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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer elektrischen Zelle und genauer gesagt auf solch ein Verfahren,
bei dem während des Herstellens eines Lamellenverbunds aus
den Elektrodenlamellen Kontaktierungsfahnen so ausgeschnitten werden,
dass mindestens ein Stapel hintereinander liegender Kontaktierungsfahnen ausgebildet
wird.
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Der
Begriff Lamellenverbund bezieht sich hierbei entweder auf eine Wicklung
von Elektroden- und Separatorlamellen oder auf einen Stapel bestehend
aus Elektroden- und Separatorlamellen. Ein gewickelter Lamellenverbund
wird hergestellt, indem zwei Lagen eines Elektrodenmaterials mit
einem Versatz aufeinander gelegt werden, wobei auf jeder Elektrodenlage
eine Lage seines Separators angeordnet wird. Die Separatorlagen
bestehen in der Praxis zumeist aus einem Elektrolyt, wodurch mehr
Energie in der Zelle gespeichert werden kann. Anschließend
werden die aufeinanderliegenden Lagen aufgewickelt. Im Falle eines
Stapels von Elektroden- und Separatorlamellen gibt es zwei Alternativen:
A) die wie vorstehend aufeinandergelegten Lagen werden im Zickzack
gefaltet, oder B) die Lagen werden zu einzelnen Lamellen geschnitten
und aufeinander gestapelt.
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STAND DER TECHNIK
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Ableiter- bzw. Kontaktabschnitte
und Verfahren zur Herstellung von Ableiterabschnitten für
einen Lamellenverbund bekannt.
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So
offenbart die
deutsche Patentanmeldung Nr.
102 37 293.4 einen Elektroden-Ableiterabschnitt, bei dem überstehende
Elektrodenabschnitte in einer zur Erstreckungsrichtung der Elektroden
quer verlaufenden Ebene umgelegt bzw. gefaltet sind, was zu einer
teilweisen Überlappung dieser Elektrodenabschnitte führt.
Darüber hinaus ist über diesen Elektroden eine
Kontaktschicht ausgebildet, über die eine elektrische Verbindung
der Elektrodenabschnitte mit dem Pol hergestellt wird.
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In
dem Dokument
DE 697 01 778 ist
ein zylindrischer Generator beschrieben, bei dem an den Rändern
der Elektroden des Generators Lamellen gegeneinander versetzt angebracht
sind.
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Bei
der Herstellung der vorstehend genannten Ableiterabschnitte für
einen Lamellenverbund sind können die Lamellen mittels
Ultraschall angeschweißt werden oder sie können
durch ein so genanntes Stiching angenietet werden. Es ist auch bereits
bekannt, die Lamellen vor dem Wickeln des Lamellenverbunds zu beschneiden,
um eine elektrochemische Zelle herzustellen. In dem Dokument
DE 103 41 355 wird auch
vorgeschlagen, den Ableiterabschnitt mittels Laserschneiden auszubilden.
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Das
vorstehend genannte Dokument
DE
103 41 355 zeigt auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen
Zelle durch Bereitstellen eines Lamellenverbundes mit einem Ableiterpol
und anschließender Materialabtragung an einer Begrenzungsfläche des
fertigen Lamellenverbundes. Nach dem Ausbilden des Ableiterabschnitts
wird der Stapel von Kontaktfahnen mit dem Ableiterpol verbunden.
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Die
im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines Ableiterabschnitts
für elektrische Zellen zeigen einige Nachteile. Werden
die Kontaktfahnen beispielsweise mittels Schneiden oder Stanzen
hergestellt, so kann es zu einer Spanbildung kommen, was zu Kurzschlüssen
führen kann. Des Weiteren erfordert dieser Bearbeitungsschritt
zumeist einen gesonderten Nachbearbeitungsschritt. Da die Elektrodenlammellen
aus metallischen Materialen bestehen, verschleißen die
Schneidwerkzeuge auch sehr schnell, so dass diese sehr häufig
ausgetauscht werden müssen. Dies verteuert zudem die Herstellung
der elektrischen Zellen.
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Das
Herstellen des Ableiterabschnitts am fertigen Lamellenverbund stellt
zudem einen gesonderten Arbeitsschritt dar, der die Weiterverarbeitung des
Lamellenverbands zu fertigen Batterien oder Akkumulatoren verzögert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einige
der sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile zu beseitigen.
Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Ableiterabschnitts
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch das im Anspruch 1 dargelegte Verfahren
gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung gelöst, indem während des Herstellens
des Lamellenverbands aus den Elektrodenlamellen Kontaktierungsfahnen
so ausgeschnitten werden, dass ein Ableiterabschnitt ausgebildet
wird, der aus mindestens einem Stapel hintereinander liegender Kontaktierungsfahnen
besteht. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass
das Ausbilden des Ableiterabschnitts während der Herstellung
des Lamellenverbunds erfolgt, so dass es bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren nicht erforderlich ist, nach dem Fertigstellen des Lamellenverbands
einen gesonderten Schritt zur Ausbildung des Ableiterabschnitts
durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren
führt daher zu einer verkürzten Herstellungszeit
einer elektrischen Zelle.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat zudem den Vorteil,
dass die Form des sich ausbildenden Stapels von Kontaktfahnen freier
gestaltet werden kann. Beispielsweise kann sich die Breite (Abmessung
in tangentialer Richtung) und/oder Höhe (Abmessung in axialer
Richtung) des Stapels entlang der radialen Richtung der elektrischen
Zelle in linearer und/oder nichtlinearer Weise verändern.
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Gemäß einem
Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
der Lamellenverbund aus einer spiralförmigen Wicklung,
wobei die Elektroden- und Separatorlamellen während des
Herstellens des Lamellenverbunds aus Elektroden- und Separatorlagen
gewickelt werden. Das heißt, es gibt nur eine Anodenlage,
eine Kathodenlage und zwei Separatorlagen. Die Elektrodenlagen haben
eine etwas größere Breite als die Separatorlagen
und sind zueinander leicht versetzt.
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Auf
diese Weise ergibt sich die herkömmliche zylindrische Form
vieler elektrischer Zellen. In diesem Fall sind die beiden Pole
der elektrischen Zelle in axialer Richtung an entgegengesetzten
Enden des Wickels vorgesehen.
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Gemäß einem
Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
der Lamellenverbund aus geschichteten Lagen und die Elektroden-
und Separatorlamellen werden während des Herstellens des Lamellenverbunds
gestapelt.
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Auf
diese Weise ergeben sich quaderförmige Zellen. Beim Stapeln
können die Elektroden- und Separatorlagen im Zickzack gefaltet
werden. Das heißt, es gibt nur eine Anodenlage, eine Kathodenlage
und zwei Separatorlagen. Beim Stapeln können aber auch
eine Vielzahl einzelner Elektroden- und Separatorlagen verwendet
werden, die abwechselnd aufeinander gestapelt werden. Hierbei werden
die Lagen einzeln oder auch in vorab gestapelter Weise zu einzelnen
Lamellen mit bestimmter Größe vorgefertigt und
anschließend aufeinander gestapelt. Die letztere Variante
hat den Vorteil, dass die Elektrodenlagen nicht nur in einer Richtung
zueinander versetzt sein können, so dass die Anode und
Kathode an entgegengesetzten Enden des Stapels ausgebildet werden,
sondern auch in zwei Richtungen versetzt sein können, so
dass die Anode und Kathode an zwei Seiten des Stapels ausgebildet
werden können, die eine Ecke des Stapels gemeinsam haben.
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Gemäß einem
Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die
Separatorlamellen bzw. -lagen aus einem Elektrolyt gefertigt. Auf
diese Weise erhöht sich das Energiespeichervermögen
der Zelle. Es kann aber auch nur eine Seperatorlamelle bzw. -lage
aus einem Elektrolyt gefertigt sein und die andere besteht aus einer
dünnen isolierenden Lage. Diese Lage kann auch durch eine
auf eine Elektrode aufgebrachte Isolationsschicht bzw. Isolationsbeschichtung
verwirklicht werden.
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Gemäß einem
Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden
die Elektrodenlamellen eine Anode und eine Kathode, wobei die Anode
aus Kupfer hergestellt ist und die Kathode aus Aluminium hergestellt
ist. Dadurch wird eine Korrosion der Elektroden weitestgehend vermieden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Stapel von Kontaktierungsfahnen mittels Schweißen
mit dem Ableiterpol verbunden. Dadurch wird eine gut leitende Verbindung
zwischen Zellverbund und Ableiterpol sichergestellt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Kontaktierungsfahnen eines Stapels an den Ableiterpol
gepresst und durch Schweißen miteinander und mit dem Ableiterpol
verbunden. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn an dem so bearbeiteten Pol der Zelle zwei oder mehr Stapel
von Kontaktierungsfahnen ausgebildet sind, die in Umfangsrichtung
des Zellwickels gleichmäßig verteilt sind, und
in der Mitte des Zellwickels ein Aufnahmeraum für einen
Polbolzen vorgesehen ist. In diesem Fall kann der Polbolzen in den
Aufnahmeraum eingeführt werden und die Stapel von Kontaktierungsfahnen
werden an den Polbolzen gepresst. Da die Kräfte zum Anpressen
der Kontaktierungsfahnen entsprechend der Stapel von Kontaktierungsfahnen
in Umfangsrichtung des Zellwickels gleichmäßig
verteilt sind, heben sich die auf den Polbolzen einwirkenden Anpresskräfte
gegenseitig auf, so dass dieser nicht verschoben oder verformt wird.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Ausschneiden der Kontaktierungsfahnen passgenau mittels
Laserschneiden bewirkt. Der Vorteil des Laserschneidens liegt darin,
dass keine Späne entstehen, wie dies bei einem gewöhnlichen
Schneidvorgang passieren könnte. Auch ist eine Nachbearbeitung
der Schnittkanten nicht erforderlich. Beim Laserschneiden gibt es
auch kein Werkzeug, das durch Abnutzung stumpf wird und/oder ausgetauscht
werden muss. Die Standzeiten des Herstellungsverfahrens können
somit minimiert werden. Das Laserschneiden ermöglicht auch,
dass sich die Form der Kontaktierungsfähnchen im Verlauf
der Wicklung verändern kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird mit einem Computer berechnet, wie die Elektrodenlamellen zu
beschneiden sind, damit der Stapel von Kontaktierungsfahnen ausgebildet
wird. Mit moderner Computertechnik ist es möglich, den
Herstellungsprozess des Elektrodenverbunds zu beobachten und vorauszuberechnen,
an welcher Stelle die Elektrodenlamellen zu bearbeiten sind, so
dass sich dann im fertig gestellten Zustand des Lamellenverbunds
mindestens ein Stapel von Kontaktierungsfahnen mit der gewünschten Form
bildet.
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Wenn
der Lamellenverband beispielsweise durch Wickeln von Elektroden-
und Separatorlagen hergestellt wird, so ändert sich der
Durchmesser des Wickels von Wicklung zu Wicklung. Dementsprechend ändern
sich auch die Abstände der Kontaktierungsfahnen entlang
der jeweiligen Elektrodenlage. Diese sich verändernden
Abstände werden vorausberechnet und an die Bearbeitungseinrichtung
weitergegeben, wodurch eine passgenaue Ausarbeitung der Kontaktierungsfahnen
möglich ist.
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Dementsprechend
wird gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Berechnung in Echtzeit mittels Daten vorgenommen, die
während des Wickelvorgangs erhoben werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt
eine seitliche Ansicht eines Pols einer elektrischen Zelle, die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
wurde; und
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2 zeigt
eine weitere seitliche Ansicht eines Pols einer elektrischen Zelle,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
wurde.
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BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Im
Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels im Detail beschrieben.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel wird eine zylindrische elektrische
Zelle hergestellt, indem die Elektroden- und Separatorlagen aufgewickelt
werden. Der Aufbau der Elektroden- und Sparatorlagen ist im Folgenden
kurz beschrieben. Auf eine Kupferbahn 8 als erste Elektrodenlage,
die später die Anode bildet, wird eine Separator- oder
Elektrolytlage 10 gelegt. Die Elektrolytlage 10 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer Elektrolytbahn
ausgebildet, die eine etwas geringere Breite als die Kupferbahn 8 aufweist. Anschließend
wird eine Aluminiumbahn 9 als zweite Elektrodenlage, welche
dieselbe Breite wie die Kupferbahn 8 hat, so auf die Elektrolytbahn 10 gelegt, dass
die Aluminiumbahn 9 relativ zur Elektrolytbahn 10 zur
entgegengesetzten Seite wie die Kupferbahn 8 vorsteht.
Die Aluminiumbahn 9 bildet in der fertig gestellten elektrischen
Zelle die Kathode 2. Danach wird eine zweite Elektrolytbahn 10 so
auf die Aluminiumbahn 9 gelegt, dass sie sich im Wesentlichen
mit der ersten Elektrolytbahn 10 deckt.
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Danach
wird der Stapel von Elektroden- und Elektrolytlagen bzw. -bahnen
aufgewickelt, so dass er einen zylindrischen Zellwickel 1 ergibt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich kein Wickelkern
im Zentrum der Wicklung. Es kann dort jedoch auch ein Wickelkern
vorgesehen sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird im Zentrum der Wicklung ein zylindrischer Hohlraum ausgebildet.
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Erfindungsgemäß werden
bei diesem Aufwickelvorgang, nämlich vor dem tatsächlichen
Aufwickeln, aus den überstehenden Abschnitten der Kupfer-
und Aluminiumbahnen 8, 9 Kontaktierungsfahnen 3 herausgearbeitet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die überstehenden
Abschnitte so mittels Laserschneiden bearbeitet, dass nur die Kontaktierungsfahnen 3 stehen
bleiben. Das zwischen zwei Kontaktierungsfahnen 3 befindliche
Material der jeweiligen Elektrodenbahn 8, 9 wird
entfernt. Die Abstände zwischen den einzelnen Kontaktierungsfahnen 3 müssen
dabei verändert werden, da der Durchmesser des Zellwickels 1 mit
fortschreitendem Aufwickeln der Elektroden- und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 immer
größer wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn
sich die Form der Kontaktierungsfahnen 3 entlang des Radius
der elektrischen Zelle verändert.
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Entweder
berechnet ein Computer die Abstände der Kontaktierungsfahnen 3 bei
jedem Wicklungsvorgang auf der Basis von gemessenen Parametern des
Zellwickels 1, oder es werden für bestimmte typische
Zellwickel die veränderlichen Abstände vorab ermittelt
und gespeichert, so dass sie jederzeit abrufbar sind.
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Beim
Wickeln der Elektroden- und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 wird
nun also von jeder Elektrode der überstehende Abschnitt
so per Laserschneiden bearbeitet, dass nur die Kontaktierungsfahnen 3 stehen
bleiben. Die zwischen zwei Kontaktierungsfahnen 3 befindlichen
Abschnitte werden also ausgeklinkt. Dabei kommt es auf die exakte
Steuerung des Laserkopfs des Schneidlasers und die exakte Führung
der Elektroden- und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 an.
Der Laserkopf wird basierend auf Daten gesteuert, die während
des Wickelvorgangs gewonnen werden. Die Bestimmung der Positionen
für die nächsten Kontaktierungsfahnen 3 wird
in Echtzeit berechnet, sie erfolgt also online. Die dafür
zu erfassenden Daten sind im Wesentlichen die Dicke des bereits
geschaffenen Zellwickels 1 und der Abstand vom Schneidlaser
zum Zellwickel 1.
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Wenn
die Elektroden- und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 vollständig
aufgewickelt worden sind, hat sich aus den Kontaktierungsfahnen 3 mindestens
ein Stapel 4 gebildet, der sich entlang des Radius des Zellwickels 1 erstreckt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Kontaktierungsfahnen 3 so
gestaltet, dass die im äußeren Bereich des Zellwickels 1 vorgesehenen
Kontaktierungsfahnen 3 weiter in axialer Richtung vorstehen
als diejenigen im inneren Bereich. Dies wird deshalb so gemacht,
da die weiter außen liegenden Kontaktierungsfahnen 3 weiter
von dem Ableiterpol 5 entfernt liegen und daher weiter
zu diesem umgebogen werden müssen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden zwei Stapel 4 von Kontaktierungsfahnen 3 ausgebildet.
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Anschließend
wird ein Ableiterpol 5 an die beiden Stapel 4 von
Kontaktierungsfahnen 3 geschweißt. Der Ableiterpol 5 verfügt
bei diesem Ausführungsbeispiel über einen Gewindeabschnitt 7 und einen
Sechskantabschnitt 6. Die zwei Stapel 4 von Kontaktierungsfahnen 3,
die bei diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet wurden,
werden an zwei gegenüberliegende Seiten des Sechskantabschnitts 6 des
Ableiterpols 5 gepresst. Anschließend werden die
beiden Stapel 4 von Kontaktierungsfähnchen 3 mittels
Ultraschallschweißen an diesen Seiten des Sechskantabschnitts 6 befestigt.
Dabei werden auch die einzelnen Kontaktierungsfahnen 3 eines
Stapels 4 miteinander verbunden.
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ABWANDLUNGEN
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Bei
dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurden pro Ableiterabschnitt
zwei Stapel 4 von Kontaktierungsfahnen 3 ausgebildet.
Ebenso gut ist es möglich, einen Stapel oder drei oder
mehr Stapel pro Ableiterabschnitt auszubilden. Der Anbringungsabschnitt
des Ableiterpols 5 wird an die Anzahl der Stapel angepasst.
Bei vier Stapeln 4 wird vorteilhafter Weise ein Achtkantabschnitt
an dem Ableiterpol 5 vorgesehen.
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Bei
dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurden die überstehenden
Abschnitte der beiden Elektrodenlagen 8, 9 so
bearbeitet, dass je eine Kontaktierungsfahne 3 der Anodenlage 8 und
der Kathodenlage 9 einander gegenüberliegend ausgebildet wurden.
Im Gegensatz dazu können die Kontaktierungsfahnen 3 aber
auch „auf Lücke” ausgebildet werden,
so dass sich entlang der Elektroden- und Separatorlagen 8, 10, 9, 10 immer
abwechselnd eine Kontaktierungsfahne 3 an der Anodenlage 8 und
eine Kontaktierungsfahne 3 an der Kathodenlage 9 abwechseln.
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Bei
dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurden die Elektroden-
und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 zuerst
aufeinander gelegt und anschließend aufgewickelt. Die einzelnen
Elektroden- und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 können
aber auch kontinuierlich von Rollen abgewickelt werden, dann in
einem Bereich aufeinandergelegt und bearbeitet werden und gleich anschließend
aufgewickelt werden.
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Hierbei
gibt es zwei weitere Möglichkeiten. Zum Einen findet die
Bearbeitung der Elektrodenlagen 8, 9 zur Ausbildung
der Kontaktierungsfahnen 3 vor einem Aufeinanderlegen der
Elektroden- und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 statt,
zum Anderen werden die Elektroden- und Elektrolytlagen 8, 10, 9, 10 erst
aufeinandergelegt und anschließend werden die Kontaktierungsfahnen 3 ausgearbeitet.
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Das
Bearbeiten der Elektrodenlagen 8, 9 erfolgt bei
dem Ausführungsbeispiel mittels Laserschneiden. Es können
aber auch andere bekannte Bearbeitungsverfahren (Schneid- und Trennverfahren)
verwendet werden, beispielsweise Schneiden, Stanzen, Highspeedcutting,
etc.
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel
und dessen Abwandlungen beschrieben und erklärt. Selbstverständlich
sind das Ausführungsbeispiel und die Abwandlungen nicht
dazu gedacht, die vorliegende Erfindung in irgendeiner Weise zu
beschränken. Vielmehr wird die vorliegende Erfindung nur
durch die Ansprüche beschränkt, die im Folgenden
dargelegt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10237293 [0004]
- - DE 69701778 [0005]
- - DE 10341355 [0006, 0007]