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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle sowie eine entsprechende Energiespeicherzelle gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Energiespeicherzellen, die auch als elektrochemische Zellen oder galvanische Zellen bezeichnet werden, weisen einen Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel auf, welcher von einem Gehäuse oder einer Hülle umgeben ist. Der Elektrodenstapel weist meist mehrere aus jeweils zwei Elektroden sowie einer dazwischenliegenden Separatorschicht, die einen Elektrolyten aufnehmen kann, zusammengesetzte Elektrodengruppen auf, die nebeneinander bzw. übereinander angeordnet bzw. gestapelt sind. Bei einem Elektrodenwickel wird mindestens eine Elektrodengruppe zu einem sog. Wickel aufgewickelt. Die Elektroden der Elektrodengruppen gleicher Polarität werden jeweils mit einem Stromableiter elektrisch verbunden, über welchen die in der Zelle erzeugte elektrische Spannung von außen abgegriffen werden kann.
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Bei der Herstellung von Energiespeicherzellen werden zunächst die gestapelten bzw. gewickelten Elektrodengruppen in eine, vorzugsweise beutel- oder dosenförmige, Hülle eingebracht bzw. von dieser ummantelt, bevor diese mit Elektrolyt befüllt und anschließend versiegelt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, die mindestens einen Elektrodenstapel und/oder Elektrodenwickel und eine den Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise umgebende Hülle aufweist, wird die Energiespeicherzelle zumindest teilweise mit Elektrolyt befüllt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf die den Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise umgebende Hülle eine Massierbewegung ausgeübt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle, die mindestens einen Elektrodenstapel und/oder Elektrodenwickel und eine den Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise umgebende Hülle enthält, weist eine Befülleinheit auf, in welcher die Energiespeicherzelle zumindest teilweise mit Elektrolyt befüllt werden kann, und ist gekennzeichnet durch mindestens ein Massierelement, welches auf die den Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise umgebende Hülle eine Massierbewegung ausüben kann.
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Eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicherzelle zeichnet sich dadurch aus, dass sie durch das erfindungsgemäße Verfahren und/oder in der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist.
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Eine erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicherzelle weist mindestens einen Elektrodenstapel und/oder Elektrodenwickel, eine den Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise umgebenden Hülle und einen im Inneren der Hülle befindlichen Elektrolyten auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die den Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel zumindest teilweise umgebende Hülle derart ausgestaltet ist, dass bei einer von außen auf die Hülle ausgeübten Massierbewegung lokal und/oder zeitlich veränderliche Drücke im Inneren der Hülle auftreten. Die Hülle ist hierbei vorzugsweise so auszugestalten, dass diese einerseits ausreichend dünn ist, um stark genug deformiert werden zu können, damit die bei der Massierbewegung von außen auf die Hülle ausgeübten lokal und/oder zeitlich veränderlichen Drucke in das Innere der Hülle weitergeleitet werden können. Andererseits muss die Hülle ausreichend dick bzw. robust ausgestaltet sein, damit diese bei der Massierbewegung nicht beschädigt und/oder durch Materialermüdung beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, die zumindest teilweise mit Elektrolyt befüllte Energiespeicherzelle von außen zu massieren, wobei die bei der Massierbewegung erzeugten lokal veränderlichen Drücke dazu führen, dass der im Inneren der Hülle befindliche Elektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel ebenfalls entsprechenden lokal veränderlichen Drücken ausgesetzt wird. Hierdurch werden etwaige Gase, insbesondere Gasblasen, welche die Funktion der fertigen Energiespeicherzelle erheblich beeinträchtigen können, mit hoher Effizienz aus der Energiespeicherzelle, insbesondere aus dem Elektrolyten und/oder den Separatorschichten, ausgetrieben, was eine äußerst homogene Verteilung des Elektrolyten zwischen den Elektroden zur Folge hat und damit die Funktionalität der Energiespeicherzelle wesentlich verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung erlauben damit eine effizientere Herstellung von elektrochemischen Energiespeicherzellen als dies bei bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen der Fall ist.
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Unter einer auf die Hülle der Energiespeicherzelle ausgeübten Massierbewegung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Beaufschlagung der Hülle von außen zu verstehen, bei welcher diese lokal und/oder zeitlich veränderlichen Drücken, insbesondere Überdrücken und/oder Unterdrücken, die vorzugsweise durch eine mechanische Kontaktierung verursacht werden, ausgesetzt wird. Ein Über- bzw. Unterdruck in diesem Sinne liegt insbesondere dann vor, wenn der auf einen Bereich der Hülle ausgeübte lokale Druck größer bzw. kleiner ist als der Druck der Umgebung, in welcher das Befüllen der Hülle bzw. die Massierbewegung erfolgt. Insbesondere treten bei einer Kontaktierung der Hülle mit mindestens einem Massierelement im Bereich der Kontaktflächen zwischen Massierelement und Hülle Normalkräfte und dadurch hervorgerufene Reibungskräfte auf, mittels welcher eine Bewegung des Massierelements lokal und/oder zeitlich veränderliche Drücke auf der Hülle zur Folge hat. Bei den Reibungskräften handelt es sich vorzugsweise um Rollreibungskräfte und/oder Gleitreibungskräfte und/oder Haftreibungskräfte, wobei das Massierelement oder zumindest ein Teil davon im Falle von Rollreibung auf der Hülle gerollt wird und dabei im Bereich der jeweiligen Kontaktfläche höhere Drücke auf die Hülle ausübt als außerhalb dieses Bereichs. Im Falle von Gleitreibung bewegt sich das Massierelement oder zumindest ein Teil davon auf der Hülle relativ zu dieser und übt dabei im Bereich der jeweiligen Kontaktfläche höhere Drücke auf die Hülle aus als außerhalb dieser Bereiche. Dies gilt entsprechend auch für die Haftreibung. Unter einer Massierbewegung im Sinne der Erfindung ist daher jedes Massieren, Kneten oder Walken der Hülle und/oder der elektrochemischen Energiespeicherzelle zu verstehen.
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Außer durch eine mechanische Kontaktierung kann eine Massierbewegung im Sinne der vorliegenden Erfindung auch z. B. dadurch erzeugt werden, dass die Hülle der Energiespeicherzelle von außen mit lokal veränderlichen Gasdrücken beaufschlagt wird, beispielsweise durch Besprühen der Hülle mit einem oder mehreren, aus einer bzw. mehreren Düsen austretenden Strahlen eines komprimierten, vorzugsweise inerten, Gases, z. B. Luft, Kohlendioxid oder Stickstoff, die im Bereich ihres Auftreffens auf der Hülle diese in Richtung des in der Hülle befindlichen Elektrodenstapels bzw. -wickels drücken. Zur Erzeugung der für die Massierbewegung charakteristischen „Knetwirkung” werden die Düsen hierbei vorzugsweise so angesteuert, dass diese nicht alle gleichzeitig, sondern im zeitlichen Wechsel komprimiertes Gas auf die Hülle ausströmen.
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Unter einer elektrochemischen Energiespeicherzelle im Sinne der Erfindung ist ein elektrochemischer Energiespeicher zu verstehen, also eine Einrichtung, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemischen Energiespeicher sind galvanische Zellen oder Brennstoffzellen. Die elektrochemische Zelle weist wenigstens eine erste und eine zweite Einrichtung zur Speicherung elektrisch unterschiedlicher Ladungen, sowie ein Mittel zur Herstellung einer elektrischen Wirkverbindung dieser beider genannten Einrichtungen auf, wobei Ladungsträger zwischen diesen beiden Einrichtungen verschoben werden können. Unter dem Mittel zur Herstellung einer elektrischen Wirkverbindung ist z. B. ein Elektrolyt zu verstehen, welcher als Ionenleiter wirkt.
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Eine mit einer Hülle vollständig umgebene Elektrodenanordnung wird auch als Vorprodukt einer elektrochemischen Zelle bezeichnet. Unter einer Hülle ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung zu verstehen, welche den Austritt von Chemikalien aus der Elektrodenanordnung in die Umgebung verhindert. Weiter kann die Hülle die chemischen Bestandteile der Elektrodenanordnung vor unerwünschter Wechselwirkung mit der Umgebung schützen. Bevorzugt schützt die Hülle die Elektrodenanordnung vor dem Zutritt von Wasser oder Wasserdampf aus der Umgebung. Die Hülle ist bevorzugt folienartig ausgebildet. Die Hülle soll den Durchtritt von Wärmeenergie möglichst wenig beeinträchtigen. Bevorzugt weist die Umhüllung wenigstens zwei Formteile auf.
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Unter einer Elektrodenanordnung oder Elektrodengruppe ist eine Anordnung wenigstens zweier Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyt zu verstehen. Der Elektrolyt kann teilweise von einem Separator aufgenommen sein. Dann trennt der Separator die Elektroden. Die Elektrodenanordnung bzw. Elektrodengruppe dient auch zum Abspeichern chemischer Energie und zu deren Wandlung in elektrische Energie. Im Fall einer wiederaufladbaren galvanischen Zelle ist die Elektrodenanordnung bzw. Elektrodengruppe auch zur Wandlung von elektrischer in chemische Energie in der Lage. Bevorzugt sind die Elektroden plattenförmig oder folienartig ausgebildet. Bevorzugt sind bei der Elektrodenanordnung bzw. die Elektrodengruppe die Elektroden stapelförmig angeordnet. Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform können die Elektroden auch aufgewickelt sein. Bevorzugt kann die Elektrodenanordnung Lithium oder ein anderes Alkalimetall auch in ionischer Form aufweisen.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle um eine flache Energiespeicherzelle, worunter eine elektrochemische Zelle verstanden wird, deren äußere Form durch zwei im wesentlichen parallele Flächen charakterisiert ist, deren senkrechter Abstand voneinander kürzer ist als die parallel zu diesen Flächen gemessene mittlere Länge der Zelle. Zwischen diesen Flächen sind, häufig umhüllt von einer Verpackung oder einem Zellgehäuse, die elektrochemisch aktiven Bestandteile der Zelle angeordnet. Solche Zellen sind häufig von einer mehrschichtigen Folienverpackung umgeben, die an den Rändern der Zellenverpackung eine Siegelnaht aufweist, die durch ein dauerhaftes Verbinden oder Schließen der Folienverpackung im Bereich der Siegelnaht gebildet ist. Derartige Zellen werden häufig auch als Pouch-Zellen oder als Coffeebag-Zellen bezeichnet.
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Vorzugsweise wird zumindest eine Seitenwand der Hülle durch die Massierbewegung mit lokal unterschiedlichen Drücken beaufschlagt. Bei dieser heterogenen Druckverteilung über der jeweiligen Seitenwand der Hülle werden ein oder mehrere Bereiche der Seitenwand höheren Drücken beaufschlagt als die übrigen Bereiche dieser Seitenwand. Die auf diese Weise realisierte Druckverteilung setzt sich in das Innere der Energiespeicherzelle fort, wobei das Austreten etwaiger Gasblasen aus der Energiespeicherzelle auf besonders effiziente Weise gefördert wird.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die im Bereich mindestens einer Seitenwand der Hülle lokal unterschiedlichen Drücke zeitlich variabel sind. Die heterogene Druckverteilung über der jeweiligen Seitenwand der Hülle unterliegt hierbei auch zeitlichen Veränderungen, so dass zu einem ersten Zeitpunkt ein oder mehrere erste Bereiche der Seitenwand mit höheren Drücken beaufschlagt werden als die übrigen Bereiche dieser Seitenwand zum ersten Zeitpunkt, und zu einem zweiten Zeitpunkt ein oder mehrere zweite Bereiche der Seitenwand, die von den ersten Bereichen der Seitenwand verschieden sind, mit höheren Drücken beaufschlagt werden als die übrigen Bereiche der Seitenwand zum zweiten Zeitpunkt. Ein Austreiben etwaiger Gase aus der Energiespeicherzelle wird hierdurch auf besonders effiziente Weise ermöglicht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Massierbewegung auf zwei gegenüberliegenden Seitenwänden der Hülle gleichzeitig ausgeübt. Dies führt zu einer sehr schnellen und – auf den Querschnitt des Elektrodenstapels bzw. -wickels bezogen – besonders homogenen Eliminierung etwaiger Gase bzw. Gasblasen aus der Zelle.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die Massierbewegung während des Befüllens der Energiespeicherzelle mit Elektrolyt ausgeübt wird. Hierdurch wird eine schnelle Verteilung von Elektrolytflüssigkeit im Elektrodenstapel bzw. -wickel bereits während des Befüllens, welches auch als „Wetting” bezeichnet wird, erreicht und darüber hinaus die Bildung von Gasblasen unterbunden oder zumindest stark vermindert. Ein separater Schritt zur Eliminierung von Gasblasen aus der befüllten Energiespeicherzelle kann daher entfallen, was eine besonders effiziente Herstellung von Energiespeicherzellen ermöglicht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Massierbewegung ausgeübt, während sich die Energiespeicherzelle in einer Umgebung befindet, in welcher ein Druck herrscht, der kleiner ist als der Atmosphärendruck. Hierdurch wird ein Austreten der mittels der Massierbewegung mobilisierten Gasblasen an der offenen Seite der Hülle gefördert, was die Herstellung der Energiespeicherzellen noch effizienter macht.
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Vorzugsweise wird die Massierbewegung durch mindestens ein in mindestens zwei räumlichen Dimensionen bewegtes Massierelement ausgeübt. Das Massierelement wird hierbei z. B. kontinuierlich senkrecht auf die Hülle zu und von dieser wegbewegt (erste Dimension) und dabei gleichzeitig in mindestens einer parallel zur Hülle verlaufenden Richtung (zweite Dimension) bewegt. Alternativ oder zusätzlich zur zweiten Dimension kann das Massierelement gleichzeitig in einer weiteren, parallel zur Hülle verlaufenden Richtung (dritte Dimension) bewegt werden.
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Es ist hierbei bevorzugt, dass die Massierbewegung durch eine kreisende Bewegung in einer Ebene ausgeübt wird, welche im Wesentlichen parallel zu einer der Seitenwände der Hülle verläuft. Die Kreisbewegung kommt in diesem Fall durch eine Überlagerung einer Bewegung des Massierelementes in einer parallel zur Hülle verlaufenden Richtung (zweite Dimension) und einer weiteren, parallel zur Hülle verlaufenden Richtung (dritte Dimension) zustande, während das Massierelement in der dritten Dimension in Richtung auf die Hülle nicht bewegt wird. Eine zusätzliche Bewegungskomponente in der dritten Dimension kann aber bevorzugt sein und führt gegenüber einer reinen kreisförmigen Massierbewegung zu einer noch höheren Effizienz beim Austreiben von Gasblasen.
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Bei den obenstehend aufgeführten Bewegungen der Massierelemente handelt es sich Bewegungen mit sog. linearen Bewegungskomponenten entlang der x-, y- bzw. z-Achse. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich und bevorzugt, bei der Massierbewegung eine oder mehrere rotatorische Bewegungskomponenten vorzusehen. In diesem Fall wird die Massierbewegung durch mindestens ein Massierelement ausgeübt, welches während der Massierbewegung, vorzugsweise periodisch, um einen vorgegebenen Winkel um mindestens eine Rotationsachse gekippt wird. Beispielsweise kann das Massierelement periodisch in einem vorgegebenen Winkelbereich, z. B. zwischen +5° und –5°, um eine Rotationsachse, beispielsweise in x- und/oder y- und/oder z-Richtung, gekippt werden. Durch eine solche rotatorische Bewegung des Massierelements wird, ggf. in Kombination mit einer linearen Bewegungskomponente, ein besonders effizientes Massieren der Hülle erreicht.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die Massierbewegung durch mindestens ein Massierelement ausgeübt wird, welches die Hülle während des Massierens kontaktiert, wobei im Bereich einer oder mehrerer Kontaktflächen zwischen dem Massierelement und der Hülle Normalkräfte und dadurch hervorgerufene Reibungskräfte, insbesondere Rollreibungskräfte und/oder Gleitreibungskräfte und/oder Haftreibungskräfte, auftreten. Durch Verwendung von z. B. drehbaren Rollen oder Kugeln bzw. auf der Hülle gleitenden oder haftenden Massierelementen werden durch die Massierbewegung des Massierelements aufgrund der im Bereich der Kontaktflächen auftretenden Reibungskräfte auf einfache und zuverlässige Weise lokal und/oder zeitlich veränderliche Drücke auf der Hülle erzeugt.
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Vorzugsweise wird die Massierbewegung durch mindestens ein Massierelement ausgeübt, welches während der Massierbewegung relativ zur Hülle derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es auf der einer Seitenwand der Hülle zugewandten Seite eine Kontur aufweist. Hierdurch lässt sich auf einfache Weise eine effektive Massierbewegung realisieren.
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Es ist hierbei bevorzugt, dass das Massierelement während der Massierbewegung relativ zur Hülle derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Kontur zumindest eine in Richtung der Seitenwand der Hülle gerichtete Erhöhung und/oder zumindest eine von der Seitenwand der Hülle weg gerichtete Vertiefung aufweist. Durch eine derart ausgebildete Kontur kann ein Austreiben von Gasblasen aus dem Inneren der Energiespeicherzelle besonders einfach und effizient realisiert werden.
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Die von der Seitenwand der Hülle weg gerichtete Vertiefung kann vorzugsweise in Form eines Saugelementes, insbesondere als sog. Saugnapf, ausgebildet sein, welches bei Kontakt mit der Hülle an dieser angesaugt und dadurch lösbar mit dieser gekoppelt wird. Durch Bewegungen des Massierelements um einen bestimmten Weg von der Hülle weg wird diese zumindest im Bereich des angesaugten Saugelements etwas nach außen deformiert, so dass im Inneren der Hülle, zumindest im Bereich dieser Deformation, ein lokaler Unterdruck entsteht. Die Hülle kann dadurch auf einfache Weise nicht nur mit Überdrücken, sondern auch mit Unterdrücken beaufschlagt werden, wodurch ein sehr wirksames Massieren der Hülle mittels lokal und/oder zeitlich veränderlichen Überdrücken und Unterdrücken erreicht wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Massierbewegung durch mindestens ein Massierelement ausgeübt, welches eine zu einer Seitenwand der Hülle hin konvex geformte Fläche aufweist. Durch eine derart geformte Fläche des Massierelements wird die Massierbewegung auf besonders robuste und zuverlässige Weise ermöglicht.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass die Massierbewegung durch mindestens ein Massierelement ausgeübt wird, welches während der Massierbewegung auf der einer Seitenwand der Hülle zugewandten Seite mindestens ein elastisches Element, insbesondere in Form eines Polsters, aufweist. Durch das elastische Element wird einerseits die Hülle während der Massierbewegung geschont und andererseits ein besonders effizientes „Kneten” oder „Walken” der Hülle ermöglicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
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1 ein Beispiel zur Veranschaulichung einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung;
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3 ein erstes Beispiel eines Massierelements;
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4 ein zweites Beispiel eines Massierelements;
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5 ein drittes Beispiel eines Massierelements;
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6 ein viertes Beispiel eines Massierelements;
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7 ein fünftes Beispiel eines Massierelements;
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8 ein sechstes Beispiel eines Massierelements.
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1 zeigt ein Beispiel zur Veranschaulichung einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem Schritt a) werden zwei oder mehrere Elektrodengruppen 11 zu einem Elektrodenstapel 10 gestapelt. Jede der Elektrodengruppen 11 weist hierbei zwei flächenartig ausgestaltete Elektroden sowie eine zwischen den beiden Elektroden liegende Separatorschicht, die einen Elektrolyten aufnehmen kann, auf. Zwischen den einzelnen Elektrodengruppen 11 ist zusätzlich jeweils eine Separatorschicht oder eine Isolationsschicht vorgesehen.
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Alternativ kann anstelle des Elektrodenstapels auch ein sogenannter Elektrodenwickel hergestellt werden, indem eine aus zwei Elektrodenschichten, einer dazwischen befindlichen Separatorschicht sowie einer auf zumindest einer der beiden Elektrodenschichten befindlichen Separator- oder Isolationsschicht zusammengesetzte Wickelschicht um einen Wickelkern gewickelt wird. Der hierbei erhaltene sogenannte Rundwickel kann anschließend, beispielsweise durch Zusammendrücken, in eine annähernd quaderförmige oder prismatische Form, deren Querschnitt dem Querschnitt des dargestellten Elektrodenstapels 10 ähnlich ist, gebracht werden.
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In einem weiteren Schritt b) wird eine Hülle 20 hergestellt, welche den in Schritt a) hergestellten Elektrodenstapel 10 bzw. einen entsprechend geformten Elektrodenwickel aufnehmen kann. Die Hülle 20 weist zwei parallel zueinander verlaufende Seitenwände 21 und 22, eine Bodenwand 23 sowie zwei – in der gewählten Querschnittsdarstellung nicht sichtbare und parallel zur Zeichenebene verlaufende – Stirnseitenwände auf. Die der Bodenwand 23 gegenüberliegende Oberseite 24 der Hülle 20 bleibt zunächst offen.
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In einem weiteren Schritt c) wird sodann der Elektrodenstapel 10 durch die offene Oberseite 24 in das Innere der Hülle 20 eingeführt, bis dieser im Bereich der Bodenwand 23 der Hülle 20 zu liegen kommt.
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Dieser Zustand ist in Schritt d) dargestellt, in welchem Elektrolytflüssigkeit 30 durch die offene Oberseite 24 in das Innere der Hülle 20 gefüllt wird. Zum Einfüllen der Elektrolytflüssigkeit 30 dient eine geeignete Befülleinheit 35, die im dargestellten Beispiel lediglich durch einen Pfeil angedeutet ist. Bei der Elektrolytflüssigkeit 30 handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, welche Lithium-Ionen enthält. Insbesondere handelt es sich bei der Elektrolytflüssigkeit 30 um ein in einem Lösungsmittel gelöstes Leitsalz, beispielsweise ein Lithium-Salz.
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In einem weiteren Schritt e) wird die mit Elektrolytflüssigkeit 30 vollständig gefüllte Hülle 20 an ihrer ursprünglich offenen Oberseite 24 mit einer Abdeckung 25 versehen und gas- und/oder flüssigkeitsdicht versiegelt. Aus Anschaulichkeitsgründen wurde bei der in 1 gezeigten Energiespeicherzelle auf die zusätzliche Darstellung von elektrischen Ableiterfahnen, welche vom Elektrodenstapel 10 durch die Hülle 20 hindurch nach außen geführt werden, verzichtet.
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Während und/oder nach dem Befüllen der Hülle 20 mit Elektrolytflüssigkeit 30 in Schritt d) bzw. vor der Abdeckung und Versiegelung der Hülle 20 in Schritt e) wird diese von außen in erfindungsgemäßer Weise mit einer Massierbewegung beaufschlagt, um etwaige unerwünschte Gaseinschlüsse in der Elektrolytflüssigkeit 30 bzw. im von der Elektrolytflüssigkeit 30 benetzten Elektrodenstapel 10 zu eliminieren. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
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2 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung. Die zumindest teilweise mit Elektrolytflüssigkeit 30 befüllte Hülle 20 mit dem darin befindlichen Elektrodenstapel 10 ist zwischen zwei Massierelementen 41, welche jeweils von einer Antriebseinrichtung 42 angetrieben werden, eingeklemmt.
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Bei den Massierelementen 41 handelt es sich im dargestellten Beispiel um im Wesentlichen ebene Platten, welche parallel zu den beiden Seitenwänden 21 bzw. 22 der Hülle 20 verlaufen und auf ihrer der jeweiligen Seitenwand 21 bzw. 22 zugewandten Seite mehrere Erhöhungen 43 aufweisen.
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Die Massierelemente 41 werden von den zugehörigen Antriebseinrichtungen 42 in eine Bewegung versetzt, die, vorzugsweise periodische, Bewegungskomponenten in gleichzeitig mindestens zwei oder drei Raumrichtungen x, y bzw. z aufweist (in der gewählten Darstellung verläuft die z-Richtung senkrecht zur Zeichenebene).
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Beispielsweise werden die Massierelemente 41 in eine Bewegung versetzt, welche Bewegungskomponenten in y- und z-Richtung aufweist, wodurch eine kreisförmige oder ellipsenförmige Bewegung in der y-z-Ebene, also im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 21 bzw. 22 der Hülle 20, resultiert. Zusätzlich zur Bewegung in der y-z-Ebene kann eine Bewegungskomponente in der x-Richtung vorgesehen sein, durch welche das Massierelement 41 periodisch auf die Seitenwand 21 bzw. 22 der Hülle 20 zu und von dieser weg bewegt wird.
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Alternativ ist es auch möglich, eine Bewegung mit Bewegungskomponenten in x- und z-Richtung zu erzeugen, bei welcher das Massierelement 41 periodisch in der x-z-Ebene auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn auf die Seitenwand 21 bzw. 22 der Hülle 20 gedrückt, an dieser entlanggeführt und wieder etwas wegbewegt wird.
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Die vorstehend beschriebenen Massierbewegungen der Massierelemente 41 enthalten nur lineare Bewegungskomponenten entlang der x-, y- bzw. z-Achse. Alternativ oder zusätzlich kann die Massierbewegung aber auch eine oder mehrere rotatorische Bewegungskomponenten enthalten. In diesem Fall wird mindestens eines der Massierelemente 41 während der Massierbewegung, vorzugsweise periodisch, um einen vorgegebenen Winkel um mindestens eine Rotationsachse gekippt. Die jeweilige Rotationsachse verläuft hierbei vorzugsweise parallel zu einer der drei in 2 eingezeichneten Raumachsen in x-, y- bzw. z-Richtung. Beispielsweise werden die Massierelemente 41 periodisch in einem vorgegebenen Winkelbereich, z. B. zwischen +5° und –5°, um die in der 2 gezeigte vertikale Lage um eine in x- und/oder y- und/oder z-Richtung verlaufende Rotationsachse gekippt. Durch eine solche rotatorische Bewegung der Massierelemente 41 wird – ggf. in Kombination mit einer linearen Bewegungskomponente – ein besonders effizientes Massieren der Hülle 20 erreicht.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen zur Erzeugung der Massierbewegung werden die Seitenflächen 21 und 22 der Hülle 20 von den Erhöhungen 43 des Massierelements 41 kontaktiert, wobei im Bereich einer oder mehrerer Kontaktflächen zwischen den Erhöhungen 43 und den Seitenflächen 21 und 22 der Hülle 20 Normalkräfte und dadurch hervorgerufene Reibungskräfte auftreten. Je nach Art der Bewegung handelt es sich hierbei um Gleitreibungskräfte und/oder Haftreibungskräfte und, falls alternativ oder zusätzlich zu den Erhöhungen 43 z. B. drehbare Rollen oder Kugeln eingesetzt werden, um Rollreibungskräfte. Die genannten Reibungskräfte tragen zur Erzeugung der lokal und/oder zeitlich veränderlichen Drücke auf der Hülle bei.
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Bei der oben beschriebenen Massierbewegung der Massierelemente 41 mit linearen und/oder rotatorischen Bewegungskomponenten werden die Bewegungskomponenten jeweils so klein gewählt, dass einerseits die Seitenwände 21 bzw. 22 der Hülle 20 nicht zu stark eingedrückt und dadurch gegebenenfalls beschädigt werden können und andererseits jedoch so stark deformiert werden, dass die auf der Außenseite der Hülle 20 ausgeübte Massierbewegung in das Innere der Hülle 20 auf den Elektrodenstapel 10 übertragen wird.
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Bei der Übertragung der Massierbewegung auf den Elektrodenstapel 10 werden die Seitenwände 21 und 22 der Hülle 20 lokal veränderlichen Drücken und entsprechenden leichten Deformationen ausgesetzt, die an den im Inneren der Hülle 20 befindlichen Elektrodenstapel 10 weitergegeben werden und diesen entsprechend ebenfalls zeitlich veränderlichen Drücken und Deformationen aussetzen. Letzte wiederum haben die Folge, dass die vom Elektrodenstapel 20 aufgenommene Elektrolytflüssigkeit 30 ebenfalls örtlich und zeitlich veränderlichen Drücken ausgesetzt wird, welche eine Absonderung, insbesondere ein Austreiben, von gegebenenfalls in der Elektrolytflüssigkeit 30 vorhandenem Gas in Form von Gasblasen 31 aus dem Elektrodenstapel 10 zur Folge haben.
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Durch die erfindungsgemäße Massierbewegung der Massierelemente 41, insbesondere in Verbindung mit entsprechend ausgestalteten Massierelementen 41, wird auf einfache Weise ein effizientes Austreiben etwaiger Gase, insbesondere in Form von Gasblasen 31, aus der mit Elektrolytflüssigkeit 30 befüllten Energiespeicherzelle erreicht.
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Vorzugsweise erfolgt das Massieren der Hülle 20 bereits während des Befüllens mit Elektrolytflüssigkeit 30 mittels einer Befülleinheit 35, die in 2 durch einen punktiert dargestellten Pfeil angedeutet ist. Ein Massieren der Hülle 20 während des Befüllens mit Elektrolytflüssigkeit 30 (vgl. Schritt d) in 1) hat den besonderen Vorteil, dass einerseits eine besonders homogene Verteilung von Elektrolytflüssigkeit schon während des Befüllens erreicht wird und andererseits ein Einschluss von Gas, insbesondere in Form von Gasblasen 31, während des Befüllens verhindert oder zumindest verringert werden kann. Ein zusätzliches Massieren der vollständig befüllten Hülle 20 kann dadurch entweder ganz entfallen oder zumindest vom zeitlichen Umfang her stark reduziert werden, was insgesamt zu einer deutlichen Beschleunigung des Herstellungsprozesses führt.
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Vorzugsweise erfolgt die Befüllung der Hülle 20 mit dem darin befindlichen Elektrodenstapel 10 und/oder das Massieren der Hülle 20 mittels der Massierelemente 41 in einer – in der 2 nur schematisch angedeuteten – Vakuumkammer 40, in welcher ein gegenüber dem Atmosphärendruck (ca. 1 bar) verminderter Gasdruck vorherrscht. Der Einschluss von Gasblassen 31 beim Befüllen wird dadurch weiter reduziert und das Austreiben von Gasen in Form von Gasblasen 31 wird dadurch noch effizienter.
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3 zeigt ein erstes Beispiel eines Massierelements 41 in Seitenansicht (linker Bildteil) und Vorderansicht (rechter Bildteil). Das Massierelement 41 weist in diesem Beispiel eine im Wesentlichen eben ausgebildete Grundplatte mit darauf matrixartig angeordneten Erhebungen 43 auf. Die insgesamt neun Erhebungen 43 sind im gezeigten Beispiel gleichartig ausgeführt und an ihrem, bezogen auf die Grundplatte, distalen Ende abgerundet ausgebildet. Die Abrundung hat den Vorteil, dass bei der auf den Seitenflächen 21 und 22 der Hülle 20 ausgeführten Massierbewegung Druckspitzen vermieden werden, die gegebenenfalls zu einer Beschädigung der Hülle 20 führen könnten. Das Massierelement 41 kann einstückig ausgeführt werden, d. h. die im Wesentlichen ebene Grundplatte und die darauf befindlichen Erhebungen 43 werden aus einem Stück geformt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Erhebungen 43 nachträglich auf die Grundplatte aufzubringen, z. B. durch Kleben, Schrauben oder Schweißen. Grundsätzlich ist es auch möglich, die einzelnen Erhebungen 43 unterschiedlich auszugestalten. So kann es je nach Anwendungsfall von Vorteil sein, den Durchmesser der im gezeigten Beispiel kreisrunden Erhebungen 43 und/oder deren Höhe über der Grundplatte unterschiedlich zu wählen.
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4 zeigt ein zweites Beispiel eines Massierelements 41, welches anstelle mehrerer Erhebungen 43 (vgl. 3) lediglich eine einzige Erhöhung in Form einer in zwei Raumrichtungen konvex gekrümmten Fläche 44 aufweist. Im dargestellten Beispiel ist die konvex gekrümmte Fläche 44 auf der im Wesentlichen eben ausgebildeten Grundplatte des Massierelements 41 aufgebracht. Alternativ ist es aber auch möglich, die Grundplatte des Massierelements 41 selbst als konvex geformte Fläche auszubilden.
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5 zeigt ein drittes Beispiel eines Massierelements 41, welches in nur einer Raumrichtung konvex gekrümmt ist und daher die Form eines gebogenen Streifens oder Bandes hat. Trotz der besonders einfachen Ausgestaltung lassen sich mit diesem Massierelements 41 sehr effiziente Massierbewegungen auf die Hülle 20 der Energiespeicherzelle ausüben.
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6 zeigt ein viertes Beispiel eines Massierelements 41, bei welchem auf die im Wesentlichen eben ausgeführte Grundplatte des Massierelements 41 mehrere elastische Elemente 45 aufgebracht sind. Die elastischen Elemente 45 haben vorzugsweise die Form von abgerundeten Polstern, die einerseits weich genug sind, um beim Kontaktieren der Außenseite der Hülle 20 nachzugeben und andererseits fest genug sind, um die bei der Massierbewegung erforderliche lokal veränderliche Deformation der Seitenwände 21 und 22 der Hülle 20 zu bewirken.
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In dem in 6 dargestellten Beispiel sind insgesamt fünf elastische Elemente 45 vorgesehen, wobei vier kleinere Elemente im Bereich der Ecken der im Wesentlichen eben ausgeführten Grundplatte des Massierelements 41 und ein größeres Element im Zentrum der kleineren Elemente angeordnet ist. Da die elastischen Elemente 45 bei der Massierbewegung teilweise zusammengedrückt werden, sind diese vorzugsweise höher ausgeführt als beispielsweise die in den 3 und 4 gezeigten, im Wesentlichen unelastisch ausgeführten Erhebungen 43 bzw. 44.
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Durch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen der Massierelemente 41 wird erreicht, dass die Seitenwände 21 bzw. 22 der Hülle 20 mit lokal unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden, wenn die Massierelemente 41 auf die Seitenwände drücken. So herrschen in den Bereichen, in denen die Erhebungen 43 bzw. die elastischen Elemente 45 auf die Seitenwand 21 bzw. 22 der Hülle 20 drücken, höhere Drücke als in den Bereichen zwischen den Erhebungen 43 bzw. elastischen Elementen 45. Entsprechendes gilt für die mit einer konvex geformten Fläche 44 ausgestalteten Massierelemente 41, bei welchen im Bereich des Scheitelpunktes (4) bzw. der Scheitellinie (5) ein höherer Druck auf die Seitenwand 21 bzw. 22 ausgeübt wird als in Bereichen abseits des Scheitelpunktes.
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Durch Ausübung der oben beschriebenen Massierbewegungen mit solchen Massierelementen 41 wird erreicht, dass die jeweils auf eine Seitenwand 21 bzw. 22 der Hülle 20 wirkenden lokal unterschiedlichen Drücke zeitlich variabel sind, wobei der Druck auf zumindest einen Bereich der Seitenwand 21 bzw. 22 zu einem ersten Zeitpunkt größer oder kleiner ist als der Druck auf diesen Bereich zu einem zweiten Zeitpunkt. Wird beispielsweise das in 3 gezeigte Massierelement 41 periodisch um eine parallel zur z-Achse (siehe 2) verlaufende Rotationsachse gekippt, so dass die oberen drei Erhebungen 43 zu einem ersten Zeitpunkt stärker und zu einem zweiten Zeitpunkt schwächer auf die Seitenwand 21 bzw. 22 der Hülle 20 gedrückt werden als die unteren drei Erhebungen 43, so sind die Drücke im Bereich der oberen drei Erhebungen 43 zum ersten Zeitpunkt größer und zum zweiten Zeitpunkt kleiner als im Bereich der unteren drei Erhebungen. Entsprechendes gilt auch bei einer Massierbewegung mit linearen Bewegungskomponenten, wobei eine zeitliche Veränderung der Druckverteilung nicht nur bei Massierbewegungen mit einer Bewegungskomponente in x-Richtung, sondern auch von einer Verschiebung der Erhebungen 43 parallel zu den Seitenwänden 21 bzw. 22 herrühren kann, beispielsweise bei einer Bewegung in der y-z-Ebene.
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7 zeigt ein fünftes Beispiel eines Massierelements 41, das Vertiefungen 46 in Form von Saugelementen aufweist, welche bei Kontakt mit einer der Seitenwände 21 bzw. 22 der Hülle 20 aufgrund eines Unterdrucks gegenüber dem Umgebungsdruck an diesen angesaugt werden und dabei eine lösbare Verbindung zwischen Massierelement 41 und der Hülle 20 herstellen. Die Vertiefungen sind vorzugsweise mittels einer geeigneten Verbindung (nicht dargestellt) an der Grundplatte der Massierelements 41 befestigt. Vorzugsweise sind die Saugelemente als Saugnäpfe ausgebildet, des aus einem elastischen Material, z. B. Gummi oder Silikon, hergestellt sind und sich bei Kontakt bzw. Annäherung an die Seitenwand 21 bzw. 22 an dieser aufgrund des hierbei entstehenden Unterdrucks festsaugen. Die Seitenwand 21 bzw. 22 der Hülle 20 ist hierbei vorzugsweise derart eben und/oder glatt auszugestalten, dass sich ein Unterdruck bilden kann und dieser zumindest für den Zeitraum des Massierens gehalten wird.
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Durch diese Saugverbindung zwischen Massierelement 41 und Hülle 20 können auf diese nicht nur lokal und/oder zeitlich veränderliche Überdrücke, sondern auch lokal und/oder zeitlich veränderliche Unterdrücke ausgeübt werden. So können entsprechend ausgestaltete Massierelemente 41 beispielsweise nur in x-Richtung (siehe 2) periodisch auf die Hülle 20 zu- und wiederwegbewegt werden, und durch die hierbei in den Bereichen der Vertiefungen 46 erzeugten lokalen Druckschwankungen zwischen Überdrücken und Unterdrücken (Sogen) ein effizientes Austreiben etwaiger Gase aus dem Elektrolyten 30 bewirken.
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Grundsätzlich können aber auch Bewegungen der Massierelemente 41 mit linearen Bewegungskomponenten in anderen oder zusätzlichen Raumrichtungen und/oder mit rotatorischen Bewegungskomponenten ausgeführt werden. Ferner kann die Anzahl, Anordnung, Größe und Höhe der Vertiefungen unterschiedlich gewählt werden. Die obenstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit den 2 bis 6 gelten jeweils entsprechend.
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8 zeigt ein sechstes Beispiel eines Massierelements 41, das ebenfalls Vertiefungen 46 in Form von Saugelementen aufweist. Im Unterschied zu dem in 7 gezeigten Beispiel sind die Vertiefungen 46 and Stößeln 47 angebracht, welche durch die Antriebseinrichtung 42 (siehe auch 2) in eine, vorzugsweise periodische, lineare Bewegung in der durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtung versetzt werden können.
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Vorzugsweise ist die Antriebseinrichtung 42 dabei so ausgestaltet, dass die Stößel 47 um jeweils unterschiedliche Wege in Richtung der Hülle 20 bzw. von dieser weg bewegt werden können. Dies ist in dem in der 8 gezeigten Beispiel schematisch dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass die jeweils unteren Vertiefungen 46 weiter in Richtung auf die Seitenwand 21 bzw. 22 der Hülle 20 bewegt wurden als die jeweils obere Vertiefungen 46.
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Die Antriebseinrichtung 42 kann die Stößel 47 vorzugsweise so antreiben, dass diese zu einem späteren Zeitpunkt dann in umgekehrter Reihenfolge unterschiedlich weit bewegt werden, so dass die jeweils oberen Vertiefungen 46 weiter in Richtung der Seitenwand 21 bzw. 22 bewegt werden als die unteren Vertiefungen.
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Der vorstehend beschriebene Bewegungsablauf ist vorzugsweise periodisch und kann alternativ oder zusätzlich auch auf die seitlich liegenden Vertiefungen 46 (siehe rechter Teil der 8) angewandt werden, wobei zu einem ersten Zeitpunkt die jeweils links liegenden Vertiefungen 46 weiter in Richtung auf die Seitenwand 21 bzw. 22 geschoben werden als die jeweils rechts liegenden Vertiefungen 46 und zu einem zweiten Zeitpunkt die jeweils rechts liegenden Vertiefungen 46 weiter in Richtung der Seitenwand 21 bzw. 22 geschoben werden als die jeweils links liegenden Vertiefungen 46.
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Bezüglich der weiteren bevorzugten Ausgestaltungsmöglichkeiten der Vertiefungen 46 und deren Bewegungen bei Massieren der Hülle 20 gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit 7 entsprechend.
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Durch Verwendung der oben stehend näher beschriebenen Massierelemente 41 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf einfache Weise eine besonders effiziente Eliminierung von in der Elektrolytflüssigkeit 30 vorhandenen Gasen, insbesondere in Form von Gasblasen 31, erreicht.
