Objekten

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten, insbesondere zum Schneiden von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren.

Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 1 15 1 18 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.

Als elektrochemische Energiespeicher sind Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher) bekannt, die aus einer oder mehreren Speicherzellen aufgebaut sind, in denen bei Anlegen eines Ladestroms elektrische Energie in einer elektrochemischen Ladereaktion zwischen einer Kathode und einer Anode in bzw. zwischen einem Elektrolyten in chemische Energie umgewandelt und so gespeichert wird und in denen bei Anschließen eines elektrischen Verbrauchers chemische Energie in einer elektrochemischen Entladereaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei werden Primärspeicher in der Regel nur ein Mal aufgeladen und nach ihrer Entladung entsorgt, während Sekundärspeicher mehrere (von einigen 100 bis über 10.000) Zyklen von Aufladung und Entladung erlauben. In diesem Zusammenhang ist anzu- merken, dass insbesondere im Kraftfahrzeugbereich auch Akkumulatoren als Batterien bezeichnet werden.

Die Elektroden und die Separatoren werden in einer sehr großen Anzahl benötigt, weshalb Bedarf an hochqualitativen, effektiven und kostengünstigen Fertigungsverfahren besteht. Bei der Fertigung der Elektroden und Separatoren ist zu beachten, dass diese Komponenten für den Zusammenbau der Elektrodenstapel bzw. Zellen in entsprechende Abmessungen zu schneiden sind. Für eine durchgehende Fertigungslinie werden die Elektroden und die Separatoren aus Elektrodenbändern bzw. Separatorenbändern geschnitten.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , ein System zum Schneiden nach Anspruch 16 und eine Batterie nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nach einem ersten Gesichtspunkt wird bei einem Verfahren zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten, insbesondere von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Schneideverfahren die Schritte aufweist: ein Heranführen der zu schneidenden Objekte an eine Laserschneidevorrichtung und ein Schneiden der Objekte mit der Laserschneidevorrichtung derart, dass an den Schnittkanten ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass das mindestens teilweise Verschmelzen an den Schnittkanten eine vereinfachte Hand- habung der Elektroden und Separatoren ermöglicht, da die Gefahr von Mikro- rissen bei mechanischen Beanspruchung während der Montage verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt auch darin, dass durch die erhöhte Festigkeit an den Schnittkanten die Lebensdauer der Elektroden und der Separatoren erhöht ist und dass Batterien mit derartig hergestellten Elektroden und Separatoren eine erhöhte Zyklenzahl durchlaufen können. Gegenüber her- kömmlichen mechanischen Schneideverfahren liegen Vorteile des erfindungsgemäßen Schneideverfahrens darin, dass eine gleichbleibende Qualität der Schnittkanten erreicht werden kann und dass keine mechanische Belastung auf die Schnittkanten einwirkt und dass weniger Partikel bei diesem Schneid- verfahren erzeugt werden, so dass während der Herstellung die Reinigung der Elektroden und der Separatoren vereinfacht wird. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Schneideverfahrens liegen darin, dass das Verfahren verschleißfrei durchgeführt werden kann und dass die Herstellung verschiedener Geometrien der Elektroden und der Separatoren vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil gegenüber mechanischen Schneideverfahren liegt auch darin, dass die Schnittkanten einen glatten Schnittverlauf aufweisen.

Unter einem „elektrochemischen Energiespeicher" soll im Rahmen dieser Erfindung jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei im Innern des Energiespeichers eine elektrochemische Reaktion abläuft. Der Begriff umfasst Energiespeicher aller Art, insbesondere Primärbatterien und Sekundärbatterien. Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist wenigstens eine elektrochemische Zelle, bevorzugt mehrere elektrochemische Zellen auf. Die mehreren elektrochemischen Zellen können zum Speichern einer größeren Ladungsmenge parallel geschaltet sein oder zur Erzielung einer gewünschten Betriebsspannung in Serie geschaltet sein oder eine Kombination aus Parallel- und Serienschaltung bilden.

Unter einer „elektrochemischen Zelle" soll im Rahmen dieser Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche der Abgabe elektrischer Energie dient, wobei die Energie in chemischer Form gespeichert wird. Im Fall von wieder- aufladbaren Sekundärbatterien ist die Zelle auch ausgebildet, um elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie umzuwandeln und abzuspeichern. Die Gestalt (d.h. insbesondere die Größe und die Geometrie) einer elektrochemischen Zelle kann abhängig von dem verfügbaren Raum gewählt werden. Bevorzugt ist die elektrochemische Zelle im Wesentlichen prismatisch oder zylindrisch ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für elektrochemische Zellen in vorteilhafter Weise einsetzbar, die als Pouch-Zellen oder Coffeebag-Zellen bezeichnet werden, ohne dass die elektrochemische Zelle der vorliegenden Erfindung auf diese Anwendung beschränkt sein soll.

Eine solche elektrochemische Zelle weist üblicherweise einen Elektrodenstapel auf, der von einer Umhüllung zumindest teilweise umschlossen ist. Für die vorliegende Erfindung soll unter einem„Elektrodenstapel" eine Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten verstanden werden. Der Elektrolyt kann teilweise von einem Separator aufgenommen sein, wobei der Separator dann die Elektroden trennt. Bevorzugt weist der Elektrodenstapel mehrere Schichten von Elektroden und Separatoren auf, wobei die Elektroden gleicher Polarität jeweils vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden, insbesondere parallel geschaltet sind. Die Elektroden sind zum Beispiel plattenförmig oder folienartig ausgebildet und sind bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Der Elektrodenstapel kann auch gewickelt sein und eine im Wesent- liehen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff „Elektrodenstapel" soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Der Elektrodenstapel kann Lithium oder ein anderes Alkalimetall auch in ionischer Form aufweisen.

Unter einem „blatt- oder plattenförmigen Objekt" soll im Rahmen dieser Erfindung ein im Wesentlichen flächiger Gegenstand, vorzugsweise ein dünner flächiger Gegenstand, verstanden werden. Ein flächiger Gegenstand ist dabei ein Gegenstand, dessen Abmessungen in einer Richtung senkrecht zu seiner Fläche (auch als Dickenrichtung bezeichnet) wesentlich geringer sind als die Abmessungen der größten Strecken, die vollständig innerhalb der Fläche liegen. Bevorzugt weisen bei dem Verfahren die thermoplastischen Kunststofffasern einen thermoplastischen Polyester, insbesondere Polythylenterephthalat auf.

Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Schneidens der Objekte von der Laserschneidevorrichtung mindestens teilweise mit einen gepulsten Laser durchgeführt, der mindestens eines der folgenden Charakteristiken aufweist: eine maximale Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1300 nm, vorzugsweise maximale Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich und besonders bevorzugt eine maximale Wellenlänge von 1070 nm, eine Pulsdauer in einem Pulsdauerbereich von 5 ps bis 200 ns, vorzugsweise eine Pulsdauer von 30 ns, eine Frequenz in einem Frequenzbereich von 40 kHz bis 5000 kHz, vorzugsweise von 250 kHz bis 1000 kHz und eine Frequenz von 500 kHz, einen Überlapp über 50 %, vorzugsweise einen Überlapp über 90 %, eine Strahlqualität < 2 M ² ; eine Leistung in einem Leistungsbereich von 1 kW bis 20 kW, vorzugsweise eine Leistung von 5 kW, eine Laserbrennfleckgröße kleiner als 1000 μητι, vorzugsweise eine Laserbrennfleckgröße kleiner als 300 pm. Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Schneidens der Objekte von der Laserschneidevorrichtung mit einer Schnittgeschwindigkeit in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,01 m/s bis 20 m/s, vorzugsweise in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,05 m/s bis 6,0 m/s und besonders bevorzugt in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,5 m/s bis 4,0 m/s durchgeführt. Bevorzugt liegt bei dem Verfahren bei dem Schritt des Schneidens der Objekte die Schnittkanten der Objekte über einem Schlitz einer geschlitzten Auflage auf. Vorteile dieser Ausgestaltung liegen darin, dass ein Wärmestau im Bereich der Auflage vermieden werden kann und dass entstehende Schneidgase sowohl oberhalb als auch unterhalb der zu schneidenden Objekte abgesogen werden können.

Bevorzugt weist das Verfahren ein Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten, insbesondere ein Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurzschlüssen auf. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Schneidvorgänge schnell durchgeführt werden können und die Schnittkanten eine für die weitere Verwendung benötigte Qualität aufweisen, da mit den Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten ikrokurzschlüsse vermieden bzw. hinreichend verringert werden können

Bevorzugt weist bei dem Verfahren der Schritt des Durchführens von Be- arbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurz- Schlüssen ein Strukturieren der Schnittkanten auf. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch ein derartiges Strukturieren Mikrokurzschlüsse besonders schnell und effektiv vermieden werden können

Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit einer Laserstrukturierungsvorrichtung durchgeführt.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bevorzugt der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit der Laserstrukturierungsvorrichtung nach dem Schritt des Schneiden des Objekts mit der Laserschneidevorrichtung durchgeführt. Bevorzugt wird bei dem Verfahren der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit der Laserstrukturierungsvorrichtung vor dem Schritt des Schneidens des Objekts mit der Laserschneidevorrichtung durchgeführt.

Bevorzugt wird bei dem Verfahren für den Schritt des Strukturierens der Schnittkanten als Laserstrukturierungsvorrichtung die Laserschneidevorrichtung verwendet.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bevorzugt der Schritt des Strukturierens der Schnittkanten mit der Laserstrukturierungsvorrichtung und der Schritt des Schneidens der Objekte mit einer Laserschneidevorrichtung im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt. Bevorzugt weist bei dem Verfahren der Schritt des Durchführens von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurz- schlüssen ein Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten auf.

Bevorzugt werden bei dem Verfahren der Schritt des Auftragens von Unter- Stützungsmaterialien an den Schnittkanten und der Schritt des Schneidens der Objekte mit der Laserschneidevorrichtung im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass das Schneiden mit einem Laserstrahl unterstützt werden kann Bevorzugt weisen bei dem Verfahren die Unterstützungsmaterialien Komponenten mit erhöhten Absorptionskoeffizienten in Bezug auf die von der Laserschneidevorrichtung verwendeten Wellenlängen auf.

Nach einem zweiten Gesichtspunkt wird diese Aufgabe bei einem System zum Schneiden von thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden blatt- oder plattenförmigen Objekten, insbesondere zum Schneiden von Elektroden und/oder Separatoren zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers oder von Teilen solcher Elektroden oder Separatoren, dadurch gelöst das Schneidesystem eine Transportvorrichtung, die zum Heranführen der zu schneidenden Objekte an eine Laserschneidevorrichtung ausgestaltet ist, und eine Laserschneidevorrichtung aufweist, die zu einem derartigen Schneiden der Objekte ausgestaltet ist, dass an den Schnittkanten ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird.

Bevorzugt weist das Schneidesystem eine Bearbeitungsvorrichtung auf, die zum Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten zur Verringerung von Mikrokurzschlüssen ausgestaltet ist.

Bevorzugt weist bei dem Schneidesystem die Bearbeitungsvorrichtung eine Laserstrukturierungsvorrichtung auf, die zum Strukturieren der Schnittkanten ausgestaltet ist. Bevorzugt weist bei dem Schneidesystem die Bearbeitungsvorrichtung eine Materialauftragungsvorrichtung auf, die zum Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten ausgestaltet ist.

Bevorzugt weist die Laserschneidevorrichtung einen Ytterbium-Faserlaser auf, der sich zum Schneiden von Polythylenterephthalat als besonders vorteilhaft erwiesen hat.

Hinsichtlich der Vorteile dieses Schneidesystems und der verwendeten Begriffe gelten die oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schneideverfahren gemachten Ausführungen in entsprechender Weise. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine elektrische Zelle für eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit Elektroden bzw. Separatoren, die nach einem vorstehend genannten Schneideverfahren geschnitten und/oder mit Hilfe eines vorstehend genannten Schneidesystems hergestellt worden ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schneidesystems nach einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 eine Ablaufdiagramm zu einem Schneideverfahren nach einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend am Beispiel des Schneidens von Separatoren und Elektroden für einen elektrochemischen Energiespeicher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schneidesystems 10 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Schneidesystem 10 weist eine Transportvorrichtung 5 auf, die zum Heranführen des zu schneidenden thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden

Separatorenbandes 1 oder des zu schneidenden thermoplastische Kunststofffasern als Trägermaterial aufweisenden Elektrodenbandes 1 an eine Laserschneidevorrichtung 1 ausgestaltet ist. Die Laserschneidevorrichtung 2 schneidet mit einem Laserschneidestrahl 2a das Separatorenband 1 oder das Elektrodenband an der Schnittkante 3. Die Laserschneidevorrichtung 2 ist derart ausgestaltet, dass beim Schneiden an den Schnittkanten 3 ein Verschmelzen mindestens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern durchgeführt wird.

In der Fig. 1 wird gezeigt, dass bevorzugt der Schneidvorgang mit einem

Materialstrahl 6a der Materialauftragungsvorrichtung 6 an der Schnittkante 3 unterstützt werden kann. Weiterhin ist in der Fig. 1 eine Laserstrukturierungs- Vorrichtung 4 gezeigt, die das Separatorenband 1 oder das Elektrodenband an der Schnittkante 3 mit einem Laserstrukturierungsstrahl 4a strukturieren kann. Nach den Schneidvorgängen werden die aus dem Separatorenband 1 geschnittenen Separatoren 1 ' bzw. die aus dem Elektrodenband geschnittenen Elektroden mit der Abtransportvorrichtung 7 aus dem Schneidesystem 10 abtransportiert.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Schneideverfahren nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das zu schneidende Separatorenband 1 wird in einem Schritt S1 an die Laserschneidevorrichtung 2 herangeführt. In einem Schritt S2 werden die Separatoren 1 ' aus dem Separatorenband 1 mit der Laserschneidevorrichtung 2 derart geschnitten, dass beim Schneiden ein Verschmelzen min-'destens eines Teiles der thermoplastischen Kunststofffasern an den Schnittkanten 3 durchgeführt wird, wobei nach einem bevorzugten und in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Schritt S3 Bearbeitungs- Vorgänge an den Schnittkanten 3 durchgeführt werden, um Mikrokurzschlüsse zu verringern. Nach dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Schritt S3 nach dem Schritt S2 durchgeführt. Es ist nach einem anderen in der Fig. 2 nicht gezeigten Ausführungsbeispiel aber auch möglich, die Schritte S2 und S3 gleichzeitig durchzuführen. Nach einem weiteren anderen in der Fig. 2 nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, den Schritt S3 vor dem Schritt S2 durchzuführen. In der Fig. 2 ist gezeigt, dass der Schritt S2 des Durchführens von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten 3 ein

Strukturieren der Schnittkanten 3 und/oder ein Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten 3 aufweisen kann.

Bezugszeichenliste

1 zu schneidendes Objekt

1 " geschnittenes Objekt

2 Laserschneidevorrichtung

2a Laserschneidestrahl

3 Schnittkante

4 Laserstrukturierungsvorrichtung

4a Laserstrukturierungsstrahl

5 Transportvorrichtung

6 Materialauftragungsvorrichtung

6a Materialstrahl

7 Abtransportvorrichtung

8 Auflage

10 Schneidesystem

S1 Heranführen der zu schneidenden Objekte

S2 Schneiden der Objekte

S3 Durchführen von Bearbeitungsvorgängen an den Schnittkanten

S3a Strukturieren der Schnittkanten

S3b Auftragen von Unterstützungsmaterialien an den Schnittkanten

S4 Fortführen der geschnittenen Objekte