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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode.
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Stand der Technik
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Bei der Herstellung von Elektroden, wie beispielsweise von folienartigen Elektroden, etwa für Lithium-Ionen-Zellen, wird das Batteriematerial oftmals in Form einer Suspension beziehungsweise einer Slurry auf einen Stromsammler aufgebracht. Der Stromsammler ist dabei meist metallisch aufgebaut, wobei das Metall in Abhängigkeit der herzustellen Elektrode gewählt wird. Der Stromsammler kann dabei vor der Beschichtung von einer Rolle abgerollt und nach der Beschichtung wieder aufgerollt werden. Weiterhin erfolgt eine Trocknung der beschichteten Stromsammlerfolie, etwa mittels Konvektionstrocknung oder IR-Trocknung, bei der das Lösungsmittel der Slurry ausgetrieben werden kann. Anschließend erfolgt meist ein Kalandrieren, um die etwa bei dem Trocknen ausgebildete Porosität einzustellen. Anschließend erfolgt ein Formen der Elektrode.
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Aus den Dokumenten
DE 10 2010 062 140 A1 und
DE 10 2010 063 143 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieelektrode bekannt. Bei einem derartigen Verfahren wird zunächst ein Kollektorsubstrat mit einem Aktivmaterial im Wesentlichen vollständig beschichtet und dieses beschichtete Produkt anschließend kalandriert. Weiterhin umfasst ein derartiges Verfahren einen Materialabtrag zum Ausbilden eines Ableiterbereichs und das Formen der Elektrode aus dem Kollektorsubstrat durch ein Ausschneiden beziehungsweise Ausstanzen der Elektrode.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, aufweisend die Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen einer trockenen Aktivmaterialmischung;
- b) Bereitstellen eines vorgeformten Stromsammlers; und
- c) Aufbringen der trockenen Aktivmaterialmischung auf zumindest einen Teilbereich des Stromsammlers unter Ausbildung einer Aktivmaterialschicht.
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Ein vorbeschriebenes Verfahren erlaubt es, eine Elektrode herzustellen, wobei die Vorteile von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren im Wesentlichen beibehalten werden können, dabei jedoch bei kostengünstiger Prozessweise zuverlässig Nachteile von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermieden werden können.
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Hierzu umfasst das Verfahren zum Herstellen einer Elektrode gemäß Verfahrensschritt a) ein Bereitstellen einer trockenen Aktivmaterialmischung. Die Aktivmaterialmischung kann dabei an sich bekannte Komponenten für einen entsprechenden Energiespeicher aufweisen. Für den beispielhaften und nicht beschränkenden Fall des Herstellens einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie kann das Aktivmaterial für eine Anode beispielsweise Graphit umfassen, bevorzugt in einer Konzentration von größer oder gleich 94 Gew.-%, wohingegen das Aktivmaterial für eine Kathode beispielsweise umfassen kann ein Lithiumsalz, wie etwa Lithiumnickelcobaltmanganoxid (NCM) oder Lithiummanganoxid (LMO), bevorzugt in einer Konzentration von größer oder gleich 93 Gew.-%,. Das Aktivmaterial ist somit insbesondere ein Material beziehungsweise eine Substanz oder ein Substanzgemisch, welches an den aktiven Ladevorgängen beziehungsweise Entladevorgängen eines Energiesprechers teilnehmen kann. Dabei kann die Aktivmaterialmischung ferner einen Binder aufweisen, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), bevorzugt in einer Konzentration von kleiner oder gleich 4 Gew.-%, in welchem das vorbeschriebene Aktivaterial verteilt ist. Darüber hinaus kann ein Leitzusatz, wie beispielsweise leitfähige Kohlenstoffverbindungen, etwa Ruß, bevorzugt in einer Konzentration von kleiner oder gleich 2 Gew.-%, zugesetzt sein.
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Weiterhin ist die Aktivmaterialmischung gemäß Verfahrensschritt a) trocken. Das bedeutet, dass das Aktivmaterial zusammen mit den weiteren Bestandteilen, insbesondere wie vorstehend beschrieben, nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt als Slurry zusammen mit einem Lösungsmittel bereitgestellt wird, sondern vielmehr lösungsmittelfrei und damit als Feststoff, beispielsweise als Pulver. Insbesondere weist die Aktivmaterialmischung keine Flüssigkeit auf.
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Ferner erfolgt gemäß Verfahrensschritt b) ein Bereitstellen eines vorgeformten Stromsammlers. Ein derartiger Stromsammler kann aus einem an sich bekannten Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Stromsammler, für den Fall dass eine Kathode hergestellt wird, aus Aluminium ausgebildet sein, wohingegen der Stromsammler beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein kann, für den Fall dass eine Anode hergestellt wird.
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Weiterhin ist der Stromsammler gemäß Verfahrensschritt b) bereits vorgeformt. Ein vorgeformter Stromsammler kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass der Stromsammler bereits zu diesem Zeitpunkt, also im Wesentlichen vor einem Versehen mit einem Elektrodenmaterial beziehungsweise mit der Aktivmaterialmischung seine gewünschte, insbesondere endgültige Form aufweisen kann. Somit kann ein nachfolgendes Ausschneiden, Ausstanzen oder Ähnliches entfallen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt c) erfolgt ein Aufbringen der trockenen Aktivmaterialmischung auf zumindest einen Teilbereich des Stromsammlers unter Ausbildung einer Aktivmaterialschicht. Somit wird in diesem Verfahrensschritt die Aktivmaterialmischung auf den vorgeformten Stromsammler beziehungsweise auf definierte Bereiche desselben aufgebracht. Dieses Aufbringen kann grundsätzlich in jeder für die Elektrodenherstellung an sich geeigneten Weise erfolgen.
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Somit basiert das vorbeschriebene Verfahren insbesondere darauf, einen bereits in Form gebrachten und damit insbesondere in seiner endgültigen Form beziehungsweise in seiner endgültigen Geometrie ausgestalteten Stromsammler zu verwenden, und diesen mit dem trockenen Aktivmaterial unter Ausbildung einer Aktivmaterialschicht beziehungsweise Elektrodenmaterialschicht zu versehen. Dadurch kann verhindert werden, dass ein bereits mit dem Aktivmaterial beschichteter Stromsammler beispielsweise durch ein Ausschneiden oder Ausstanzen noch geformt wird. Ferner kann auf ein Trocknen der Aktivmaterialschicht verzichtet werden.
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Das vorbeschriebene Verfahren kann dabei unter anderem die Vorteile aufweisen, dass die Nachteile beziehungsweise die Risiken, welche mit einem Formen, wie beispielsweise einem Schneiden, der beschichteten Stromsammler für ein späteres Betreiben mit sich bringen, reduziert oder vollständig verhindert werden können.
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Im Detail kann durch das vorbeschriebene Verfahren durch das Verwenden eines vorgeformten Stromsammlers verhindert werden, dass sich durch ein Schneiden oder Stanzen Stanzgrate ausbilden, was einen negativen Einfluss auf das spätere Betreiben beziehungsweise die mögliche Leistungsfähigkeit der Elektrode aufweisen kann. Ferner kann verhindert werden, dass Partikel, welche bei einem Formen sich von der Aktivmaterialschicht lösen können, an ungewünschter Stelle bei einem späteren Betreiben einen Kurzschluss in der Zelle auslösen und diese so beschädigen oder zerstören können. Erfindungsgemäß kann vielmehr ein besonders langlebiges und sicheres Betreiben einer Elektrode ermöglicht werden.
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Weiterhin kann nach dem Beschichten des Stromsammlers eine stabile Elektrode erhalten werden, bei welcher es nicht beispielsweise durch eine mechanische Beanspruchung durch Stanzen zu einem Abplatzen der Aktivmaterialschicht oder Bereichen derselben führt, oder etwa bei einem Laserschneiden Verformungen am Randbereich der Elektrode entstehen oder das Material beziehungsweise die Elektrodenzusammensetzung durch einen hohen laserbedingten Energieertrag sich verändert. Da derartige Beeinflussungen, wie vorstehend beschrieben, bei Elektroden unerwünscht sind, erfolgt gemäß dem Stand der Technik oftmals ein Verschnitt des beschichteten Materials. Ein derartiger Verschnitt kann jedoch erfindungsgemäß verhindert werden, was insbesondere aufgrund der hohen Materialkosten innerhalb der Wertschöpfungskette der Batteriekosten die Prozesskosten senken kann und dadurch ein besonders kostengünstiges Herstellen ermöglichen kann.
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Darüber hinaus kann eine besonders definierte Ausgestaltung ohne leistungsmindernde negative Einflüsse erfolgen, wodurch auch die Leistungsdaten besonders hoch und definiert ausgestaltet werden können.
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Weiterhin kann durch das Verwenden einer trockenen, also feststoffartigen und damit lösungsmittelfreien Aktivmaterialmischung weiter erreicht werden, dass bereits bei dem Aufbringen der Aktivmaterialmischung auf den Stromabnehmer eine gewünschte und genau definierte Porosität in der Aktivmaterialmischung erzeugbar ist. Dabei wird die Porosität nicht durch einen Trockenvorgang und damit das Austreiben eines Lösungsmittels aus der Aktivmaterialschicht verändert. Somit ist die Porosität zum Einen sehr definiert. Zum Anderen kann auf weitere Prozessschritte zum Einstellen der Porosität, wie etwa auf ein Kalandrieren, verzichtet werden, so dass das Verfahren besonders einfach und kostengünstig durchführbar ist. Letzteres kann noch dadurch verstärkt werden, dass auf das Verwenden von Lösungsmitteln verzichtet werden kann, was beispielsweise durch einen fehlenden Materialeinsatz des Lösungsmittels und das Fehlen einer Trocknung die Kosten weiter reduzieren kann.
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Somit kann auch eine besonders schlanke Prozessführung bei einfacher Prozesskontrolle ermöglicht werden, wobei im Wesentlichen auf bestehende Anlagentechnik zurückgegriffen werden kann, was besonders zuverlässig sein kann.
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Weiterhin ist durch das vorbeschriebene Verfahren eine besonders ausgeprägte Homogenität der Aktivmaterialschicht erzeugbar, wobei die Aktivmaterialschicht ferner besonders gut an dem Stromsammler haften kann, was eine besonders stabile, gleichmäßige und definierte Leistungsfähigkeit der Elektrode ermöglichen kann.
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Zusammenfassend erlaubt es das vorstehend beschriebene Verfahren somit, Elektroden besonders kostengünstig, definiert und mit einer hohen Leistungsgüte der später zu betreibenden Elektroden zu erzeugen.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung kann Verfahrensschritt c) durchgeführt werden unter Verwendung eines Treibmittels, insbesondere eines Treibgases. Insbesondere durch ein Treibmittel kann die trockene Aktivmaterialmischung besonders einfach und definiert und mit gut steuerbarer Prozessführung auf den Stromsammler aufgebracht werden. Beispielsweise kann hier als Treibmittel ein Treibgas Verwendung finden, wie beispielsweise das Inertgas Argon. Dabei kann insbesondere durch die Prozessparameter unter Verwendung des Treibmittels die Porosität der aufgebrachten Aktivmaterialschicht eingestellt werden. Veränderbare Parameter umfassen beispielsweise den Druck, die Fließgeschwindigkeit, die Menge des Treibmittels in Relation zu der Menge der Aktivmaterialmischung. Geeignete Porositäten umfassen beispielsweise einen Bereich von größer als 30% Volumen und/oder kleiner als 50% Volumen, bezogen auf die Elektrode. Die Größe der Poren kann beispielsweise kleiner als 5 µm betragen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Aktivmaterialmischung auf dem Stromsammler befestigt werden durch eine thermische Verknüpfung des Aktivmaterials mit der Oberfläche des Stromsammlers. Hierzu kann das Aktivmaterial mit dem Binder geschmolzen und durch das Treibgas fein verteilt auf den Stromsammler appliziert werden. Nach dem Aufbringen des Aktivmaterials kann dieses Abkühlen und somit erstarren und dabei besonders stabil an der Oberfläche des Stromsammlers befestigt werden. Alternativ ist es auch möglich, zunächst das Aktivmaterial auf dem Stromsammler aufzubringen und dort den Binder zu schmelzen und durch ein Abkühlen der Schmelze das Aktivmaterial zu befestigen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann dabei ein besonders stabiles Aufbringen des Aktivmaterials auf den Stromsammler erfolgen, was die hergestellte Elektrode ebenfalls besonders langzeitstabil und einen mit einer derartigen Elektrode ausgestatteten Energiespeicher besonders unanfällig für Beschädigungen macht. Ein thermisches Verknüpfen kann daher im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten ein Fixieren der Aktivmaterialmischung durch einen Wärmeeinsatz.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann Verfahrensschritt c) durchgeführt wird unter Verwendung einer Maske. Insbesondere unter Verwendung einer Maske können durch eine Maskierung beziehungsweise Abdeckung nicht zu beschichtender Bereiche des Stromsammlers genau definierte Strukturen der Aktivmaterialschicht auf den Stromsammler aufgebracht werden. Somit können gewünschte und genau definierte Bereiche von einer Beschichtung ausgespart werden, welche beispielsweise nicht mit einem Aktivmaterial versehen werden sollen. Beispielsweise können Stromabnehmer oder andere Kontaktbereiche, oder Bereiche, welche mit weiteren Bauteilen versehen werden sollen, nicht mit Aktivmaterial versehen werden. In dieser Ausgestaltung kann somit auch bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren eine besonders frei wählbare Elektrodenstruktur erzeugt werden, was die Anwendungsbreite des Verfahrens noch weiter vergrößern kann. Die Masken können beispielsweise aus form- und schneidbarem Metall ausgebildet sein, etwa daraus bestehen, wie etwa Aluminium oder auch Edelstahl.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Stromsammler vorgeformt werden durch Schneiden oder Prägen. In dieser Ausgestaltung können dabei insbesondere hochgenaue Elektrodenstrukturen erzeugt werden, welche eine besonders definierte Geometrie aufweisen. Darüber hinaus sind die vorgenannten Verfahren im Wesentlichen technisch ausgereift und ferner problemlos bei Herstellungsverfahren von Elektroden anwendbar. Somit können die Vorteile dieser Formungsmethoden auch bei dem vorbeschriebenen Verfahren beibehalten werden, ohne dass jedoch deren Nachteile bei einem Formen eines mit Aktivmaterial beschichteten Stromsammlers auftreten.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung kann als Stromsammler eine Stromsammlerfolie verwendet werden. Eine Stromsammlerfolie kann dabei insbesondere eine bezüglich der Länge und Breite geringe Dicke aufweisen und dabei etwa folienartig, also insbesondere flexibel, gestaltet sein. Insbesondere für folienartige Stromsammler beziehungsweise für Stromsammlerfolien kann das vorbeschriebene Verfahren besonders geeignet sein, da insbesondere bei folienartigen Stromsammlern bei einem Formen eine negative Beeinträchtigung der Elektrodenstruktur nicht immer ganz vermieden werden kann. Daher bedürfen insbesondere Stromsammlerfolien ein besonders schonendes Herstellungsverfahren, um eine ausschussfreie definierte Struktur herstellen zu können. Nicht beschränkende Dicken von Stromsammlerfolien, welche beispielsweise im Falle einer Kathode aus Aluminium und im Falle einer Anode aus Kupfer gestaltet sein können, liegen beispielsweise und nicht beschränkend in einem Bereich größer oder gleich 5 µm und/oder kleiner oder gleich 50 µm.
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Die Dicke der Stromsammlerfolien kann dabei gewählt werden insbesondere in Abhängigkeit der gewünschten Stabilität der Elektrode beziehungsweise der Stabilität der Aktivmaterialschicht als solcher. Wenn beispielsweise die Aktivmaterialschicht eine ausreichende Stabilität aufweist, kann die Dicke der Stromsammlerfolien entsprechend gering gewählt werden. Wenn dagegen das Aktivmaterial beziehungsweise die Aktivmaterialschicht an sich keine ausreichende Stabilität aufweist, kann eine größere Dicke des Stromsammlers vorteilhaft sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann vor Verfahrensschritt c) ein Stromabnehmer an dem Stromsammler angeordnet werden. In dieser Ausgestaltung kann somit ein besonders stabiles Befestigen des Stromabnehmers, welcher insbesondere aus dem gleichen Material ausgestaltet sein kann, wie der Stromsammler, realisierbar sein. Denn bezüglich der Befestigung braucht keine Rücksicht genommen werden auf ein vorhandenes Aktivmaterial beziehungsweise der Stromabnehmer kann bereits bei dem Formen des Stromsammlers ausgestaltet werden. Ein Stromabnehmer kann dabei bei einem Aufbringen des Aktivmaterials durch geeignete Maßnahmen von einem Versehen mit Aktivmaterial geschützt werden. Beispielsweise kann, wie es vorstehend in einer Ausführungsform beschrieben ist, insbesondere bei dem Vorhandensein eines Stromabnehmers dieser durch eine Maske abgedeckt sein, so dass ein Beschichten des Stromabnehmers mit einem Aktivmaterial ausgeschlossen werden kann. Ein Stromabnehmer kann dabei insbesondere ein Bauteil sein, welches an dem Stromsammler, welcher den Stromfluss der Elektroden zusammenführt, befestigt ist und insbesondere die Elektroden beziehungsweise den Stromsammler mit einem äußeren Kontakt elektrisch verbindet. Ferner kann der Stromsammler mit dem Stromabnehmer einstückig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Stromabnehmer als Stromabnehmerfahne ausgestaltet sein.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektrode sowie der Figur verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch für die erfindungsgemäße Elektrode anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder in der Figur offenbarten Merkmalen.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Elektrode die wie vorstehend beschrieben hergestellt ist. Insbesondere derartige Elektroden können besonders kostengünstig herstellbar sein und dabei eine besonders definierte Struktur aufweisen. Darüber hinaus sind derartige Elektroden besonders einfach maßschneiderbar, so dass sie ein besonders breites Anwendungsgebiet aufweisen.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Figur verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Elektrode auch für das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder in der Figur offenbarten Merkmalen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist ein Verfahrensschritt zum Herstellen einer Elektrode gezeigt. Insbesondere ist in der 1 eine Vorbereitung des Stromsammlers 10 für ein Beschichten mit einer trockenen Aktivmaterialmischung gezeigt. Eine derartig erzeugbare Elektrode kann beispielsweise Bestandteil sein einer Lithium-Ionen-Batterie und als solche Anwendung finden etwa in der Consumer-Elektronik als auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
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In der 1 ist dabei zu erkennen, dass der Stromsammler 10 bereitgestellt wird, welcher etwa eine Stromsammlerfolie sein kann, und welcher insbesondere vor dem Aufbringen der Aktivmaterialmischung vorgeformt sein kann, etwa durch Schneiden oder Prägen. Weiterhin kann ein Stromabnehmer 12, wie etwa eine Stromabnehmerfahne, an dem Stromsammler 10 angeordnet sein.
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Dabei ist, um beispielsweise den Stromabnehmer 12 vor einem Beschichten zu schützen, eine Maske 14 vorgesehen, welche den Stromabnehmer 12 abdeckt und den zu beschichtenden Bereich des Stromsammlers 10 freigibt. Hierzu weist die Maske einen abdeckenden Bereich 16 und einen freigebenden Bereich 18 auf. In dieser Weise kann nunmehr eine bereitgestellte trockene Aktivmaterialmischung unter Ausbildung einer Aktivmaterialschicht auf den freiliegenden Teil des Stromsammlers 10 aufgebracht werden.
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Das Aufbringen kann dabei realisierbar sein unter Verwendung eines Treibmittels, wie insbesondere eines Treibgases.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062140 A1 [0003]
- DE 102010063143 A1 [0003]
