Batterieherstellung

Die Erfindung betri f ft eine Transportvorrichtung zum Transport eines folienförmigen Trägers zur Herstellung von Elektroden für Energiespeicher, insbesondere Elektroden für Lithium- Ionen- Batterien nach dem Oberbegri f f des Anspruchs 1 .

Bei der Herstellung von Elektroden für Batterien, wie z . B . Lithium- Ionen-Batterien werden typischerweise Träger, die als Folie vorliegen, mit einer Beschichtung versehen . Diese Beschichtung umfasst z . B . Graphitpartikel , die in einem zeitlich bzw . örtlich veränderlichen Magnetfeld ausgerichtet werden können, um die Wege , welche die beim Laden bzw . Entladen der Zelle fließenden Ionen zurücklegen, möglichst kurz zu halten . Neben den Graphitpartikeln können auch andere Materialien wie z . B . Sili ziumpartikel oder Sili ziumoxidpartikel , Mischungen verschiedener Graphitsorten sowie Binder, Leitfähigkeits zusätze und Oberflächenmodi fikatoren enthalten sein . Im Stand der Technik hat sich gezeigt , dass die Beschichtung der Trägerbahnen beim Fertigungsprozess aber mitunter qualitative Mängel aufweisen kann, die mitunter mechanisch bedingt sind . So kann es zu einer Faltenbildung kommen, welcher der Träger unterworfen ist was die Weiterverarbeitung in Lithium Ionen Batterien erschwert oder verunmöglicht .

Aufgabe der Erfindung ist es , eine entsprechende Transportvorrichtung bereitzustellen, mit welcher der Herstellungsprozess von Elektroden qualitativ verbessert werden kann sowie höhere Ausbeute und schnellere Bahngeschwindigkeiten ermöglicht . Die Aufgabe wird, ausgehend von einer Transportvorrichtung der eingangs genannten Art , durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Aus führungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich .

Mit der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung werden folienförmige Träger bei der Herstellung von Elektroden für Energiespeicher transportiert . In der Regel werden Elektroden für Lithium- Ionen-Batterien unter Verwendung derartiger beschichteter Träger hergestellt . Die Träger selbst umfassen ein elektrisch leitendes Material , z . B . eine Kupferfolie . Die Transportvorrichtung befördert die Träger bzw . die als Träger dienenden Folienbahnen in einem sog . Roll-to-Roll-Prozess , d . h . sie umfasst wenigstens zwei Rollen, auf denen der Träger gelagert werden kann . Wenigstens eine der Rollen ist dabei mit einem Antrieb versehen, um durch Drehung der angetriebenen Rolle den Träger entlang seiner Längserstreckung zu bewegen und so von Rolle zu Rolle zu transportieren .

Wie sich im Rahmen der erfinderischen Tätigkeit herausgestellt hat , können starke mechanische Kräfte beim Transport auf den Träger einwirken und so mitunter für qualitativ schlechtere Ergebnisse verantwortlich sein . Diese Kräfte sind, wie sich herausgestellt hat , sowohl durch den eigentlichen Roll-to-Roll- Transportvorgang als auch durch die Prozesse der Partikelausrichtung in der Beschichtung bedingt :

- Beim Transport wirkt beim Roll-to-Roll-Prozess eine Zugspannung in Bewegungsrichtung auf die Trägerbahn, welche gerade bei hohen Trägergeschwindigkeiten und bei langen Bahnen bis an die Belastungsgrenze der Träger und/oder der Beschichtungsanlage gehen können . Ferner kann eine hohe Bahnspannung zu einer Faltenbildung im Träger führen . Die Kräfte , die auf den Träger einwirken, sind im Übrigen grundsätzlich nicht überall konstant , sondern es ist zu erwarten, dass die Kräfte in der Mitte des Trägers , zumindest mit ihrer Komponente entlang der Bewegungsrichtung bzw . Längserstreckung der Bahn, am größten sind sowie über die Länge der Beschichtungsanlage zunehmen . Eine ungleiche Verteilung der Kräfte kann zu Spannungen in der Folie und somit zu einer Wölbung des Trägers führen .

- Neben den mechanischen Belastungen, die zunächst aufgrund des reinen Transportvorgangs auftreten, kann auch der Ausrichtungsprozess selbst zu mechanischen Spannungen im Träger führen . Zur Ausrichtung der in der Beschichtung vorhandenen Partikel sind zeitlich bzw . örtlich veränderliche magnetische Felder vorhanden, in denen sich der Träger bewegt . Aufgrund der magnetischen Induktion entstehen im Träger Wirbelströme , deren Magnetfeld mit den zuvor genannten Magnetfeldern der Ausrichtungsvorrichtung wechselwirken . Die Kraftwirkung, welche daraus resultiert , wirkt entgegen der Bewegungsrichtung und bremst den Träger in seiner Bewegung . Die auf den Träger wirkende Bahnspannung wird durch diesen zusätzlichen Ef fekt also noch vergrößert . Ausserdem kann der Ausrichtungsprozess zur Ausbildung eines anisotropen Trocknungsvorgangs führen in dem die Beschichtung z . B . in Querrichtung stärker schrumpft als in der Dicke bzw . In Längsrichtung .

Um die Bahnspannung aus zugleichen, wird die Bahn mit einer zusätzlichen Kraft beaufschlagt , die j edoch so gerichtet ist , dass sie die Kräfte , welche zu den unerwünschten Bahnspannungen führen, zumindest teilweise ausgleichen können . Diese Kraft wird durch eine Antriebsvorrichtung erzeugt und entspricht einer zusätzlichen, den Transport unterstützenden Kraft .

Zur Erzeugung der zusätzlichen Kraft umfasst die Antriebsvorrichtung einen Wechsel felderzeuger, der ein magnetisches , zeitlich sich änderndes Wechsel feld generiert , dem der elektrisch leitende Träger ausgesetzt ist , sodass darin Wirbelströme induziert werden . Auf die durch die Wirbelströme fließenden Ladungen wirkt im Magnetfeld eine Lorentzkraft die sich auf den Träger überträgt . Diese zusätzliche Antriebskraft kann der durch den im Grunde gleichen Ef fekt hervorgerufene Bremskraft , die durch die Ausrichtungsvorrichtung erzeugt wird, entgegenwirken .

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Antriebsvorrichtung besitzt zudem den Vorteil , dass die von ihr auf den Träger ausgeübte Kraft auch ( stufenlos ) einstellbar ist und bedarfsweise genau geregelt werden kann . Die zeitliche Änderung der magnetischen Durchflutung kann beeinflusst werden, z . B . kann die Frequenz erhöht werden . Denkbar ist auch, dass der Wechsel felderzeuger einen Rotor umfasst , dessen Frequenz erhöht wird .

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung berührt der Wechsel felderzeuger den Träger nicht , sondern arbeitet kontaktlos . Oftmals ist die auf den Träger aufgebrachte Beschichtung während der Ausrichtung noch nicht vollständig ausgehärtet bzw . getrocknet . Bei einer (noch) weichen oder flüssigen Beschichtung ist es j edoch riskant , eine Kraft durch direkten mechanischen Kontakt aus zuüben, weil die Beschichtung hierdurch beschädigt werden könnte . Dies gilt umso mehr, wenn der Träger sogar beidseitig beschichtet ist . Die kontaktlose Ausübung einer zusätzlichen Antriebskraft auf den Träger kann vorteilhafterweise durch ein zeitlich und/oder örtlich veränderliches Magnetfeld hervorgerufen werden .

Der Wechsel felderzeuger kann hierzu kompakt und platzsparend in eine der Rollen integriert sein bzw . eine Rolle ersetzen . Eine solche Aus führungsvariante der Erfindung ermöglicht auch, dass der Wechsel felderzeuger möglichst nahe an den Träger herangeführt werden kann . Somit kann das Feld und auch auf den Träger wirkende Kraft maximiert werden .

Es wurde bereits beschrieben, dass eine Ausrichtungsvorrichtung zur Ausrichtung der Partikel in die Transportvorrichtung integriert sein kann . Mit ihr werden die Partikel in der Beschichtung ausgerichtet . Bei der Herstellung von Elektroden für Lithium- Ionen-Batterien werden elektrochemisch aktive Partikel wie z . B . Graphitpartikel ausgerichtet . Hierfür kann wiederum ein zeitlich / örtlich veränderliches Magnetfeld erzeugt werden . Die Ausrichtung der Partikel kann also in vorteilhafter Weise beim Transport unmittelbar nach der Beschichtung erfolgen, wenn die Beschichtung noch weich ist und die Partikel sich deshalb leichter bewegen bzw . drehen können .

Auch die Ausrichtungsvorrichtung erzeugt Wechsel felder und somit Wirbelströme in der Trägerebene . Die Vorzugsrichtung der Wechsel felder liegt insbesondere quer zur Transportrichtung bzw . in einem definierten Winkel zur Transportrichtung .

Eine im Grunde einfache Umsetzung sieht es vor, den Wechsel felderzeuger als Rotor aus zubilden . Am Rotorumfang können sodann Permanentmagnete angeordnet werden . Der Rotor kann dann durch Einstellung der Frequenz das Wechsel feld ohne Weiteres ändern .

Die entlang des Rotorumfangs angeordneten Permanentmagnete können bei einer Aus führungs form der Erfindung in Halbach- Konfiguration angeordnet sein, d . h . sie verlaufen im Uhrzeigersinn abwechselnd radial nach innen, tangential im Uhrzeigersinn, radial nach außen und tangential gegen den Uhrzeigersinn usw . Die Felder können dann im Inneren j eweils tangential bzw . radial zur Rotationsbahn in der Rotationsebene verlaufen .

Die Permanentmagnete selbst können wiederum beispielsweise die Form eines Quaders oder eines Hohl zylinders aufweisen .

Anstelle einer Halbach-Konfiguration können die Permanentmagnete alternativ auch in Mehrpolkonfiguration angeordnet sein, d . h . radial nach innen und außen liegen .

Der Rotor, der die Permanentmagneten trägt , kann als magnetische Rolle ausgebildet sein und im Aufbau dem Rotor eines permanentmagnetischen Motors entsprechen . Die Permanentmagneten können hierzu auf bzw . um einen Zylinder herum angeordnet sein . Der Rotor verfügt ebenfalls bei einer derartigen Aus führungs form über eine Rotorantriebsvorrichtung, welche zum Beispiel als Motor mit Zahnriemen zur Übertragung der Drehbewegung ausgebildet sein kann .

Um die zusätzlich wirkende Antriebskraft an den individuellen Herstellungsprozess anpassen zu können, kann die Rotorantriebsvorrichtung bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors verändern . Da die Transportgeschwindigkeit bzw . Trägergeschwindigkeit bei der Fertigung unterschiedlich sein kann, ist es vorteilhaft , die Rotationsgeschwindigkeit daran anzupassen . Bei den Beschichtungs- und Ausrichtungsvorgängen müssen Fertigungsparameter sehr genau eingestellt werden, um j e nach Beschaf fenheit der Beschichtung, Form und Größe der Partikel , Viskosität des Beschichtungsmaterials die Trocknungsrate in Bezug zur Ausrichtung einzustellen . Hierzu werden dann auch die örtlichen bzw . zeitlichen Wechsel felder zusammen mit der Trägergeschwindigkeit eingestellt . Die Rotationsgeschwindigkeit kann also in einem vorbestimmten Verhältnis zur Transportgeschwindigkeit eingestellt werden, um eine definierte zusätzliche Kraft auf den Träger wirken zu lassen .

Bei einer Aus führungs form der Erfindung kann der Rotor auf einer statischen Welle gelagert werden . Die Welle kann z . B . an einer zur Kraftübertragung günstigen Stelle entlang der Transportstrecke angeordnet werden . Die Lagerung des Rotors kann auf der Welle über Wäl zlager erfolgen, sodass der Rotor sich mit nur wenig Reibung drehen kann .

Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, bei einer Aus führungsvariante der Erfindung als Wechsel felderzeuger den Stator eines Linearmotors zu verwenden, zumal dieser eine Antriebskraft für einen linearen Transport liefern kann . Diese zusätzliche Antriebskraft kann so ausgerichtet werden, dass sie der Zugspannung entgegenwirkt . Der Stator des Linearmotors umfasst z . B . einen Eisenkern bzw . ein Blechpaket aus laminierten Einzelblechen, mit denen parasitäre Wirbelströme unterdrückt werden können . In den Eisenkern bzw . in das Blechpaket sind Nuten eingebracht , in denen sich Wicklungen befinden . Die Wicklungen werden phasenversetzt von einem Wechselstrom durchflossen, d . h . es sind in der Regel mindestens drei Wicklungen entlang der Transportstrecke vorhanden, durch die ein 3-Phasen-Drehstrom fließt . Ein Linearantrieb kann aber den Vorteil aufweisen, dass sich mit ihm hohe Beschleunigungen, schnelle Regelung, sowie auch hohe Kräfte umsetzen lassen . Zudem kann in Bezug auf eine lineare Bewegung ein Linearmotor auch als Direktantrieb angesehen werden, denn der Stator treibt den Träger wie einen Läufer an . Der Stator des Linearmotors benötigt keine rotierenden oder beweglichen und somit einer Reibung ausgesetzten Teile .

Die Aus führungs form, welche eine Permanentmagnetrolle umfasst , zeichnet sich aber dadurch aus , dass sie einen geringen Energiebedarf hat und zu einer geringen Wärmeentwicklung führt .

Bei einer besonders bevorzugten Aus führungs form kann die zusätzliche Kraft so gewählt werden, dass die entstandene Bahnspannung ausgeglichen wird, welche beim Ausrichten von Partikeln infolge magnetischer Induktion entsteht und die sonst zur Verspannung des Trägers führen würde . Eine solche

Aus führungs form kann insbesondere die Faltenbildung des Trägers infolge der Bahnspannung mindern bzw . verhindern .

Aus führungsbeispiele

Aus führungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert . Im Einzelnen zeigen :

Fig . 1 : eine schematische Darstellung eines Teils der

Transportvorrichtung gern , der Erfindung ( in Seitenansicht ) ,

Fig . 2 : eine schematische Darstellung der in Fig . 1 gezeigten

Transportvorrichtung in Draufsicht , Fig . 3 : eine schematische Darstellung einer magnetischen Rolle als Wechsel felderzeuger, sowie

Fig . 4 : eine schematische Darstellung eines Linearmotorstators als Wechsel felderzeuger .

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer Transportvorrichtung 1 , bei der ein folienförmiger Träger 2 , welcher bei der Herstellung von Elektroden für Lithium- Ionen- Batterien verwendet wird, in Bewegungsrichtung 3 relativ zum Boden B bewegt wird . Der Träger 2 ist mit einer Beschichtung versehen, die Graphitpartikel aufweist .

Die Graphitpartikel können Flockenform mit einer gewissen Längserstreckung besitzen . In diesem Fall werden die Partikel vorteilhafterweise senkrecht zur Oberfläche orientiert , sodass die um die Partikel herum fließenden Ionen eine geringere Weglänge zurücklegen müssen . Für die Batterie hat dies wesentliche Vorteile , denn die so gebildete Zelle bietet einen geringeren Widerstand . Die allgemeine Wärmeentwicklung ist also geringer . Aufgrund der kürzeren Wege für die Ionen kann die Ladezeit demzufolge auch verkürzt werden . Insgesamt ist der Betrieb einer solchen Zelle dadurch auch wesentlich ungefährlicher, denn der reduzierte Widerstand und die somit geringere Wärme beim Laden bzw . Entladen der Zelle senkt auch das Risiko , dass die Zelle überhitzt oder sogar anfängt zu brennen .

Zur Ausrichtung der Partikel ist eine Ausrichtungsvorrichtung 4 entlang einer Teilstrecke des Transportweges vorgesehen . Zunächst wird die Beschichtung auf den Träger 2 aufgebracht (nicht dargestellt ) . Die Ausrichtungsvorrichtung 4 erzeugt ein zeitlich und/oder örtlich veränderliches Magnetfeld, dem der Träger 2 bzw . dessen Beschichtung ausgesetzt sind . Da der Träger 2 aber aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht , welches im vorliegenden Fall in der Regel eine Kupferfolie ist , entstehen induktive Ströme , welche ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen, das mit dem Magnetfeld der Ausrichtungsvorrichtung 4 wechselwirkt .

Da der Träger 2 hier in einem Roll-to-Roll-Prozess transportiert wird, wobei wenigstens eine Rolle als angetriebene Rolle ausgebildet ist , können auch durch diese Krafteinwirkung hohe Zugspannungen den Träger 2 belasten .

Um diesen Ef fekt verringern bzw . kompensieren zu können, ist eine zusätzliche Antriebsvorrichtung 5 vorgesehen, die hier der Ausrichtungsvorrichtung 4 unmittelbar in Bewegungsrichtung 3 nachgeschaltet ist .

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung aus Figur 1 . Im Träger 2 (hier : eine beschichtete Kupferfolie ) werden durch magnetische Induktion, welche aus den durch die Ausrichtungsvorrichtung erzeugten zeitlich bzw . örtlich veränderlichen Magnetfeldern herrührt , Wirbelströme 6 erzeugt . Das hieraus resultierende Magnetfeld bremst den Träger 2 , da es mit dem Magnetfeld der Ausrichtungsvorrichtung 4 wechselwirkt . Die Bremskraft 7 ist der Bewegungsrichtung 3 entgegengesetzt .

Um diesen Ef fekt ausgleichen zu können, ist eine zusätzliche Antriebsvorrichtung 5 vorgesehen, die wiederum eine der Bremskraft 7 entgegengesetzte Antriebskraft 8 ausübt . In bevorzugter Weise ist die Antriebsvorrichtung 5 dazu ausgebildet , den Träger 2 nicht zu berühren, also kontaktlos zu arbeiten, um die Beschichtung des Trägers 2 nicht zu beschädigen bzw . die Ausrichtung der darin enthaltenen Partikel zu stören .

In Figur 3 ist dargestellt , wie eine solche Antriebsvorrichtung 5 umgesetzt werden kann . Die Antriebsvorrichtung 5 bzw . der Wechsel felderzeuger kann als magnetische Rolle 13 ausgebildet sein, d . h . er ist hier in eine zylindrische Rolle 11 integriert , entlang deren Umfang Permanentmagnete 12 in Halbach- Konfiguration angeordnet sind . Die Pfeile auf den Permanentmagneten geben die Ausrichtung des j eweiligen Magnetfeldes bzw . der entsprechenden Feldlinien an . Um ein zeitlich sich änderndes Magnetfeld bereitzustellen, mit dem induktiv Wirbelströme im Träger 2 erzeugt werden können bzw . das eine Lorentzkraft auf die infolge der Wirbelströme im Träger 2 fließenden Ladungen ausüben kann, rotiert die Rolle 13 mit der Drehgeschwindigkeit CD , hier in Figur 3 im Uhrzeigersinn .

Um hohe Beschleunigungen auf den Träger 2 bei dessen linearer Bewegung aus zuüben, kann auch der Stator 20 eines Linearmotors als zusätzliche Antriebsvorrichtung 5 verwendet werden . In den Eisenkern 21 sind Nuten 22 eingebracht , welche die Wicklungen 23 , 24 , 25 j eweils beherbergen . Die Wicklungen 23 , 24 , 25 werden phasenversetzt von einem 3-phasigen Drehstrom durchflossen . Die Anordnung mit Linearmotor erfordert in der Regel einen hohen Energieverbrauch und produziert viel Wärme . Bezugs zeichenliste :

1 Transport Vorrichtung

2 Träger

3 Bewegungsrichtung

4 Aus richtungs Vorrichtung

5 zusätzliche Antriebsvorrichtung

6 Wirbelströme

7 Bremskraft

8 zusätzliche Antriebskraft

11 Zylinder / Rolle

12 Permanentmagnete

13 magnetische Rolle

20 Stator eines Linearmotors

21 Eisenkern

22 Nut

23 , 24 , 25 Wicklungen

CD Drehgeschwindigkeit

B Boden