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Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator, der mit einem Elektrolyt getränkt und zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie umfassend ein solches galvanisches Element und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen galvanischen Elements.
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Stand der Technik
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Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter anderem durch eine sehr hohe spezifische Energie und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Die Lithium-Ionen-Zellen einer solchen Batterie besitzen mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen reversibel einlagern (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Des Weiteren umfassen die Lithium-Ionen-Zellen mindestens einen Separator, der die positive und die negative Elektrode sowohl räumlich als auch elektrisch voneinander trennt. Damit die Interkalation von Lithium-Ionen bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen in den Elektroden stattfindet, wird ein Lithium-Ionen-Leiter benötigt. Dieser wird in Form eines Flüssig-Elektrolyt bereitgestellt. Poren im verwendeten Separator erlauben es dem Elektrolyten dabei in den Separator einzudringen, so dass Ionen den Separator passieren können.
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Zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Zelle wird ein galvanisches Element mit einer Schichtstruktur umfassend eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen Separator zwischen den beiden Elektroden gebildet. Die positive und die negative Elektrode werden mit Stromableitern kontaktiert, die eine elektrische Verbindung nach außen herstellen. Das so gebildete galvanische Element wird mit einem Elektrolyten getränkt und in einer Verpackung eingeschlossen. Als Verpackung kommen beispielsweise Aluminium-Verbundfolien zum Einsatz. So verpackte Zellen werden wegen ihrer weichen Verpackung auch als Pouch bzw. Softpack bezeichnet. Als Gehäuse werden auch feste Metallgehäuse eingesetzt, beispielsweise in Form von tiefgezogenen oder fließgepressten Gehäuseteilen. In diesem Fall spricht man von festem Gehäuse oder Hardcase.
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Aus
DE 102 55 121 A1 ist ein Separator für eine Batteriezelle bekannt. Der Separator umfasst einen flexiblen, durchbrochenen Träger und ein poröses Keramikmaterial, mit dem die Durchbrechungen des Trägers gefüllt sind. Das Keramikmaterial ist zur Aufnahme eines ionenleitenden Elektrolyten geeignet und umfasst zur Vermeidung von Dendriten-Entstehung eine erste poröse Schicht einer ersten mittleren Porengröße, welche eine erste Elektrode der Batteriezelle berührt, und eine zweite poröse Schicht einer zweiten mittleren Porengröße, welche die andere Elektrode der Batteriezelle berührt. Die zweite mittlere Porengröße der zweiten porösen Schicht ist kleiner als die erste mittlere Porengröße der ersten porösen Schicht.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen werden, wie in 1 dargestellt, die positive Elektrode, der Separator und die negative Elektrode aufeinandergelegt. Der Separator ist mit einem Elektrolyt getränkt und erlaubt den Fluss von Ionen zwischen den beiden Elektroden. Der Separator weist dabei überstehende Bereiche auf, die über die Elektroden hinausragen. Dieser überstehende Bereich ist notwendig, um eine zuverlässige Trennung der beiden Elektroden zu gewährleisten. Ein Ionenfluss ist dabei mit Hilfe des Elektrolyten in dem gesamten vom Separator ausgefüllten Bereich möglich. In den Randbereichen der Elektroden steht somit für die Ionenleitung ein größerer Bereich als im Innenbereich der Schichtstruktur zur Verfügung, so dass der Ionenstrom in den Randbereichen erhöht ist. Die Strompfade, entlang denen die Ionen fließen, sind in der 1 durch die durchgezogenen Linien angedeutet. Der ungleichmäßige Ionenstrom ist nachteilig, da in den Bereichen erhöhter Ionenstromdichte eine lokale Überladung der Elektroden auftritt. Im Fall von Lithium-Ionen-Zellen ist dies besonders problematisch, da dies in Bereichen erhöhter Ionenstromdichte zur Ablagerung von Lithium führen kann, was die Sicherheit der Batterien beeinträchtigt. Es wäre daher wünschenswert, einen gleichmäßigen Ionenstrom über die gesamte Fläche der Elektroden hinweg zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein galvanisches Element vorgeschlagen umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator, der mit einem Elektrolyt getränkt und zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist, wobei der Separator einen porösen Bereich aufweist, der im Wesentlichen kongruent mit den aktiven Flächen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode ist, so dass Strompfade zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode durch den Elektrolyten nur in diesem kongruenten Bereich verlaufen.
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Die positive Elektrode des galvanischen Elements ist dabei mit einer Seite des Separators verbunden und die negative Elektrode ist mit der anderen Seite des Separators verbunden. Die geometrischen Abmessungen des Separators sind dabei so gewählt, dass er über die Elektroden hinausragt. Die beiden Elektroden sind auf den entgegengesetzten Seiten des Separators so angeordnet, dass diese sich möglichst exakt gegenüberliegen.
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Der Separator ist in einem Bereich porös ausgeführt, wobei der poröse Bereich im Wesentlichen kongruent mit den aktiven Flächen der positiven und der negativen Elektrode überlappt. Mit aktiven Flächen der Elektroden ist der Bereich der Elektroden gemeint, der elektrisch aktiv ist, also mit einem Aktivmaterial beschichtet ist. Der poröse Bereich des Separators ist mit einem Elektrolyt getränkt, so dass eine Ionenleitung möglich ist. Dabei bilden sich Strompfade zwischen den beiden Elektroden aus, entlang denen die Ionen fließen.
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Die positive Elektrode (Kathode) umfasst beispielsweise eine Trägerfolie aus Aluminium auf die ein Aktivmaterial, beispielsweise eine Kombination verschiedener Lithium-Metall-Oxide, aufgebracht wurde.
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Die negative Elektrode (Anode) umfasst beispielsweise als Träger eine Kupferfolie, auf die ein Aktivmaterial aufgetragen wurde, welches beispielsweise auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten basiert.
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Der Elektrolyt ist beispielsweise in acyclischen Carbonaten (zum Beispiel Ethyl-Methyl-Carbonat, Dimethylcarbonat oder Diethlycarbonat) oder cyclischen Carbonaten (zum Beispiel Ethylencarbonat oder Propylencarbonat) gelöstes Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6) oder Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4).
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Beim Laden bzw. Entladen des galvanischen Elements fließen Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen durch den Elektrolyten, wobei der Elektrolyt in den porösen Bereichen den Separator durchdringt. Da nur der Bereich porös ist, der im Wesentlichen mit den aktiven Flächen der Elektroden kongruent ist, gibt es keine Randbereiche, in denen mehr Elektrolyt zur Ionenleitung zur Verfügung steht, als in den Bereichen im Zentrum der Schichtstruktur. Die Strompfade, entlang denen die Ionen fließen, verteilen sich nun gleichmäßig.
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Damit die beiden Elektroden mit dem porösen Bereich des Separators kongruent sind, ist es bevorzugt, dass der poröse Bereich des Separators und die aktiven Flächen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode bis auf einen Fehler von weniger als 0,1 mm kongruent überlappen.
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Je größer die Abweichung ausfällt, desto geringer fällt die Unterdrückung von zusätzlichen Strompfaden in den Randbereichen aus. Die maximal zulässige Abweichung, bei der die Unterdrückung noch ausreichend gut ausfällt, ist dabei auch Abhängig vom chemischen System des galvanischen Elements und den Betriebsbedingungen, insbesondere von der Stromstärke.
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Als Separator wird in einer Ausführungsform der Erfindung ein poröser Separator eingesetzt, wobei dessen Poren außerhalb des porösen Bereichs verschlossen sind.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Poren außerhalb des porösen Bereichs mit einem Polymer verschlossen.
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Das Material des Separators ist beispielsweise ausgewählt aus Polyolefine (zum Beispiel Polypropylen, Polyethylen), fluorierte Polyolefine, Polyimid, Polyamid und Polyethylenterephthalat. Besonders bevorzugt werden Polyolefine.
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Zum Verschließen der Poren eignen sich Polymere, beispielsweise Polyolefine (zum Beispiel Polypropylen, Polyethylen), fluorierte Polyolefine, Polyimid, Polyamid oder Polyethylenterephthalat. Insbesondere kann zum Verschließen der Poren das gleiche Material wie das, aus dem der Separator besteht, gewählt werden.
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Zur Reduzierung von lokalen Maxima im Ionenstrom ist es auch denkbar, die geometrischen Abmessungen der positiven oder negativen Elektrode kleiner auszuführen, als die der jeweils anderen Elektrode. Dies hat jedoch den Nachteil, dass weniger Aktivmaterial dem galvanischen Element zur Verfügung steht, so dass die Energiedichte reduziert wird. Typischerweise ist dabei die Anode bis zu 3 mm pro Kante breiter als die Kathode.
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Des Weiteren wird eine Batterie vorgeschlagen, die mindestens ein galvanisches Element wie soeben beschrieben umfasst. Diese Batterie kann je nach Ausführungsvariante als Fahrzeugbatterie, als Gerätebatterie oder als stationäre Industriebatterie ausgeführt sein.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements vorgeschlagen, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen einer ersten Elektrode,
- b) Bereitstellen eines Separators, wobei dieser porös ist, so dass ein Elektrolyt eindringen kann, und dessen Abmessungen größer sind als die der aktiven Fläche der ersten Elektrode,
- c) Verbinden der ersten Elektrode mit dem Separator,
- d) Erzeugen eines porösen Bereichs durch Schließen von Poren des Separators außerhalb des porösen Bereichs und
- e) Bereitstellen einer zweiten Elektrode und Verbinden der zweiten Elektrode mit der freien Seite des Separators, wobei der poröse Bereich so angeordnet wird, dass dieser im Wesentlichen kongruent mit den aktiven Flächen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode ist, so dass Strompfade zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode durch einen Elektrolyten nur in einem kongruenten Bereich verlaufen können.
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Im ersten Schritt wird die erste Elektrode bereitgestellt. Es kann sich dabei beispielsweise um eine positive Elektrode (Kathode) handeln. Diese kann in einer Ausführungsform eine Aluminiumfolie als Trägermaterial umfassen, welches mit einem Aktivmaterial basierend auf der Kombination verschiedener Lithium-Metall-Oxide beschichtet wurde.
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Im zweiten Schritt b) des Verfahrens wird der Separator bereitgestellt. Die Abmessungen des Separators sind dabei so gewählt, dass er größer ist als die aktive Fläche der ersten Elektrode. Das Material des Separators ist porös, so dass ein Elektrolyt eindringen kann. Der Elektrolyt stellt in dem fertigen galvanischen Element den Ionenleiter dar, durch den Ionen von einer Elektrode zur anderen wandern können. Der Separator selbst ist elektrisch isolierend, so dass er die beiden Elektroden räumlich und elektrisch voneinander trennt.
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Im nächsten Schritt c) des Verfahrens wird die erste Elektrode mit dem Separator verbunden. Dies kann beispielsweise durch Verpressen geschehen.
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Im Schritt d) des Verfahrens wird ein poröser Bereich in dem Separator erzeugt. Dazu werden die Poren des Separators außerhalb des porösen Bereichs verschlossen.
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Im letzten Schritt e) des Verfahrens wird die zweite Elektrode bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich dabei um eine negative Elektrode (Anode) handeln. Eine Anode für eine Lithium-Batteriezelle kann beispielsweise durch Beschichten einer Kupfer-Trägerfolie mit einem Aktivmaterial basierend auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten erhalten werden. Die zweite Elektrode wird ebenfalls mit dem Separator verbunden und zwar an der der ersten Elektrode entgegengesetzten Seite des Separators. Das Verbinden kann beispielsweise ebenfalls durch Verpressen erfolgen. Die geometrischen Abmessungen der aktiven Fläche der zweiten Elektrode entsprechen im Wesentlichen den Abmessungen des porösen Bereichs.
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Es ist denkbar, die Schritte teilweise in anderer Reihenfolge zu durchlaufen, so kann insbesondere das Erzeugen des porösen Bereichs im Separator vor dem Schritt c), dem Verbinden der ersten Elektrode mit dem Separator erfolgen.
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In weiteren Herstellungsschritten werden die erste und die zweite Elektrode elektrisch kontaktiert und die durch die Schritte a) bis e) erzeugte Schichtstruktur mit einer Verpackung umschlossen. Spätestens kurz vorm Verschließen der Verpackung wird ein Elektrolyt eingefüllt, so dass der Separator mit diesem getränkt ist. Als Elektrolyt wird beispielsweise das Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6) in einem organischen Lösungsmittel gelöst verwendet.
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Bevorzugt werden Lage und Größe des porösen Bereichs des Separators so gewählt, dass die aktiven Flächen der Elektroden mit dem porösen Bereich des Separators bis auf einen Fehler von weniger als 0,1 mm kongruent überlappen. Ebenso wird das Verbinden der beiden Elektroden im Separator bevorzugt so ausgeführt, dass der poröse Bereich des Separators und die aktiven Flächen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode bis auf einen Fehler von weniger als 0,1 mm kongruent überlappen.
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Das Material des Separators ist beispielsweise ausgewählt aus Polyolefine (zum Beispiel Polypropylen, Polyethylen), fluorierte Polyolefine, Polyimid, Polyamid und Polyethylenterephthalat. Besonders bevorzugt werden Polyolefine.
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In einer Variante des Verfahrens werden im Schritt b) des Verfahrens die Poren des Separators außerhalb des porösen Bereichs durch Füllen mit einem Polymer verschlossen. Als Material zum Füllen der porösen Bereiche sind insbesondere die gleichen Materialien wie für den Separator selbst geeignet.
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Vorteile der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen galvanischen Element wird ein Separator verwendet, der lediglich in dem Bereich für den ionenleitenden Elektrolyten durchgängig ist, in dem sich die positive und die negative Elektrode kongruent überlappen. Dadurch wird vermieden, dass sich in den Randbereichen der Elektroden mehr Strompfade für die Ionen ausbilden können, als in den Bereichen im Zentrum der Struktur. Der Ionenstrom verläuft so gleichmäßig zwischen den beiden Elektroden, lokal an den Rändern auftretende Maxima werden vermieden.
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Durch den gleichmäßigen Ionenstrom wird verhindert, dass es in Bereichen mit hohem Ionenstrom zu lokaler Überladung der Elektroden kommt, wodurch sich Lithium ablagern könnte und die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen würde.
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Im Gegensatz zu alternativen Lösungen, bei denen die geometrischen Abmessungen einer der beiden Elektroden kleiner als die der anderen gewählt wird, muss hierbei nicht auf aktive Flächen der Elektroden verzichtet werden, so dass durch die vorgeschlagene Lösung die Energiedichte des galvanischen Elements nicht beeinträchtigt wird.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Es zeigen:
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1 ein galvanisches Element nach dem Stand der Technik und
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2 ein erfindungsgemäßes galvanisches Element.
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s1 zeigt ein galvanisches Element 1 nach dem Stand der Technik. Das galvanische Element 1 umfasst eine Schichtfolge mit einer positiven Elektrode 8, einem Separator 2 und einer negativen Elektrode 10. Die positive Elektrode 8 ist mit ihrer aktiven Fläche 9 mit dem Separator 2 verbunden, die negative Elektrode 10 wiederum ist mit ihrer aktiven Fläche 11 mit dem Separator 2 verbunden.
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Die positive Elektrode 8 umfasst beispielsweise eine Aluminiumfolie als Träger, auf die ein Aktivmaterial basierend auf einer Kombination verschiedener Lithium-Metall-Oxide aufgebracht ist. Die negative Elektrode 10 ist beispielsweise eine Kupferfolie, auf die ein Aktivmaterial basierend auf natürlichen und/oder synthetischen Graphiten aufgebracht ist.
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Das Material des Separators 2 ist beispielsweise ein Polyolefin und weist eine Vielzahl von Poren auf, durch die ein Elektrolyt in den Separator 2 eindringen kann. Der Elektrolyt ist beispielsweise ein in organischem Lösungsmittel gelöstes Lithium-Leitsalz wie beispielsweise Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6). Der Separator 2 selbst ist ein elektrischer Isolator, so dass er die positive Elektrode 8 von der negativen Elektrode 10 sowohl elektrisch als auch räumlich trennt.
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Da der Separator 2 mit dem Elektrolyten getränkt ist, ist dieser für Ionen leitfähig, so dass im Fall einer Lithium-Ionen-Batterie Lithium-Ionen von einer Elektrode (8, 10) zur anderen fließen können. Dabei bildet sich ein Ionenstrom aus, der mit den Strompfaden 12 in der 1 angedeutet ist. Dabei ist der Ionenstrom in den Randbereichen 16 größer als in dem kongruenten Bereich 14, in dem sich die positive Elektrode 8 und die negative Elektrode 10 kongruent überlappen. Der erhöhte Ionenstrom in den Randbereichen 16 ist darin begründet, dass in den Randbereichen 16 im Gegensatz zum kongruenten Bereich 14 zusätzlicher Elektrolyt zum Ionentransport zur Verfügung steht und der dem Ionenstrom entgegenstehende Widerstand somit geringer ist. Der in den Randbereichen 16 höhere Ionenstrom ist durch die dichter liegenden Strompfade 12 in der 1 angedeutet.
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Durch den in den Randbereichen 16 erhöhten Ionenstrom kann es an den Rändern der Elektroden 8, 10 zu einer lokalen Überladung kommen, bei der Lithium abgelagert wird. Dies ist unerwünscht, da es die Sicherheit der Batterie negativ beeinträchtigt.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes galvanisches Element 1. Das galvanische Element 1 umfasst, wie mit Bezug zur 1 beschrieben, die Schichtfolge mit der positiven Elektrode 8, dem Separator 2 und der negativen Elektrode 10.
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Der Separator 2 ist ein poröses Material, der die positive Elektrode 8 elektrisch und räumlich von der negativen Elektrode 10 trennt. Durch die Poren kann ein Elektrolyt in den Separator 2 eindringen, um eine Ionenleitung zwischen den beiden Elektroden 8, 10 zu ermöglichen.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform wurden in den Randbereichen 16 die Poren des Separators 2 verschlossen, so dass undurchdringliche Bereiche 6 entstehen, in die der Elektrolyt nicht eindringen kann. Die undurchdringlichen Bereiche 6 sind dabei so platziert, dass ein poröser Bereich 4 entsteht, der mit den aktiven Flächen 9, 11 der beiden Elektroden 8, 10 in kongruenter Überlappung ist. Ein Ionenstrom kann sich somit nur in dem kongruenten Bereich 14 ausbilden. Die Strompfade 12, entlang denen die Ionen fließen, sind nun gleichmäßig über den kongruenten Bereich 14 verteilt, es treten keine Maxima im Ionenstrom in den Randbereichen der Elektroden 8 und 10 auf. Da auf diese Weise keine lokale Überladung auftritt, wird die Zyklenstabilität des so gebildeten galvanischen Elements 1 verbessert.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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