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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul zur Speicherung elektrischer Energie, mit wenigstens zwei Speicherzellen und einem durch zumindest eine Folie gebildeten Modulgehäuse, in dem die Speicherzellen angeordnet sind. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Energiespeicher mit wenigstens einem Energiespeichermodul. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher und einem Antriebsenergie übertragend mit dem Energiespeicher verbundenen Antriebssystem.
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Stand der Technik
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Energiespeichermodule, Energiespeicher mit wenigstens einem Energiespeichermodul und Kraftfahrzeuge mit einem Energiespeicher der eingangs genannten Art sind allgemein bekannt. Beispielsweise offenbart die
EP 1 519 428 A2 einen Energiespeicher in Form einer wiederaufladbaren Batterie mit als Batteriezellen ausgebildeten Speicherzellen. Jede der in dieser Druckschrift offenbarten Speicherzellen ist in einem aus einer Folie gebildeten Modulgehäuse ausgebildet. Die Bereitstellung eines Modulgehäuses für jede der Batteriezellen ist jedoch aufwendig und treibt die Fertigungskosten der Batterie in die Höhe.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Energiespeichermodul der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei das Modulgehäuse für jede der Speicherzellen eine Aufnahmetasche aufweist. Ferner wird ein Energiespeicher der eingangs genannten Art bereitgestellt, dessen Energiespeichermodul ein solches Energiespeichermodul ist. Darüber hinaus wird ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art bereitgestellt, dessen Energiespeicher ein solcher Energiespeicher ist.
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Dadurch, dass das Modulgehäuse für jede der Speicherzellen eine Aufnahmetasche aufweist, brauchen nicht mehr mehrere Modulgehäuse beziehungsweise aus dem Stand der Technik bekannte Zellgehäuse einzeln gehandhabt werden. Ein Befestigen der Speicherzellen aneinander, beispielsweise durch Verkleben wie im Stand der Technik, ist ebenfalls nicht notwendig. Folglich ist das solche Energiespeichermodul einfach und preiswert herstellbar.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das Modulgehäuse einen zwischen den Aufnahmetaschen angeordneten Trennabschnitt aufweisen, der die Aufnahmetaschen fluiddicht voneinander trennt, wobei der Trennabschnitt durch zwei einander gegenüberliegend angeordnete Folienabschnitte des Modulgehäuses ausgebildet ist, die aneinander befestigt sind. Der fluiddichte Trennabschnitt des Modulgehäuses verhindert, dass ein Fluid, beispielsweise ein Elektrolyt von als Batteriezellen ausgebildeten Speicherzellen, von einer der Aufnahmetaschen in eine andere der Aufnahmetaschen fließen kann. Die Speicherzellen sind folglich unabhängig voneinander betreibbar.
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Zur Erzeugung der Trennabschnitte können die einander gegenüberliegend angeordneten und flexible Wandungen des Modulgehäuses ausbildenden Folienabschnitte stoffschlüssig miteinander verbunden und zum Beispiel miteinander heißversiegelt, verklebt oder verschweißt sein. Zur Montage des Energiespeichermoduls können die Speicherzellen zunächst einfach auf eine erste Folienlage gelegt werden. Anschließend kann eine zweite Folienlage auf die Speicherzellen gelegt werden, so dass die Speicherzellen zwischen der ersten und der zweiten Folienlage angeordnet sind. Die Folienlagen können beide Teil einer zusammenhängenden und womöglich gefalteten oder separaten Folie sein. Zur Ausbildung der Aufnahmetaschen und Erzeugung der Trennabschnitte können die erste und die zweite Folienlage zumindest im Bereich der Trennabschnitte und zusätzlich auch an weiteren Rändern der Aufnahmetaschen aneinander fluiddicht befestigt und beispielsweise miteinander durch Heißversiegeln, Verschweißen oder Verkleben stoffschlüssig verbunden werden.
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Gemäß einer weiteren möglichen vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das Energiespeichermodul einen die Speicherzellen elektrisch miteinander kontaktierenden Zellverbinder aufweisen, der sich durch den Trennabschnitt erstreckt. Oftmals sind die Speicherzellen in Reihe oder parallel miteinander verschaltet, um eine gewünschte elektrische Leistung des Energiespeichers bereitstellen zu können. Dadurch, dass sich der Zellverbinder durch den Trennabschnitt erstreckt, ist der Beschaltungsaufwand des Energiespeichermoduls außerhalb dessen Modulgehäuses verringert. Da der die wenigstens zwei Speicherzellen elektrisch miteinander verbindende Zellverbinder nicht außerhalb des Modulgehäuses angeordnet ist, kann das Energiespeichermodul ferner besser handhabbar und insbesondere kompakter als bekannte Energiespeichermodule ausgebildet sein.
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Der Zellverbinder ist vorzugsweise mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten Kontaktenden ausgebildet, wobei ein erstes der Kontaktenden einen Anschlusskontakt einer der Speicherzellen und ein zweites der Kontaktenden einen Anschlusskontakt einer anderen der Speicherzellen elektrisch kontaktiert. Insbesondere kontaktiert der Zellverbinder die Speicherzellen so, dass diese durch den Zellverbinder parallel oder in Reihe miteinander geschaltet sind. Das Energiespeichermodul kann mehrere und insbesondere zwei Zellverbinder aufweisen, welche die beiden Speicherzellen elektrisch leitfähig miteinander verbinden.
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Um zu vermeiden, dass der durch den Trennabschnitt geführte Zellverbinder zu einer Undichtigkeit des Trennabschnittes führt, kann der Zellverbinder einen zwischen seinen Kontaktenden angeordneten Dichtabschnitt aufweisen, der fluiddicht mit den den Trennabschnitt ausformenden Folienabschnitten verbunden ist. Eine fluiddichte Verbindung zwischen den Folienabschnitten des Trennabschnittes und dem Dichtabschnitt kann beispielsweise durch eine Dichtdurchführung für den Zellverbinder bereitgestellt sein.
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Der Dichtabschnitt erstreckt sich vorzugsweise quer zu einer Längsrichtung des Zellverbinders vollständig über einander gegenüberliegende Seiten des Zellverbinders, so dass in der Längsrichtung zwischen dem Zellverbinder und dem Modulgehäuse eine fluiddicht geschlossene Verbindung besteht.
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Um den Zellverbinder einfach und mit geringem Platzbedarf fluiddicht mit den Folienabschnitten verbinden zu können, ist der Dichtabschnitt erfindungsgemäß durchgängig mit einer das elektrische Leitungselement des Zellverbinders mit dem Trennabschnitt fluiddicht verbindenden Verbindungslage versehen sein. Die Verbindungslage ist ausgebildet, mit zumindest einem der Folienabschnitte eine fluiddichte Verbindung einzugehen. Beispielsweise kann die Verbindungslage ein Kleber sein, der das Leitungselement mit einem der Folienabschnitte verklebt.
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Da Kleber oftmals eine geringe chemische Stabilität aufweisen und insbesondere oftmals bei dauerhaftem Kontakt mit Elektrolytmaterial einer Batteriezelle ihre Klebeeigenschaft verlieren, weist die Verbindungslage vorzugsweise einen mit den Folienabschnitten heißversiegel- oder verschweißbaren Kunststoff auf. Das Material der Verbindungslage entspricht vorzugsweise dem Material der am Dichtabschnitt anliegenden Seite des Modulgehäuses und ist beispielsweise Polyolefin.
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Die Verbindungslage kann mit dem Trennabschnitt beispielsweise durch Laser- oder Ultraschallschweißen verschweißt sein, wodurch die Herstellung der fluiddichten Verbindung zwischen dem Zellverbinder und dem Modulgehäuse einfach und auch in großen Stückzahlen preiswert herstellbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindungslage mit dem Trennabschnitt durch Aufschmelzen und Erstarren der Verbindungslage und der Folie heißversiegelt sein.
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Damit elektrischer Strom durch den Zellverbinder fließen kann, kann dieser ein elektrisches Leitungselement aufweisen, das sich vom ersten Kontaktende bis zum zweiten Kontaktende des Zellverbinders erstreckt. Das Leitungselement kann durchgängig aus einem Leiter, insbesondere einem metallischen Leiter bestehen. Alternativ kann das Leitungselement auf einer einen der Anschlusskontakte direkt kontaktierenden Seite aus einem Metall und auf einer anderen einen anderen der Anschlusskontakte direkt kontaktierenden Seite aus einem anderen Metall gefertigt sein. Beispielsweise kann eine der Seiten Kupfer, Nickel, vernickeltes Kupfer oder Kupfer bzw. Nickel enthaltende Legierungen und die andere Seite Aluminium oder Aluminiumlegierungen aufweisen. Insbesondere kann der Zellverbinder anodenseitig aus Kupfer, Nickel, vernickeltem Kupfer oder Kupfer bzw. Nickel enthaltende Legierungen und kathodenseitig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
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Die Speicherzellen können als Kondensatoren und beispielsweise als sogenannte Super Caps ausgebildet sein. Alternativ können die Speicherzellen Batteriezellen sein, die wiederaufladbar sind. Beispielsweise können die Batteriezellen Lithium-Schwefel-, Lithium-Eisen-Phosphat- oder Lithium-Luft-Batteriezellen sein. Vorzugsweise basieren die Batteriezellen auf Lithiumtechnologie und sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen.
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Ein als Batteriezellen ausgebildete Speicherzellen aufweisendes Energiespeichermodul kann als ein Batteriemodul bezeichnet werden, das zum Beispiel als Teil einer Batterieuntereinheit oder einer Batterie ausgebildet sein kann. Der wenigstens ein als ein Batteriemodul ausgebildetes Energiespeichermodul aufweisende Energiespeicher ist beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie. Das Kraftfahrzeug mit dem Energiespeicher und beispielsweise der Batterie kann ein Automobil, ein Schiff, ein Luftschiff oder ein anderes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein. Auch kann der Energiespeicher ein stationärer Energiespeicher sein, beispielsweise für ein Haus oder eine Windkraftanlage.
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Das mit dem aus der Folie gebildeten Modulgehäuse versehene Energiespeichermodul ist im Vergleich zu Energiespeichermodulen mit einem festen Modulgehäuse flexibel, so dass sich die Speicherzellen beziehungsweise deren Aufnahmetaschen in einer mäandernden Anordnung aufeinanderlegen lassen oder das Energiespeichermodul entlang eines vorgegebenen Weges angeordnet sein kann. Um eine derartige Flexibilität zu erreichen, ist der Zellverbinder vorzugsweise biegbar und beispielsweise wiederholt biegbar. Zum Beispiel kann der Zellverbinder oder dessen Leitungselement quer zu seiner Längsrichtung eine Dicke zwischen 30 und 1000 µm, beispielsweise 50, 100, 250 oder 500 µm aufweisen und zwischen 2 und 100 mm, beispielsweise 3, 5, 10, 25, 50 oder 90 mm breit sein. Der Zellverbinder ist bevorzugt so dimensioniert, dass ein vorbestimmter maximaler Strom von der einen Speicherzelle durch den Zellverbinder zur anderen Speicherzelle fließen kann, ohne dass der Zellverbinder dabei überlastet wird.
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Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls;
- 2 eine schematische Darstellung des Zellverbinders des in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiels in einer Seitenansicht, und
- 3 eine schematische Schnittdarstellung des Zellverbinders der 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Zunächst sind Aufbau und Funktion eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
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1 zeigt ein Energiespeichermodul 1 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht. Das Energiespeichermodul 1 ist mit fünf Speicherzellen 2 zur Speicherung elektrischer Energie dargestellt. Selbstverständlich kann das Energiespeichermodul 1 auch eine andere Anzahl von Speicherzellen 2 aufweisen. Beispielsweise kann das Energiespeichermodul 1 wenigstens zwei, drei, vier oder auch mehr als fünf und beispielsweise 10 oder 20 Speicherzellen 2 umfassen.
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Ferner weist das Energiespeichermodul 1 des Ausführungsbeispiels der 1 ein Modulgehäuse 3 auf, in dem die Speicherzellen 2 angeordnet sind. Das Modulgehäuse 3 ist durch eine Folie 3', beispielsweise eine mehrlagige Verbundfolie, die zum Beispiel eine Polyamidlage, eine Aluminiumlage und eine Polyolefinlage aufweist, ausgebildet. Für jede der Speicherzellen 2 stellt das Modulgehäuse 3 eine Aufnahmetasche 4 bereit, wobei die Aufnahmetaschen 4 fluiddicht voneinander getrennt sind.
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Das Modulgehäuse 3 ist beispielsweise durch zwei Lagen der Folie 3' ausgeformt, wobei die Speicherzellen 2 zwischen den Folienlagen und die Folienlagen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die einander gegenüberliegenden Folien 3' sind an Rändern 5 bis 8 der Aufnahmetaschen 4 fluiddicht aneinander befestigt und beispielsweise eine die Aufnahmetasche 4 umlaufende Siegelnaht ausbildend miteinander vorzugsweise stoffschlüssig verbunden und beispielsweise heißversiegelt, verklebt oder verschweißt. Insbesondere die aneinander angrenzenden Ränder 5, 8 zweier benachbarter Aufnahmetaschen 4 sind so ausgebildet, dass sie die benachbart zueinander angeordneten Aufnahmetaschen 4 fluiddicht voneinander trennen, mechanisch jedoch miteinander verbinden. Die miteinander verbundenen Ränder 5, 8 zweier benachbart zueinander angeordneter Aufnahmetaschen 4 bilden einen Trennabschnitt 9 des Modulgehäuses 3 aus, durch den benachbarte Aufnahmetaschen 4 fluiddicht voneinander getrennt sind.
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Um Speicherzellen 2 benachbarter Aufnahmetaschen 4 elektrisch miteinander zu verbinden, weist das Energiespeichermodul 1 einen Zellverbinder 10 auf. Mit dem Zellverbinder 10 können beispielsweise Pluspole der benachbarten Speicherzellen 2 oder ein Pluspol einer der Speicherzelle 2 und ein Minuspol der benachbarten Speicherzelle 2 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sein. Folglich können die Speicherzellen 2 durch den Zellverbinder 10 oder mehrere Zellverbinder 10 miteinander in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein. Jede der Speicherzellen 2 kann mit einer benachbarten oder mit zumindest einer von zwei benachbarten Speicherzellen 2 durch einen oder zwei Zellverbinder 10 elektrisch leitfähig verbunden sein, so dass alle Speicherzellen 2 des Energiespeichermoduls 1 miteinander in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind. Auch Mischformen von Reihen- und Parallelschaltungen der Speicherzellen 2 durch die Zellverbinder 10 sind möglich.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 erstreckt sich der Zellverbinder 10 von einer der Aufnahmetaschen 4 zur benachbarten Aufnahmetasche 4, ohne dass er aus dem Modulgehäuse 3 herausragt. Der Zellverbinder 10 erstreckt sich dabei vorzugsweise durch den Trennabschnitt 9 von einer der Aufnahmetaschen 4 zur benachbarten Aufnahmetasche 4, ohne dass hierdurch die fluiddichte Trennung der beiden Aufnahmetaschen 4 voneinander beeinträchtigt ist.
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Äußere Speicherzellen 2 des Energiespeichermoduls 1, die beispielsweise nur eine benachbarte Speicherzelle 2 aufweisen, sind mit Anschlusskontakten 11, 12 versehen, durch die ein elektrischer Strom aus dem Energiespeichermodul 1 entnommen oder in das Energiespeichermodul 1 hineingeleitet werden kann. Der Anschlusskontakt 11 ist beispielsweise ein Pluspol und der Anschlusskontakt 12 ein Minuspol des Energiespeichermoduls 1. Die Anschlusskontakte 11, 12 des Energiespeichermoduls 1 sind jeweils mit einem Anschlusskontakt der äußeren Speicherzellen 2 elektrisch leitfähig verbunden.
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Um unterschiedliche elektrische Spannungen vom Energiespeichermodul 1 abgreifen oder einzelne Speicherzellen 2 auf- oder entladen zu können, kann das Energiespeichermodul 1 je Speicherzelle 2 wenigstens einen weiteren und von außerhalb des Modulgehäuses 3 kontaktierbaren Spannungsabgriffkontakt 13 aufweisen, wobei die Spannungsabgriffkontakte 13 vorzugsweise alle dieselbe Polung und beispielsweise die am Anschlusskontakt 12 anliegende Polung aufweisen.
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Die Kontakte 11, 12, 13 erstrecken sich von der Aufnahmetasche 4 durch den Rand 6 des Modulgehäuses 3, ohne dass das Modulgehäuse 3 im Bereich der Kontakte 11, 12, 13 hierdurch fluiddurchlässig wird.
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2 zeigt den Zellverbinder 10 der 1 vergrößert in einer schematischen Seitenansicht.
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Der Zellverbinder 10 ist mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten Kontaktenden 20, 21 ausgebildet, die entlang einer Längsrichtung 22 des Zellverbinders 10 beabstandet zueinander angeordnet sind. In der Längsrichtung 22 zwischen den Kontaktenden 20, 21 weist der Zellverbinder 10 einen Dichtabschnitt 23 auf, der ausgebildet ist, ein Leitungselement 24 des Zellverbinders 10 mit zumindest einer Folie 3' des Modulgehäuses 3 im Bereich des Trennabschnitts 9 des Modulgehäuses 3 fluiddicht zu verbinden. Der Dichtabschnitt 23 kann beispielsweise als ein mechanisches Dichtelement oder als eine Klebeschicht ausgebildet sein. Mechanische Dichtelemente und Klebeschichten sind jedoch bei Vibrationen oder unter Einfluss von Chemikalien, beispielsweise eines Elektrolyten, nicht dauerhaft fluiddicht. Folglich ist der Dichtabschnitt 23 mit einer Verbindungslage 25 versehen, die dauerhaft fluiddicht mit mindestens einer ein Wandelement des Modulgehäuses 3 ausbildenden Folie 3' mit dem Trennabschnitt 9 verbindbar ist. Beispielsweise weist die Verbindungslage 25 einen mit Kunststoff und beispielsweise mit Polyamid und/oder Polyolefin stoffschlüssig verbindbaren und zum Beispiel heißversiegelbaren oder verschweißbaren Kunststoff auf, so dass die Verbindungslage 25 mit den das Modulgehäuse 3 ausbildenden Folien im Bereich des Trennabschnitts 9 stoffschlüssig verbunden und bevorzugt heißversiegelt oder verschweißt ist.
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Der Dichtabschnitt 23 erstreckt sich vorzugsweise quer zur Längsrichtung 22 des Zellverbinders 10 vollständig über den Zellverbinder 10 und insbesondere über einander gegenüberliegende Seiten 26, 27 und optional oder zusätzlich über Seiten 28, 29 des Zellverbinders 10 beziehungsweise des Leitungselements 24. Vorzugsweise umgibt die Verbindungslage 25 das Leitungselement 24 im Bereich des Dichtabschnitts 23 vollständig und ist fluiddicht mit diesem verbunden.
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Das Kontaktende 20 kann aus einem anderen leitfähigen Material und insbesondere aus einem anderen Metall oder einer anderen Metalllegierung als das Kontaktende 21 ausgeformt sein. Zum Beispiel kann das Kontaktende 20 Kupfer, Nickel oder vernickeltes Kupfer aufweisen oder daraus bestehen und das Kontaktende 21 Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweisen oder daraus bestehen.
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3 zeigt den Zellverbinder 10 der bisherigen Ausführungsbeispiele in einer Frontansicht, wobei die Längsrichtung 22 des Zellverbinders 10 in die Zeichenebene hinein weist. In der Ansicht des Ausführungsbeispiels der 3 ist deutlich zu sehen, dass die Verbindungslage 25 das Leitungselement 24 zumindest im Bereich des Dichtabschnittes 23 quer zur Längsrichtung 22 vollständig umgibt und an den Seiten 26 bis 29 des Leitungselements 24 anliegt.
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Das Leitungselement 24 des Ausführungsbeispiels der 2 ist mit den Kontaktenden 20, 21 versehen, die unterschiedliche leitende Materialien aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch die Seiten 26, 27 des Leitungselements 24 unterschiedliche Materialien aufweisen oder mit diesen beschichtet sein, um jeweils mit einem Pluspol oder einem Minuspol einer der Speicherzellen 2 verbunden zu werden.
