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Die beschriebene Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Gehäuse, mindestens einer Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode, die in dem Gehäuse angeordnet ist, einem positiven Abgriffspol, der mit der mindestens einen positiven Elektrode verbunden ist, und einem negativen Abgriffspol, der mit der mindestens einen negativen Elektrode verbunden ist, sowie ein Verfahren zum sicheren Betreiben einer solchen Batterie.
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Der Begriff „Batterie“ meinte ursprünglich mehrere in Serie geschaltete galvanische Zellen. Heute werden jedoch auch einzelne galvanische Zellen (Einzelzellen) häufig als Batterie bezeichnet. Bei der Entladung einer galvanischen Zelle findet eine energieliefernde chemische Reaktion statt, welche sich aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zusammensetzt. An der negativen Elektrode werden in einem Oxidationsprozess Elektronen freigesetzt, resultierend in einem Elektronenstrom über einen äußeren Verbraucher zur positiven Elektrode, von der eine entsprechende Menge an Elektronen aufgenommen wird. An der positiven Elektrode findet also ein Reduktionsprozess statt. Zeitgleich kommt es zu einem der Elektrodenreaktion entsprechenden Ionenstrom innerhalb der Zelle. Dieser Ionenstrom wird durch einen ionenleitenden Elektrolyten gewährleistet. In sekundären Zellen und Batterien ist diese Entladereaktion reversibel, es besteht also die Möglichkeit, die bei der Entladung erfolgte Umwandlung chemischer Energie in elektrische umzukehren.
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Unter den bekannten sekundären Zellen werden vergleichsweise hohe Energiedichten insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen erreicht, also von Zellen, bei denen bei Lade- und Entladeprozessen Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen wandern. Derartige Zellen eignen sich besonders für den Einsatz in portablen Geräten wie Notebooks und Mobiltelefonen. Insbesondere sind sie aber auch als Energiequelle für Kraftfahrzeuge interessant.
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In aller Regel weisen die Zellen von Lithium-Ionen-Batterien brennbare Bestandteile auf, so umfasst beispielsweise der Elektrolyt einer Lithium-Ionen-Zelle häufig als Hauptkomponente ein organisches Lösungsmittel wie z.B. Ethylencarbonat. In Verbindung mit der hohen Energiedichte solcher Zellen stellt dies ein nicht zu unterschätzendes Gefahrenpotenzial dar. Entsprechend müssen besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um Risiken für Verbraucher ausschließen zu können oder zumindest möglichst gering zu halten.
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Lithium-Ionen-Zellen können insbesondere bei einer mechanischen Beschädigung oder durch Überladung in einen kritischen Zustand geraten, in dem u.U. Brandgefahr besteht. Die Überladung einer Lithium-Ionen-Zelle kann zur Abscheidung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode führen sowie zu einer Zersetzung des in der Zelle enthaltenen Elektrolyten. Letzteres führt gegebenenfalls zu einer starken Aufgasung der Zelle. In Extremfällen kömmt es dabei zu einer Schädigung eines die Zelle umgebenden Gehäuses. In der Folge können Feuchtigkeit und Sauerstoff in die Zelle eindringen, was in einer explosionsartigen Verbrennung resultieren kann.
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Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, Lithium-Ionen-Zellen mit Sicherungsmitteln zu versehen. Eine geeignete Schaltungsanordnung zur elektronischen Überwachung der Betriebssicherheit von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen ist beispielsweise aus der
DE 101 04 981 A1 bekannt. Die Verwendung von Schmelzsicherungen zur Erhöhung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ist aus der
DE 10 2008 020 912 A1 bekannt. Und aus der
DE 10 2007 020 905 A1 sind Zellen bekannt, die einen Ableiter aufweisen, der auf einer dünnen Kunststofffolie angeordnet ist und der eine Solltrennstelle aufweist. Verformt sich die Folie, beispielsweise in Folge einer Zellgasung, so wird der Ableiter an der Solltrennstelle zerstört, wordurch die Zelle irreversibel und dauerhaft deaktiviert ist.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, bereitzustellen, in denen eine zuverlässige und einfache Sicherheitslösung realisiert ist, die obigen Problemen Rechnung trägt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Auch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im abhängigen Anspruch 9 definiert. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
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Die erfindungsgemäße Batterie umfasst mindestens eine Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode. Bei der Einzelzelle handelt es sich bevorzugt um eine Zelle auf Lithium-Ionen-Basis. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Batterie bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Anwendungsfelder für die erfindungsgemäße Batterie finden sich insbesondere im Bereich Kraftfahrzeuge. Die erfindungsgemäße Batterie ist entsprechend bevorzugt eine KFZ-Batterie.
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Die Einzelzelle liegt bevorzugt in Form eines Verbundes aus Elektrodenund Separatorfolien mit der Sequenz positive Elektrode/Separator/negative Elektrode vor. Bevorzugt umfassen die Elektroden dabei metallische Stromkollektoren, die meist in Form von Flächengebilden vorliegen. Bei Lithium-Ionen-Batterien findet sich etwa auf der Seite der positiven Elektrode bevorzugt ein Netz oder eine Folie aus Aluminium, beispielsweise aus Aluminiumstreckmetall oder aus einer gelochten Aluminiumfolie. Auf der Seite der negativen Elektrode werden als Stromkollektoren meist Netze oder Folien aus Kupfer verwendet. Grundsätzlich kann die Batterie sowohl einen Zellenstapel (stack) aus mehreren flachen Einzelzellen enthalten als auch eine gewickelte Einzelzelle (coil).
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Die mindestens eine Einzelzelle ist bei der erfindungsgemäßen Batterie in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse schirmt die mindestens eine Einzelzelle von ihrer Umgebung ab und ist bevorzugt gas- und flüssigkeitsdicht. Bevorzugt handelt es sich bei dem Gehäuse um ein festes Gehäuse, insbesondere aus Metall, beispielsweise aus einem Aluminiumblech.
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Die erfindungsgemäße Batterie weist einen positiven Abgriffspol auf, der mit der mindestens einen positiven Elektrode verbunden ist und einen negativen Abgriffspol, der mit der mindestens einen negativen Elektrode verbunden ist. Die Abgriffspole dienen dem Anschluß eines elektrischen Verbrauchers, an ihnen wird also in der Batterie gespeicherte elektrische Energie „abgegriffen“.
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Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Batterie dadurch aus, dass sie mindestens einen pneumatisch betätigbaren elektrischen Schalter umfasst, der bei einem Druckanstieg innerhalb des Gehäuses über einen Schwellenwert hinaus seinen Schaltungszustand ändert und dabei einen Sicherungsmechanismus auslöst, der einen weiteren Druckanstieg unterbindet.
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Der mindestens eine Schalter umfasst dabei bevorzugt zwei elektrische Kontakte, die bei einem Druck unterhalb des Schwellenwerts räumlich voneinander getrennt sind. Weiterhin umfasst der Schalter bevorzugt eine gasundurchlässige Membran, die eine Grenzschicht zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Gehäuseumgebung bildet. Die Membran sollte dabei idealerweise durch den Druck elastisch verformbar sein. Als Membran geeignet ist beispielsweise eine Kunststoff- oder eine Metallfolie. Bei einem Druckanstieg innerhalb des Gehäuses wölbt sich eine solche Membran nach außen. Erfindungsgemäß sind die Membran und die elektrischen Kontakte dabei derart angeordnet, dass die beiden elektrischen Kontakte miteinander verbunden werden, wenn der Druck den Schwellenwert überschreitet. Bedingt durch den Druckanstieg ändert der Schalter also seinen Schaltungszustand. In der beschriebenen Ausführungsform wird er in Folge der durch den Druck erzeugten Wölbung nach außen geschlossen.
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Bei der vorliegenden Erfindung macht man sich also die bei einer Überladung auftretende Gasung einer Zelle zunutze. Die entstehenden Gase dienen im Rahmen des Zellsicherungsmechanismus als „Arbeitsmedium“ und können auf die Membran Druck ausüben, so dass sich diese nach außen wölbt. Die Wölbung führt dann wiederum auf mechanischem Weg ein Schließen des Schalters herbei. Streng genommen handelt es sich bei dem Schalter also um einen „pneumo-elektromechanischen Schalter“.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist zwischen dem positiven und dem negativen Abgriffspol ein Spannungsmesser vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ zu dem Spannungsmesser kann zwischen die Abgriffspole auch ein Lastwiderstand geschaltet sein.
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In besonders bevorzugten Ausführungsformen verbindet der mindestens eine Schalter beim Schließen den positiven Abgriffspol elektrisch mit dem negativen Abgriffspol.
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Wenn der Lastwiderstand zwischen die Abgriffspole geschaltet ist, kann über den Lastwiderstand eine Entladung der erfindungsgemäßen Batterie erfolgen, wenn der positive Abgriffspol durch das Schließen des mindestens einen Schalters mit dem negativen Abgriffspol elektrisch verbunden wird. Eine solche Entladung wirkt einer Spannungserhöhung innerhalb der Zelle entgegen und damit gegebenenfalls auch einem weiteren Druckanstieg innerhalb des Gehäuses.
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Wenn der Spannungsmesser zwischen die Abgriffspole geschaltet ist, kann dieser eine gegebenenfalls vorliegende Überspannung zwischen den Abgriffspolen detektieren. Die gemessene Spannung kann an ein Batteriemanagement-System übermittelt werden, über das Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, beispielsweise eine gezielte Entladung der Zelle über einen separaten Stromkreis oder einen elektronische Abkopplung der Zelle.
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Ist hingegen weder ein Zwischenwiderstand noch ein Spannungsmesser zwischen den Abgriffspolen angeordnet, so führt das Schließen des Schalters einen Kurzschluss herbei. Auch dies kann gewollt sein, wie noch erläutert werden wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei mindestens einem der Abgriffspole um einen Pol in Form eines metallischen Stabes oder Bolzens, der von außen durch das Gehäuse der erfindungsgemäßen Batterie hindurch ins Gehäuseinnere geführt sind. In der Regel ist er durch eine isolierfähige Masse vom Gehäuse elektrisch und mechanisch getrennt, wie das beispielsweise in der
DE 100 47 206 A1 beschrieben ist. Sind beide Pole derart isoliert, so ist das Gehäuse potentialfrei.
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Grundsätzlich ist es allerdings durchaus auch möglich, dass das Gehäuse selbst als positiver oder negativer Abgriffspol dient.
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Erfindungsgemäß kann es weiterhin bevorzugt sein, dass mindestens einer der Abgriffspole auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist und nicht unmittelbar, sondern über einen separaten Kontaktpol mit der mindestens einen positiven Elektrode oder der mindestens einen negativen Elektrode elektrisch verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist der Kontaktpol bevorzugt als Stab oder Bolzen ausgebildet, der durch das Gehäuse der erfindungsgemäßen Batterie hindurch ins Gehäuseinnere geführt ist. Der mindestens eine Abgriffspol dient in dieser Ausführungsform zur elektrischen Kontaktierung der erfindungsgemäßen Batterie, während der Kontaktpol die elektrische Verbindung zu der oder den Elektroden gewährleistet. Bevorzugt ist auch der Kontaktpol vom Gehäuse elektrisch und mechanisch getrennt, wie es in der bereits erwähnten
DE 100 47 206 A1 beschrieben ist. Der mindestens eine Abgriffspol ist in dieser Ausführungsform vom Gehäuse elektrisch isoliert, über einen entsprechenden Leiter aber mit dem Kontaktpol elektrisch verbunden.
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Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Batterie mindestens eine Schmelzsicherung auf, die beim Schmelzen den Kontakt zwischen der mindestens einen positiven Elektrode und dem positiven Abgriffspol und/oder zwischen der mindestens einen negativen Elektrode und dem negativen Abgriffspol unterbricht. Dabei ist die Schmelzsicherung bevorzugt auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet, insbesondere zwischen einem Kontaktpol und einem mit diesem elektrisch verbundenen Abgriffspol. Die Schmelzsicherung wird dabei bevorzugt so gewählt, dass sie im Normalbetrieb (also z.B. beim Laden der erfindungsgemäßen Batterie oder beim Entladen mit einer zwischen die Abgriffspole geschalteten Nutzlast) nicht auslöst, bei einem Kurzschluss zwischen den Abgriffspolen, wie er durch den erfindungsgemäß verwendeten pneumatisch betätigbaren Schalter gewollt herbeigeführt werden kann, hingegen schmilzt. Wird der Schalter bei einer Druckerhöhung innerhalb des Gehäuses geschlossen, so kann die Batterie mittels der Schmelzsicherung zuverlässig deaktiviert werden. Eine Reaktivierung könnte, falls gewünscht, durch einen Austausch der Schmelzsicherung erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie weist diese mindestens einen hochohmigen Heizwiderstand auf, der thermisch mit der mindestens einen Schmelzsicherung gekoppelt ist, also Wärme auf diese übertragen kann, und der über den Schalter aktiviert wird, wenn ein Druckanstieg innerhalb des Gehäuses über den Schwellenwert hinaus vorliegt. Dazu kann der Heizwiderstand beispielsweise an Stelle des erwähnten Lastwiderstands zwischen die Abgriffspole geschaltet sein. Bevorzugt werden der Heizwiderstand und die Schmelzsicherung dabei derart aufeinander angestimmt, dass die Schmelzsicherung nur auslösen kann, wenn der Heizwiderstand aktiviert ist.
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Auch ein Verfahren zum sicheren Betreiben einer Batterie, welche mindestens eine Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode aufweist sowie ein Gehäuse, in dem die mindestens eine Einzelzelle angeordnet ist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren wird ein Druckanstieg innerhalb des Gehäuses mittels eines pneumatisch betätigbaren elektrischen Schalters erfasst, der seinen Schaltungszustand ändert, wenn der Druck einen Schwellenwert überschreitet. Dabei wird ein Sicherungsmechanismus ausgelöst, der einen weiteren Druckanstieg unterbindet.
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Wie der Schalter sowie die Batterie ausgestaltet sein können, wurde bereits beschrieben. Gleichermaßen wurden auch schon bevorzugte Varianten beschrieben, wie der Sicherungsmechanismus ausgelöst werden kann. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Variante am bevorzugtesten, gemäß der der Schalter den positiven Abgriffspol mit dem negativen Abgriffspol elektrisch verbindet, so dass ein elektrischer Kurzschluß zwischen den Polen herbeigeführt wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung sowie aus der Erfindung resultierende Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, anhand derer die Erfindung illustriert wird. Es sei an dieser Stelle betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einen für sich allein, zum Anderen aber auch in Kombination mit einem oder mehreren weiteren Merkmalen bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein kann. Die nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Batterie 100 schematisch dargestellt. Sie weist das Gehäuse 101 auf, in dem mindestens eine Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode angeordnet ist. Die Einzelzelle ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Wichtig ist lediglich, dass die mindestens eine negative Elektrode an den stiftförmig ausgestalteten negativen Pol 102 geschweißt ist. Die mindestens eine positive Elektrode ist elektrisch mit dem ebenfalls stiftförmigen positiven Pol 103 verbunden. Die beiden Pole 102 und 103 sind von außen durch das Gehäuse 101 ins Zellinnere geführt, vom Gehäuse 101 aber mittels der Isoliermassen 104 und 105 isoliert. Das Gehäuse 101 ist entsprechend potentialfrei. An die Pole 102 und 103 kann auf der Gehäuseaußenseite ein elektrischer Verbraucher angeschlossen werden, bei den Polen 102 und 103 handelt es sich im Sinne der vorliegenden Anmeldung um Abgriffspole.
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In das Gehäuse 101 ist die elastische Membran 106 eingearbeitet. Diese kann sich nach außen wölben, wenn ein Gasdruck im Inneren des Gehäuses 101 auftritt. Dabei wirkt in Richtung des dargestellten Pfeils eine Kraft auf die Membran 106. Auf die Außenseite der Membran ist der elektrische Kontakt 107 aufgebracht. Dieser kann, wenn der Gasdruck im Inneren des Gehäuses 101 groß genug ist und sich die Membran 106 ausreichend weit nach außen wölbt, den elektrischen Kontakt 108 berühren. Dadurch kommt es zu einer elektrischen Verbindung zwischen den Abgriffspolen 102 und 103. Bei dem Ensemble aus den Kontakten 107 und 108 und der Membran 106 handelt es sich also um einen pneumatisch betätigbaren elektrischen Schalter. Die Batterie kann über den Widerstand 109 vollständig entladen werden, wenn der Schalter geschlossen ist.
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Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Batterie gleicht der in 1 dargestellten Batterie nahezu in allen Punkten. So sind auch hier durch ein Gehäuse 201 zwei Pole 202 und 203 hindurchgeführt. Die Isoliermassen 204 und 205 trennen das Gehäuse 201 und die Pole 202 und 203 räumlich und elektrisch voneinander. In das Gehäuse eingearbeitet ist die Membran 206. Wölbt sich diese nach außen, so können die beiden elektrischen Kontakte 207 und 208 miteinander in Kontakt treten, so dass die beiden Pole 202 und 203 elektrisch miteinander verbunden werden. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem durch das Gehäuse 201 hindurchtretenden Pol 202 jedoch nicht um einen Abgriffspol, sondern im Sinne der vorliegenden Anmeldung um einen Kontaktpol. Als negativer Abgriffspol dient der Pol 211, der auf der Außenseite des Gehäuse 201 angeordnet ist und durch die Isolierschicht 212 räumlich und elektrisch von diesem getrennt ist. Der Abgriffspol 211 und der Kontaktpol 202 sind elektrisch miteinander verbunden, nämlich über die Schmelzsicherung 210. Bei dieser handelt es sich um eine niedrigohmige Sicherung, die elektrische Ladung zwischen dem Kontaktpol 202 und dem Abgriffspol 211 ohne großen Widerstand passieren lässt. Allerdings ist die Schmelzsicherung 210 thermisch und elektrisch an den Heizwiderstand 209 gekoppelt. Wird dieser aktiviert, nämlich durch Schließen des Schalters aus den elektrischen Kontakten 207 und 208 sowie der Membran 206, so schmilzt die Schmelzsicherung 210 und löst die elektrische Verbindung zwischen dem Abgriffspol und dem Kontaktpol.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 dargestellten im Grunde genommen nur darum, dass auf ein zum Heizwiderstand 209 analoges Element verzichtet wurde. Statt dessen kommt es hier über den elektrischen Leiter 309 und den Abgriffspol 311 zu einem Kurzschluss zwischen den Polen 302 und 303, wenn sich die beiden elektrischen Kontakte 307 und 308 berühren. Die Schmelzsicherung 310 ist so gewählt, dass sie dabei schmilzt und den Abgriffspol 311 vom Kontaktpol 302 trennt. Da die Schmelzsicherung 310 auf der Außenseite des Gehäuses 301 angeordnet ist, kann sie gegebenenfalls leicht ersetzt werden.
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Auch bei der in 4 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 400 ist der negative Abgriffspol 411 auf der Außenseite des Gehäuses 401 angeordnet und über die Isolierschicht 412 von diesem isoliert. Der Abgriffspol 411 ist mit dem Kontaktpol 402 über die Schmelzsicherung 410 verbunden. Der Kontaktpol 402 ist durch die Wand des Gehäuses 401 hindurchgeführt. Die Schmelzsicherung 410 löst aus, sobald der Schalter aus der Membran 406 und den Kontakten 408 und 409 schließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10104981 A1 [0006]
- DE 102008020912 A1 [0006]
- DE 102007020905 A1 [0006]
- DE 10047206 A1 [0021, 0023]
