用于制造锂离子电池单池的电极的方法

技术领域

本发明涉及一种根据本发明的用于制造尤其锂离子电池单池的电极的方法以及一种根据本发明的过程装置。

背景技术

在这类的制造方法中，在连续过程中执行以下过程步骤：涂层，其中，在两侧利用电极涂层对载体箔带材(

锂离子单池的电极具有集流的金属箔。负电极由铜箔和石墨制成；正电极由涂层有阴极材料的铝箔组成。活性材料目前要么分开地在两个表面上彼此相继地施加到载体箔带材上要么同时在两个表面(上表面A和下表面B)上施加到载体箔带材上。在同时涂层两个表面时，A侧抵靠着支撑辊进行涂层。但是，在B侧的涂层中，没有设置支承辊。这意味着，载体箔带材的B侧上的涂层在没有支撑辊的情况下进行。在涂层之后，电极在悬浮带材干燥器中经历干燥过程。此处不可能使用支撑辊。这意味着，电极以正弦曲线运动。主要缺点在于，涂层干燥不均匀并且电极上的可能的褶皱也无法伸展。虽然同时的涂层在能量消耗方面具有很大优势，但其在电极的批量生产中却较少使用。主要问题是，在表面B的涂层期间和在干燥过程期间，辊的背压不足。通常，在电极的批量生产中，涂层必须以75-80m/min的速度进行。这需要约60m的干燥长度。目前，电极没有用于整个60m长的干燥区的支撑。此外，电极沿干燥区以正弦曲线运动。

在由现有技术已知的压延中，不在纵向方向上拉伸载体带材箔的未涂层部分。此外，载体带材箔的未涂层部分在横向方向上承受压应力。这两者都导致在载体带材箔的未涂层部分中的褶皱形成。

目前主要使用的铜箔的厚度为10μm。基于过程要求和以最小的电势损失传输电子的必要性来确定该厚度。通常不希望使用较厚的铜箔，因为铜构成电池质量的大约10％。然而，存在具有厚度高达18μm的铜箔的高功率单池，并且另一方面，存在具有厚度为8μm的箔的高能量单池。趋势在于仍更薄的铜基材、例如6μm。然而，更薄的基材意味着更高的褶皱形成概率。

此外，存在以下问题：在对活性材料进行涂层时，要求直线的涂层边棱。目前，涂层边棱遵循大约3mm的偏差。边棱处的层高也不是恒定的。该层高具有顶峰，然后倾斜地下降。这可能导致容量损失和压延中活性材料的更加不均匀的分布。由于每个批次中浆料的粘度发生变化并且涂层唇缘非常温度敏感，因此在边缘处很难达到边棱清晰的涂层。也重要的是，在涂层的上边棱和下边棱之间保持0.5的公差。出于上述原因，这也很难实现。

由US 2018/0090795 A1已知一种锂离子电池单池的电极装置。由WO 2013/137385A1已知一种用于制造电极的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于制造锂离子电池单池的电极的方法和过程装置，其中，与现有技术相比，在制造过程期间减少了载体箔带材中的褶皱形成或构件变型。

上述技术问题通过本发明的特征来解决。本发明的优选的扩展方案在优选的实施方式中公开。

本发明从一种方法出发，在该方法中，在连续过程中执行以下过程步骤：首先进行涂层，其中，在两侧利用电极涂层对载体箔带材进行涂层。在此，载体箔带材的至少一个纵向边缘区域保持未涂层，优选地在之后的过程步骤中由该至少一个纵向边缘区域形成电极导流体。随后进行干燥，其中，经涂层的载体箔带材通过干燥器，以便干燥电极涂层。之后执行压延，其中，调整电极涂层的孔隙率。根据本发明的特征部分，采取以下措施以避免载体箔带材中的褶皱形成或构件变形：在涂层之前执行施加步骤，其中，将胶粘带施加到载体箔带材的纵向边缘区域上。胶粘带优选地在两侧施加在载体箔带材的纵向边缘区域处。以这种方式，借助胶粘带覆盖载体箔带材的未涂层的纵向边缘区域。胶粘带在此直接邻接到载体箔带材的电极涂层。

本构思分为以下几个方面：利用胶粘带对集流体在之后的刻切(Notching)过程中应冲压的区域进行涂层。胶粘带被选择为，使得胶粘带承受涂层过程的干燥温度。胶粘带的厚度可以对应于涂层的厚度。在干燥器通道中，支撑卷筒位于胶粘带区域的上方和下方，使得载体带材箔不以自由悬浮的形式正弦形状地运动，而是从两侧固定。

胶粘带的厚度优选地大于涂层的厚度。因此，干燥期间与带材引导辊或支撑辊的接触不会不利地影响电极涂层。带材引导辊可以具有螺旋状结构，该螺旋状结构在带的区域中产生横向力。以这种方式，纵向褶皱被伸展和去除。随后进行压延过程。由于纵向边缘区域现在设有胶粘带(厚度与涂层相同或更大)，因此整个电极表面与压延卷筒接触并且载体箔带材被均匀地拉伸和镦锻。以这种方式，不会出现褶皱形成。胶粘带的可压缩性被设计为，使得在压延过程期间，基材的经压缩的厚度与经压延的涂层的期望的最终厚度一致。

在压延之后，从集流体上去除胶粘带。在去除胶粘带之后，即使涂层过程不那么精确，也获得直线的涂层边棱。位于胶粘带上的电极涂层与胶粘带一起去除，使得涂层边棱具有非常好的准确度。在切口和修剪之后，将电极线圈放置到料盒中，然后在真空烘箱中干燥以去除水分。在真空干燥的第一循环中，将经干燥的空气的蒸汽与醇一起引入。由此去除集流体区域上的所有胶粘和油脂痕迹(其在胶粘带接合在集流体区域上时产生)。醇用作亲脂性溶解剂以去除硅粘合剂颗粒。在第一循环之后，将醇蒸汽抽出，剩余的干燥循环在真空下执行。

在堆叠之前，可以将集流体与仍位于纵向边缘区域上的导电的粘附剂残留物接合。然后可以将电极电导流体彼此激光或超声波焊接。

如果在剥离所述带之后不希望有导电的粘合剂，则可以在真空干燥过程期间去除该粘合剂。在此，首先将乙醇蒸汽喷洒到集流体上。由此将粘合剂溶解。之后，可以在真空下开始正常的干燥过程。在这种情况下，不需要导电的粘合剂。可以使用硅酮基的普通粘合剂。如果剥离之后在集流体上不再存在粘合剂(如所述带在与集流体连接之前具有粘合剂层那样)，则无需去除该粘合剂，并且可以将该集流体直接用于堆叠。

本发明与现有技术的主要区别列举如下：电极的集流体区域(下面也称为电导流体)涂层有胶粘带。所述带由诸如聚氨酯的可压缩材料和诸如硅酮或聚酰胺的耐高温材料的混合物制成。胶粘带通过与导电的硅酮胶粘剂的粘合紧固在集流体处。粘合紧接在将湿涂层施加到电极上之前进行。在贴上胶粘带之后，同时在电极两侧以浆料涂层。表面A的涂层利用缝隙喷嘴抵靠着支撑辊进行。支撑辊具有小的偏移量，以便考虑带的厚度。表面B的涂层也利用缝隙喷嘴抵靠着支撑辊进行。在此，支撑辊仅与带接触，而不与整个电极表面接触。带厚度比最大的涂层厚度高大约15-20％。以这种方式，带材引导辊在干燥过程中与胶粘带接触，而湿涂层在干燥阶段不与带材引导辊接触。该胶粘带优选地可以承受120℃的干燥温度，而不丢失其强度、弹性和粘合特性。在干燥阶段期间，电极由与所述带接触的辊从上方和下方支撑。以这种方式，电极在干燥阶段期间直线地运动，而不是以正弦形状运动。在压延阶段期间，压延辊将所述带和涂层压至所需的厚度。所述带在压延期间被弹性压缩至与涂层相同的最终厚度。在压延结束之后，所述带又恢复其厚度。位于集流体上的胶粘带还会拉伸胶粘带下方的载体箔带材并且因此防止褶皱形成。在压延之后，所述带借助剥离工具或者说揭除工具去除，随后重新卷绕以便重复使用。在卷绕之前，清除在涂层期间粘附在所述带上的任何活性材料。通常，所述带设有聚四氟乙烯涂层，从而活性材料无法牢固地粘附在所述带上并且可以利用异丙醇溶液或通过机械刷洗去除。残留在集流体上的导电的粘合剂可以用于在激光或超声波焊接之前通过粘合将集流体连接。如果不希望有导电的粘合剂，则可以在真空干燥过程期间将其去除。在此，首先喷洒溶解粘合剂的乙醇蒸汽。之后，可以开始正常的干燥过程。在这种情况下，不需要导电的粘合剂。胶粘带实现了涂层的直线边棱，因为多余的材料沉积在胶粘带上，该胶粘带在压延之后被去除。

下面以要点列举本发明的优点：在没有高精度缝隙喷嘴的情况下也可以在同时两侧的涂层中实现直线的涂层边棱。同时两侧的涂层可以利用支撑辊针对A侧和B侧进行。由此改善了涂层的均匀性。电极的干燥通过支撑辊或带材引导辊进行，该支撑辊或带材引导辊防止电极在干燥阶段的正弦曲线流动。这有利于更均匀的干燥并且还实现更快的干燥速度。可以增加干燥室的长度而不会不利地影响涂层质量。在压延期间不产生褶皱，因为带和涂层同时一起压缩和拉伸基材。集流体涂层有胶粘带，因此防止了氧化物形成、污垢和油脂积聚以及机械损坏。可以使用具有较小厚度的基材。在剥离胶粘带后残留的胶粘剂可以在焊接前用于连接集流体。由此实现更好的公差。由于粘合剂是导电的，因此集流体在接合之后具有更好的导电性。在压延期间，不需要涂覆用于避免褶皱形成的溶液。干燥阶段期间的横向拉伸有助于去除涂层期间的褶皱。同样的横向拉伸也可以在压延过程期间进行，以便拉伸电极。胶粘带可以重复使用，使得无需付出用于附加的消耗材料的成本。所述带具有高的可压缩性和高的耐温性。这意味着，干燥温度和压延力不会永久地损坏胶粘带。通过针对两侧同时的涂层和仅一个干燥阶段，实现高的能量节省。同时，质量与在单侧的涂层和干燥的情况下一样好。涂层时的胶粘带过程和随后压延时的胶粘带的剥离可以容易地集成到标准机器中。

下面再次详细强调本发明的基本方面：胶粘带的厚度可以被量定为至少与电极涂层的湿层厚度一样大。然而优选的是，胶粘带的厚度被量定为大于电极涂层的湿层厚度、更确切地尤其大15％至20％。

干燥优选地实现为热空气干燥，其中，载体箔带材经由干燥点引导通过热空气喷嘴装置。热空气喷嘴装置的热空气喷嘴向上侧和下侧施加热空气。根据本发明，干燥器具有带材引导辊，该带材引导辊与施加在载体箔带材上的胶粘带接触。优选地，将载体箔带材的两侧施加有胶粘带的纵向边缘区域引导通过带材引导辊对的至少一个辊隙。带材引导辊在此保持不与待干燥的电极涂层接触。载体箔带材优选地可以关于带材纵向方向在两侧分别具有施加有胶粘带的纵向边缘区域，该纵向边缘区域由带材引导辊引导。

胶粘带被耐热地设计，使得该胶粘带可以无损坏地通过干燥器。

在随后的压延中，将载体箔带材引导通过压延辊对的至少一个辊隙。此外，胶粘带可以由弹性变形材料制成。因此，胶粘带在通过辊隙时与电极涂层一起被压合。因此，与现有技术相比，不仅载体箔带材的涂层区域、而且载体箔带材的未涂层区域在带纵向方向和/或带横向方向上被伸展，由此可以有效地避免褶皱形成。

在压延之后，利用揭除工具从载体箔带材上去除胶粘带。

可以通过粘附剂将胶粘带与载体箔带材粘合。在一种优选的实施变型中，粘附剂可以是导电的。在揭除胶粘带之后，粘附剂残留物残留在载体箔带材的未涂层的纵向边缘区域上。

在压延之后执行切割和/或冲压过程，其中，制成彼此独立的电极，更确切地由载体箔带材的未涂层的纵向边缘区域形成电极导流体。随后将单个电极与隔膜一起堆叠成电极/隔膜堆叠。在堆叠过程之后执行接合步骤，其中，所有阴极侧电极导流体借助粘附剂残留物彼此粘合。此外，所有阳极侧电极导流体借助粘附剂残留物彼此粘合。

附图说明

下面参考附图描述本发明的实施例。

在附图中：

图1至图10分别示出了用于说明用于制造电极的方法的视图。

具体实施方式

在图1中示出了电极/隔膜堆叠1，该电极/隔膜堆叠由彼此上下堆叠的电极A、K和布置在其之间的隔膜S构成。阳极电导流体3和阴极电导流体5分别侧向地从电极A、K突出并且分别在接头F处彼此连接。电极A、K中的每个电极都具有中间的载体箔带材坯料7，该载体箔带材坯料在两侧涂层有电极涂层9。载体箔带材坯料7利用相应的阴极或阳极电导流体3、5侧向地向外延长。

下面参考图2至图10描述用于连续制造电极A、K之一的方法。在图2中提供了卷筒11，该卷筒具有卷绕在其上的载体箔带材13。该载体箔带材首先经历施加步骤(图2)。在施加步骤中，分别将条形胶粘带18施加到载体箔带材13的两个侧向上的纵向边缘区域15上，如图3所示。在每个纵向边缘区域15处，将胶粘带18不仅施加到箔上侧而且施加到箔下侧。在之后的过程步骤中，阴极或阳极电导流体3、5由纵向边缘区域15形成。

在施加步骤(图2)中，将载体箔带材13引导通过涂覆辊对17的辊隙，粘附剂19通过该辊隙涂覆到载体箔带材13的纵向边缘区域15上。粘附剂19在箔上侧处和箔下侧处分别借助转移单元23从储存器21转移到涂覆辊17上。随后，粘合胶粘带18。为此，在图2中，在箔上侧处和箔下侧处分别提供辊装置25，通过该辊装置，胶粘带18作为连续带材粘合到载体箔带材13的纵向边缘区域15上。

如从图3进一步看出的那样，载体箔带材13的中间区域在箔上侧处和箔下侧处保持未处理、即没有胶粘带。在施加步骤之后跟随着涂层步骤(图4)，其中，借助涂覆工具27利用仍粘稠的电极涂层9在箔上侧处和箔下侧处对载体箔带材13的中间部段进行涂层。粘稠的电极涂层9的湿层厚度s

胶粘带18由弹性变形且耐温的材料制成，该材料在随后的干燥过程期间保持不被热损坏。在干燥过程(图4和图6)中进行热空气干燥，其中，载体箔带材13在干燥区段上引导通过干燥器30的热空气喷嘴装置，该热空气喷嘴装置的热空气喷嘴31将热空气施加到载体箔带材13的箔上侧和箔下侧。此外，干燥器30具有带材引导辊32，该带材引导辊沿着干燥区段成对地布置。如从图6的详细视图看出的那样，载体箔带材13的施加有胶粘带18的两个纵向边缘区域15被引导通过带材引导辊对的辊隙。带材引导辊32在此保持不与待干燥的电极涂层9接触。在干燥区段之后跟随着冷却区段33(图4)，在该冷却区段中，载体箔带材13被卷绕在卷筒35上。

在进一步的过程流程中，执行压延(图7)，其中，将载体箔带材13引导通过两个彼此前后布置的压延辊对37的辊隙。在此，胶粘带18与电极涂层9在通过辊隙时一起被压合，如从图8中看出的那样。因此，与现有技术相比，不仅载体箔带材13的经涂层的中间区域而且载体箔带材13的未涂层的纵向边缘区域15在带纵向方向和带横向方向上被拉伸，由此可以避免褶皱形成。

揭除工具39在过程技术方面连接在图7所示的压延站的下游，利用该揭除工具从载体箔带材13的纵向边缘区域15上剥离胶粘带18。剥离后的胶粘带18被分别重新卷绕到卷筒42上。

在去除胶粘带18之后，电极涂层9具有直线的边棱走向41(图9)，其中，电极涂层9具有高的层厚准确度。

根据图9，粘附剂残留物43残留在纵向边缘区域15上，该粘附剂残留物仍用于之后的接合步骤。

连接在压延(图7)之后是切割和/或冲压过程，其中，由载体箔带材13制成彼此独立的电极E，其中一个电极E在图10中示出。在电极E中，电极导流体3或5在所谓的刻切过程中由未涂层的纵向边缘区域15形成。完成的电极E与隔膜S一起堆叠成在图1中示出的电极/隔膜堆叠1。在堆叠过程之后进行接合步骤，其中，所有阴极侧电极导流体5借助粘附剂残留物43彼此粘合。以相同的方式，所有阳极侧电极导流体3借助粘附剂残留物43彼此粘合，更确切地形成接头F(图1)。为了提高连接强度，在粘合连接之后例如进行焊接过程，其中，将已经彼此粘合的电极导流体3、5附加地还彼此焊接。

附图标记列表

1电极/隔膜堆叠

3阳极导流体

5阴极导流体

7载体箔带材坯料

9电极涂层

11 卷筒

13 载体箔带材

15 纵向边缘区域

17涂覆辊

18 胶粘带

19 粘附剂

21 储存器

23 转移单元

25 辊装置

27 涂覆工具

30 干燥器

31 热空气喷嘴

32 带材引导辊

33 冷却区段

35 卷筒

37 压延辊对

39 揭除工具

41 边棱走向

42 卷筒

43 粘附剂残留物

A阳极

K阴极

E电极

F接头

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