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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
DE 10 2009 035 455 beschreibt eine Batterie mit einer Vielzahl von bipolaren Rahmenflachzellen, welche zu der Batterie gestapelt sind. Jede der Rahmenflachzellen weist zwei Hüllbleche auf. Die beiden Hüllbleche sind von einem elektrisch isolierenden Rahmen voneinander getrennt. Zwischen den Hüllblechen ist ein Elektrodenstapel aus Anodenfolien, Separatorfolien und Kathodenfolien angeordnet. Dabei ist der Rahmen mit einem Diffusionssperrelement versehen. Das Diffusionssperrelement ist dabei mit einem der Hüllbleche verbunden. Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterie angegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Beim Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle, deren Zellgehäuse aus zwei elektrisch leitenden, im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten Gehäuseseitenwänden und zumindest einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Isolationselement gebildet ist und in deren Zellgehäuse eine Elektrodenfolienanordnung angeordnet ist, mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle werden erfindungsgemäß Schalenflansche der Gehäuseseitenwände unter Zwischenschaltung zumindest eines Isolationselements deckungsgleich unter Ausbildung eines Zellgehäuseinnenraums aneinander angeordnet und Schalenflansche und Isolationselement werden abschnittsweise unter Auflassung zumindest einer Einfüllöffnung und unter Ausbildung einer Siegelnaht kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden, wobei anschließend durch diese Einfüllöffnung hindurch die elektrochemisch aktive Substanz in den Zellgehäuseinnenraum eingefüllt wird und wobei die Einfüllöffnung nachfolgend unter Ausbildung eines mediendichten Zellgehäuseinnenraums kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verschlossen wird.
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Hierdurch ist vorteilhafterweise kein separates Verschlusselement, welches im Verlauf eines Betriebs der Einzelzelle Undichtigkeiten aufweisen kann, zum Verschließen der Einfüllöffnung erforderlich. Dadurch ist eine Betriebssicherheit der Einzelzelle erhöht.
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Weiterhin sind durch den Entfall des separaten Verschlusselements ein Montageaufwand der Einzelzelle und die Kosten zur Herstellung der Einzelzelle reduziert.
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Vorteilhafterweise ist mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Einfüllöffnung ein Bauraumbedarf verringert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und in diesen ausgeformten Wölbungen zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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2 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle gemäß 1 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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3 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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5 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Schweißvorrichtung zur Ausbildung einer u-förmigen Siegelnaht,
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6 schematisch eine Schnittdarstellung einer u-förmigen Siegelnaht,
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7 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Schweißvorrichtung zum Verschließen der Einfüllöffnung,
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8 schematisch eine Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum Verschließen der Einfüllöffnung,
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9 schematisch eine weitere Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum Verschließen der Einfüllöffnung,
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10 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Schweißvorrichtung zum Verschließen der Einfüllöffnung nach einem Verschließen einer selbigen,
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11 schematisch eine Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum Verschließen der Einfüllöffnung nach einem Verschließen einer selbigen,
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12 schematisch eine weitere Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum Verschließen der Einfüllöffnung nach einem Verschließen einer selbigen,
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13 schematisch eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und in diesen ausgeformten Wölbungen zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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14 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach 13,
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15 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach 13,
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16 schematisch eine Explosionsdarstellung einer dritten Ausführungsform einer Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und in diesen ausgeformten Wölbungen zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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17 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach 16,
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18 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach 16,
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19 schematisch eine Explosionsdarstellung einer vierten Ausführungsform einer Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und einer in einer von diesen Gehäuseseitenwänden ausgeformten Wölbung zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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20 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle gemäß 19 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
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21 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach 19 und
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22 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach 19.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und in diesen ausgeformten Wölbungen 4 zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
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2 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1 gemäß 1 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
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13 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und in diesen ausgeformten Wölbungen 4 zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
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16 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und in diesen ausgeformten Wölbungen 4 zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
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19 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer vierten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und einer in einer von diesen Gehäuseseitenwänden 2, 3 ausgeformten Wölbung 4 zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
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20 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1 gemäß 19 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
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Ein Zellgehäuse der Einzelzelle 1 umfasst zwei Gehäuseseitenwände 2, 3, eine erste Gehäuseseitenwand 2 und ein zweite Gehäuseseitenwand 3.
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In der ersten Ausführungsform nach 1 sind die Gehäuseseitenwände 2, 3 jeweils als eine Halbschale ausgebildet. Die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 weisen jeweils einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf.
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In der zweiten Ausführungsform nach 13 sind die Gehäuseseitenwände 2, 3 jeweils als eine Halbschale ausgebildet. Die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 weisen jeweils einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf. Zur elektrischen Isolation ist zwischen den beiden Gehäuseseitenwänden 2, 3 ein Siegelrahmen 7 angeordnet. Der Siegelrahmen 7 ist dabei korrespondierend zum Schalenflansch 6 ausgebildet.
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In der dritten Ausführungsform nach 16 sind die Gehäuseseitenwände 2, 3 jeweils als eine Halbschale ausgebildet. Die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 weisen jeweils einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf.
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In der vierten Ausführungsform nach 19 ist die Gehäuseseitenwand 2 als Halbschale ausgebildet. Dabei weist die Gehäuseseitenwand 2 einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf. Die Gehäuseseitenwand 3 ist als planares Hüllblech ausgebildet und korrespondierend zur Gehäuseseitenwand 2 ausgeformt.
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An zumindest einer der Gehäuseseitenwände 2, 3, bevorzugt an jeder Gehäuseseitenwand 2, 3, ist innenseitig der Einzelzelle 1 ein Isolationsmittel 8 angeordnet, welches korrespondierend zur jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 ausgebildet ist. Das heißt, das Isolationsmittel 6 ist ebenfalls schalenförmig oder planar ausgeführt und weist zu den Abmessungen der Gehäuseseitenwand 2, 3 korrespondierende Abmessungen auf, wobei das Isolationsmittel 8 die jeweilige Gehäuseseitenwand 2, 3 innenseitig der Einzelzelle 1 weitgehend vollständig bedeckt. Zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrodenfolienanordnung 9 mit der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 weist das Isolationsmittel 8 eine Aussparung 10 auf.
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Als Material für die Isolationsmittel 8 und/oder den Siegelrahmen 7 wird ein Kunststoff oder ein Kunststoffgemisch verwendet. Dabei wird vorzugsweise ein herkömmliches säuremodifiziertes Polypropylen verwendet, dass bereits bei niedrigen Temperaturen ausgezeichnete Klebeeigenschaften auf metallischen Oberflächen der Gehäuseseitenwände 2, 3 besitzt. Die entsprechenden Oberflächen der Gehäuseseitenwände 2, 3, beispielsweise im Bereich des Schalenflansches 6, können noch mit einer Behandlung bzw. Aktivierung versehen sein, um die Haftwirkung zu verbessern.
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Bei Aluminium als Material für die Gehäuseseitenwände 2, 3 sind Chromatierungen oder Eloxierungen als Aktivierungsmittel möglich. Eine aus Kupfer gefertigte Gehäuseseitenwand 2, 3 kann vernickelt sein.
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Weiterhin weist vorzugsweise zumindest ein Kunststoffbauteil im Bereich einer Siegelnaht 11, beispielsweise ein Isolationsmittel 8 und/oder der Siegelrahmen 7, einlaminierte Partikeln höherer Schmelztemperatur auf. Diese Partikel werden beispielsweise in Form von Fasern oder in Form eines Vlieses in den Kunststoff eingebracht und sind aus Polyethylen oder Keramik gebildet. Diese Partikel werden bei einem Verschluss der Siegelnaht 11 nicht aufgeschmolzen und ermöglichen derart eine Einstellung eines Mindestabstands zwischen den Gehäuseseitenwänden 2, 3 im Bereich des Schalenflansches 6 und damit eine elektrische Isolation.
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Durch die schalenförmige Ausbildung zumindest einer der beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 und eine daraus resultierende Beabstandung der Schalenböden 12 der Gehäuseseitenwände 2, 3 ist ein Zellgehäuseinnenraum 13 gebildet. Innerhalb des Zellgehäuseinnenraums 13 ist die Elektrodenfolienanordnung 9 angeordnet. Dabei entspricht der Abstand der beiden Schalenböden 12 vorzugsweise der Höhe der Elektrodenfolienanordnung 9, so dass eine kompakte Bauform der Einzelzelle 1 ermöglicht ist.
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Die herkömmliche Elektrodenfolienanordnung 9 ist aus Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität gebildet. Die Elektrodenfolien sind mittels eines nicht näher dargestellten Separators, insbesondere einer Separatorfolie voneinander elektrisch isoliert. Einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung zufolge ist die Elektrodenfolienanordnung 9 aus übereinander gestapelten Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder Folien aus einer Metalllegierung gebildet.
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Die Elektrodenfolien der Elektrodenfolienanordnung 9 einer Polarität sind mit elektrischen leitfähigen Stromableiterfahnen kontaktiert, die insbesondere mittels einer Verpressung und/oder Verschweißung zu einer Polkontaktfahne 14 zusammengefasst sind. Jeweils eine Polkontaktfahne 14 einer Polarität ist insbesondere mittels einer Verschweißung mit jeweils einer Gehäuseseitenwand 2, 3 elektrisch leitfähig verbunden, so dass die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 als elektrische Pole der Einzelzelle 1 dienen.
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Zur Kontaktierung der Polkontaktfahne 14 mit der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 weist das jeweilige Isolationsmittel 8 eine Aussparung 10 auf. Dabei korrespondieren die Abmessungen der jeweiligen Aussparung 10 mit den Abmessungen der jeweiligen Polkontaktfahne 14.
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Darüber hinaus dienen die Gehäuseseitenwände 2, 3 als so genannte Wärmeleitbleche, mittels derer innerhalb der Einzelzelle 1 insbesondere während des Ladens und/oder Entladens entstehende Wärme abführbar ist.
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Bei einer Montage der Einzelzelle 1 werden die Schalenflansche 6 der Gehäuseseitenwände 2, 3 unter Ausbildung einer Siegelnaht 11 stoffschlüssig miteinander verbunden und sind mittels der Isolationsmittel 8 und/oder des Siegelrahmens 7 elektrisch voneinander isoliert.
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Die Schalenflansche 6 der Gehäuseseitenwände 2, 3 werden unter Zwischenschaltung des zumindest einen Isolationselements 8 und/oder des Siegelrahmens 7 deckungsgleich unter Ausbildung des Zellgehäuseinnenraums 13 aneinander angeordnet. Schalenflansche 6 und Isolationselement 8 und/oder Siegelrahmen 7 werden abschnittsweise unter Auflassung zumindest einer Einfüllöffnung 5 und unter Ausbildung einer Siegelnaht 11 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
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Besonders bevorzugt werden die Schalenflansche 6 und das zumindest eine Isolationselement 8 und/oder der Siegelrahmen 7 unter Ausbildung einer das Zellgehäuse u-förmig umlaufenden Siegelnaht 11 und unter Ausformung der Einfüllöffnung 5 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
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5 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer entsprechenden Schweißvorrichtung 15 zur Ausbildung einer u-förmigen Siegelnaht 11.
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6 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer u-förmigen Siegelnaht 11.
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Die Verbindung der beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 erfolgt vorzugsweise durch einen herkömmlichen Heißsiegelvorgang oder einen Ultraschallschweißvorgang. Hierbei werden die im Bereich der auszubildenden Siegelnaht 11 angeordneten Kunststoffbauteile mit niedriger Schmelztemperatur partiell aufgeschmolzen. Bei Erstarrung der Kunststoffbauteile bei fallender Temperatur und/oder unter Druck werden die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Anschließend wird durch die nicht von der Siegelnaht 11 verschlossene Einfüllöffnung 5 hindurch die elektrochemisch aktive Substanz, insbesondere ein Elektrolyt, in den Zellgehäuseinnenraum 13 eingefüllt. Die Einfüllöffnung 5 wird nachfolgend unter Ausbildung eines mediendichten Zellgehäuseinnenraums 13 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verschlossen.
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß 1 und 4 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser Einfüllöffnung 5.
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14 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß 13 und 15 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser Einfüllöffnung 5.
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17 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer dritten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß 16 und 18 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser Einfüllöffnung 5.
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21 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer vierten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß 19 und 22 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser Einfüllöffnung 5.
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Zur Erleichterung des Einfüllvorgangs und zur Vergrößerung des Einfüllquerschnitts ist in zumindest der Gehäuseseitenwände 2, 3 im entsprechenden Bereich des Schalenflansches 6 eine Wölbung 4 ausgebildet.
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Zur Ausformung der Einfüllöffnung 5 wird zumindest ein Abschnitt der Schalenflansche 6 zumindest einer der Gehäuseseitenwände 2, 3 während der Herstellung der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 von der auszubildenden Siegelnaht 11 wegweisend gewölbt, beispielsweise mittels eines Umformvorgangs, ausgeformt.
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Weiterhin wird in dem der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 zugeordneten Isolationselement 8 und/oder dem Siegelrahmen 7 während dessen Herstellung eine korrespondierende Wölbung 4 ausgebildet.
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Nach dem Einfüllen sowie gegebenenfalls nach einem Ausgasen, beispielsweise bei einem erstmaligen Aufladen der Einzelzelle 1 und/oder einer Formierung, wird die Einfüllöffnung 5 verschlossen.
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Zum Verschluss der Einfüllöffnung 5 werden die die Einfüllöffnung 5 bildenden Wölbungen 4 zwischen den entsprechenden Werkzeugabschnitten angeordnet und in einem Pressvorgang umgeformt, so dass die Wölbungen 4 umgeformt werden und die Gehäuseseitenwände 2, 3 im entsprechenden Bereich plan aneinander anliegen. Hierzu wird eine Presskraft deiner Heißpresse oder eine Presskraft eines Ultraschallschweißwerkzeugs 16 aus Amboss 17 und Sonotrode 18 entsprechend angepasst. Der Verschluss der Einfüllöffnung 5 erfolgt anschließend mittels eines herkömmlichen Heißsiegelvorgangs oder eines Ultraschallschweißvorgangs.
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Vorzugsweise erfolgen das Umformen der Wölbungen 4 und die Siegelung der früheren Einfüllöffnung 5 in einem Arbeitsschritt.
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Die 7 bis 12 zeigen unterschiedliche Ansichten eines solchen Ultraschallschweißwerkzeugs 16 zum Verschließen der Einfüllöffnung 5.
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Bei einem solchen Ultraschallschweißvorgang umgreift das Ultraschallschweißwerkzeug 16, bestehend aus der hochfrequent bewegten Sonotrode 18 und dem ruhenden Amboss 17, ober- und unterhalb der Schalenflansche 6 die Einfüllöffnung 5. Anschließend wird die hochfrequent schwingende Sonotrode 18 gegen den Amboss 17 gepresst, wodurch die Wölbungen 4 aneinander gepresst werden, so dass die entsprechenden Bauteile lokal durch Reibungswärme auf- oder anschmelzen und verpresst werden, wobei eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
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Durch die kleine, zu verschweißende Fläche beim finalen Verschluss der Einzelzelle 1 erfolgt nur noch ein geringer Wärmeeintrag in den Zellgehäuseinnenraum 13, so dass kein Verdampfen und/oder Zersetzen des Elektrolyts auftritt. Die Schweißparameter beim finalen Verschluss der Einzelzelle 1 werden weiterhin so eingestellt, dass die elektrische Isolation zwischen den beiden Gehäuseseitenwänden 2, 3 erhalten bleibt.
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Insbesondere werden die Schweißparameter derart eingestellt, dass die in Siegelrahmen 7 und/oder Isolationselement 8 einlaminierte Partikel höherer Schmelztemperatur nicht aufgeschmolzen werden und derart eine Einstellung eines Mindestabstands zwischen den Gehäuseseitenwänden 2, 3 im Bereich des Schalenflansches 6 und damit eine elektrische Isolation ermöglichen.
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Der finale Verschluss erfolgt bevorzugt in einer Vakuumkammer, falls der Zellgehäuseinnenraum 13 evakuiert werden soll, unter Schutzgas oder unter trockener Luft.
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Ein solcher Ultraschallschweißvorgang eignet sich besonders gut für den finalen Verschluss der Einfüllöffnung 5, da hier der Wärmeeintrag in die Einzelzelle 1 nur lokal und kurzzeitig erfolgt. Weiterhin führen die Vibrationen in der entsprechenden Fügestelle zu einer Reinigung, so dass gegebenenfalls vorhandene Elektrolytreste während des Ultraschallschweißvorgangs ausgetragen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- erste Gehäuseseitenwand
- 3
- zweite Gehäuseseitenwand
- 4
- Wölbung
- 5
- Einfüllöffnung
- 6
- Schalenflansch
- 7
- Siegelrahmen
- 8
- Isolationselement
- 9
- Elektrodenfolienanordnung
- 10
- Aussparung
- 11
- Siegelnaht
- 12
- Schalenboden
- 13
- Zellgehäuseinnenraum
- 14
- Polkontaktfahne
- 15
- Schweißvorrichtung
- 16
- Ultraschallschweißwerkzeug
- 17
- Amboss
- 18
- Sonotrode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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