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

Nach dem Stand der Technik werden bei der Batterieherstellung in der Regel bandförmige Träger als Grundlage für Elektroden verwendet. Diese Träger werden mit einer Beschichtung versehen, die z.B. Graphitpartikel enthält, welche in einem zeitlich bzw. örtlich veränderlichen Magnetfeld ausgerichtet werden. Neben den Graphitpartikeln können auch andere Materialien wie z.B. Siliziumpartikel oder Siliziumoxidpartikel, Mischungen verschiedener Graphitsorten sowie Binder, Leitfähigkeitszusätze und Oberflächenmodifikatoren enthalten sein. Im weiteren Verlauf des Fertigungsprozesses werden die Trägerbahnen dann unter anderem verpresst und geschnitten. Es wird jedoch vielfach bei der Herstellung der Elektroden beobachtet, dass das bahnförmige Trägermaterial einer Faltenbildung unterworfen ist, welche die Qualität des Produktes mindern kann was die Weiterverarbeitung in Lithium Ionen Batterien erschwert oder verunmöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Transportvorrichtung bereitzustellen, bei der die Faltenbildung im Trägermaterial verringert werden kann.

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 Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Die erfindungsgemäße Transportvorrichtung sieht es vor, den bahnförmigen Träger mittels eines Roll-to-Roll-Verfahrens zu befördern, d.h. der Träger wird von Rolle zu Rolle bewegt. Wenigstens eine der Rollen ist mit einem Antrieb ausgestattet und bewegt durch eine Drehbewegung ihrerseits den Träger entlang seiner Längsrichtung in einer Transportrichtung.

Es hat sich herausgestellt, dass bei herkömmlichen Prozessen nach dem Stand der Technik eine Tendenz besteht, wonach der Träger einer gewissen Faltenbildung unterworfen sein kann. Im Zuge der Erfindung wurde ermittelt, dass diese Faltenbildung durch mechanische Kräfte, die auf den Träger wirken und eine Bahnspannung verursachen können, hervorgerufen wird:

- Zum einen kann die Zugspannung beim Transportprozess selbst hierzu beitragen. Vor allem wirkt sich dieser Effekt bei langen Trägerbahnen und bei hohen Transportgeschwindigkeiten aus, bei denen große Kräfte bzw. Beschleunigungen zu erwarten sind.

- Zum anderen trägt auch eine Ausrichtungsvorrichtung, mit der die Partikel in einer Beschichtung auf dem Träger in einem zeitlich bzw. örtlich veränderlichen Magnetfeld ausgerichtet werden können, zu diesen mechanischen Spannungseffekten bei. Der Träger umfasst ein elektrisch leitendes Material. In der Regel besteht der Träger aus einer Kupferfolie. Die zeitlich bzw. örtlich veränderlichen Magnetfelder verursachen durch magnetische Induktion den Fluss von Wirbelströmen, deren Magnetfelder wiederum mit den äußeren Magnetfeldern wechselwirken. Auf die bewegten Ladungsträger wirken Lorentzkräfte die sich auf den Träger übertragen. Dies führt zu einer der Transportbewegung entgegengesetzten Kraftwirkung, einer Bremskraft. Die Bremskraft sorgt für Verspannungen im Material, und es können sich Falten bilden. 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. Die Erfindung kann dem entgegenwirken.

Eine Grundidee der Erfindung besteht nun darin, Kräfte am Träger angreifen zu lassen, mit denen diese unerwünschten Kräfte ausgeglichen werden können. Die Erfindung geht aber darüber noch weiter hinaus, weil zur effektiven Reduzierung der Faltenbildung eine Streckung des Trägers quer zur Transportrichtung von Vorteil ist.

Zur Ausübung dieser zusätzlichen Kraft ist erfindungsgemäß eine zusätzliche Antriebsvorrichtung vorgesehen. Vorteilhafterweise verwendet diese Antriebsvorrichtung einen Wechselfelderzeuger, der ein magnetisches Wechselfeld generiert. Auch mit diesem zeitlich veränderlichen Wechselfeld können Wirbelströme im elektrisch leitenden Träger erzeugt werden, sodass auf die infolge der Wirbelströme fließenden Ladungen im Träger eine Lorentzkraft wirkt, weil sich der Träger in einem äußeren Magnetfeld befindet.

Allerdings ist die Antriebsvorrichtung bzw. der Wechselfelderzeuger so ausgebildet, dass neben einer Kraftwirkung in Transportrichtung auch zusätzlich eine Kraftwirkung senkrecht zur Transportrichtung in der Ebene des Trägers hervorgerufen wird. Diese senkrecht zur Transportrichtung in der Trägerebene wirkende Kraft ermöglicht eine effektive Reduzierung bzw. Verhinderung der Faltenbildung.

Zudem ermöglicht es die Erfindung, dass diese zusätzliche Kraft auf den Träger erzeugt wird, ohne dass der Träger unmittelbar berührt wird, d.h. die zusätzliche Antriebsvorrichtung ermöglicht ein kontaktloses Wirken der Kräfte auf den Träger. Eine kontaktlose Kraftübertragung verhindert, dass durch Berührung ausgeübter mechanischer Druck eine noch nicht vollständig ausgehärtete Beschichtung beschädigt.

Bahnspannungen, die zu einer Faltenbildung führen, können durch verschiedene Faktoren bestimmt sein, z.B. durch Zugkräfte am Träger bei hoher Transportgeschwindigkeit und/oder großer Länge des Trägers, aber auch bei zusätzlich auf den Träger wirkenden Bremskräften infolge magnetischer Induktion durch eine Ausrichtungsvorrichtung. Eine Faltenbildung ist in der Regel mit einer Wölbung des Trägers verbunden. Die auf den in der Transportvorrichtung eingespannten Träger wirkenden Kräfte sind nicht überall über die Trägerfläche verteilt homogen, sondern anisotrop. Eine typische Wölbung infolge der Bahnspannung ist eine tonnenförmige Wölbung entlang der Längserstreckung des Trägers. Daher erzeugt die Antriebsvorrichtung bzw. deren Wechselfelderzeuger vorteilhafterweise Kräfte, die an wenigstens zwei unterschiedlichen Punkten auf dem Träger als Querkräfte wirken. Die Antriebsvorrichtung sorgt also nicht nur dafür, dass Kräfte, wie zum Beispiel Bremskräfte, die entlang seiner Längserstreckung wirken, reduziert werden, sondern auch, dass durch eine quer verlaufende Streckung des Trägers die Faltenbildung reduziert wird.

Besonders vorteilhaft kann die Faltenbildung reduziert werden, wenn an den seitlichen Rändern des Trägers auf diesen größere Querkräfte wirken als in der Mitte des Trägers (bezogen auf seine Quererstreckung). Auf diese Weise kann z.B. eine zur Erhöhung der Bahnspannung beitragende Bremskraft reduziert werden, was zur Minderung der Faltenbildung beiträgt. Diese Minderung der Faltenbildung wird durch eine Streckung quer zur Transportrichtung aber noch unterstützt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Wechselfelderzeuger zum Beispiel platzsparend in eine Rolle integriert sein und entlang der Transportstrecke, wie die zur Lagerung der Bahn vorgesehenen Rollen auch, angeordnet werden, sodass auch der Punkt entlang der Transportstrecke, an dem die Kräfte auf die Transportbahn einwirken, im Wesentlichen frei gewählt werden kann. Diese zusätzliche Antriebsvorrichtung bzw. der Wechselfelderzeuger kann auch in eine der ohnehin vorgesehenen Lagerungsrollen oder in eine zusätzliche Rolle integriert sein.

Die Trägerbahn kann auch zumindest abschnittsweise schwebend gelagert sein und muss nicht zwingend mit allen Rollen in Kontakt stehen.

Um ein zeitlich veränderliches Magnetfeld zu erzeugen, kann der in die Rolle integrierte Wechselfelderzeuger am Umfang der Rolle angeordnete Permanentmagnete aufweisen. Werden diese Permanentmagnete zueinander unterschiedlich zur Oberfläche der Rolle orientiert, so bewirkt eine Drehung der Rolle, dass aus Sicht des Trägers ein zeitlich veränderliches Feld vorliegt. Die Permanentmagnete können beispielsweise in Halbach-Konfiguration, also in Bezug auf die Rolle radial nach außen, dann tangential in Drehrichtung, radial nach innen, tangential entgegen der Drehrichtung und wieder radial nach außen gerichtet sein. Denkbar ist auch eine Mehrpolanordnung mit abwechselnd nach innen oder außen gerichteten Feldern.

Um Querkräfte erzeugen zu können, können die Permanentmagnete aber auch in Bezug auf die Drehachse der Rolle wiederum verkippt angeordnet sein. Die Lorentzkraft wirkt dann nicht genau parallel zur Transportrichtung, sondern besitzt aufgrund der Verkippung des Magentfeldes bzw. der geänderten Bewegungsrichtung der Ladungsträger eine Querkomponente. Aufgrund der bei herkömmlichen Transportvorrichtungen zu erwartenden Faltenbildung ist es vorteilhaft, den Träger in den Randbereichen mit Querkräften zu beaufschlagen, während in der Mitte des Trägers hauptsächlich die unerwünschte Bremskraft reduziert wird.

Die Permanentmagneten können an ihrer Position am Umfang der Rolle um die jeweilige Achse, auf der sie lagern und die parallel zur Drehachse der Rolle verläuft, verkippt werden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Permanentmagneten umso stärker verkippt sein, je weiter sie am Rand der Rolle liegen. Legt man eine Achse in Transportrichtung mittig durch die Rolle, also senkrecht zu deren Drehachse, so sind die Permanentmagnete bei einer Weiterbildung der Erfindung zu dieser Achse symmetrisch angeordnet, sodass der Träger in Bezug auf diese Achse spiegelsymmetrisch mit Kräften beaufschlagt werden kann und die Faltenbildung umso effektiver reduziert wird. Der Mantelbereich der magnetischen Rolle kann entlang ihres Umfangs senkrecht zur Drehachse in Bereiche aufgeteilt sein, in denen die Magnete jeweils einheitlich verkippt sind.

Ein wesentlicher Vorteil der magnetischen Rolle besteht darin, dass sie einen Antrieb (z.B. einen Motor mit Zahnriemen) benötigt und somit im Grunde mit wenig Energiebedarf arbeiten kann. Auch ist daher keine hohe Wärmeentwicklung durch diese Komponente zu erwarten. Eine andere Option besteht darin, den Stator eines Linearmotors als Wechselfelderzeuger zu verwenden. Hier treten, da keine sich drehenden Teile benötigt werden, auch keine Reibungseffekte auf. Der Stator besteht zum Beispiel aus einem Eisenkern bzw. einem laminierten Blechpaket, welches der Unterdrückung von Wirbelströmen dient. In den Kern sind entlang der Transportrichtung einzelne Nuten eingelassen, in denen sich mindestens drei Wicklungen befinden, die phasenversetzt von einem (3-Phasen-)Drehstrom durchflossen werden.

Die Wicklungen bzw. die Nuten können so angeordnet sein, dass in den Randbereichen des Trägers auch wiederum Querkräfte auftreten, während in der Mitte die Antriebskräfte parallel zur Transportrichtung und entgegengesetzt zu den unerwünschten Bremskräften wirken können. Dazu können Wicklungen zum Beispiel in Matrixform in der Ebene, die parallel zur Trägerebene verläuft, angeordnet sein. Auch der Stator des Linearmotors arbeitet kontaktlos und berührt den Träger nicht. Der Träger kann wie ein Läufer vom Stator angetrieben bzw. beschleunigt werden.

Ausführungsbeispiele

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

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer

Transportvorrichtung gern, der Erfindung mit magnetischer Rolle, Fig. 2: eine schematische Darstellung einer

Transportvorrichtung gern, der Erfindung mit spiegelsymmetrischer Anordnung der Permanentmagnete,

Fig. 3: eine schematische Darstellung der Kräfteaufteilung, sowie

Fig. 4: eine schematische Darstellung einer

Transportvorrichtung mit einem Stator eines Linearmotors.

Figur 1 zeigt ein Schema einer Transportvorrichtung 1 mit einem Träger 2, der in Transportrichtung 3 in einem Roll-to-Roll- Prozess transportiert wird. Der Träger 2 wird mit einer Schicht beschichtet, die Graphitpartikel enthält. Anschließend werden diese Graphitpartikel in einem zeitlich und/oder örtlich veränderlichen Magnetfeld ausgerichtet. Auch diese Ausrichtungsvorrichtung ist in Figur 1 nicht dargestellt. Durch magnetische Induktion infolge des sich ändernden Magnetfelds werden im elektrisch leitenden Träger (z.B. einer Kupferfolie) Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme erzeugen Magnetfelder, die mit den äußeren Magnetfeldern wechselwirken und eine Bremskraft verursachen. Diese Bremskräfte können die Ursache für Bahnverspannungen darstellen.

Zudem können Bahnspannungen, welche auf den Träger wirken, auch dadurch entstehen, dass die Trägerbahn sehr lang ist und / oder hohe Transportgeschwindigkeiten auftreten.

Um einer Faltenbildung durch diese Bahnspannungen entgegenzuwirken, ist eine zusätzliche Antriebsvorrichtung 5 vorgesehen, die als magnetische Rolle 13 ausgebildet ist. In einer Rolle 11 sind entlang des Umfangs Permanentmagnete 12 angeordnet, die hier in Halbach-Konfiguration abwechselnd parallel zur Oberfläche der Rolle 11 in Drehrichtung (in Figur 1: im Uhrzeigersinn), radial nach außen, parallel zur Oberfläche entgegen der Drehrichtung, dann radial nach innen usw. angeordnet sind.

Die magnetische Rolle 13 dreht sich im Uhrzeigersinn unterhalb des Trägers 2 mit der Drehgeschwindigkeit co, um ein zeitlich veränderliches Magnetfeld zu erzeugen. Die Rolle 11 selbst ist dazu auf einer statischen Welle und mit Wälzlagern gelagert.

In Figur 1 ist auch eine Seitendarstellung der magnetischen Rolle 13 mit Blickrichtung senkrecht zur Drehachse D und eine perspektivische Darstellung der magnetischen Rolle 13 zu sehen, wobei die Permanentmagnete 12 entlang des Umfangs der Rolle 11 um den Winkel a gegenüber der Transportrichtung 3 bzw. gegenüber einer Ausrichtung senkrecht zur Drehachse D verkippt sind, um so durch magnetische Induktion Kräfte zu erzeugen, die nicht parallel zur Transportrichtung 3 verlaufen, sondern auch Querkräfte aufweisen, um noch effektiver eine Faltenbildung vermeiden zu können.

Die Faltenbildung infolge von Bahnspannungen kann typischerweise mit einer Wölbung einhergehen, die um eine Achse entlang der Transportrichtung 3 zu den Seiten hin verläuft. Figur 2 zeigt eine Transportvorrichtung 1, wobei der zu transportierende Träger 2 in Draufsicht dargestellt ist. Unterhalb des Trägers 2 ist die zusätzliche Antriebsvorrichtung 5 angeordnet. Die Antriebsvorrichtung 5 ist in gleicher Ansicht noch einmal daneben dargestellt. Sie umfasst eine magnetische Rolle 13, an deren Oberfläche Permanentmagnete 12 angeordnet sind. Die Rolle 13 dreht sich um die Drehachse D mit der Drehgeschwindigkeit a, um ein zeitlich veränderliches Wechselfeld zu erzeugen. Die Mantelfläche ist in vier Bereiche unterteilt, wobei die beiden inneren Bereiche 14 eine Anordnung der Permanentmagnete 12 in Drehrichtung D zeigen. In den Randbereichen 15 sind die Permanentmagnete 12 gegenüber der Drehachse D verkippt. Die Anordnung der Permanentmagnete 12 verläuft spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Achse 3, welche hier mit der Transportrichtung zusammenfällt. Die Antriebsvorrichtung 5 ist unterhalb des Trägers 2 so angeordnet, dass der Träger in seiner Quererstreckung vollständig von der magnetischen Rolle 13 erfasst wird. In den Randbereichen des Trägers 2 wird dieser sodann vorwiegend von den Feldlinien der Magnetfelder der Permanentmagnete 12 aus den Bereichen 15 jeweils durchsetzt.

Somit weicht in den Randbereichen 15 des Trägers 2 die Kraftrichtung auch von der in der Mitte 14 des Trägers 2 ab. In der Mitte 14 ist die Kraftwirkung parallel zur Transportrichtung 3 ausgerichtet, in den Randbereichen 15 besitzt die auf den Träger 2 wirkende Kraft eine Komponente, die in der Trägerebene vom Träger 2 weg zeigt, also eine Querkomponente.

Figur 3 zeigt die vektorielle Darstellung der Kräfte in den Randbereichen 15. Wiederum ist die Transportvorrichtung 1 schematisch mit Blick auf die Ebene, in welcher der Träger 2 in Transportrichtung 3 transportiert wird, gezeigt. Die Schrägstellung der Permanentmagnete 12 der Antriebsvorrichtung 5 ist nur schematisch angedeutet. Durch magnetische Induktion infolge der zeitlich sich durch die Drehung der Rolle 13 ändernden Magnetfelder entstehen Wirbelströme im Träger 2. Auf die bewegten Ladungen wirken im äußeren Magnetfeld Lorentzkräfte, welche ungewünschte Bremskräfte parallel zur Transportrichtung reduzieren, aber auch einer Faltenbildung umso mehr entgegenwirken können, weil Querkräfte an den Rändern einwirken. In der Mitte 14 schwächen die Lorentzkräfte im Wesentlichen die Bremskräfte. In den Randbereichen 15 sind die Lorentzkräfte F stärker nach außen gerichtet. In Transportrichtung 3 ist die wirkende Kraftkomponente F _p kleiner als die senkrecht zu ihr wirkende Querkraft F _s . Je weiter man sich zum Rand des Trägers 2 hin bewegt, desto größer werden die Querkräfte, die eine Wölbung des Trägers 2 durch seitliches Ziehen reduzieren können, während in der Mitte 15 des Trägers 2 im Wesentlichen die Bahnspannung durch Reduzierung der Bremskräfte vermindert wird.

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 4 ist dargestellt, wie eine solche Antriebsvorrichtung 5 ferner umgesetzt werden kann. Um z.B. hohe Beschleunigungen auf den Träger 2 bei dessen linearer Bewegung auszuüben, 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 jeweils 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.

Um die Querkraftkomponenten in den Randbereichen 15 des Trägers 2 gegenüber einer parallelen Ausrichtung in der Mitte 14 des Trägers 2 wirksam werden zu lassen, sind die Wicklungen im Stator 20 in einer Ebene parallel zur Trägerebene matrixförmig angeordnet und in den Randbereichen 15 entsprechend verkippt. Bezugszeichenliste:

1 Transportvorrichtung

2 Träger

3 Transportrichtung

5 zusätzliche Antriebsvorrichtung

11 Rolle

12 Permanentmagnete

13 magnetische Rolle

14 Mittelbereich

15 Randbereich

20 Stator eines Linearmotors

21 Eisenkern

22 Nut

23, 24 ,25 Wicklungen

D Drehachse

F Kraft

F _p Kraftkomponente parallel zur Transportrichtung

F _s Kraftkomponente senkrecht zur Transportrichtung

M Drehgeschwindigkeit a Winkel