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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beutelhälfte einer Pouchzelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Umformwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
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Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriezellmodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.
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Die Batteriezellen sind beispielsweise als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt. Die Dünnschichtzellen weisen einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht (Kathode) und mit einer Anodenschicht (Anode) sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht (Separator) auf. Diese Bestandteile werden beispielsweise von einem flüssigen Elektrolyten (Flüssigelektrolyt) durchdrungen, welcher eine ionenleitfähige Verbindung der Bestandteile beziehungsweise einen Ladungsausgleich erzeugt. In der Regel sind hierbei mehrere Schichtzellen als ein Zellenstapel übereinander gestapelt angeordnet.
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Zur Herstellung von Batteriezellen wird beispielsweise eine Aktivmaterial- oder Elektrodenmaterialschicht, auf einen Stromableiter (Ableiterfähnchen) aufgetragen. Die Ableiterfähnchen sind hierbei häufig als Metallfolien ausgeführt, wobei typischerweise Kupferfolien für die Anodenschichten und Aluminiumfolien für die Kathodenschichten eingesetzt werden. Derart beschichtete Stromableiter oder Ableiterfähnchen werden als gestapelte Elektroden (Elektrodenstapel) verwendet. Die Ableiterfähnchen des Elektroden- oder Zellenstapels werden miteinander zu einer gemeinsamen Anode und einer gemeinsamen Kathode, welche nachfolgend auch als Stromsammler oder Kollektoren bezeichnet werden, elektrisch kontaktiert.
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Um den Zellenstapel (Elektrodenstapel) gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und/oder Schmutz schützen, sowie andererseits ein Austreten von Chemikalien beziehungsweise des Flüssigelektrolyten im Falle einer Beschädigung der Batteriezelle zu verhindern, ist in der Regel ein Zellengehäuse als Einhausung oder Ummantelung vorgesehen. Das Zellengehäuse ist beispielsweise als eine Aluminium-Verbundfolie oder als eine Aluminium-Laminatfolie ausgeführt, wobei derartige flexible oder folienartige Zellengehäuse auch als Pouchbeutel oder Pouchfolien-Mantel und Batteriezellen mit einem solchen Zellengehäuse auch als Pouchzellen oder Softpack-Zellen bezeichnet sind. In der Regel weist das Material der Pouchfolie einen Polypropylen-Anteil (PP) auf.
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Derartige Pouchbeutel sind typischerweise aus zwei umlaufend gefügten Beutelhälften hergestellt. Die Beutelhälften sind hierbei in der Regel als tiefgezogene Pouchfolien ausgeführt, welche beispielsweise mittels eines Heißsiegelverfahrens zu einem dichten Pouchbeutel stoffschlüssig gefügt werden.
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Unter einem „Tiefziehprozess“ oder „tiefziehen“ ist hier und im Folgenden insbesondere ein Zugdruckumformen der Pouchfolie zu verstehen. Das Tiefziehen kann beispielsweise mit einem Formwerkzeug (Ziehring, Stempel), mit einem Wirkmedium (Gas, Flüssigkeit), oder mit einer Wirkenergie (Magnetumformung, Hochgeschwindigkeitsumformen) durchgeführt werden. Die Herstellung der Beutelhälften erfolgt in der Regel durch ein Tiefziehen mit Formwerkzeugen, bei welchem die Pouchfolie mit einem Präge- oder Umformstempel in eine Matrize eingepresst wird.
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Im Hinblick auf die Dichtigkeit des Pochbeutels sind die elektrischen Anschlussbereiche, in welchen die Anode und die Kathode aus dem Zellengehäuse geführt sind, anfällig für Undichtigkeiten und Leckagen.
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Um bei Pouchzellen die Kollektoren aus dem Pouchbeutel zu führen, ist es beispielsweise aus der
DE 10 2014 019 505 A1 bekannt, die Kollektoren beispielsweise mittels Laser oder Ultraschall mit jeweils einem Metallstreifen zu verschweißen. Der Metallstreifen ist beispielsweise auf Nickellegierungsbasis hergestellt, und weist einen Klebestreifen auf, welcher herkömmlicherweise aus einem Polypropylen-Material hergestellt ist. Der Klebestreifen ist beispielsweise auch als Vorsiegelband bezeichnet.
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Das Vorsiegelband wird typischerweise auf den nachfolgend auch als Ableitertab bezeichneten Metallstreifen geklebt oder über Schweißverfahren (Ultraschall oder Reibungsschweißen) gesichert. Zur Abdichtung des Pouchbeutels werden die Polypropylen-Anteile der Pouchfolie und des Vorsiegelbands beispielsweise mittels eines Heißsiegelverfahrens stoffschlüssig und fluiddicht gefügt.
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Das Kontaktieren der Ableiterfähnchen mit dem Ableitertab erfolgt in der Regel mittels Verschweißens, wobei das Vorsiegelband nicht beschädigt oder erwärmt werden darf, da es im weiteren Prozess die stoffschlüssige Verbindung mit der Pouchfolie annehmen muss. Dadurch ist es notwendig, das Vorsiegelband während des Verschweißens stetig zu kühlen, wodurch der Schweißprozess ist aufwändig und kostenintensiv wird. Des Weiteren ist aktuell lediglich ein Punkt-, Widerstands- oder Linearschweißen (Laserschweißen) von dem Ableitertab möglich, ein Flächenschweißen (Druckschweißen) ist aufgrund des Vorsiegelbands nicht möglich, so dass der elektrische Widerstand der Schweißverbindung vergleichsweise hoch ist, was zu einer ungewünschten Erwärmung im Batteriebetrieb führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Beutelhälfte einer Pouchzelle anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst einfache und aufwandreduzierte Abdichtung eines aus zwei Beutelhälften gebildeten Pouchbeutels ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Umformwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Umformwerkzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 6 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für das Umformwerkzeug insbesondere dadurch, dass dieses dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung einer Beutelhälfte einer Pouch- oder Softpackzelle vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Hierzu ist ein Umformwerkzeug mit einer Matrize als Negativform der Beutelhälfte, und mit einem bewegbaren Umformstempel zum Umformen einer Pouchfolie in der Matrize, sowie mit mindestens einem Niederhalter zur Fixierung der Pouchfolie vorgesehen. Der Niederhalter weist hierbei eine Aufnahme oder Aussparung für ein Vorsiegelband auf.
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Gemäß dem Verfahren wird die Pouchfolie dem Umformwerkzeug zugeführt. Mit anderen Worten wird die Pouchfolie auf der Matrize des Umformwerkzeugs positioniert. Die Pouchfolie ist beispielsweise als eine Aluminium-Verbundfolie oder als eine Aluminium-Laminatfolie ausgeführt, und weist beispielsweise einen Polypropylen- (PP) und/oder Polyester-Anteil (PET) auf. Anschließend klemmt oder fixiert der Niederhalter die Pouchfolie in einem randseitigen Flanschbereich und erzeugt hierbei eine definierte Niederhalterkraft. Hernach wird das Vorsiegelband in die Aufnahme des Niederhalters zugeführt. Die Pouchfolie wird mittels des Umformstempels in die Beutelhälfte tiefgezogen, wobei das Vorsiegelband auf dem Flanschbereich stoffschlüssig fixiert wird. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Beutelhälfte einer Pouchzelle realisiert.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Pouchfolie mittels des Umformwerkzeugs zu der Beutehälfte umgeformt und dabei das Vorsiegelband an der Pouchfolie befestigt. Dies bedeutet, dass das Vorsiegelband während des Umformvorgangs direkt an der Beutelhälfte befestigt wird. Erfindungsgemäß sind somit die Prozessschritte Umformen (Tiefziehen) und Aufbringen des Vorsiegelbandes in einem gemeinsamen Prozess integriert.
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Unter einem „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen durch stoffliche Vereinigung oder Vernetzung (beispielsweise aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) gegebenenfalls unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammengehalten werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Vorsiegelband hierbei lediglich vorfixiert. Unter „vorfixiert“ oder „Vorfixierung“ wird hierbei insbesondere eine Halterung oder Befestigung des Vorsiegelbandes in einem Vormontagezustand, also in einer (An-)Lieferposition oder Transportposition, zu verstehen. Mit anderen Worten ist das Vorsiegelband einer vorpositionierten Stellung an der Beutelhälfte gehalten. Dies bedeutet, dass die stoffschlüssige Fixierung des Vorsiegelbands am Flanschbereich insbesondere lediglich als Transportsicherung dient, wobei das Vorsiegelband in einem späteren Prozess, beim Fügen von zwei Beutelhälften zu einem Pouchbeutel, mit einem Ableitertab versiegelt wird.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das Vorsiegelband nicht auf einem separaten Ableitertab (Metallstreifen) positioniert und geklebt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Vorsiegelband direkt auf die Pouchfolie gebracht, dadurch ist eine einfache und verbesserte Schweißverbindung der Stromableiter oder Ableiterfähnchen eines Zell- oder Elektrodenstapels ermöglicht. So ist es beispielsweise möglich, die gesamte Ableiterfläche mit Wärme zu beaufschlagen und zu schweißen. Insbesondere ist das Positionieren und Verbinden des Vorsiegelbandes mit der Pouchfolie im Umform- oder Tiefziehprozess intergiert, sodass kein neuer Prozessschritt bei der Herstellung der Pouchzelle notwendig ist.
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Die Pouchzelle weist einen Pouchbeutel als Zellengehäuse und einen darin aufgenommenen Elektrodenstapel (Zellstapel) mit einer Anzahl von ersten und zweiten Stromableitern oder Ableiterfähnchen auf.
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Der Elektrodenstapel weist beispielsweise eine Anzahl von übereinander gestapelt angeordneten Dünnschichtzellen mit einer Kathodenschicht und mit einer Anodenschicht sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht (Separator) auf. Hierbei ist beispielsweise eine Aktivmaterial- oder Elektrodenmaterialschicht auf die Stromableiter aufgetragen. Die Stromableiter oder Ableiterfähnchen sind beispielsweise als Metallfolien ausgeführt, wobei geeigneterweise Kupferfolien für die Anodenschichten und Aluminiumfolien für die Kathodenschichten eingesetzt werden. Vorzugsweise werden hierbei hoch siliziumbasierte Anodenschichten verwendet, um eine Batteriezelle mit möglichst hoher Leistungsdichte zu realisieren sowie andererseits eine Schnellladung der Batteriezelle zu ermöglichen. Nachfolgend sind unter den ersten Ableiterfähnchen insbesondere Aluminiumfolien und unter den zweiten Ableiterfähnchen insbesondere Kupferfolien zu verstehen.
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Geeigneterweise werden die ersten Ableiterfähnchen zu einer gemeinsamen Kathode und die zweiten Ableiterfähnchen zu einer gemeinsamen Anode geschweißt, beispielsweise mittels eines Festkörperschweißprozesses.
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Der kontaktierte Elektrodenstapel wird anschließend in zwei Beutelhälften eingesetzt, wobei die Kathode und die Anode zumindest teilweise aus den Gehäusehälften als Anschlussbereiche der Batteriezelle hinausragen. Die Beutelhälften weisen hierbei im Bereich der Kathode beziehungsweise Anode jeweils ein vorfixiertes Vorsiegelband auf.
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Die Beutelhälften werden vorzugsweise umlaufend stoffschlüssig zu dem Pouchbeutel gefügt. Die Beutelhälften werden beispielsweise mit einem definierten Druck und mit einer definierten (Siegel-)Zeit sowie einer definierten (Siegel-)Temperatur in einem Heißsiegelverfahren gefügt, so dass eine umlaufende, randseitige, Siegelnaht als Fügestelle erzeugt wird. Geeigneterweise erfolgt hierbei auch eine dichte und dauerhafte Verbindung zwischen dem Vorsiegelband und der Beutelhälfte beziehungsweise Pouchfolie.
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In einer denkbaren Ausbildung wird die Pouchfolie im Zuge des Umformprozesses vereinzelt. Dies bedeutet, dass die Pouchfolie somit vorzugsweise nicht in Form von einzelnen Folienblättern vorliegt, sondern als ein Endlosmaterial, also dass die Pouchfolie als eine scheinbar oder quasi endlose Folienbahn ausgeführt ist. Unter einem Endlosmaterial ist hierbei insbesondere eine Materialbahn zu verstehen, deren Breiten- und Höhenabmessungen wesentlich geringer dimensioniert sind als dessen Längenabmessung. Die Pochfolie wird also am Stück als Folienbahn, quasi endlos, von einer Folienrolle abgewickelt und bleibt ununterbrochen bis sie dem Umformwerkzeug zugeführt wird. Unter „Vereinzelung“ oder „vereinzeln“ ist hierbei insbesondere eine Abtrennung oder Abschneiden oder Konfektionieren eines Folienblatts von dem Endlosmaterial zu verstehen. Dies bedeutet, dass die Vereinzelung oder der Konfektionierschnitt im Umformwerkzeug erfolgt. Mit anderen Worten ist eine Funktionsintegration der Vereinzelung und des Umformens realisiert, wodurch eine Prozessschrittanzahl bei der Herstellung des Pouchbeutels vorteilhaft reduziert ist. Insbesondere sind somit die Prozessschritte Tiefziehen (Umformen), Schneiden (Vereinzeln) und das Aufbringen des Vorsiegelbandes in einem Prozess integriert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Vorsiegelband auf den Flanschbereich aufgeklebt. Dadurch ist eine besonders einfache und aufwandreduzierte (Vor-)Fixierung des Vorsiegelbands auf der Pouchfolie realisiert.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird das Vorsiegelband zur stoffschlüssigen Fixierung auf den Flanschbereich gepresst. Dies bedeutet, dass das Vorsiegelband auf den Flanschbereich gedrückt wird. Besonders bevorzugt wird die (Klebe-)Wirkung des Klebers hierbei durch den Druck aktiviert, und somit das Vorsiegelband an dem Flanschbereich vorfixiert.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein mehrschichtiges Vorsiegelband mit einer Metallschicht und mit einer Kunststoffschicht sowie mit einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht verwendet wird, wobei auf die Kunststoffschicht eine dem Flanschbereich zugewandte Klebeschicht aufgebracht ist. Dies bedeutet, dass die Kunststoffbeziehungsweise Klebeschicht der Pouchfolie, und die Metallschicht der Kathode oder Anode zugewandt ist.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Vorsiegelband oder der Klebestreifen nicht ausschließlich aus Polypropylen hergestellt. Das erfindungsgemäße Vorsiegelband weist drei Basisschichten auf, welche beispielsweise in einem Rollkaschierverfahren zu einem Vorsiegelband zusammengefügt werden. Die erste Schicht besteht aus Metall (Kupfer oder Aluminium) und weist zum Beispiel eine Schichtdicke von etwa 0,05 mm (Millimeter). Die zweite Schicht ist aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Polypropylen (PP) oder Polyester, hergestellt, und weist beispielsweise eine Schichtdicke von 0,1 mm auf. Zur Verbindung der Metallschicht mit der Kunststoffschicht wird vorzugsweise ein Klebstoff auf Silikonbasis als Isolationsschicht verwendet. Die Isolationsschicht ist vorzugsweise bis zu 200 °C (Grad Celsius) temperaturbeständig.
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Bei der Klebeschicht handelt es sich vorzugsweise um einen Schmelzkleber, welcher bei anliegendem Druck aktiviert wird. Mit anderen Worten handelt es sich um eine druckaktivierbare Klebeschicht. Das Vorsiegelband weist also einen druckempfindlichen Kleber auf, welcher durch Druck aktiviert wird und auf der Pouch haftet. Dadurch ist eine besonders einfache (Vor-)Fixierung realisiert, da das Vorsiegelband lediglich auf den Flanschbereich gedrückt werden muss.
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In einer denkbaren alternativen Ausführung kann die stoffschlüssige Verbindung des Vorsiegelbandes mit der Pouchfolie auch über ein Druckschweißen erfolgen, wodurch keine zusätzliche Klebeschicht notwendig ist.
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In einer geeigneten Ausführungsform wird eine an die Kathode oder Anode angepasste Metallschicht verwendet. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Vorsiegelband in zwei Typen oder Ausführungen bereitgestellt wird. Für die Anode wird eine Kupferschicht als Metallschicht verwendet, wobei bei der Kathode entsprechend eine Aluminiumschicht als Metallschicht verwendet wird. Die Metallschicht ist also vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt, wie das zugeordnete Kollektormaterial. Geeigneterweise weist die Pouchfolie oder Beutelhälfte hierbei zumindest anteilig ebenfalls das Kunststoffmaterial auf. Dadurch ist eine zuverlässige und dichte stoffschlüssige Verbindung zwischen der Kunststoffschicht und der Gehäusehälfte einerseits und der Metallschicht und dem jeweiligen Kollektor andererseits realisierbar, wobei die Kunststoffschicht und die Pouchfolie im Zuge des umlaufenden Heißsiegelverfahrens stoffschlüssig gefügt werden, und wobei die Metallschicht und der jeweilige Kollektor in einem zusätzlichen Fügeprozess, beispielsweise schmelzfrei mittels Ultraschall oder elektromagnetischer Pulstechnik (EMPT), stoffschlüssig gefügt werden.
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Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Umformwerkzeug übertragbar und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug ist zur Tiefziehumformung einer Pouchfolie in eine Beutelhälfte eines Pouchbeutels vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Das Umformwerkzeug weist hierbei eine Matrize oder Kavität als Negativform der Beutelhälfte, und einen Umform- oder Prägestempel zum Umformen oder Tiefziehen der Pouchfolie in die Matrize auf. Der bewegbare Umformstempel (Tiefziehstempel) ist somit dazu vorgesehen und eingerichtet die Pouchfolie durch eine Presskraft in die Matrize zu drücken oder zu pressen um diese zu verformen oder umzuformen. Das Umformwerkzeug weist weiterhin einen Niederhalter zur insbesondere klemmenden Fixierung der Pouchfolie auf. Der Niederhalter klemmt hierbei die Pouchfolie in einem Flanschbereich, wenn das Umformwerkzeug geschlossen wird. Der Niederhalter weist eine Aufnahme für ein Vorsiegelband auf. Des Weiteren weist das Umformwerkzeug einen Controller, also ein Steuergerät, auf.
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Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, eine Pouchfolie dem Umformwerkzeug zuzuführen sowie den Umformschritt der Pouchfolie und die Vorfixierung des Vorsiegelbands zu steuern.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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In einer denkbaren Ausführung ist die Aufnahme des Niederhalters mit einer Vorsiegelbandrolle oder einem Magazin gekoppelt. Die Aufnahme ist also mit einer Zuführeinrichtung gekoppelt, welche das Vorsiegelband in der Aufnahme positioniert. Beispielsweise sind mehrere einzelne Vorsiegelbänder in einem Magazin gestapelt angeordnet, und werden hierbei beispielsweise mittels eines Schiebers in die Aufnahme eingebracht. Ebenso denkbar ist, dass das Vorsiegelband als ein Endlosmaterial auf einer Vorsiegelbandrolle angeordnet ist, und der Aufnahme durch abrollen zugeführt wird. Zweckmäßigerweise weist der Niederhalter hierbei ein Schneid- oder Trimmmesser zur Vereinzelung des Vorsiegelbands auf. Zweckmäßigerweise erfolgt das Trennen des Vorsiegelbandes von der Rolle, das Positionieren des Vorsiegelbandes auf der Pouchfolie und das Umformen sowie der Endbeschnitt der Pouchfolie in einem Prozessschritt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Umformwerkzeugs sieht vor, dass der Umformstempel mit einem Formstempel gekoppelt ist, welcher das Vorsiegelband an den Flanschbereich anpresst, wenn der Umformstempel in die Matrize verstellt wird. Der Formstempel ist zweckmäßigerweise in den Niederhalter integriert. Beispielsweise wird circa 1 mm (Millimeter) bevor der Umformstempel seinen unteren Totpunkt erreicht das Vorsiegelband positioniert und mittels des Formstempel auf die Pouchfolie gepresst. Durch die dadurch einsetzende Wirkung des Klebers, wird das Vorsiegelband transportsicher am Flanschbereich fixiert.
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In einer möglichen Ausgestaltung weist die Matrize eine Anzahl von intergierten Luftkanälen auf, welche eine eingesperrte Luft zwischen der Pouchfolie und der Matrize absaugen, und somit die Pouchfolie im Zuge des Umform- oder Tiefziehprozesses ansaugen. Zum Lösen oder zur Entnahme der umgeformten Pouchfolie beziehungsweise der Beutelhälfte wird beispielsweise (Druck-)Luft über die Luftkanäle in die Matrize geblasen.
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In einer zweckmäßigen Ausbildung weist die Matrize weiterhin eine Anzahl von federbelasteten Stiften als Auswurfsystem auf. Dadurch ist die Beutelhälfte nach dem Tiefziehen einfacher aus der Matrize entnehmbar. In einer möglichen Ausbildungsform werden die federbelasteten Stifte und die Luftkanäle gemeinsam als kombiniertes Auswurfsystem verwendet.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Umformwerkzeug lediglich ein Untermesser, also ein Trenn- oder Schneidmesser im Bereich der Matrize, zur Konfektionierung der Pouchfolie aufweist. Hierzu ist die Matrize gegenüber einer feststehenden Platte federnd gelagert, wobei an der Platte das feststehende Untermesser angeordnet ist, welches bei einer Bewegung der Matrize in Richtung der Platte durch einen Messerschlitz der Matrize geführt wird. Das Untermesser beziehungsweise eine Schneid- oder Trennkante wird somit auf die der Platte gegenüberliegende Oberseite der Matrize und/oder des Niederhalters geführt. Im Umformbetrieb ist die Pouchfolie oberhalb des Messerschlitzes angeordnet, und wird somit durch das Untermesser konfektioniert.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
- 1 bis 4 in Seitenansicht ein Verfahren zur Herstellung einer Beutelhälfte einer
- Pouchzelle mit einem Umformwerkzeug in einer ersten Ausführungsform, 5 in Perspektive die Beutelhälfte mit einem Vorsiegelband,
- 6 in Seitenansicht das Vorsiegelband, und
- 7 bis 11 in Seitenansicht und Perspektive ein Verfahren zur Herstellung einer Beutelhälfte einer Pouchzelle mit einem Umformwerkzeug in einer zweiten Ausführungsform.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 4 ist ein Umformwerkzeug 2 zur Herstellung einer Beutelhälfte 4 einer Pouchzelle gezeigt. Das Umformwerkzeug 2 ist mit einer nicht näher gezeigten Folienrolle gekoppelt, auf welcher eine Pouchfolie 6 als Endlosmaterial aufgewickelt ist. Die Pouchfolie 6 ist hierbei als eine Aluminium-Verbundfolie oder als eine Aluminium-Laminatfolie ausgeführt.
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Das Umformwerkzeug 2 weist eine Matrize oder Kavität 8 und einen bewegbaren Umformstempel (Tiefziehstempel, Tiefziehstanze) 10 sowie zwei Nieder- oder Gegenhalter 12 auf. Die Matrize 8 ist als eine Negativform für die Beutelhälfte 4 (4, 5) ausgeführt. Das Umformwerkzeug 2 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten Controller auf.
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Die Niederhalter (Blechhalter) 12 sind als Rohlingshalter über Gasdruckfedern 14 mit dem Umformstempel 10 gekoppelt. Die Niederhalter 12 weisen hierbei ein integriertes Obermesser 16 als Schneid- oder Trennmesser auf. Des Weiteren ist ein in die Niederhalter 12 integrierter Formstempel 18 vorgesehen. Das Obermesser und der Formstempel (Formstanze) 18 sind hierbei jeweils ebenfalls über eine entsprechende Gasdruckfeder 14 mit dem Umformstempel 10 gekoppelt
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Das Umformwerkzeug 6 ist zwischen einer Offenstellung (1) und einer Schließstellung (3) verstellbar. In der Offenstellung sind die Niederhalter 12 beabstandet zu der Matrize 8 angeordnet, so dass die Pouchfolie 8 zwischen der Matrize 8 und den Niederhaltern 12 angeordnet werden kann. In der Schließstellung werden die Niederhalter 12 an die Matrize 8 gepresst, so dass die Pouchfolie 6 in einem Flanschbereich (Pouchflansch, Beutelflansch) 20 zwischen den Werkzeugteilen 8, 12 eingeklemmt und fixiert wird.
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Die Matrize 8 weist hierbei eine Anzahl von integrierten Luftkanälen 22 zum Absaugen einer eingeschlossenen Luft zwischen der Matrize 8 und der Pouchfolie 6 auf. Die Luftkanäle 22 sind beispielhaft lediglich in der 1 dargestellt. Des Weiteren weist die Matrize federbelastete (Auswerf-)Stifte 24 als Auswurf- oder Entnahmesystem für die Beutelhälfte 4 auf. Alternativ zu den federbelasteten Stiften 24 sind beispielsweise auch federbelastete Platten oder lochartige Öffnungen zum Zuführen von Druckluft möglich. Die Stifte 24 sind hierbei jeweils mit einer Feder 26 in Richtung des Umformstempels 10 vorgespannt, so dass die Pouchfolie 6 beziehungsweise die Beutelhälfte 4 bei einem geöffneten Umformwerkzeug 2 selbsttätig aus der Matrize 8 gedrückt wird. Die Matrize 8 weist weiterhin jeweils ein Untermesser 28 als Gegenmesser zum Obermesser 16 der Niederhalter 12 auf.
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Die Niederhalter 12 weisen jeweils eine Aussparung 30 zur Aufnahme eines Vorsiegelbands 32 auf. Der Formstempel 18 greift hierbei in die jeweilige Aussparung 30 ein. Die Aussparung 30 ist mit einer Zuführeinrichtung gekoppelt, mittels welcher das Vorsiegelband 32 in die Aussparung 30 zugeführt wird. Die 1 bis 4 zeigen hierbei zwei unterschiedliche Zuführeinrichtungen, auf den jeweils linken Seiten der Darstellungen ist eine Vorsiegelbandrolle 34 und eine Walzeneinrichtung 36 gezeigt, wobei auf den jeweils rechten Seiten der Darstellungen ein Magazin 38 mit einem Schieber 40 gezeigt ist. Vorzugsweise werden gleichartige Zuführeinrichtungen für beide Niederhalter 12 verwendet, wobei die 1 bis 4 im Wesentlichen zwei miteinander kombinierte Ausführungsformen zur Reduzierung der Anzahl von Einzeldarstellungen zeigen.
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Auf der Vorsiegelbandrolle 34 ist das Vorsiegelband 32 als ein Endlosmaterial aufgewickelt. Die Walzeneinrichtung 36 weist ein Reibwalzenpaar mit zwei Reibwalzen 42 auf, welche das Vorsiegelband 32 von der Vorsiegelbandrolle 34 abwickeln und entlang einer Förderrichtung F der Aufnahme 30 zuführen. Das Vorsiegelband 32 wird hierbei mittels des Formstempels 18 in der Aufnahme 30 vereinzelt.
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In dem Magazin 38 sind einzelne Vorsiegelbänder 32 gestapelt angeordnet, wobei der Schieber 40 jeweils ein Vorsiegelband 32 entlang der Förderrichtung F von dem Magazin 38 in die Aufnahme 30 schiebt.
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Nachfolgend ist anhand der 1 bis 4 ein Verfahren zur Herstellung der Beutelhälfte 4 näher erläutert.
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In dem in 1 dargestellten Verfahrensschritt wird die Pouchfolie 6 von der Folienrolle abgewickelt und entlang einer nicht näher bezeichneten Zuführrichtung automatisch dem Umformwerkzeug 6 zugeführt und auf der Matrize 8 positioniert. Das Umformwerkzeug 2 wird anschließend geschlossen, also in die Schließstellung bewegt. Dadurch wird der Umformstempel 10 abgesenkt, so dass die Niederhalter 12 den Flanschbereich 20 klemmen. Hierbei wird ein Halte- oder Klemmdruck über die Gasfeder 14 eingeleitet. Das Vorsiegelband 32 wird entweder über die Reibungswalzen 42 der Walzeneinrichtung 36 direkt von der Vorsiegelbandrolle 34 oder mit Hilfe des Schiebers 40 des Magazins 38 in der Aufnahme 30 der Niederhalter 12 positioniert. Mittels der Luftkanäle 22 wird die eingesperrte Luft zwischen der Pouchfolie 6 und der Matrize 8 abgesaugt und die Pouchfolie 6 angesaugt.
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Die 2 zeigt einen darauffolgenden Verfahrensschritt, in welchem das Vorsiegelband 32 mittels des Formstempels 18 an einer Schnittkante 44 vereinzelt wird. Der Formstempel 18 und das Obermesser 16 bewegen sich aufgrund der Gasdruckfedern 14 in Richtung der Matrize 8. In den Niederhaltern 12 befinden sich ein Spalt für die Messer 16.
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In dem in 3 gezeigten Verfahrensschritt wird das endlose Vorsiegelband 32 durch Umkehrung der Walzendrehrichtung auf die Vorsiegelbandrolle 34 aufgewickelt. Die Pouchfolie 6 wird über den Umformstempel 10 tiefgezogen und durch das Obermesser 16 vereinzelt und final konfektioniert. Ein Verschnitt oder Abfall 46, welcher bei der Vereinzelung der Pouchfolie 6 gebildet wird, wird beispielsweise über eine Rampe oder Rutsche 48 entfernt.
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Der Umformstempel 10 wird in die Matrize 8 abgesenkt, und damit die federbelasteten Stifte 24 eingedrückt. Durch das Absenken des Umformstempels 10 wird die Pouchfolie 6 tiefgezogen. Das Vorsiegelband 32 wird mit Hilfe des Formstempels 18 auf den Flanschbereich 20 gedrückt und dabei stoffschlüssig an dem Flanschbereich 20 vorfixiert, insbesondere geklebt.
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Die Vorsiegelbänder 32 werden somit während des Tiefziehvorgangs oder Tiefziehprozesses an der Beutelhälfte 4 angebracht. Es ist keine zusätzliche Maschine erforderlich, um die Vorsiegelbänder 32 in dem Pouchbeutel anzubringen. Die Vorsiegelbänder 32 befinden sich genau auf dem Flanschbereich 20 der Beutelhälfte 4. Das Schneiden oder Trimmen des Tiefziehvorgangs sowie die Positionierung und Aufbringung der Vorsiegelbänder 32 auf den Flanschbereichen 20 erfolgen somit im gleichen Hub mit dem Tiefziehen der Pouchfolie 6. Dies senkt die Betriebskosten und erhöht die Genauigkeit.
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In einer Ausgestaltung in welcher die Pouchfolie 6 nicht als Endlosmaterial, sondern als einzelne Folienblätter ausgeführt ist, entfallen das Obermesser 16 und das Untermesser 28. Des Weiteren ist es in dieser Ausgestaltungsform nicht notwendig das endlose Vorsiegelband 32 wieder aufzuwickeln, da kein Trennvorgang für die Pouchfolie 6 durchgeführt werden muss.
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Anschließend wird das Umformwerkzeug 2 in dem in 4 dargestellten Verfahrensschritt zurück in die Offenstellung bewegt. Dies bedeutet, dass der Umformstempel 10, die Niederhalter 12, die Formstempel 18, und die Obermesser 16 in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt werden. Die Auswerfstifte 24 bewegen die umgeformte Pouchfolie 6 aus der Matrize 8. Die tiefgezogene und final geschnittene Beutelhälfte 4 mit dem fest geklebtem Vorsiegelband 32 wird abschließend aus der Matrize 8 entnommen.
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Die 5 zeigt die Beutelhälfte 4 in einer perspektivischen Darstellung nach dem Tiefziehprozess gemäß 1 bis 4, bei welchem die Vorsiegelbänder 32 vorfixiert und die Flansche beziehungsweise Pouchfolie 6 zugeschnitten wurde. Das Vorsiegelband 32 wird durch den Kleber der Schicht 56 mit der Pouchfolie 6 der Beutelhälfte 4 befestigt. Die Wirkung des Klebers wird vorzugsweise erst durch Druck aktiviert. So wird zunächst eine transportsichere Verbindung zwischen Vorsiegelband 32 und der Beutelhälfte 4 geschaffen. In einem späteren Prozesse wird das Vorsiegelband 32 vorzugsweise erhitzt und es ergibt sich eine stoffschlüssige und fluiddichte Verbindung zwischen Vorsiegelband 32 und der Beutelhälfte 4, insbesondere zwischen der Kunststoffschicht 54 und der Beutelhälfte 4.
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Nachfolgend ist anhand der 6 ein Ausführungsbeispiel für das Vorsiegelband 32 näher erläutert.
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Das Vorsiegelband 32 weist einen mehrschichtigen Aufbau mit einer Metallschicht 50 und mit einer Isolationsschicht 52 sowie mit einer Kunststoffschicht 54 auf. Die Metallschicht 50 weist beispielsweise eine Schichtdicke von 0,05 mm (Millimeter) auf. Die Metallschicht 50 ist für eine Kathode insbesondere als eine Aluminiumplatte und für eine Anode insbesondere als eine Kupferplatte ausgeführt. Das verwendete Kupfer für die Kupferplatte (Kupferschicht) besteht zu 99,99% aus E-Kupfer und das Aluminium der Aluminiumplatte (Aluminiumschicht) besteht zu mehr als 99,3% aus reinem Aluminium. Vorzugsweise weisen die Metallschichten 50 die gleichen Eigenschaften wie die damit zu fügenden Ableiterfähnchen auf.
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Die Metallschicht 50 wird insbesondere auf einem Polypropylenstreifen als Kunststoffschicht 54 befestigt. Die Kunststoff- oder Polypropylenschicht 54 weist beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 0,1 mm auf. Zur Befestigung der Schichten 50, 54 ist ein Klebstoff auf Silikonbasis als Isolationsschicht 52 vorgesehen. Silikon kann bis zu 200°C standhalten und wirkt auch als elektrischer Isolator.
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Das Vorsiegelband 32 weist eine weitere Schicht 56 auf. Die Schicht 56 ist als ein auf der Kunststoffschicht 54 aufgebrachter Schmelzkleber ausgeführt, und ist nachfolgend auch als Klebeschicht 56 bezeichnet. Die Klebeschicht 56 weist beispielsweise eine Schichtdicke von 0,01 mm auf. Die Klebeschicht 56 ist vorzugsweise aus einem aktivierbaren Klebematerial hergestellt. Dies bedeutet, dass die Klebewirkung der Klebeschicht 56 erst nach einer Einwirkung eines äußeren Reizes oder einer äußeren Anregung, beispielsweise einer Temperatur oder eines mechanischen Drucks, ausgelöst wird. Dadurch ist es möglich, die Vorsiegelbänder 32 gestapelt in dem Magazin 38 oder aufgewickelt auf der Vorsiegelbandrolle 34 zu lagern, da die Klebewirkung beispielsweise erst durch den Formstempel 18 ausgelöst wird.
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In einer möglichen Ausführungsform ist die Klebeschicht 56 als ein Heißschmelzkleber ausgeführt, und hat auf beiden Seiten einen Klebeeffekt. Die Schmelzklebstoffe der Schicht 56 schmelzen bei etwa 100 °C.
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In einer ebenso möglichen Ausführungsform ist die Klebeschicht 56 als ein druckaktivierbarer Kleber ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Klebewirkung - insbesondere in Richtung des Flanschbereichs 20 - erst bei einer Ausübung eines Drucks bewirkt oder ausgelöst wird. Die Klebeschicht 56 kann also erst nach einem ausgeübten Druck eine stoffschlüssige Fügeverbindung realisieren.
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Die Klebeschicht 56 realisiert eine zuverlässige Vorfixierung des Vorsiegelbands 32 auf dem Flanschbereich 20 der Beutelhälfte 4. Das Anbringen der Vorsiegelbänder 32 mittels der Klebeschicht 56 ist temporär. Mit anderen Worten ist die Befestigung oder Vorfixierung der Vorsiegelbänder 32 am Flanschbereich 20 mittels der Schicht 56 provisorisch und stellt sicher, dass sich die Vorsiegelbänder 32 während des Transports zur weiteren Operation nicht von der Position am Flanschbereich 20 verschiebt. Die Vorsiegelbänder 32 weisen noch keine feste Verbindung mit der Oberfläche der Beutelhälfte 4 auf, um eine Leckage dicht zu verschließen.
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Beispielsweise kann das Vorsiegelband 32 auch aus einem reinem Kunststoff bestehen, welcher mit einem Kleber stoffschlüssig mit dem Ableitertab oder den Ableiterfähnchen verbunden wird.
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Nachfolgend ist anhand der 7 bis 11 ein zweites Beispiel für das Umformwerkzeug 2 näher erläutert.
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In dieser Ausführungsform weist das Umformwerkzeug 2 zur Konfektionierung der Pouchfolie 6 beziehungsweise der Beutelhälfte 4 lediglich ein feststehendes Untermesser 28 auf. Das Untermesser 28 ist hierbei an einer feststehenden oder stationären Platte 58 emporstehend angeordnet. Die Platte 58 ist unterhalb der Matrize 8 angeordnet und mittels einer Anzahl von Federelementen 60 federnd gegenüber der Matrize 8 gelagert. Dies bedeutet, dass die Matrize 8 entgegen der Feder- oder Rückstellkräfte der Federelemente 60 in Richtung der Platte 58 bewegbar oder absenkbar ist.
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Die Matrize 8 weist hierbei einen in den 7 und 8 strichliniert gezeigten Messerschlitz 62 als Durchführöffnung für das Untermesser 28 auf. Der Messerschlitz 62 ist axial fluchtend zu dem Untermesser 28 angeordnet, so dass wenn die Matrize 8 in Richtung der Platte 58 bewegt wird, das Untermesser 28 in den Messerschlitz 62 eingreift und durch diesen auf die dem Stempel 10 zugewandte Oberseite der Matrize 8 geführt wird. Somit wird die Pouchfolie 6 von unten geschnitten oder konfektioniert.
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Die 7 und 8 zeigen das Umformwerkzeug 2 in einem offenen Zustand mit einer nicht umgeformten Pouchfolie 6. Die 9 zeigt das Absenken des Umformstempels 10 im Zuge des Umformprozesses, wobei der Umformstempel 10 derart abgesenkt wird, dass die Matrize 8 - wie in 10 dargestellt - an die Platte 58 gepresst wird. Die Niederhalter 12 weisen hierbei nicht näher bezeichnete Aufnahmen für die Spitze der Untermesser 28 auf. Die 11 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Entnahme der Beutelhälfte 4 aus dem geöffneten Umformwerkzeug 2.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenharten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Umformwerkzeug
- 4
- Beutelhälfte
- 6
- Pouchfolie
- 8
- Matrize
- 10
- Umformstempel
- 12
- Niederhalter
- 14
- Gasdruckfeder
- 16
- Obermesser
- 18
- Formstempel
- 20
- Flanschbereich
- 22
- Luftkanal
- 24
- Stift
- 26
- Feder
- 28
- Untermesser
- 30
- Aussparung
- 32
- Vorsiegelband
- 34
- Vorsiegelbandrolle
- 36
- Walzeneinrichtung
- 38
- Magazin
- 40
- Schieber
- 42
- Reibwalze
- 44
- Schnittkante
- 46
- Abfall
- 48
- Rutsche
- 50
- Metallschicht
- 52
- Isolationsschicht
- 54
- Kunststoffschicht
- 56
- Klebeschicht
- 58
- Platte
- 60
- Federelement
- 62
- Messerschlitz
- F
- Förderrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014019505 A1 [0010]
