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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stromableiter für eine Batterie, insbesondere auf einen Stromableiter für eine Lithium-basierte Batterie sowie auf ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines Stromableiters für eine Batterie.
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Lithium-basierte Batterien (wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder Lithium-Metall-Batterien) sind zurzeit der Batterietyp mit den höchsten spezifischen Energien. Sie finden in vielen elektrischen Geräten wie Laptops, Elektrowerkzeugen usw. Anwendung. Auch bei der Elektrifizierung des Automobils spielen sie eine entscheidende Rolle. Zur Realisierung von ausreichenden Reichweiten von Elektroautos werden Batterien mit hoher spezifischer Energie benötigt.
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So stellt sich als Aufgabe, eine Gewichtseinsparung bei einer Kontaktierung bzw. bei den Elektroden einer Batterie zur Erhöhung der spezifischen Energie zu schaffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Stromableiter für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-basierte Batterie sowie Verfahren zum Herstellen eines Stromableiters für eine Batterie gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Um die spezifische Energie einer Batterie zu erhöhen, kann als eine Maßnahme Gewicht der Batterie eingespart werden. Metalle, wie beispielsweise Kupfer oder Nickel, weisen ein höheres spezifisches Gewicht als Kunststoffe auf, sodass durch den Einsatz eines Kunststoffkerns bei den Stromableitern eine bedeutende Gewichtsreduktion und somit Erhöhung der spezifischen Energie erzielt werden kann. Ein derartiger Stromableiter kann beispielsweise bei der negativen Elektrode eingesetzt werden.
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Es wird ein Stromableiter für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, vorgestellt, wobei der Stromableiter zumindest die folgenden Merkmale aufweist:
einen Kunststoffkern, insbesondere der zumindest teilweise elektrisch leitfähig ist; und
eine auf dem Kunststoffkern aufgebrachte metallische Schicht.
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Unter einer Batterie kann eine Mehrzahl von in Serie geschalteten galvanischen Zellen verstanden werden. Dabei werden insbesondere bei Lithium-basierte Batterien vergleichsweise hohe (gravimetrische) Energiedichten erreicht. Die Stromableiter können eine Komponente der Elektroden für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-basierte Batterie sein. Über den Stromableiter können Elektronen aus Elektroden der Batterie zugeführt oder abgeführt werden. Dabei können leitfähigkeitsverbessernde Additive im Kunststoffkern zu einer verbesserten elektrischen Anbindung der metallischen Schicht an den Kunststoffkern beitragen sowie die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffkerns verbessern. Vorteilhaft wird ein Stromableiter mit einem im Verhältnis niedrigen spezifischen Gewicht geschaffen, der zur Erhöhung der spezifischen Energie der Batterie, insbesondere der Lithium-basierte Batterie, beiträgt. Vorteilhaft weist der Kunststoffkern ein geringeres spezifisches Gewicht als ein vergleichbarer (voll-)metallischer Kern oder die (voll-)metallische Schicht auf. Der Kunststoffkern kann auch (vollständig) aus einem leitfähigen (Kunststoff-)Material hergestellt sein.
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Der Kunststoffkern kann einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. So kann der Kunststoffkern einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweisen. Alternativ kann der Kunststoffkern einen ovalen oder runden Querschnitt aufweisen. So kann der Querschnitt an eine spezifische Anwendung einfach angepasst werden.
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Günstig ist es auch, wenn die metallische Schicht zumindest teilweise Kupfer und ergänzend oder alternativ Nickel und ergänzend oder alternativ ein Aluminiumsubstrat aufweist. Insbesondere kann die metallische Schicht (vollständig) aus Kupfer und ergänzend oder alternativ Nickel und ergänzend oder alternativ einem Aluminiumsubstrat bestehen. So kann die metallische Schicht aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung bestehen.
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Ferner kann der Kunststoffkern zumindest ein Polyolefin, insbesondere Polyethylen und ergänzend oder alternativ Ruß aufweisen. Bei dem Ruß kann es sich um ein Additiv zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit handeln. Unter Ruß können Rußpartikel verstanden werden. Ferner kann der Kunststoffkern einen kohlenstoffbasierten Zusatz wie Kohlenstoffnanoröhrchen, den bereits genannten Ruß oder einen metallischen Zusatz aufweisen. Unter Ruß kann ein schwarzer, pulverförmiger Feststoff, der zu 80 bis 99,5 Prozent aus Kohlenstoff besteht, verstanden werden. Unter Ruß kann „Carbon Black“, Acetylen-Ruß, Industrieruß oder Leitfähigkeitsruß verstanden werden. Der Ruß kann kleine Primärteilchen und weitverzweigte Aggregate aufweisen.
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Günstig ist es auch, wenn die metallische Schicht eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist. Die metallische Schicht kann eine Dicke von weniger als 5 µm aufweisen. In einer Ausführungsform kann der Stromableiter eine Dicke von höchstens 10 µm aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann der Kunststoffkern massiv ausgebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform kann der Kunststoffkern aus Fäden oder porös ausgebildet sein. Der Kunststoffkern kann ein Netz ausbilden. Unter einem massiv ausgebildeten Kunststoffkern kann ein hohlraum-freier oder homogener Kunststoffkern verstanden werden. Alternativ kann der Kunststoffkern aus einer Vielzahl von ineinander verwobenen Fäden gebildet werden. Die elektrische Leitfähigkeit verbessernde Additive wie Ruß können auf der Oberfläche der Fäden oder in Hohlräumen und Zwischenräumen in dem (beispielsweise porösen) Kunststoffkern angeordnet sein. Bei einem massiv ausgebildeten Kunststoffkern kann der Ruß in einer homogenen Masse mit eingemischt sein.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Stromableiters für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-basierte Batterie, vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Kunststoffkerns, der insbesondere einen zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Kunststoff aufweist; und
Beschichten des Kunststoffkerns mit einer metallischen Schicht, insbesondere galvanisches Beschichten des Kunststoffkerns mit der metallischen Schicht.
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Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens zum Herstellen eines Stromableiters für eine Batterie kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines Stromableiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Stromableiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung im Querschnitt eines Stromableiters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Stromableiter 100 handelt es sich um einen Stromableiter 100 für eine Batterie. Dabei handelt es sich insbesondere in einem Ausführungsbeispiel um einen Stromableiter 100 für eine Lithium-Ionen-Batterie als Beispiel für eine Lithium-basierte Batterie. Der Stromableiter 100 weist einen Kunststoffkern 110 sowie eine metallische Schicht 120 auf. Dabei handelt es sich bei dem Kunststoffkern 110 günstigerweise um einen zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Kunststoffkern 110. Die metallische Schicht 120 ist auf dem Kunststoffkern 110 aufgebracht. So umschließt die metallische Schicht 120 in Kunststoffkern 110. Insbesondere ist Kunststoffkern 110 mit der metallischen Schicht 120 galvanisch beschichtet.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Kunststoffkern 110 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei weist die metallische Schicht 120 eine Dicke von weniger als 10 µm auf.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kunststoffkern 110 massiv ausgebildet, das heißt hohlraumfrei beziehungsweise homogen. In alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Kunststoffkern 110 aus Fäden ausgebildet.
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Um den Kunststoffkern 110, der in dem in 1 dargestellten Schnittbild einen rechteckigen Querschnitt aufweist, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über ein galvanisches Verfahren eine dünne metallische Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 10 µm aufgebracht. Der Kunststoffkern 110 ist in dem Ausführungsbeispiel aus Polyethylen und Ruß gefertigt. Der Ruß weist kleine Primärteilchen und/oder weitverzweigte Aggregate auf, um eine elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen. So handelt es sich bei dem Ruß um Leitfähigkeitsruß. Bei der metallischen Schicht 120 handelt es sich um eine metallische Schicht 120, die im Wesentlichen aus Kupfer oder einer kupferbasierenden Metalllegierung besteht.
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Vorteilhaft kann die spezifische Energie von Batterien durch ein Ausführungsbeispiel eines vorgestellten Stromableiters 100 gesteigert werden. Zur Steigerung der spezifischen Energie der Batterie können neue Materialien, die eine höhere spezifische Energie versprechen, eingesetzt werden, sowie können die Bauteile selber optimiert werden. Im Falle von Lithium-Ionen-Batterien werden beispielsweise an der negativen Elektrode Stromableiter aus massivem Kupfer verwendet. Im Vergleich zu dem hohen spezifischen Gewicht von 8,92 g/cm3 eines Kupferstromableiters, der zur Reduktion der spezifischen Energie einer Batterie beiträgt, reduziert der hier vorgestellte Stromableiter 100 das spezifische Gewicht der Batterie.
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Mit anderen Worten wird hier ein Stromableiter 100 beschrieben, welcher aus einem leitfähigen Kunststoffkern 110 und einer Metallbeschichtung 120 besteht. Dies führt zur Reduzierung des Metallgehaltes im Vergleich zu einem voll metallenen Stromableiter und damit zu einer Verringerung des Batteriegewichtes. Aufgrund des Kunststoffkerns 110 sind verschiedene Geometrien realisierbar. Dadurch kann der Stromableiter 100 flexibler gestaltet werden. Gängige Kupferstromableiter haben eine Dicke von ungefähr 10 µm. Dadurch, dass der Kunststoffkern mit einer dünnen Metallschicht beschichtet ist, spart man Kupfer ein, was zu einer Reduzierung des Gewichtes der Batterie bzw. des Stromableiters führt.
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Ein Ausführungsbeispiel des Stromableiters 100 besteht aus einem Kunststoffkern 110, welcher mit einem Metall 120 beschichtet ist. Als Kunststoffkern 110 wird ein vorzugsweise leitfähiger Kunststoff (beispielsweise Polyethylen mit Ruß) verwendet. Aufgrund der flexiblen Verarbeitbarkeit von Kunststoffen ist es möglich, den Kern geometrisch unterschiedlich zu gestalten. Er kann beispielsweise massiv sein, aus Fäden bestehen oder ein Netz ausbilden. Dieser leitfähige Kern 110 wird galvanisch mit einem Metall 120 beschichtet. Als Metall kann zum Beispiel Kupfer oder Nickel verwendet werden.
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Ein Vorteil durch die erhöhte spezifische Energie einer Batterie mit einem hier vorgestellten Stromableiter 100 ergibt sich beispielsweise für Laptop-, PDA-, Handy- und andere Consumeranwendungen, Elektrowerkzeuge, Gartenwerkzeuge sowie Hybrid-, Plugin-Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromableiters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Stromableiter 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel oder eine Variante eines in 1 gezeigten Stromableiters 100 handeln. Dabei ist der Stromableiter 100 als ein Netz ausgebildet. Das Netz weist eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Dabei wird das Netz aus in 2 dreizehn senkrecht dargestellten Verbindungssträngen und sechzehn waagrecht dargestellten Verbindungssträngen gebildet.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 300 zum Herstellen eines Stromableiters für eine Batterie weist einen Schritt 310 des Bereitstellens sowie einen Schritt 320 des Beschichtens auf. Bei dem Stromableiter kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 oder 2 gezeigten Stromableiters 100 handeln. Im Schritt 310 des Bereitstellens wird zumindest ein Kunststoffkern, vorzugsweise aus einem zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Kunststoff, bereitgestellt. Im Schritt 320 des Beschichtens wird der Kunststoffkern mit einer metallischen Schicht beschichtet. Insbesondere wird in einem optionalen Ausführungsbeispiel des Verfahrens 300 im Schritt 320 des Beschichtens der Kunststoffkern mit der metallischen Schicht galvanisch beschichtet.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
