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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, umfassend ein Zellengehäuse und mindestens eine innerhalb des Zellengehäuses angeordnete Elektrodeneinheit mit zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern, oder mit einem Metall legieren, sowie wieder auslagern, oder die Legierung wieder auflösen, können. Ein solcher Vorgang wird auch als Interkalation, beziehungsweise Deinterkalation bezeichnet. Bei einer Legierung wird besagter Vorgang als Konversion bezeichnet. Eine Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriezellen sind Batteriezellen mit einer Post-Lithium-Ionen Technologie, beispielsweise Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft. Dabei handelt es sich um Konversionssysteme.
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Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten. Eine Elektrodeneinheit weist zwei folienartig ausgebildete Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden sind beispielsweise unter Zwischenlage eines Separators zu einem Elektrodenwickel, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird, gewunden. Auch können die Elektroden in Form eines Elektrodenstapels übereinander geschichtet sein. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels sowie des Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden.
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Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Innerhalb des Zellengehäuses ist die Elektrodeneinheit angeordnet. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Auch andere Bauformen für Zellengehäuse, beispielsweise kreiszylindrisch, sind bekannt.
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Einige Elektrodeneinheiten, also Elektrodenwickel sowie Elektrodenstapel, von Post-Lithium-Ionen-Batteriezellen erfahren während eines Ladevorgangs eine Volumenzunahme von bis zu 30% bezogen auf ihr Volumen im entladenen Zustand.
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Aus der
DE 698 39 213 T2 ist eine Energiespeichereinrichtung in Form einer Batterie mit mehreren Elektrodenstapeln bekannt. Zwischen den einzelnen, nebeneinander angeordneten, Elektrodenstapeln sowie zwischen den Elektrodenstapeln und einer Gehäusewand sind dabei Federelemente vorgesehen, welche Volumenschwankungen der Elektrodenstapel kompensieren.
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Die
DE 10 2011 110 695 A1 offenbart eine Energiespeicherzelle für eine Batterie mit einer Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenstapels. Dabei sind Federn vorgesehen, welche eine Kraft auf den Elektrodenstapel ausüben. Die Federn sind insbesondere als Gasdruckfedern ausgestaltet.
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In der
DE 10 2008 061 755 A1 ist eine Halte- und Kühlungsvorrichtung für eine Energiespeichereinheit in Form einer Batterie offenbart. Dabei ist ein Federelement vorgesehen, welches die Energiespeichereinheit kraftschlüssig mit einem Halteelement kontaktiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, umfassend ein Zellengehäuse und mindestens eine innerhalb des Zellengehäuses angeordnete Elektrodeneinheit mit zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode, wobei erfindungsgemäß mindestens eine Seitenwand des Zellengehäuses eine Wölbung aufweist, welche auf die Elektrodeneinheit zu gerichtet ist. Bei der Elektrodeneinheit kann es sich dabei um einen Elektrodenwickel ebenso wie um einen Elektrodenstapel handeln. Die Wölbung ist eine Verformung der Seitenwand oder eines Teils der Seitenwand auf die Elektrodeneinheit zu, also zum Inneren des Zellengehäuses hin.
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Vorzugsweise ist das Zellengehäuse annähernd prismatisch, insbesondere annähernd quaderförmig, ausgestaltet, und das Zellengehäuse weist vorzugsweise eine Deckplatte und eine Bodenplatte auf, welche an die Seitenwand angrenzen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wölbung in Form eines Kreissegments ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich die Wölbung von der Deckplatte bis zu der Bodenplatte über die vollständige Seitenwand.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Seitenwand einen oberen Abschnitt, und einen unteren Abschnitt auf, welche rechtwinklig zu der Deckplatte sowie zu der Bodenplatte verlaufen, und die Wölbung ist zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt angeordnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein elastisch verformbares Klammerelement vorgesehen, welches die Deckplatte und die Bodenplatte aufeinander zu vorspannt.
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Vorteilhaft ist zwischen der mindestens einen Seitenwand und der mindestens einen Elektrodeneinheit ein Federelement angeordnet.
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Vorzugsweise ist das Federelement elektrisch isolierend ausgeführt. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist das Federelement als Gasfeder oder Luftfeder ausgeführt.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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Vorteile der Erfindung
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Bei einer erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezelle übt die Wölbung in der Seitenwand des Zellengehäuses eine Kraft sowie einen Druck auf die Elektrodeneinheit aus. Auch im entladenen Zustand, wenn die Elektrodeneinheit eine minimale Ausdehnung und ein minimales Volumen aufweist, wird die Elektrodeneinheit durch die Wölbung kraftschlüssig an einer festen Position innerhalb des Zellengehäuses fixiert. Wenn sich die Elektrodeneinheit bei einem Ladevorgang ausdehnt, so verdrängt die Elektrodeneinheit die Wölbung, zumindest teilweise, wodurch die Kraft, welche die Wölbung auf die Elektrodeneinheit ausübt, beziehungsweise der Druck, welchen die Wölbung auf die Elektrodeneinheit ausübt, vergrößert wird. Die Elektrodeneinheit bleibt aber, im geladenen Zustand sowie im entladenen Zustand, durch die Wölbung kraftschlüssig an der festen Position innerhalb des Zellengehäuses fixiert. Die Wölbung ist vorteilhaft derart dimensioniert, dass die Seitenwand des Zellengehäuses bei vollständig geladener und damit maximal ausgedehnter Elektrodeneinheit annähernd glatt ist, wodurch das Zellengehäuse annähernd prismatisch ist.
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Ein zwischen der Seitenwand, also der Wölbung, und der Elektrodeneinheit angeordnetes Federelement, welches elastisch verformbar ist, gewährleistet eine zumindest annähernd gleichmäßige Druckverteilung von der Wölbung auf die Elektrodeneinheit über deren ganze Fläche. Das Federelement kann beispielsweise aus Schaumstoff gefertigt sein, welcher gleichzeitig eine elektrische Isolation der Elektrodeneinheit zu der Seitenwand des Zellengehäuses darstellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Batteriezelle mit entladener Elektrodeneinheit,
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2 eine zweite Ausführungsform einer Batteriezelle mit entladener Elektrodeneinheit,
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3 eine dritte Ausführungsform einer Batteriezelle mit entladener Elektrodeneinheit,
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4 eine Batteriezelle nach erster, zweiter oder dritter Ausführungsform mit geladener Elektrodeneinheit,
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5 eine Abwandlung der dritten Ausführungsform der Batteriezelle mit entladener Elektrodeneinheit,
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6 eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform der Batteriezelle mit geladener Elektrodeneinheit,
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7 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Elektrodeneinheit und
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8 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Elektrodeneinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Batteriezelle 2 mit entladener Elektrodeneinheit 10 dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches annähernd prismatisch und annähernd quaderförmig ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 umfasst eine Deckplatte 31 und eine gegenüberliegende Bodenplatte 32. Das Zellengehäuse 3 umfasst ferner eine erste Seitenwand 35 und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand 36. Die Seitenwände 35, 36 grenzen dabei an die Deckplatte 31 und die Bodenplatte 32 an.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 ist die Elektrodeneinheit 10 angeordnet. Zwischen der Elektrodeneinheit 10 und der ersten Seitenwand 35 sowie zwischen der Elektrodeneinheit 10 und der zweiten Seitenwand 36 sowie zwischen der Elektrodeneinheit 10 und der Bodenplatte 32 ist ein Federelement 21 vorgesehen. Vorliegend ist das Federelement 21 einstückig ausgebildet, es ist aber auch denkbar, zwischen der Elektrodeneinheit 10 und der ersten Seitenwand 35 sowie zwischen der Elektrodeneinheit 10 und der zweiten Seitenwand 36 sowie zwischen der Elektrodeneinheit 10 und der Bodenplatte 32 je ein separates Federelement 21 vorzusehen.
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Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12 auf, welche aus der Deckplatte 31 des Zellengehäuses 3 heraus ragen. In der gezeigten Darstellung ist nur das negative Terminal 11 sichtbar, während das positive Terminal 12 verdeckt ist. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 geladen werden.
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Jede der Seitenwände 35, 36 weist einen oberen Abschnitt 27 auf, welcher an die Deckplatte 31 angrenzt. Jede der Seitenwände 35, 36 weist auch einen unteren Abschnitt 26 auf, welcher an die Bodenplatte 32 angrenzt. Zwischen dem oberen Abschnitt 27 und dem unteren Abschnitt 26 weist jede der Seitenwände 35, 36 eine Wölbung 24 auf, welche sich in Richtung auf die Elektrodeneinheit 10 zu erstreckt. Die Wölbung 24 liegt dabei dicht an dem Federelement 21 an und erzeugt eine Kraft sowie einen Druck auf das Federelement 21 und auf die Elektrodeneinheit 10.
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Das Federelement 21 ist vorliegend aus Schaumstoff gefertigt und dient gleichzeitig zur elektrischen Isolation der Elektrodeneinheit 10 zu den Seitenwänden 35, 36 sowie zu der Bodenplatte 32 des Zellengehäuses 3. Das Federelement 21 ist elastisch verformbar und gewährleistet eine zumindest annähernd gleichmäßige Druckverteilung von den Wölbungen 24 der Seitenwände 35, 36 auf die Elektrodeneinheit 10.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Batteriezelle 2 mit entladener Elektrodeneinheit 10 dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches annähernd prismatisch und annähernd quaderförmig ausgebildet ist. Die Batteriezelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform ist weitgehend ähnlich der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform aufgebaut. Im Folgenden wird daher vorrangig auf die Abweichungen zu der ersten Ausführungsform der Batteriezelle 2 eingegangen.
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Das Zellengehäuse 3 umfasst eine Deckplatte 31 und eine gegenüberliegende Bodenplatte 32. Das Zellengehäuse 3 umfasst ferner eine erste Seitenwand 35 und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand 36. Die Seitenwände 35, 36 grenzen dabei an die Deckplatte 31 und die Bodenplatte 32 an. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12 auf, welche aus der Deckplatte 31 des Zellengehäuses 3 heraus ragen. In der gezeigten Darstellung sind das negative Terminal 11 und auch das positive Terminal 12 sichtbar.
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Jede der Seitenwände 35, 36 weist über ihre gesamte Höhe eine Wölbung 24 auf, welche sich in Richtung auf die Elektrodeneinheit 10 zu erstreckt. Die Wölbung 24 beginnt also an der Deckplatte 31 und endet an der Bodenplatte 32. Die Wölbung 24 liegt dabei dicht an dem Federelement 21 an und erzeugt eine Kraft sowie einen Druck auf das Federelement 21 und auf die Elektrodeneinheit 10. Die Wölbung 24 hat annähernd die Form eines Kreissegments.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform einer Batteriezelle 2 mit entladener Elektrodeneinheit 10 dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches annähernd prismatisch und annähernd quaderförmig ausgebildet ist. Die Batteriezelle 2 gemäß der dritten Ausführungsform ist weitgehend ähnlich der Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform aufgebaut. Im Folgenden wird daher vorrangig auf die Abweichungen zu der ersten Ausführungsform der Batteriezelle 2 eingegangen.
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Das Zellengehäuse 3 umfasst eine Deckplatte 31 und eine gegenüberliegende Bodenplatte 32. Das Zellengehäuse 3 umfasst ferner eine erste Seitenwand 35 und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand 36. Die Seitenwände 35, 36 grenzen dabei an die Deckplatte 31 und die Bodenplatte 32 an. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12 auf, welche aus der Deckplatte 31 des Zellengehäuses 3 heraus ragen. In der gezeigten Darstellung sind das negative Terminal 11 und auch das positive Terminal 12 sichtbar.
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Jede der Seitenwände 35, 36 weist einen oberen Abschnitt 27 auf, welcher an die Deckplatte 31 angrenzt. Jede der Seitenwände 35, 36 weist auch einen unteren Abschnitt 26 auf, welcher an die Bodenplatte 32 angrenzt. Zwischen dem oberen Abschnitt 27 und dem unteren Abschnitt 26 weist jede der Seitenwände 35, 36 eine Wölbung 24 auf, welche sich in Richtung auf die Elektrodeneinheit 10 zu erstreckt. Die Wölbung 24 liegt dabei dicht an dem Federelement 21 an und erzeugt eine Kraft sowie einen Druck auf das Federelement 21 und auf die Elektrodeneinheit 10. Die Wölbung 24 hat annähernd die Form eines Kreissegments.
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In 4 ist eine Batteriezelle 2 mit geladener Elektrodeneinheit 10 dargestellt. Die Batteriezelle 2 ist dabei vollständig bis zu einer vorgegebenen Kapazität geladen. Dabei kann es sich um eine Batteriezelle 2 gemäß der ersten Ausführungsform, der zweiten Ausführungsform sowie der dritten Ausführungsform handeln.
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Die Elektrodeneinheit 10 hat sich durch den Ladevorgang ausgedehnt. Im Vergleich zu den Darstellungen nach 1, 2 und 3, bei welchen die Elektrodeneinheit 10 entladen war, weist die Elektrodeneinheit 10 ein vergrößertes Volumen auf.
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Dabei drückt die Elektrodeneinheit 10 über das Federelement 21 auf die Seitenwände 35, 36. Dabei werden die Seitenwände 35, 36 derart verformt, dass die Wölbungen 24 in den Seitenwänden 35, 36 heraus gedrückt werden und nicht mehr sichtbar sind. Die Seitenwände 35, 36 sind also bei geladener Elektrodeneinheit 10 annähernd flach und verlaufen parallel zueinander sowie rechtwinklig zu der Bodenplatte 32 und zu der Deckplatte 31.
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Ferner ist auch die Ausdehnung der Elektrodeneinheit 10 in die Richtung auf die Bodenplatte 32 sowie auf die Deckplatte 31 zu vergrößert. Auch das Zellengehäuse 3 ist in besagte Richtung, im Vergleich zu den Darstellungen nach 1, 2 und 3, bei welchen die Elektrodeneinheit 10 entladen war, vergrößert.
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In 5 ist eine Abwandlung der dritten Ausführungsform der Batteriezelle 2 mit entladener Elektrodeneinheit 10 dargestellt. Neben den Seitenwänden 35, 36 ist jeweils ein Klammerelement 41 angeordnet, welches die Deckplatte 31 und die Bodenplatte 32 aufeinander zu vorspannt. Die Klammerelemente 41 sind elastisch verformbar. Aus der Vorspannung der Deckplatte 31 und der Bodenplatte 32 aufeinander zu resultiert ein Druck der Wölbungen 24 in den Seitenwänden 35, 36 auf die Elektrodeneinheit 10.
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In 6 ist eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform der Batteriezelle 2 mit geladener Elektrodeneinheit 10 dargestellt. Die Batteriezelle 2 enthält mehrere Federelemente 21, welche als Gasfeder oder Luftfeder ausgeführt sind. Das bedeutet, die Federelemente 21 enthalten eine Füllung aus Luft oder Gas, wobei die Füllung einen höheren Druck als der das Zellengehäuse 3 umgebende Luftdruck aufweist.
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Vorliegend ist je ein Federelement 21 zwischen der ersten Seitenwand 35 und der Elektrodeneinheit 10 sowie zwischen der zweiten Seitenwand 36 und der Elektrodeneinheit 10 vorgesehen. Jedes Federelement 21 weist dabei eine Öffnung 43 zum Befüllen des Federelements 21 mit Gas oder Luft auf. Die Öffnungen 43 sind, beispielsweise mittels Stopfen, verschlossen.
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In 6 ist beispielhaft eine elektrische Verbindung zwischen der Elektrodeneinheit 10 und den Terminals 11, 12 dargestellt. Die Verbindung ist lediglich beispielhaft dargestellt, sie kann eine abweichende Form und/oder an einer anderen Stelle der Elektrodeneinheit ansetzen.
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In den 1–5 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit keine elektrische Verbindung zwischen der jeweiligen Elektrodeneinheit 10 und den Terminals 11, 12 dargestellt. Selbstverständlich ist in den genannten Figuren jeweils die Elektrodeneinheit 10 mit den Terminals 11, 12 elektrisch verbunden.
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In 7 ist ein schematischer Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Elektrodeneinheit 10 gezeigt. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Kathode 14 und eine Anode 16, auf. Die Kathode 14 und die Anode 16 sind folienartig ausgeführt und vorliegend unter Zwischenlage eines Separators 18 zu einem Elektrodenwickel gewickelt. Die Elektrodeneinheit 10 kann aber auch als Elektrodenstapel ausgeführt sein.
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Die folienartig ausgebildete Kathode 14 umfasst einen folienartig ausgebildeten Stromableiter 51, welcher mit einem kathodischen Aktivmaterial 52 beschichtet ist. Der folienartig ausgebildete Stromableiter 51 der Kathode 14 ist vorliegend aus Aluminium gefertigt. Ein unbeschichteter Randbereich des Stromableiters 51 der Kathode 14 ragt aus der Elektrodeneinheit 10 heraus und dient der Kontaktierung mit dem positiven Terminal 12.
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Die folienartig ausgebildete Anode 16 umfasst einen folienartig ausgebildeten Stromableiter 54, welcher mit einem anodischen Aktivmaterial 55 beschichtet ist. Der folienartig ausgebildete Stromableiter 54 der Anode 16 ist vorliegend aus Kupfer gefertigt. Ein unbeschichteter Randbereich des Stromableiters 54 der Anode 16 ragt ebenfalls aus der Elektrodeneinheit 10 heraus und dient der Kontaktierung mit dem negativen Terminal 11.
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In 8 ist ein schematischer Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Elektrodeneinheit 10 gezeigt. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Kathode 14 und eine Anode 16, auf. Die Kathode 14 und die Anode 16 sind folienartig ausgeführt und vorliegend unter Zwischenlage eines Separators 18 zu einem Elektrodenwickel gewickelt. Die Elektrodeneinheit 10 kann aber auch als Elektrodenstapel ausgeführt sein.
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Die folienartig ausgebildete Kathode 14 umfasst einen folienartig ausgebildeten Stromableiter 51, welcher mit einem kathodischen Aktivmaterial 52 beschichtet ist. Der folienartig ausgebildete Stromableiter 51 der Kathode 14 ist vorliegend aus Aluminium gefertigt. Der Stromableiter 51 der Kathode 14 weist einen ersten Anschlussbereich 61 auf, welcher der Kontaktierung mit dem positiven Terminal 12 dient.
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Die folienartig ausgebildete Anode 16 umfasst einen folienartig ausgebildeten Stromableiter 54, welcher mit einem anodischen Aktivmaterial 55 beschichtet ist. Der folienartig ausgebildete Stromableiter 54 der Anode 16 ist vorliegend aus Kupfer gefertigt. Der Stromableiter 54 der Anode 16 weist einen zweiten Anschlussbereich 62 auf, welcher der Kontaktierung mit dem negativen Terminal 11 dient.
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Im Inneren der Elektrodeneinheit 10 ist zwischen der Anode 16 und der Kathode 14 zusätzlich ein gemeinsamer Stromableiter 53 vorgesehen. Der gemeinsame Stromableiter 53 ist dabei auf einer Seite mit dem kathodischen Aktivmaterial 52 beschichtet, und ist auf der anderen Seite mit dem anodischen Aktivmaterial 55 beschichtet.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69839213 T2 [0007]
- DE 102011110695 A1 [0008]
- DE 102008061755 A1 [0009]
