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Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeicherzelle, ein elektrisches Energiespeichermodul und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Energiespeicherzelle.
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Stand der Technik
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Üblicherweise wird elektrischen Energiespeicherzellen Gleichstrom entnommen bzw. Gleichstrom in diese eingespeist. Daher ist der bisher bekannte Aufbau von Energiespeicherzellen auf die Optimierung der Ohm’schen Innenwiderstände und der spezifischen Energie- bzw. Leistungsdichte der Energiespeicherzellen ausgelegt.
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In vielen Anwendungen elektrischer Energiespeicherzellen werden Speicherzellen in serieller oder paralleler Anordnung miteinander zu Batteriemodulen verschaltet, um gewünschte Ausgangsparameter wie Gesamtspannung, Spannungsbereich, Energieinhalt oder Leistungsdichte einzustellen. Die Druckschrift
DE 10 2010 035 114 A1 offenbart beispielsweise eine Batterieeinheit mit einer Vielzahl von Zelleneinheiten, welche jeweils Akkumulatorzellen aufweisen, die über Busschienen elektrisch gekoppelt sind. Die Druckschrift
EP 2 413 414 A2 offenbart eine Akkuflachzelle mit aufeinandergeschichteten Anoden- und Kathodenfolien in einem Foliengehäuse, welche über Kathoden- und Anodenableiter mit Polanschlüssen der Akkuflachzelle verbunden sind.
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Werden aus derartigen Energiespeicherzellen Ströme mit steigendem Wechselanteil entnommen, steigt frequenzabhängig der Einfluss der verteilten Induktivität der Energiespeicherzellen. Die induktiven Verluste einer Energiespeicherzelle setzen sich aus den individuellen Anteilen der Verlustbeiträge der Elektroden, der Polverschaltung und der Anordnung der Elektroden im Gehäuse zusammen. Außerdem können bei Betriebsfrequenzen im kHz-Bereich durch den Skineffekt Verluste in den Strom tragenden Bereichen sowie Wirbelströme in elektrisch leitfähigen Flächen, beispielsweise im Gehäuse, auftreten.
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Energiespeicherzellen können üblicherweise ein oder mehrere Zellwickel aufweisen, die in eigenen oder gemeinsamen Gehäusen integriert sind. Übliche Formen von Energiespeicherzellen sind dabei Zylinderzellen, Pouchzellen oder Flachzellen. Dabei weisen die Energiespeicherzellen verteilte Induktivitäten auf, die durch die zellinterne Verschaltung, die Ableitergeometrie und die Polanschlüsse bedingt sind. Wenn die Energiespeicherzellen beispielsweise in Batteriesystemen mit integriertem Umrichter, sogenannten BDIs eingesetzt werden, können diese induktiven Anteile der Energiespeicherzellimpedanz bei hohen Betriebsfrequenzen des Umrichters zu entsprechend hohen Verlustenergien in den leistungselektronischen Schalteinrichtungen des Umrichters führen. In Folge kann dies zu einem erhöhten Verschleiß der Schalteinrichtungen, einem geringeren Wirkungsgrad des BDIs sowie zu erhöhtem fertigungstechnischen Aufwand zur Implementierung von Kühlsystemen mit hinreichender Kühlleistung führen.
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Es besteht ein Bedarf an Energiespeicherzellen, welche hinsichtlich der Entnahme von Wechselströmen hoher Frequenz geringere Verluste aufweisen und somit den Wirkungsgrad des die Energiespeicherzellen einsetzenden Systems verbessern. Weiterhin besteht ein Bedarf an derartigen Energiespeicherzellen, die sich in einfacher Weise und mit niedriger Ohm’scher und induktiver Impedanz zu Energiespeichermodulen verdrahten lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine elektrische Energiespeicherzelle, mit einer Vielzahl von flächigen Anodenfolien, welche einen ersten Speicherabschnitt und einen ersten Ableiterabschnitt aufweisen, und einer Vielzahl von flächigen Kathodenfolien, welche einen zweiten Speicherabschnitt und einen zweiten Ableiterabschnitt aufweisen, wobei die Anodenfolien und die Kathodenfolien planparallel zueinander gestapelt sind, so dass die ersten und zweiten Speicherabschnitte jeweils alternierend überlappen und einen Speicherzellstapel ausbilden, wobei die ersten Ableiterabschnitte um eine erste Überhanglänge über eine erste Seitenfläche des Speicherzellstapels und die zweiten Ableiterabschnitte um eine zweite Überhanglänge über eine zweite, der ersten Seitenfläche gegenüberliegende Seitenfläche des Speicherzellstapels hinausragen, wobei die ersten Ableiterabschnitte gegenüber den ersten Speicherabschnitten jeweils um eine erste Faltlinie gefaltet und parallel entlang der ersten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausgerichtet sind, und wobei die zweiten Ableiterabschnitte gegenüber den zweiten Speicherabschnitten jeweils um eine zweite Faltlinie gefaltet und parallel entlang der zweiten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausgerichtet sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein elektrisches Energiespeichermodul, mit mindestens zwei erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen, deren Zellpolanschlüsse mit Modulpolanschlüssen des Energiespeichermoduls gekoppelt sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Energiespeicherzelle, mit den Schritten des alternierenden Anordnens einer Vielzahl von flächigen Anodenfolien, welche einen ersten Speicherabschnitt und einen ersten Ableiterabschnitt aufweisen, und einer Vielzahl von flächigen Kathodenfolien, welche einen zweiten Speicherabschnitt und einen zweiten Ableiterabschnitt aufweisen, wobei die Anodenfolien und die Kathodenfolien planparallel zueinander gestapelt werden, so dass die ersten und zweiten Speicherabschnitte jeweils alternierend überlappen und einen Speicherzellstapel ausbilden, des Faltens der ersten Ableiterabschnitte, welche um eine erste Überhanglänge über eine erste Seitenfläche des Speicherzellstapels hinausragen, gegenüber den ersten Speicherabschnitten um eine erste Faltlinie und paralleles Ausrichten der ersten Ableiterabschnitte entlang der ersten Seitenfläche des Speicherzellstapels, und des Faltens der zweiten Ableiterabschnitte, welche um eine zweite Überhanglänge über eine zweite, der ersten Seitenfläche gegenüberliegende Seitenfläche des Speicherzellstapels hinausragen, gegenüber den ersten Speicherabschnitten um eine zweite Faltlinie und paralleles Ausrichten der zweiten Ableiterabschnitte entlang der zweiten Seitenfläche des Speicherzellstapels.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, die Verluste, die bei der Ansteuerung einer elektrischen Energiespeicherzelle auftretenden Wirbelströme im Inneren der Energiespeicherzelle und/oder in deren Gehäuse verursacht werden, mithilfe eines geeigneten internen Aufbaus der Energiespeicherzelle mit möglichst geringer interner Zellinduktivität zu reduzieren. Dazu werden die Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichermoduls in geeigneter Weise derart angeordnet, dass die Anzahl der Kontaktübergänge zwischen den einzelnen verschalteten Energiespeicherzellen und Gehäuseteilen minimiert und die Herausführung der Elektrodenableiter aus dem elektrisch aktiven Bereich optimiert wird. Dazu werden Anoden- und Kathodenfolien in einem Energiespeicherbereich wechselweise überlappend aufeinander geschichtet, so dass an gegenüberliegenden Seiten des entstehenden Folienstapels jeweils Ableiterbereiche der Anoden- bzw. Kathodenfolien einen geeignet dimensionierten Überstand bilden. Die überstehenden Folienbereiche können dann zusammengenommen und über Seitenflächen des Folienstapels gefaltet werden, um an den entsprechenden Seitenflächen Kontaktierungsmöglichkeiten für Polanschlüsse des Folienstapels zu schaffen.
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Ein erheblicher Vorteil besteht darin, dass die Verlustenergie insbesondere bei der Entnahme von Wechselstrom hoher Frequenz aus der Energiespeicherzelle erheblich reduziert werden kann. Insbesondere bei Batteriesystemen mit integriertem Umrichter, sogenannten Batteriedirektumrichtern („battery direct inverter“, BDI), bei denen ein schneller Wechsel der Stromführung durch ein Batteriemodul zur Variation der Stromspannung erfolgt, ist diese Reduzierung der Verlustenergie von großem Vorteil. Dies ist zu einem Großteil durch die Verringerung der Zellinduktivität durch niederohmige interne Elektrodenverschaltung und eine Verringerung der Übergangswiderstände, insbesondere an den Polanschlüssen der Energiespeicherzelle möglich.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kurzzeitdynamik derartiger Energiespeicherzellen verbessert wird, indem die Verzögerung der Energie- bzw. Lastabgabe der Energiespeicherzellen nach Lastwechseln minimiert wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf ansonsten möglicherweise ausgleichende Bauelemente wie beispielsweise Pufferkondensatoren verzichtet werden, was den Bauraumbedarf sowie die Fertigungskosten von Energiespeicherzellen einsetzenden Bauteilen senken kann.
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Überdies kann durch die Vermeidung von induktiven Verlustanteilen durch die Energiespeicherzellen die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert werden, da die emittierten elektromagnetischen Felder vermindert und Störeinflüsse auf benachbarte Elektronikbauteile verringert werden können. Ferner werden Ohm’sche Verluste, beispielsweise aufgrund des Skineffekts, weitestgehend reduziert, was vorteilhafter Weise mit erhöhtem Wirkungsgrad und geringerer Wärmeentwicklung einhergeht.
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Weiterhin kann die Füllung des Zellgehäuses optimiert werden, da durch die vorgeschlagene Zellwickeltopologie das Volumen der Toträume minimiert werden kann. Dadurch kann auch die volumetrische und gravimetrische Energiedichte der Energiespeicherzellen erhöht werden. Darüber hinaus kann die Bauhöhe der Energiespeicherzellen verringert werden, da die Polanschlüsse sehr flach ausgestaltet werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die ersten und zweiten Ableiterabschnitte erste und zweite Zellpolanschlüsse der Energiespeicherzelle an den ersten bzw. zweiten Seitenflächen des Speicherzellstapels ausbilden. Damit können vorteilhafterweise die kürzest möglichen Zuleiterwege zwischen Polanschlüssen und Zellwickel implementiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die ersten und zweiten Ableiterabschnitte jeweils an den den ersten und zweiten Speicherabschnitten gegenüberliegenden Seiten der Anodenfolien bzw. Kathodenfolien erste und zweite Zellpolabschnitte aufweisen, die ersten Zellpolabschnitte gegenüber den ersten Ableiterabschnitten jeweils um eine dritte Faltlinie gefaltet und parallel entlang einer dritten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausgerichtet sein, und die zweiten Zellpolabschnitte gegenüber den zweiten Ableiterabschnitten jeweils um eine vierte Faltlinie gefaltet und parallel entlang der dritten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausgerichtet sein. Dabei können die ersten und zweiten Zellpolabschnitte erste und zweite Zellpolanschlüsse der Energiespeicherzelle an der dritten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausbilden. Dies ermöglicht die Zusammenführung der Polanschlüsse auf einer Seitenfläche des Speicherzellstapels, so dass die von den Polanschlüssen umschlossene Fläche möglichst gering und die Anschlussinduktivität damit möglichst klein ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die ersten und zweiten Ableiterabschnitte jeweils an den den ersten und zweiten Speicherabschnitten gegenüberliegenden Seiten der Anodenfolien bzw. Kathodenfolien erste und zweite Zellpolabschnitte aufweisen, die ersten Zellpolabschnitte gegenüber den ersten Ableiterabschnitten jeweils um eine dritte Faltlinie gefaltet und parallel entlang der ersten oder zweiten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausgerichtet sein, und die zweiten Zellpolabschnitte gegenüber den zweiten Ableiterabschnitten jeweils um eine vierte Faltlinie gefaltet und parallel entlang der ersten oder zweiten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausgerichtet sein. Dabei können die ersten und zweiten Zellpolabschnitte erste und zweite Zellpolanschlüsse der Energiespeicherzelle an der ersten oder zweiten Seitenfläche des Speicherzellstapels ausbilden. Dies ermöglicht die Zusammenführung der Polanschlüsse auf einer Seitenfläche des Speicherzellstapels, so dass die von den Polanschlüssen umschlossene Fläche möglichst gering und die Anschlussinduktivität damit möglichst klein ist. Insbesondere kann mit dieser Geometrie die Energiespeicherzelle mit nach oben weisenden Zellpolanschlüssen ausgerichtet werden, so dass die ersten und zweiten Speicherabschnitte der Anodenfolien bzw. Kathodenfolien im Speicherzellstapel aufrecht stehen, das heißt, vertikal zu der Seitenfläche des Speicherzellstapels mit den Zellpolanschlüssen stehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die dritten und vierten Faltlinien parallel zu den ersten und zweiten Faltlinien verlaufen. Alternativ können die dritten und vierten Faltlinien senkrecht zu den ersten und zweiten Faltlinien verlaufen. Damit können in flexibler Weise verschiedene Zellpolgeometrien implementiert werden, je nachdem, in welcher Geometrie der Speicherzellstapel in einem Energiespeichermodul bzw. einem Zellgehäuse verbaut werden soll.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle können die ersten und zweiten Zellpolabschnitte jeweils eine Breite aufweisen, die jeweils geringer ist als die Breite der ersten und zweiten Ableiterabschnitte.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle kann die Energiespeicherzelle weiterhin eine Vielzahl von Separatorschichten aufweisen, welche in dem Speicherzellstapel jeweils zwischen einer der Anodenfolien und einer der Kathodenfolien planparallel angeordnet sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Zwischenstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung einer Vorstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung einer Zwischenstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung einer Vorstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung einer Zwischenstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
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9 eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
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10 eine schematische Darstellung einer Vorstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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11 eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung;
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12 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls mit elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
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13 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
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14 eine schematische Darstellung einer Vorstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung; und
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15 eine schematische Darstellung einer Zwischenstufe zur Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung.
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Die im Folgenden verwendete Richtungsterminologie, das heißt, Begriffe wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „darüber“, „dahinter“ und dergleichen, wird lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen verwendet, und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen von Elementen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sein. Es versteht sich, dass in den Figuren Prinzipskizzen von Komponenten und Elementen, deren spezifische Bemaßungen im Rahmen der Überlegungen eines Fachmanns variiert und an die jeweilige Anwendung angepasst werden können.
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Elektrische Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen alle Einrichtungen, welche über einen vordefinierten Zeitraum elektrische Energie speichern und über einen weiteren Zeitraum wieder abgeben können. Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen dabei alle Arten von sekundären und primären Energiespeichern, insbesondere elektrisch kapazitive, elektrochemische (faradaysche) sowie kombiniert arbeitende Speichertypen. Die betrachteten Zeiträume können dabei von Sekunden bis hin zu Stunden, Tagen oder Jahren umfassen. Elektrische Energiespeicherzellen können beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Ultrakondensatoren, Superkondensatoren, Powerkondensatoren, BatCaps, Akkumulatoren auf der Basis von Blei, Zink, Natrium, Lithium, Magnesium, Schwefel oder anderen Metallen, Elementen oder Legierungen, oder ähnliche Systeme umfassen. Die Funktionalität der von der Erfindung umfassten elektrischen Energiespeicherzellen kann dabei auf Interkalationselektroden, Reaktionselektroden oder Legierungselektroden in Kombination mit wässrigen, aprotischen oder polymeren Elektrolyten beruhen.
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Der Aufbau von elektrischen Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei sowohl unterschiedliche äußere Aufbauformen, wie beispielsweise prismatische Formen oder sogenannte „Pouch“-Formen, als auch unterschiedliche Elektrodenaufbauten, wie beispielsweise gewickelte, gestapelte, gefaltete oder sonstige Aufbauten, umfassen.
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Elektrodenfolien im Sinne der vorliegenden Erfindung können aus verschiedenen elektrisch leitfähigen, beispielsweise metallischen Materialien wie Kupfer, Aluminium, Nickel, Chrom, Silber, Gold, Platin, Zink, Zinn oder Legierungen dieser Metalle hergestellt sein. Elektrodenfolien, insbesondere Anoden- und/oder Kathodenfolien im Sinne der vorliegenden Erfindung können beschichtet oder/und mit großer aktiver Oberfläche hergestellt sein. Dabei können die Elektrodenfolien flächig und planparallel zueinander liegend ausgestaltet sein. Die Elektrodenfolien können flexibel bzw. biegsam sein und an vorgegebenen Falt- bzw. Klapplinien derart gefaltet bzw. geklappt werden, dass erste flächige Bereiche der Elektrodenfolien eine Ebene aufspannen, die zu zweiten flächigen Bereichen der Elektrodenfolien in einem Winkel stehen. Die Elektrodenfolien können dabei unterschiedliche Abmessungen aufweisen, beispielsweise kann die Dicke von Elektrodenelementen Größenordnungen von wenigen µm bis etliche mm aufweisen. Die Elektrodenelemente können gefaltet, gestapelt oder gewickelt sein, und es kann vorgesehen sein, zwischen den Elektrodenfolien Isolations- oder Separationsschichten auszubilden, welche die Elektrodenfolien galvanisch voneinander trennen und innerhalb des Zellgehäuses den Elektrolyt in einzelne Bereiche abtrennen können. Es kann auch möglich sein, die Elektrodenfolien in bipolarer Form aufzubauen. Die flächige Form der Elektrodenfolien kann quadratisch, rechteckig, rund, elliptisch oder beliebig anders gestaltet sein.
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Elektrische Energiespeichermodule im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Komponenten, welche eine oder mehrere elektrische Energiespeicherzellen in einem Gehäuse aufweisen, wobei die elektrischen Energiespeicherzellen in geeigneter Weise elektrisch untereinander gekoppelt sind, um eine serielle oder parallele Verschaltung der Energiespeicherzellen zu gewährleisten. Elektrische Energiespeichermodule können dabei Modulanschlüsse aufweisen, an welchen eine von der internen Verschaltung der elektrischen Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichermoduls abhängige Ausgangsspannung abgreifbar ist.
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Gehäuse im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen alle Bauteile, welche eine Ausnehmung zur Aufnahme einer oder mehrerer elektrischer Energiespeicherzellen sowie der elektrisch leitfähigen Verschaltungselemente der elektrischen Energiespeicherzellen aufweisen, und welche die aufgenommenen Energiespeicherzellen und Elemente mechanisch und/oder elektrisch gegenüber der Außenwelt abschirmen können. Gehäuse können dabei elektrisch leitfähige Materialien, elektrisch nicht oder nur schlecht leitfähige Materialien oder Kombinationen aus Teilbereichen derartiger Materialien aufweisen, wie beispielsweise Kunststoffe, Metalle, Legierungen aus Metallen. Die Form und Größe der Gehäuse kann dabei an die aufgenommenen Energiespeicherzellen und Elemente angepasst sein.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorstufe für die Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle 10. In der Vorstufe umfasst die Energiespeicherzelle 10 eine Vielzahl von flächigen Anodenfolien 1a, welche einen ersten Speicherabschnitt 2 und einen ersten Ableiterabschnitt 2a aufweisen, sowie eine Vielzahl von flächigen Kathodenfolien 1b, welche einen zweiten Speicherabschnitt 2 und einen zweiten Ableiterabschnitt 2b aufweisen. In der in 1 dargestellten Anordnung ist der erste Speicherabschnitt 2 der rechtsseitige Flächenbereich der Anodenfolien 1a, während der zweite Speicherabschnitt 2 der linksseitige Flächenbereich der Kathodenfolien 1b ist.
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Die Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b sind jeweils planparallel zueinander gestapelt, so dass die ersten und zweiten Speicherabschnitte 2 jeweils alternierend überlappen und einen Speicherzellstapel 4 ausbilden. Die Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b können beispielsweise rechteckige, quadratische, parallelogrammförmige, trapezoide oder streifenförmige Form aufweisen. Die Anzahl der Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b ist in 1 mit drei dargestellt, jedoch ist deren Anzahl prinzipiell nicht begrenzt. Vorteilhafterweise kann die Anzahl der Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b jeweils gleich sein, so dass jeweils Paare von Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b in dem Speicherzellstapel 4 ausgebildet werden können.
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Die Paare von Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b können jeweils durch eine Lage einer Separatorschicht 3 getrennt sein, welche in dem Speicherzellstapel 4 jeweils zwischen einer der Anodenfolien 1a und einer der Kathodenfolien 1b planparallel angeordnet sind. Die Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b können innerhalb der Energiespeicherzelle 10 durch die Separatorschichten 3 galvanisch voneinander getrennt sein. Die Separatorschichten 3 dienen insbesondere der Abtrennung des Elektrolyts in Segmente, damit eine bestimmte elektrische Potentialdifferenz innerhalb dieses Segements im Elektrolyt nicht überschritten wird. Diese können dabei beispielsweise dünne Schichten elektrisch nicht oder nur gering leitfähiger Materialien aufweisen. Die Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b können beispielsweise flache Schichten aus elektrisch leitfähigem Material sein, welche in einer kammartigen Struktur flächig ineinander verzahnt sind. Es sollte dabei klar sein, dass eine Fülle an Möglichkeiten gibt, die Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b in einem Speicherzellstapel 4 anzuordnen, und dass die Auswahl einer Anordnung von der verwendeten Speichertechnologie, den Randbedingungen hinsichtlich der äußeren Form der Energiespeicherzelle 10 und/oder den zu erreichenden elektrischen Charakteristika der Energiespeicherzelle 10 abhängig sein kann. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, den Speicherzellstapel 4 derart auszugestalten, dass das innere Volumen der Energiespeicherzelle 10 maximal ausgenutzt wird.
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Die ersten und zweiten Ableiterabschnitte 2a, 2b sind jeweils diejenigen Abschnitte, die um erste bzw. zweite Überhanglängen über eine erste (in 1 linksseitig dargestellte) Seitenfläche 4a des Speicherzellstapels 4 bzw. über eine zweite (in 1 rechtsseitig dargestellte), der ersten Seitenfläche 4a gegenüberliegende Seitenfläche 4b des Speicherzellstapels 4 hinausragen.
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Wie in 2 schematisch dargestellt, können die ersten Ableiterabschnitte 2a gegenüber den ersten Speicherabschnitten 2 jeweils um eine erste Faltlinie bzw. Faltachse E gefaltet und parallel entlang der ersten Seitenfläche 4a des Speicherzellstapels 4 ausgerichtet werden. Gleichermaßen können die zweiten Ableiterabschnitte 2b gegenüber den zweiten Speicherabschnitten 2 jeweils um eine zweite Faltlinie C gefaltet und parallel entlang der zweiten Seitenfläche 4b des Speicherzellstapels 4 ausgerichtet sein. Die Faltschritte sind in 1 schematisch mit E1 bzw C1 angedeutet. Dabei können die ersten und zweiten Ableiterabschnitte 2a, 2b jeweils an den über den Speicherzellstapel 4 überstehenden Enden übereinander gelegt und miteinander verbunden werden, beispielsweise über Verkleben, Verschweißen, Verlöten oder ähnliche Verbindungstechniken. Die Länge der Überstände kann je nach Lage der Anodenfolien 1a bzw. Kathodenfolien 1b im Speicherzellstapel 4 angepasst werden, so dass nach einem Falten der ersten und zweiten Ableiterabschnitte 2a, 2b der in 2 dargestellte nach oben ragende Überstand jeweils bündig abschließt.
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Durch die Faltgeometrie der Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b können die Energiespeicherzellen 10 ohne Polableitergabeln oder ähnliche separate Ableiterkomponenten gebildet werden, die einerseits einen hohen Platzbedarf innerhalb der Energiespeicherzelle aufweisen und andererseits durch ihre Kontaktierung mit den Elektrodenfolien unerwünschte Kontaktimpedanzen mit sich bringen. Durch die Faltgeometrie kann weiterhin der Abstand zwischen den Seitenflächen 4a bzw. 4b des Speicherzellstapels 4 zu den Seitenflächen eines in den 1 bis 3 nicht explizit dargestellten Zellgehäuses minimiert werden.
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Über die Variation der Überstandslänge der ersten und zweiten Ableiterabschnitte 2a, 2b können auch mehrere Speicherzellstapel 4 übereinander gestapelt werden, und entlang der Seitenflächen 4a, 4b des resultierenden Gesamtstapels problemlos miteinander elektrisch verbunden werden.
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Wie in 2 weiterhin gezeigt, können die die ersten und zweiten Ableiterabschnitte 2a, 2b jeweils an den den ersten und zweiten Speicherabschnitte 2 gegenüberliegenden Seiten der Anodenfolien 1a bzw. Kathodenfolien 1b erste und zweite Zellpolabschnitte 6a bzw. 6b aufweisen. Diese Zellpolabschnitte 6a und 6b können über eine durch eine dritte Seitenfläche 4c des Speicherzellstapels 4 gebildete Ebene hinausstehen, und durch Falten entlang dritter Faltlinien – für die ersten Zellpolabschnitte 6a die Faltlinie F und für die zweiten Zellpolabschnitte 6b die Faltlinie D – auf die dritte Seitenfläche 4c des Speicherzellstapels 4 gefaltet werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer fertig gefalteten elektrischen Energiespeicherzelle 10, wobei die ersten und zweiten Zellpolabschnitte 6a und 6b gegenüber den ersten bzw. zweiten Ableiterabschnitten 2a, 2b jeweils um eine dritte Faltlinie F bzw. D gefaltet und parallel entlang der dritten Seitenfläche 4c des Speicherzellstapels 4 ausgerichtet sind. Die ersten und zweiten Zellpolabschnitte 2a, 2b sind so dimensioniert, dass bei einem Falten gemäß den in 2 illustrativ dargestellten Faltoperationen F1 bzw. D1 die Zellpolabschnitte 2a und 2b nicht überlappend aufeinander zu liegen kommen. Dadurch können die ersten und zweiten Zellpolabschnitte 2a, 2b jeweils erste und zweite Zellpolanschlüsse 5a und 5b der Energiespeicherzelle 10 an der dritten Seitenfläche 4c des Speicherzellstapels 4 ausbilden. Dabei können die Zellpolanschlüsse 5a und 5b jeweils aus einem (nicht explizit dargestellten) Zellgehäuse der Energiespeicherzelle 10 herausgeführt werden, um den Abstand zwischen dem Speicherzellstapel 4 und dem Zellgehäuse möglichst gering zu halten.
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Alternativ kann es auch möglich sein, separate Kontaktelemente auf die ersten und zweiten Zellpolabschnitte 2a, 2b aufzubringen, um diese als Zellpolanschlüsse 5a und 5b aus dem Zellgehäuse der Energiespeicherzelle 10 herauszuführen. Die separaten Kontaktelemente können beispielsweise als flächige Anschlusspads ausgestaltet werden, die die Bauhöhe der Energiespeicherzelle 10 minimieren und die Kontaktierung zwischen den ersten und zweiten Zellpolabschnitten 2a, 2b und den Kontaktelementen möglichst niederohmig bzw. niederinduktiv halten.
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Die Zellpolanschlüsse 5a, 5b sind dabei derart implementiert, dass mindestens einer der Zellpolanschlüsse 5a, 5b elektrisch gegenüber dem Zellgehäuse isoliert ist. Dabei kann beispielsweise ein metallisches Zellgehäuse oder ein Zellgehäuse aus einem isolierenden Material wie beispielsweise Kunststoff verwendet werden. Die Energiespeicherzelle 10 kann beispielsweise von einem prismatischen Zellgehäuse umschlossen sein. Es ist jedoch klar, dass jede andere Form für das Zellgehäuse ebenfalls möglich ist, und dass diese Form beispielsweise von den Abmessungen der eingeschlossenen Energiespeicherzelle 10 abhängig sein kann.
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Die Energiespeicherzelle 10 in 3 weist Zellpolanschlüsse 5a, 5b auf, die in einer Ebene mit den Ebenen der Anodenfolien 1a bzw. Kathodenfolien 1b liegen, das heißt, die dritte Seitenfläche 4c ist planparallel zu der Flächenausdehnung der Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b. Wenn die Zellpolanschlüsse 5a, 5b der Energiespeicherzelle 10 nach oben weisen, stehen die jeweiligen Paare von Elektrodenfolien des Speicherzellstapels 4 nicht aufrecht.
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Daher kann auch eine alternative Faltgeometrie verwendet werden, wie in den 14 und 15 gezeigt. Die Energiespeicherzelle 10 der 14 und 15 unterscheidet sich von den Darstellungen der Vor- und Zwischenstufen in den 1 bis 3 im Wesentlichen darin, dass die Kathodenfolien 1b in einer Faltbewegung C2 um die Faltachse C nicht nur entlang der zweiten Seitenfläche 4b des Speicherzellstapels 4, sondern auch um eine vierte Seitenfläche 4d gefaltet werden. Im Gegenzug werden die Anodenfolien 1a entlang der ersten Seitenfläche 4a in einer Faltbewegung E2 um die Faltachse E gefaltet, so dass die überstehenden ersten und zweiten Zellpolabschnitte 6a bzw. 6b senkrecht auf der ersten Seitenfläche 4a stehen.
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Mit dieser Geometrie können die Zellpolabschnitte 6a, 6b um die Faltlinien F bzw. D auf die erste Seitenfläche 4a gefaltet werden. Wenn die gesamte Energiespeicherzelle 10 dann um 90° gekippt wird, so dass die erste Seitenfläche 4a mit den Zellpolanschlüssen 5a, 5b nach oben weist, stehen die Elektrodenfolien des Speicherzellstapels 4 in vorteilhafter Weise aufrecht, das heißt, senkrecht zu der erste Seitenfläche 4a des Speicherzellstapels 4.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Vorstufe für die Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle 10. Die 5 und 6 zeigen dann analog zu den 2 und 3 jeweils eine Zwischenstufe und eine fertig gefaltete Energiespeicherzelle 10. Der wesentliche Unterschied der Energiespeicherzelle 10 zu der in den 1 bis 3 illustrierten Energiespeicherzelle 10 besteht darin, dass die ersten und zweiten Zellpolabschnitte 2c, 2d der Anodenfolien 1a bzw. Kathodenfolien 1b eine Breite aufweisen, die jeweils geringer ist als die Breite der ersten und zweiten Ableiterabschnitte 2a und 2b. Mit anderen Worten weisen die ableiterabschnittseitigen Endbereiche der Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b jeweils L-förmige Aussparungen auf, so dass verjüngte Zellpolabschnitte 2c bzw. 2d an den ersten und zweiten Ableiterabschnitten 2a und 2b angehängt sind. Diese Zellpolabschnitte 2c bzw. 2d können in den Faltvorgängen F1 bzw. D1 wie in 6 gezeigt um 90° gegenüber der Zellpolanschlussgeometrie in 3 gedreht werden, das heißt die Zellpolanschlüsse 5a, 5b liegen einander in einer Trennlinie gegenüber, die gegenüber der entsprechenden Trennlinie in 6 um 90° gedreht ist.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Vorstufe für die Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle 10. Die 8 und 9 zeigen dann analog zu den 5 und 6 jeweils eine Zwischenstufe und eine fertig gefaltete Energiespeicherzelle 10. Der wesentliche Unterschied der Energiespeicherzelle 10 zu der in den 4 bis 6 illustrierten Energiespeicherzelle 10 besteht darin, dass die Zellpolabschnitte 2c und 2d laschenartig über die durch die vordere Seitenfläche 4d des Speicherzellstapels 4 definierte Ebene hinausragen. Demzufolge ist die dritte Faltlinie B, um die die Zellpolabschnitte 2c und 2d in den Faltvorgängen B1 und B2 gefaltet werden nicht parallel zu den ersten und zweiten Faltlinien C und E wie in den Faltgeometrien der 1 bis 3 bzw. 4 bis 6, sondern steht senkrecht zu den ersten und zweiten Faltlinien C und E. Dadurch werden die Zellpolanschlüsse 5a, 5b auf der Seitenfläche 4d gebildet, und bei einem Drehen der Energiespeicherzelle 10 um 90°, so dass die Zellpolanschlüsse 5a, 5b auf der Seitenfläche 4d nach oben weisen, kommen die Anodenfolien 1a bzw. Kathodenfolien 1b in dem Speicherzellstapel 4 wieder aufrecht, das heißt senkrecht zu der Seitenfläche 4d zum Stehen.
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Selbstverständlich kann es auch möglich sein, eine oder beide der in 7 gezeigten Faltvorgänge E1 bzw. C1 in eine entgegengesetzte Drehrichtung um die entsprechende Faltlinie E bzw. C durchzuführen. Insbesondere können die beiden Drehrichtungen gleichsinnig sein, so dass die ersten Ableiterabschnitte 2c die erste Seitenfläche 4a bedecken und die zweiten Ableiterabschnitte 2d die zweite Seitenfläche 4b bedecken. Die Zellpolabschnitte 2c und 2d werden dann von verschiedenen Seiten des Speicherzellstapels 4 gegeneinander auf die Seitenfläche 4d gefaltet.
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10 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Vorstufe für die Herstellung einer elektrischen Energiespeicherzelle 10. Die 11 zeigt dann analog zu den 2, 5 bzw. 8 jeweils eine fertig gefaltete Energiespeicherzelle 10. Der wesentliche Unterschied der Energiespeicherzelle 10 zu der in den 1 bis 3 illustrierten Energiespeicherzelle 10 besteht darin, dass die Anodenfolien 1a und Kathodenfolien 1b keine Zellpolabschnitte aufweisen. Stattdessen dienen die ersten und zweiten Ableiterabschnitte 2a, 2b direkt als erste und zweite Zellpolanschlüsse 5a, 5b der Energiespeicherzelle 10 an den ersten bzw. zweiten Seitenflächen 4a, 4b des Speicherzellstapels 4.
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12 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichermoduls 20, welches eine Anordnung elektrischer Energiespeicherzellen 10 aufweist. Die Anordnung elektrischer Energiespeicherzellen 10 kann dabei beispielsweise Energiespeicherzellen 10 wie in 11 dargestellt umfassen, die entlang ihrer Zellpolanschlüsse 5a, 5b in Reihenschaltung miteinander gekoppelt sind. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jede andere Anordnung verschiedener Energiespeicherzellen 10 wie in den 3, 6, 9 und 11 unter Anpassung der jeweils verschalteten Energiespeicherzellen 10 für das elektrische Energiespeichermodul 20 ebenfalls möglich ist. Insbesondere können dabei Parallel- und/oder Reihenschaltung oder kombinierte Parallel- und Reihenschaltung von Energiespeicherzellen 10 realisiert werden. Das elektrische Energiespeichermoduls 20 weist beispielsweise ein transparent dargestelltes Modulgehäuse 21 auf, aus welchem an den endseitigen Zellpolanschlüssen 5a, 5b jeweils Modulpolanschlüsse 22a, 22b aus dem Modulgehäuse 21 herausgeführt sind. Die Modulpolanschlüsse 22a, 22b können beispielsweise flächige Kontaktelemente sein, von denen mindestens eines gegenüber dem Modulgehäuse 21 elektrisch isoliert ist.
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Insgesamt zeigen die 1 bis 12 lediglich beispielhafte Ausgestaltungsformen von Energiespeichermodulen 20 und Energiespeicherzellen 10. Variationen und Modifikationen können dabei unter Berücksichtigung von zweckbehafteten Konstruktionskriterien ausgestaltet werden. Generell ist es vorteilhaft, die Abstände zwischen stromführenden Elementen beider Polaritäten möglichst gering zu halten, um die durch diese Elemente umschlossene aktive Durchflutungsfläche zu minimieren. Dies bedeutet, dass die induktive Impedanz der stromführenden Elemente im Inneren der Energiespeicherzellen 10 minimiert werden kann. Außerdem ist es vorteilhaft, die stromführenden Elemente möglichst großflächig auszugestalten, um die Stromdichte möglichst homogen zu verteilen. Ist eine ideal flächige, eng an den aktiven Bereichen der Elektrodenelemente anliegende Polkontaktierung nur unter bestimmte Randbedingungen möglich, wie beispielsweise Sicherheitsanforderungen oder technischen Zwängen, so kann ist zumindest darauf zu achten, die Zusammenführung der stromführenden Elemente unterschiedlicher Polarität in geringem Abstand zueinander zu gewährleisten. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Anzahl der notwendigen Polanschlüsse der Energiespeicherzellen 10 mit dem Gehäuse durch geeignete modulinterne Verschaltung der Energiespeicherzellen zu minimieren. Dadurch reduzieren sich die Ohm’schen Leitungswiderstände, was wiederum sowohl im Gleichstrombetrieb als auch im Wechselstrombetrieb in einer Minimierung der Ohm’schen Verluste, insbesondere aufgrund des Skineffekts, resultiert.
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Die dargestellten Energiespeichermodule 20 und Energiespeicherzellen 10 können beispielsweise bevorzugt in Systemen eingesetzt werden, in denen Wechselströme hoher Frequenz aus den Energiespeicherzellen 10 entnommen werden, beispielsweise in Batteriedirektumrichtern mit Ansteuerfrequenzen oberhalb von etwa 100 Hz. In diesen Systemen können aufgrund der Bauweise der Energiespeicherzellen 10 induktive Verluste aufgrund der hohen Wechselstromfrequenz minimiert werden. Gleichzeitig verbessert sich das Ansprechverhalten der Energiespeicherzellen 10 im Kurzzeitbereich, was die Dynamik und Zuverlässigkeit der Systeme erheblich verbessert.
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13 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 30 zum Herstellen einer elektrischen Energiespeicherzelle 10, insbesondere einer der in den 1 bis 11 schematisch gezeigten Energiespeicherzellen 10. In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein alternierendes Anordnen einer Vielzahl von flächigen Anodenfolien 1a, welche einen ersten Speicherabschnitt 2 und einen ersten Ableiterabschnitt 2a aufweisen, und einer Vielzahl von flächigen Kathodenfolien 1b, welche einen zweiten Speicherabschnitt 2 und einen zweiten Ableiterabschnitt 2b aufweisen. Dabei werden die Anodenfolien 1a und die Kathodenfolien 1b so planparallel zueinander gestapelt, dass die ersten und zweiten Speicherabschnitte 2 jeweils alternierend überlappen und einen Speicherzellstapel 4 ausbilden.
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In einem zweiten Schritt 32 erfolgt ein Falten der ersten Ableiterabschnitte 2a, welche um eine erste Überhanglänge über eine erste Seitenfläche 4a des Speicherzellstapels 4 hinausragen, gegenüber den ersten Speicherabschnitten 2 um eine erste Faltlinie E und ein paralleles Ausrichten der ersten Ableiterabschnitte 2a entlang der ersten Seitenfläche 4a des Speicherzellstapels 4. Analog dazu erfolgt in einem Schritt 33 ein Falten 33 der zweiten Ableiterabschnitte 2b, welche um eine zweite Überhanglänge über eine zweite, der ersten Seitenfläche 4a gegenüberliegende Seitenfläche 4b des Speicherzellstapels 4 hinausragen, gegenüber den ersten Speicherabschnitten 2 um eine zweite Faltlinie C und ein paralleles Ausrichten der zweiten Ableiterabschnitte 2b entlang der zweiten Seitenfläche 4b des Speicherzellstapels 4.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010035114 A1 [0003]
- EP 2413414 A2 [0003]
