersten Vertiefung. Also erfolgt ein Schneiden der Elektrodenfolie entlang der Vertiefung. Mit anderen Worten wird ein vom Laserschneidgerät erzeugter Laserstrahl beim Schneiden entlang der Vertiefung geführt.

Der Laserstrahl ist zweckmäßigerweise auf die Auflageseite gerichtet, also ist das Laserschneidgerät auf die Vertiefung der Auflageseite gerichtet.

Das Laserschneidgerät ist beispielsweise ein Laserscanner oder umfasst mehrere Laserscanner. Alternativ ist das Laserschneidgerät ein Polygonlaserscanner.

Anhand dieser Vorrichtung ist es ermöglicht, die Elektroden durch Ablängen, also durch Abschneiden, der beschichteten Elektrodenfolie anhand eines entsprechend der ersten Vertiefung in Bandquerrichtung verlaufenden Transversalschnitts herzustellen. Das Laserschneidgerät ist also derart eingestellt und/oder derart orientiert, dass das Schneiden der Elektrodenfolie über der Vertiefung erfolgt. Aufgrund der Vertiefung ist also die Stelle des Einwirkens des Laserstrahls auf die Elektrodenfolie beabstandet zum Band. Zusammenfassend ist vorteilhaft aufgrund der ersten Vertiefung eine Einwirkung des Laserstrahls auf das Band vermieden und damit einhergehend die Gefahr einer Beschädigung dessen und/oder die Gefahr eines Anschweißens der Elektroden an das Band reduziert.

Im Vergleich zum eingangs erwähnten Stand der Technik gemäß der JP 2013 136 437 A, bei der durchgehende Löcher in das Band eingebracht sind, ist hier zudem ein besonders stabiles Band bereitgestellt. Die erhöhte Stabilität des Förderbands führt zu einer geringeren Höhenschwankungen in der Bearbeitungsebene und damit einhergehend zu einer homogeneren Schnittkantenqualität.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung weist das Band eine zweite Vertiefung auf, die L-förmig oder stufenförmig ausgebildet ist. Diese zweite Vertiefung ist für das Ausschneiden des Kontaktabschnittes der Elektrode aus der Elektrodenfolie anhand des Laserschneidgeräts vorgesehen. Mit anderen Worten dient die zweite Vertiefung für das „Notching“. Ein erster Abschnitt der zweiten Vertiefung erstreckt sich dabei ausgehend von der ersten Vertiefung in Bandlängsrichtung, also quer zur ersten Vertiefung. Ein zweiter Abschnitt der zweiten Vertiefung erstreckt sich parallel zur ersten Vertiefung zum seitlichen Rand des Bandes hin, also in Bandquerrichtung von einer Bandmitte nach Bandaußen.

Die zweite Vertiefung ist zweckmäßigerweise dezentral im Band angeordnet, also Bandquerrichtung versetzt zu einer Mittelebene des Bandes.

Sofern die zweite Vertiefung eine L-form aufweist, ist diese aus dem erstem Abschnitt als vertikaler L-Schenkel und dem zweiten Abschnitt als horizontaler L-Schenkel gebildet. Sofern die zweite Vertiefung eine stufenform aufweist, ist diese aus dem ersten und dem zweiten in analoger Weise zur L-Form gebildet, wobei ein weiterer dritter Abschnitt der zweiten Vertiefung sich ausgehen von einem Freiende des zweiten Abschnitts zu einem Ende einer weiteren, benachbarten ersten Vertiefung erstreckt.

Zweckmäßigerweise umfasst das Band mehrere zweite Vertiefungen, deren erster Abschnitt sich jeweils von einer der ersten Vertiefungen ausgehend erstreckt. Zusammenfassend sind die erste Vertiefung und die zweite Vertiefung zusammenhängend ausgebildet, mit anderen Worten bildet die erste Vertiefung, die zweite Vertiefung, und ggf. weitere erste und zweite Vertiefungen eine gemeinsame, unterbrechungsfreie Vertiefung im Band.

Zusammenfassend wird das geförderte Gut, hier also die Elektrodenfolie, derart zugeschnitten, dass die Kontaktabschnitte der Elektroden in Bandquerrichtung abstehen. Hierzu wird zweckmäßiger Weise eine durchgehend beschichtete Elektrodenfolie verwendet, welche endseitig hinsichtlich der Bandquerrichtung einen unbeschichteten Bereich für die Kontaktabschnitt aufweist.

Zweckmäßigerweise ist das Laserschneidgerät zusätzlich dazu vorgesehen und eingerichtet, das geförderte Gut im Bereich der zweiten Vertiefung, insbesondere entlang der zweiten Vertiefung zu schneiden.

Besonders vorteilhaft erfolgt also der Transversalschnitt, also das Ablängen der Elektrodenfolie sowie das Ausschneiden der Kontaktabschnitte gemeinsam anhand des Laserschneidgeräts auf dem Band. Im Vergleich zu Verfahren und Vorrichtungen, bei denen zunächst das Ausschneiden der Kontaktabschnitte erfolgt, anschließend die Elektrodenfolie aufgewickelt und darauf folgend einer weiteren Vorrichtung zum Ablängen zugeführt wird, ist hierbei die relative Lage der Kontaktabschnitte und des Transversalschnittes, und damit einhergehend dem Ende der Elektrode in Bandlängsrichtung, bereits durch den gemeinsamen Schneidprozess anhand des Laserschneidgeräts definiert. Eine unerwünschte Abweichung von einer vorgegebenen relativen Lage ist somit vorteilhaft vermieden. Des Weiteren ist bei dem Ablängen und Zuschneiden der Kontaktabschnitte in einem gemeinsamen Schneidprozess auf dem Band ein Aufwickeln der Elektrodenfolie auf eine Vorratsrolle nach dem Notching nicht weiter gegeben, so dass vorteilhaft ein Prägen der Kontaktabschnitte bzw. des unbeschichteten Bereich der Elektrodenfolie nicht notwendig ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist das Band eine Schichtstruktur mit einer Trägerschicht und mit einer Auflageschicht für die Elektrodenfolie auf. Insbesondere ist das Band anhand der Schichtstruktur gebildet.

Die Trägerschicht ist dabei bevorzugt aus einem Metall, einer Metalllegierung oder aus Glasfaser gebildet oder umfasst zumindest eines dieser Materialen, so dass das Band eine vergleichsweise hohe Formstabilität aufweist. Zusätzlich oder alternativ hierzu werden für die Träger- schicht solche Materialien eingesetzt, deren Absorptionskoeffizient für die eingesetzte Laserstrahlung vergleichsweise gering bzw. vollständig transparent sind. Die Auflageschicht bildet die Auflageseite des Bandes, mit anderen Worten ist die Auflageschicht bandaußenseitig angeordnet und dem Laserschneidgerät zugewandt.

Beispielweise umfasst die Schichtstruktur eine weitere untere Schicht, wobei die die Trägerschicht zwischen der Auflageschicht und der unteren Schicht angeordnet ist. Die untere Schicht ist optional. Vorzugsweise wird ein solches Material für die untere Schicht verwendet welches eine vergleichsweise abriebfest, flexibel, thermisch stabil und/oder einfach zu reinigen ist Hierzu ist beispielsweise ein thermoplastischer Kunstsoff oder dergleichen geeignet. Eine derart ausgebildete untere Schicht bietet insbesondere tribologische Vorteile hinsichtlich einer höheren Haftfestigkeit, so dass kein oder zumindest ein vergleichswiese stark reduzierter Schlupf an der Antriebswalze auftritt. Zudem ist mittels der unteren Schicht ein Verschleiß des Bandes, insbesondere der Trägerschicht reduziert oder reduzierbar, eine höhere Laufruhe realisiert, und/oder ein Geräuschpegel reduziert oder reduzierbar.

Geeigneter Weise ist die erste Vertiefung und/oder die zweite Vertiefung mittels einer nutenartigen Aussparung der Auflageschicht gebildet. Beispielsweise ist die Aussparung durchgehend durch Auflageschicht in Richtung der Normalen des Bandes. Die erste und/oder zweite Vertiefung wird also nicht anhand der Trägerschicht gebildet, so dass diese besonders formstabil ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist auf dem Band eine Markierung zur Bestimmung der Lage der ersten Vertiefung und/oder der zweiten Vertiefung für den Schneidprozess durch das Laserschneidgerät angeordnet. Vorzugsweise ist für jede der ersten Vertiefungen eine Markierung auf dem Band angeordnet, wobei die Markierungen die gleiche relative Lage zur jeweils zugeordneten ersten Vertiefung aufweisen. Die Markierungen sind somit äquidistant in Bandlängsrichtung beabstandet.

Zweckmäßigerweise ist die Markierung bzw. sind die Markierungen randseitig also in Bandquerrichtung außenseitig, insbesondere auf der Auflageschicht, angeordnet, so dass diese auch bei der Förderung der Elektrodenfolie nicht durch diese verdeckt sind.

Die Markierung ist beispielsweise ein Muster auf dem Band, insbesondere ein QR-Code, oder eine Struktur des Bandes, insbesondere ein Lochmuster des Bandes. Anhand der Markierung bzw. anhand der Markierungen ist vorteilhaft ein Schlupf der Elektrodenfolie, also eine Relativverschiebung der geförderten Elektrodenfolie zum Förderband, der insbesondere aufgrund des Zuführens der Elektrodenfolie auf das Förderband auftritt, bestimmbar und ggf. korrigierbar. Auf diese Weise ist eine Uneinheitlichkeit der Breite der herzustellenden Elektroden, also deren Ausdehnung in Bandlängsrichtung, vermieden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme der Elektroden vom Band, wobei die Aufnahmeeinheit rotatorisch angetrieben ist. Anhand einer rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit ist eine vergleichsweise schnelle Aufnahme der Elektroden realisierbar, so dass eine Herstellungsrate vorteilhaft erhöht ist.

Beispielsweise ist die Aufnahmeeinheit als ein Stapelrad ausgebildet, dem die Elektroden zweckmäßig anhand des Förderbandes zugeführt werden.

Alternativ hierzu umfasst die Aufnahmeeinheit einen, vorzugweise mehr als einen, Greifer oder Sauger, anhand dessen die mittels des Bandes geförderten Elektroden vom Band entnommen werden können. Die Greifer bzw. die Sauger sind dabei auf einer kreisförmigen Bahn um eine gemeinsame (erste) Drehachse verfahrbar. Vorzugsweise zusätzlich ist jeder der Greifer/Sau- ger um eine weitere (zweite) Drehachse rotierbar, die parallel zur ersten Drehachse ist. Anhand der Rotation des jeweiligen Greifers/Saugers ist dessen Geschwindigkeit derjenigen des Förderbandes anpassbar.

Aufgrund der jeweiligen zweiten Drehachse wirken keine Schubkräfte auf die Elektrode, da nicht an der Elektrode vorbei geschliffen wird, sondern auf diese aufsetzt wird. Dies resultiert vorteilhaft auch in einer vergleichsweise hohen Ablagegenauigkeit.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Band nach einem Zuschneidebereich, welcher für das Laserschneiden vorgesehen ist, zwischen 90 ° und 180°, insbesondere um 135°, zur Bildung eines Entnahmebereichs für die Entnahme der Elektroden mittels der Aufnahmeeinheit umgelenkt. Mit anderen Worten ist die (Förderrichtung) Bewegungsrichtung des Bandes im Zuschneidebereich zwischen 90° und 180°, insbesondere anhand einer Umlenkrolle des Förderbandes, gegen die Bewegungsrichtung des Bandes im Entnahmebereich geneigt. Auf diese Weise ist vorteilhaft sowohl eine Entnahme der Elektroden vom Band als auch ein Stapeln der Elektroden oder deren Magazinieren anhand der rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit mit Greifern/Saugern ermöglicht. ln zweckmäßiger Ausgestaltung erstrecken sich von der ersten Vertiefung und/oder von der zweiten Vertiefung Kanäle zum Abtransport von Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses zu einer Unterseite des Bandes. Die Vertiefung hat somit eine Doppelfunktion. Zum einen wird ein Einwirken des Lasers auf das Band vermieden, zum anderen werden diese zum Abtransport der Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses genutzt.

Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, das als Rolle-zu-Blatt-Verfahren („roll-to-sheet-process“) ausgebildet ist. Hierbei wird also aus einer bandförmigen beschichteten Elektrodenfolie, die von einer Vorratsrolle abgewickelt wird, einzelne Elektroden (Elektrodenblätter) hergestellt. Vorzugsweise wird hierzu eine Vorrichtung verwendet, die in einer der oben dargestellten Varianten mit einer ersten und einer zweiten Vertiefung ausgebildet ist.

Die Elektrodenfolie ist dabei durchgehend beschichtet, wobei diese endseitig in Elektrodenfolienquerrichtung einen unbeschichteten Bereich für die Kontaktabschnitte aufweist.

Verfahrensgemäß wird die Elektrodenfolie nach dem Abwickeln dem, insbesondere als Vakuumförderband, ausgebildeten Förderband zugeführt, so dass die Elektrodenfolie auf dem Band des Förderbandes aufliegt und von diesem gefördert wird. Dabei ragt das Elektrodenband nicht in Bandquerrichtung über das Band hinaus.

Weiterhin wird sowohl ein Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts der Elektrode als auch ein Transversalschnitt zur Abtrennen der Elektrode von der Elektrodenfolie mittels eines Laserstrahls durchgeführt. Dabei ist der entsprechende Schnittbereich der Elektrodenfolie vollständig über dem Band angeordnet ist.

Wie bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung dargestellt ist durch das Ablängen und durch das Notching in einem gemeinsamen Schneidprozess eine relative der Lage der Kontaktabschnitte zum Beschichteten Bereich fest definiert und eine Relativverschiebung dieser zueinander vermieden. Zudem ist ein Prägen des unbeschichteten Bereichs der Elektrodenfolie oder der Kontaktabschnitte (Ableiterfahnen) nicht weiter notwendig.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird die Elektrode mittels einer rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit, insbesondere einer Aufnahmeeinheit gemäß einer der im Zusammenhang mit der Vorrichtung dargestellten Varianten, vom Band entnommen. Folglich ist eine Aufnahme der Elektroden vom Band und ggf. ein Stapeln oder Magazinieren der Elektroden vergleichsweise schnell möglich.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung, also der Vorrichtung und des Verfahrens liegt darin, dass das Elektrodenband und das Förderband kontinuierlich, und zweckmäßig mit konstanter Fördergeschwindigkeit, bewegt werden kann. Im Vergleich zu einem Stop-and-Go-Verfahren ist somit eine Prozessrate erhöht.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode, wobei die Vorrichtung ein Förderband zum Fördern einer Elektrodenfolie, ein Laserschneidgerät zum Schneiden der Elektrodenfolie unter Bildung der Elektrode sowie eine rotatorisch angetriebene Aufnahmeeinheit zur Entnahme der Elektrode vom Förderband aufweist,

Fig. 2 schematisch das Band des Förderbandes gemäß einer ersten Variante in Draufsicht, wobei das Band sich in Bandquerrichtung erstreckende Vertiefungen aufweist,

Fig. 3 schematisch das Band des Förderbandes gemäß einer zweiten Variante in Draufsicht, wobei das Band zusätzlich eine sich stufenförmig erstreckende zweite Vertiefung aufweist,

Fig. 4a, b schematisch einen Querschnitt durch das Band gemäß der Schnittebene IVa-IVa bzw. entlang der Schnittebene der IVb-IVb der Fig. 3

Fig. 5 anhand eines Flussdiagramms einen Verfahrensablauf zur Herstellung einer Elektrode insbesondere anhand der Vorrichtung gemäß der Fig. 1 mit dem Band gemäß der Fig. 3, und

Fig. 6 schematisch eine beschichtete Elektrodenfolie und eine aus dieser ausgeschnittene Elektrode.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. In der Fig. 1 ist schematisch in einer Seitenansicht eine Vorrichtung 2 zur Herstellung einer Elektrode 4 für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle dargestellt. Die Vorrichtung 2 ist dabei dazu eingerichtet, aus einer bandförmigen Elektrodenfolie 6 (vgl. auch Fig. 6) in einem Rolle-zu-Blatt- Verfahren zumindest eine, zweckmäßigerweise eine Vielzahl, an Elektroden herzustellen.

Die Vorrichtung 2 umfasst ein als Vakuumförderband ausgebildetes Förderband 8, dessen Band 10 anhand von Umlenkrollen 12 geführt und/oder angetrieben ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 2 ein Laserschneidgerät 14 zum Schneiden der auf dem Band 10 geförderten und auf dieser aufliegenden Elektrodenfolie 6. Die Vorrichtung umfasst dabei eine bezüglich des Bandes 10 laserschneidgerätseitige Absaugeinrichtung 16 zum Abtransport von beim Schneidprozess entstehenden Ablationsprodukten. Das Band ist in der Fig. 1 zur besseren Erkennbarkeit der Elektrodenfolie 6 strichpunktiert dargestellt.

In den Figuren 2 und 3 ist eine erste Variante bzw. eine zweite Variante des Bandes 10 schematisch in einer Draufsicht gezeigt. Gemäß beider Varianten weist das Band 10 durchgehende Vakuumkanäle 18 auf, so dass anhand einer Pumpe 20 oder anhand eines Kompressors oder dergleichen ein Unterdrück auf der Auflageseite 22 des Bandes 10 erzeugt werden kann, so dass die Elektrodenfolie 6 bzw. die Elektrode(n) 4 auf dem Band 10 fixiert werden können. Weiterhin ist beiden Varianten gemeinsam, dass das Band 10 auf dessen Auflageseite 22 eine Anzahl an sich in Bandquerrichtung Q erstreckenden ersten Vertiefungen 24 aufweist. Die ersten Vertiefungen 24 sind dabei äquidistant im Band 10 angeordnet, wobei anhand des Abstands der ersten Vertiefungen 24 zueinander eine Breite b der herzustellenden Elektroden 4 definiert ist.

Bei der zweiten Variante des Bandes 10 gemäß der Fig. 3 weist dieses zusätzlich zur ersten Vertiefung 24 eine Anzahl an zweiten Vertiefungen 26 auf. Jede der zweiten Vertiefungen 26 ist stufenförmig ausgebildet. Dabei erstrecken sich die zweiten Vertiefungen 26 jeweils von einer der ersten Vertiefungen 24 zur zu dieser benachbarten ersten Vertiefung 24. Ein erster Abschnitt 26a der jeweiligen zweiten Vertiefung 26 erstreckt sich dabei ausgehend von der jeweiligen ersten Vertiefung 24 in Bandlängsrichtung L des Bandes 10. Ein zweiter Abschnitt 26b der zweiten Vertiefung 26 erstreckt sich ausgehend vom demjenigen Ende des ersten Abschnitts 26a, welcher der ersten Vertiefung 24 abgewandt ist, in Bandquerrichtung Q von einer Mittelebene des Bandes 10 weg. Zusammenfassend bilden der erste und der zweite Abschnitt 26a, 26b eine L-förmige Vertiefung, wobei der erste Abschnitt 26a den vertikalen L-Schenkel und der zweite Abschnitt 26b den horizontaler L-Schenkel bildet. Dabei erstreckt sich der erste Abschnitt 26a durchgehend von der ersten Vertiefung 24 zum zweiten Abschnitt 26b. Ein dritter Abschnitt 26c der zweiten Vertiefung 26 erstreckt sich in Bandlängsrichtung L unter Bildung einer Stufenform der zweiten Vertiefung 26 von dem dem ersten Abschnitt 26a abgewandten Ende des zweiten Abschnitts 26b zur benachbarten ersten Vertiefung 24. Der dritter Abschnitt 26c ist dabei optional. Dieser ist insbesondere dann nicht vorhanden, wenn Höhe hß eines unbeschichteten Abschnitts 28 der Elektrodenfolie 6 einer vorgegebenen Höhe hK des Kontaktabschnitts 30, also der Ausdehnung des Kontaktabschnitts 30 in Elektrodenfolienquerrichtung QE, entspricht (vgl. auch Fig. 6).

Die ersten Vertiefungen 24 und die zweiten Vertiefungen 26 bilden dabei ein sich in Bandlängsrichtung L periodisch wiederholendes Muster, entlang welchem die mittels des Bandes 10 geförderte Elektrodenfolie 6 anhand des Laserschneidgeräts 14 geschnitten wird. Mit anderen Worten wird die Elektrodenfolie 6 im Bereich, insbesondere entlang, der ersten und zweiten Vertiefungen unter Bildung der Elektrode(n) anhand des Laserschneidgeräts 14 geschnitten. Die sich in Bandquerrichtung Q erstreckenden ersten Vertiefungen 24 sind dabei für einen Transversalschnitt, also für ein Ablängen der Elektrodenfolie 6 vorgesehen. Entsprechend sind für das Ausschneiden des Kontaktabschnitts 30 der jeweiligen Elektrode 4 die zweiten Vertiefungen 26 vorgesehen. Aufgrund der Vertiefungen 24, 26 ist die Elektrodenfolie 6 in demjenigen Bereich, in welchem diese anhand des Laserschneidgeräts 14 geschnitten wird, beabstandet vom Band 10, so dass ein Einwirken des vom Laserschneidgerät 14 ausgegebenen Laserstrahls auf das Band 10 vermieden ist.

Wie insbesondere in den Fig. 4a und 4b erkennbar ist, weist das Band 10 eine Schichtstruktur mit einer Trägerschicht 32 auf, welche aus einem Metall, aus einer Legierung, aus Glasfasern , oder aus einem Material, dessen Absorptionskoeffizienten für die eingesetzte Laserstrahlung sehr gering bzw. vollständig transparent ist, gebildet ist. Auf einer Seite der Trägerschicht ist eine Auflageschicht 34 angeordnet. Die Trägerschicht bildet dabei die Auflageseite 22 des Bandes, auf welcher die Elektrodenfolie 6 beim Fördern aufliegt. Auf der anderen Seite der Trägerschicht 32 ist optional eine untere Schicht 36 angeordnet, welche in Kontakt mit den Umlenkrollen 12 ist.

Die erste Vertiefung 24 und die zweite Vertiefung 26 sind nutenartig ausgebildet. Also erstreckt sich die erste Vertiefung 24 und die zweite Vertiefung 26 ausgehend von der Auflageseite 22 ausgehend zu einer (Band-) Unterseite 38 hin. Jede der ersten Vertiefungen 24 und jede der zweiten Vertiefungen 26 sind also mittels einer nutenartigen Aussparung 40 der Auflageschicht 34 gebildet. Mit anderen Worten erstreckt sich jede der ersten und zweiten Vertiefungen 24, 26 lediglich innerhalb der Auflageschicht 34.

Weiterhin erstrecken sich von den Vertiefungen 24,26 jeweils Kanäle 42 durch das Band BD, also durch die Trägerschicht und durch die untere Schicht. Diese Kanäle 42 dienen dem Abtransport von Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses.

Für das Schneiden der Elektrodenfolie 6 sind in einem Randbereich des Bands 10 für jede erste Vertiefung 24 jeweils eine Markierung 44 angeordnet. Diese ist hier beispielhaft als QR-Code ausgebildet und dient der zur Bestimmung der Lage der ersten Vertiefung 24 für den Schneidprozess, da die Vertiefungen 24, 26 von der Elektrodenfolie 6 verdeckt sind. Das Laserschneidgerät 14 umfasst entsprechend eine (nicht weiter dargestellte) Erfassungseinheit, beispielsweise ein Kamera und eine Auswerteeinheit, anhand welcher die Lage der ersten Vertiefungen 24, 26 und damit einhergehend die Ausrichtung bzw. Orientierung des anhand des Laserstrahlgeräts 14 für das Schneiden erzeugten Laserstrahls eingestellt wird.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ist das Band 10 nach einem Zuschneidebereich 46, in welchem das Schneiden der Elektrodenfolie 6 erfolgt, anhand einer Umlenkrolle 12 um einen Winkel zwischen 90 ° und 180°, hier beispielhaft um 135° umgelenkt. Auf dieses Weise ist ein Aufnahmebereich 48 gebildet, in welchem eine rotatorisch angetriebene Aufnahmeeinheit 50 die Elektroden 4 vom Band 10 aufnehmen kann.

Die Aufnahmeeinheit 50 legt die aufgenommenen Elektroden 4 auf einem Stapel in einem Magazin 58 ab.

Die Aufnahmeeinheit 50 umfasst eine Anzahl an, Greifern oder Saugern 60, anhand dessen die mittels des Bandes 10 geförderten Elektroden 4 vom Band 10 entnommen werden. Die Greifer bzw. die Sauger 60 sind dabei auf einer kreisförmigen Bahn um eine gemeinsame erste Drehachse Ri (Rotationsachse) verfahrbar. Zusätzlich ist jeder der Greifer/Sauger jeweils um eine zweite Drehachse R2 rotierbar, die parallel zur ersten Drehachse Ri ist und auf der kreisförmigen Bahn verläuft. Anhand der Rotation des jeweiligen Greifers/Saugers um dessen zweite Drehachse R2 ist dessen Geschwindigkeit derjenigen des Bandes 10 anpassbar. Dabei ist stets die erste Drehachse Ri der Aufnahmeeinheit 50 parallel zur Bandquerrichtung Q des Bandes 10. In der Fig. 1 ist die Drehung um die zweite Drehachse R2 lediglich in einer Drehrichtung - in der Ansicht der Fig. 1 gegen den Uhrzeigersinn - dargestellt. Vorzugsweise ist der jeweilige Greifer/Sauger in beide Drehrichtungen um die zweite Drehachse R2 rotierbar. In der Fig. 5 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das zusammenfassend ein als Rolle-zu-Blatt ausgebildetes Herstellungsverfahren einer Elektrode 4 anhand der oben dargestellten Vorrichtung repräsentiert.

Hierbei wird in einem ersten Schritt I. die bandförmige Elektrodenfolie 6 (vgl. ach Fig. 6) von einer Vorratsrolle 52 anhand einer Abwickeleinrichtung 54 abgewickelt und dem Förderband 8 zugeführt.

Die bandförmige Elektrodenfolie 6 wird auf dem Band 10 des Förderbandes 8 in Förderrichtung F in den Zuschneidebereich 46 gefördert, wo die Elektrodenfolie 6 anhand des Laserschneidgeräts 14 sowohl mit einem Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts 30 der jeweiligen Elektrode 4 als auch mit einem Transversalschnitt zur Abtrennen der jeweiligen Elektrode 4 von der Elektrodenfolie 6 versehen wird (Schritt II.). Dabei wird das Band 10 vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit verfahren.

Da die Elektrodenfolie 6 nicht über das Band 10 in Bandquerrichtung Q hinausragt, ist der entsprechende Schnittbereich für den Transversalschnitt und für den Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts 30 vollständig über dem Band angeordnet.

Die beim Zuschneiden verbleibenden Reste der Elektrodenfolie 6 werden über ein nicht weiter dargestelltes Reinigungskonzept vom Förderband 8 entfernt.

Anschließend wird die ausgeschnittene Elektrode 4 aus dem Zuschneidebereich 46 in den Aufnahmebereich 48 gefördert, wo die Elektrode 4 mittels der rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit 50 vom Band 10 entnommen und anschließend im Magazin 58 anhand der Aufnahmeeinheit 50 abgelegt und gestapelt wird (Schritt III.).

In der Fig. 6 ist schematisch in Draufsicht die beschichtete Elektrodenfolie 6 sowie eine anhand der Vorrichtung 2 und/oder gemäß des Verfahrens aus dieser Elektrodenfolie 6 herausgeschnittene Elektrode 4 dargestellt. Die bandförmige Elektrodenfolie 6 weist einen ersten Bereich 62 auf, in welchem diese, vorzugsweise beidseitig beschichtet ist. Dabei ist die Elektrodenfolie 6 im ersten Bereich 62 bezüglich einer Elektrodenbandlängsrichtung LE durchgehend, also unterbrechungsfrei, beschichtet. Endseitig in einer zur Elektrodenbandlängsrichtung LE senkrecht orientierten Elektrodenfolienquerrichtung QE (Elektrodenbandquerrichtung QE) weist die Elektroden- folie 6 den unbeschichteten Bereich 28 auf, der zur Bildung der Kontaktabschnitte 30 vorgesehen ist. Nach dem Transversalschnitt entlang der ersten Vertiefung 24 und dem Konturschnitt entlang der zweiten Vertiefung 26 ist die Elektrode 4 mit dem Kontaktabschnitt 30 und einem beschichteten Abschnitt 56 gebildet, also hergestellt.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

Vorrichtung

Elektrode

Elektrodenfolie

Förderband

Band

Umlenkrolle

Laserschneidgerät

Absaugeinrichtung

Vakuumkanal

Pumpe

Auflageseite des Bandes erste Vertiefung zweite Vertiefung a erster Abschnitt der zweiten Vertiefung b zweiter Abschnitt der zweiten Vertiefung c dritter Abschnitt der zweiten Vertiefung unbeschichteter Bereich der Elektrodenfolie

Kontaktabschnitt

Trägerschicht

Auflageschicht

Schicht

Unterseite des Bandes

Aussparung

Kanal

Markierung 46 Zuschneidebereich

48 Aufnahmebereich

50 Aufnahmeeinheit

52 Vorratsrolle

54 Abwickeleinrichtung

56 beschichteter Abschnitt der Elektrode

58 Magazin

60 Greifer/Sauger

62 beschichteter Bereich der Elektrodenfolie b Breite der Elektrode

F Förderrichtung hK Höhe des Kontaktabschnitts hß Höhe des unbeschichteten Bereichs der Elektrodenfolie

L Bandlängsrichtung

LE Elektrodenfolienlängsrichtung

Q Bandquerrichtung

Ri erste Rotationsachse

R2 zweite Rotationsachse

I. Fördern der Elektrode

II. Schneiden der Elektrodenfolie

III. Aufnahme der Elektrode und Ablage der Elektrode

Claims

Patentansprüche Vorrichtung (2) zur Herstellung einer Elektrode (4), insbesondere für eine Lithium-Ionen- Batteriezelle, aufweisend

- ein Förderband (8), insbesondere ein Vakuumförderband, mit einem Band (10), welches auf dessen Auflageseite (22) eine sich in Bandquerrichtung (Q) erstreckende erste Vertiefung (24) aufweist, und

- ein Laserschneidgerät (14) zum Schneiden einer auf dem Band (10) aufliegenden Elektrodenfolie (6) im Bereich der ersten Vertiefung (24). Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Band (10) eine L- oder stufenförmige zweite Vertiefung (26) für das Ausschneiden eines Kontaktabschnitts (30) anhand des Laserschneidgeräts (14) aufweist, wobei sich ein erster Abschnitt (26a) der zweiten Vertiefung (26) ausgehend von der ersten Vertiefung (24) in Bandlängsrichtung (L) und ein zweiter Abschnitt (26b) der zweiten Vertiefung (26) parallel zur ersten Vertiefung (24) zum seitlichen Rand des Bandes hin erstreckt. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (10) eine Schichtstruktur mit einer Trägerschicht (32) und mit einer Auflageschicht (34) für die Elektrodenfolie aufweist. Vorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vertiefung (24) und/oder die zweite Vertiefung (VT) mittels einer nutenartigen Aussparung (40) der Auflageschicht (34) gebildet ist. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Band (10) eine Markierung (44) zur Bestimmung der Lage der ersten Vertiefung (24) für den Schneidprozess durch das Laserschneidgerät angeordnet ist. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Aufnahmeeinheit (50) zur Aufnahme der Elektroden (4) vom Band (10), wobei die Aufnahmeeinheit (50) rotatorisch angetrieben ist. Vorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (10) nach einem Zuschneidebereich (46) zwischen 90 ° und 180°, insbesondere um 135°, zur Bildung eines Aufnahmebereichs (48) für die Aufnahme der Elektroden (4) mittels der Aufnahmeeinheit (50) umgelenkt ist. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der ersten Vertiefung (24) und/oder von der zweiten Vertiefung (26) Kanäle (42) zum Abtransport von Ablationsprodukten des Laserschneidprozesses zu einer Bandunterseite durchgehend erstrecken. Als Rolle-zu-Blatt-Verfahren ausgebildetes Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (4) aus einer Elektrodenfolie (6), insbesondere mittels einer nach einem der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildeten Vorrichtung (2),

- wobei eine bandförmige Elektrodenfolie (6) auf einem Band (10) eines Förderbandes (8) gefördert wird,

- wobei sowohl ein Konturschnitt zur Bildung des Kontaktabschnitts der Elektrode (4) als auch ein Transversalschnitt zur Abtrennen der Elektrode (4) von der Elektrodenfolie (6) mittels eines Laserstrahls durchgeführt wird, wobei der Schnittbereich der Elektrodenfolie (6) vollständig über dem Band (10) angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (4) mittels einer rotatorisch angetriebenen Aufnahmeeinheit (50) vom Band (10) entnommen werden.