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Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere eine Anode, für eine Batteriezelle, die eine Metallschicht und eine Schutzschicht, welche auf die Metallschicht aufgebracht ist, umfasst.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
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In einem Akkumulator 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 kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Als Anoden kommen unter anderem Lithium-Metall-Anoden zum Einsatz. Eine solche Anode umfasst dabei eine Metallschicht, welche Lithium enthält, und eine Schutzschicht, welche auf die Metallschicht aufgebracht ist. Die Schutzschicht ist dabei ionisch leitfähig ausgebildet.
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In der Anode sind Lithiumatome eingelagert. Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang durch die Schutzschicht von der Anode zur Kathode. Bei Interkalationsanoden, welche beispielsweise Graphit oder Lithium-Titanat enthalten, lagern die Lithiumionen aus der Anode reversibel aus, was auch als Deinterkalation bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen durch die Schutzschicht von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in die Interkalationsanode reversibel ein, was auch als Interkalation bezeichnet wird.
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Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Alternativ können Anode, Kathode und Separator auch zu einem Elektrodenstapel aufeinander gelegt sein. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den Elektroden.
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Eine Elektrode mit einem Stromableiter, auf welchen eine Schicht aus Aktivmaterial aufgebracht ist, ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 2010/0003599 A1 bekannt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 215 921 A1 geht eine Batterie mit einer porösen Elektrode hervor. Die Elektrode ist dabei auf ein Elektrodenblech aufgebracht und weist auf ihrer dem Elektrodenblech abgewandten Seite eine Vielzahl von Vertiefungen auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen, die eine Metallschicht und eine Schutzschicht, welche auf die Metallschicht aufgebracht ist, umfasst.
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Erfindungsgemäß weist die Schutzschicht auf ihrer der Metallschicht zugewandten Oberfläche eine Vielzahl von Vorsprüngen auf.
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Vorzugsweise ist die Elektrode eine Anode einer Batteriezelle.
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Die Metallschicht enthält vorteilhaft Lithium, Natrium, Beryllium, Magnesium oder Aluminium.
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Vorteilhaft ist die Schutzschicht ionisch leitfähig ausgebildet. Das bedeutet, die Schutzschicht ist für Metallionen des Metalls leitfähig, welches in der Metallschicht enthalten ist, also insbesondere für Lithiumionen, Natriumionen, Berylliumionen, Magnesiumionen oder Aluminiumionen.
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Besonders vorteilhaft ist die Schutzschicht keramisch ausgebildet.
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Ebenso vorteilhaft kann die Schutzschicht ein ionenleitendes Glas, beispielsweise ein sulfidisches Glas, oder ein verstärktes ionenleitendes Polymer sein.
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Die Schutzschicht der Elektrode sollte möglichst dünn ausgeführt sein, wodurch ein geringer Innenwiderstand der Batteriezelle erzielbar ist. Andererseits soll die Schutzschicht der Elektrode eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen und prozesssicher fertigbar sein. Als in der Praxis vorteilhaft hat sich für die Schutzschicht der Elektrode eine Dicke von 2 Mikrometer bis 50 Mikrometer, besonders vorteilhaft eine Dicke von 5 Mikrometer bis 25 Mikrometer herausgestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Vorsprünge einen dreieckförmigen Querschnitt auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Vorsprünge einen wellenförmigen Querschnitt auf. Als wellenförmig sind dabei Formen mit stetigen Oberflächen und ohne Kanten anzusehen, insbesondere sinusförmige Ausgestaltungen.
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Vorteilhaft sind die Vorsprünge in mehreren Reihen zueinander versetzt angeordnet.
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Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem Elektrofahrrad oder in einem Elektro-Scooter.
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Ebenso findet eine erfindungsgemäße Batteriezelle vorteilhaft Verwendung in einem tragbaren Gerät aus dem Comsumer-Electronic Bereich, also insbesondere in einem Mobiltelefon, in einem Tablet, in einem Laptop oder in einem Elektrowerkzeug, wie beispielsweise einem Akku-Schrauber.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrode ist die Festigkeit der Elektrode erhöht, insbesondere ist der mechanische Kontakt zwischen der Schutzschicht und der Metallschicht, verbessert. Ferner ist die Kontaktfläche zwischen der Schutzschicht und der Metallschicht vergrößert, wodurch der Grenzflächenwiderstand zwischen der Schutzschicht und der Metallschicht verringert ist. Durch den verringerten Grenzflächenwiderstand der Elektrode sind bei gleichem Spannungsabfall gegenüber dem Stand der Technik höhere Stromdichten in Laderichtung sowie in Entladerichtung erreichbar. Dadurch ist auch der C-Faktor der Batteriezelle, welcher das Verhältnis aus maximalem Ladestrom zu Kapazität der Batteriezelle angibt, vergrößert. Das bedeutet, die Ladezeit der Batteriezelle ist verringert und die Batteriezelle kann schneller geladen werden. Auch ist der maximale Entladestrom gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezelle erhöht.
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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 perspektivische, schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Schutzschicht einer Elektrode,
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2 eine perspektivische, schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Schutzschicht einer Elektrode,
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3 eine perspektivische, schematische Draufsicht auf eine Oberfläche einer dritten Ausführungsform einer Schutzschicht einer Elektrode,
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4 eine perspektivische, schematische Schnittdarstellung einer Elektrode mit einer Schutzschicht nach der ersten Ausführungsform und
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5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer Schutzschicht einer Elektrode.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine perspektivische, schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Schutzschicht 31 einer Elektrode 21 gezeigt. Die Schutzschicht 31 ist annähernd in Form einer flachen Folie ausgebildet und aus einem ionenleitenden Material, insbesondere einer Keramik, gefertigt. Aber auch ionenleitende Gläser, ionenleitende Polymere sowie Festelektrolyten sind als Materialien denkbar. Als Keramiken kommen beispielsweise Granate und Titanate in Frage. Als Gläser kommen insbesondere sulfidische Gläser in Frage, beispielsweise Argyrodite. Als Polymere kommen beispielsweise verstärkte Poly-Ethylen-Oxid basierte Materialien in Frage.
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Die Schutzschicht 31 ist insbesondere für Lithium-Ionen, aber beispielsweise auch für Natriumionen, Magnesiumionen, Berylliumionen sowie für Aluminiumionen leitfähig.
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Die Schutzschicht 31 weist eine glatte Außenfläche 32 auf. An der der Außenfläche 32 gegenüberliegenden Oberfläche sind Vorsprünge 33 angeordnet. Die Vorsprünge 33 weisen dabei einen dreieckförmigen, beziehungsweise zackenförmigen, Querschnitt auf. Die der Außenfläche 32 gegenüberliegenden Oberfläche der Schutzschicht 31 weist also eine dreidimensionale Strukturierung auf.
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Die Vorsprünge 33 sind vorliegend gleichartig ausgebildet und sind nebeneinander, vorliegend in äquidistanten Abständen zueinander, an der Oberfläche der Schutzschicht 31 angeordnet. Aber auch verschiedenartig ausgestaltete Vorsprünge 33 sowie unregelmäßig angeordnete Vorsprünge 33 sind an der Oberfläche der Schutzschicht 31 denkbar.
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In 2 ist eine perspektivische, schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Schutzschicht 31 einer Elektrode 21 gezeigt. Die Schutzschicht 31 ist, ähnlich der ersten Ausführungsform, annähernd in Form einer flachen Folie ausgebildet und aus einem ionenleitenden Material, insbesondere einer Keramik, gefertigt. Aber auch ionenleitende Gläser, ionenleitende Polymere sowie Festelektrolyten sind als Materialien denkbar. Als Keramiken kommen beispielsweise Granate und Titanate in Frage. Als Gläser kommen insbesondere sulfidische Gläser in Frage, beispielsweise Argyrodite. Als Polymere kommen beispielsweise verstärkte Poly-Ethylen-Oxid basierte Materialien in Frage.
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Die Schutzschicht 31 ist insbesondere für Lithium-Ionen, aber beispielsweise auch für Natriumionen, Magnesiumionen, Berylliumionen sowie für Aluminiumionen leitfähig.
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Die Schutzschicht 31 weist, ähnlich der ersten Ausführungsform, eine glatte Außenfläche 32 auf. An der der Außenfläche 32 gegenüberliegenden Oberfläche sind Vorsprünge 33 angeordnet. Die Vorsprünge 33 weisen dabei einen wellenförmigen, insbesondere sinusförmigen, Querschnitt auf. Die der Außenfläche 32 gegenüberliegenden Oberfläche der Schutzschicht 31 weist also eine dreidimensionale Strukturierung auf.
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Die Vorsprünge 33 sind vorliegend gleichartig ausgebildet und sind nebeneinander, vorliegend in äquidistanten Abständen zueinander, an der Oberfläche der Schutzschicht 31 angeordnet. Aber auch verschiedenartig ausgestaltete Vorsprünge 33 sowie unregelmäßig angeordnete Vorsprünge 33 sind an der Oberfläche der Schutzschicht 31 denkbar.
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Auch andere Formen und Anordnungen der Vorsprünge 33 an der Oberfläche der Schutzschicht 31 als die in 1 sowie 2 dargestellten sind selbstverständlich denkbar. Die Oberfläche mit den Vorsprüngen 33 ist derart ausgebildet, dass eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der Schutzschicht 31 und einer Metallschicht 41, an welcher die Schutzschicht 31 angeordnet wird, entsteht. Dabei entsteht möglichst wenig Fläche, welche parallel zu der Außenfläche 32 orientiert ist.
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In 3 ist eine perspektivische, schematische Draufsicht auf eine Oberfläche einer dritten Ausführungsform einer Schutzschicht 31 einer Elektrode 21 dargestellt. Die Vorsprünge 33 sind dreieckförmig ausgestaltet, ähnlich wie in der ersten, in 1 dargestellten, Ausführungsform.
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Die Vorsprünge 33 sind in mehreren Reihen 35, 36, 37 angeordnet, in der gezeigten Darstellung sind einer erste Reihe 35, eine zweite Reihe 36 und eine dritte Reihe 37 sichtbar. Die Vorsprünge 33 in den einzelnen Reihen 35, 36, 37 sind dabei jeweils versetzt zu den Vorsprüngen in den benachbarten Reihen 35, 36, 37 angeordnet.
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Eine perspektivische, schematische Schnittdarstellung einer Elektrode 21 mit einer Schutzschicht 31 nach der ersten Ausführungsform ist in 4 gezeigt. Vorliegend handelt es sich bei der Elektrode 21 um eine Anode einer Batteriezelle. Die Elektrode 21 umfasst neben der Schutzschicht 31 eine Metallschicht 41, welche aus einer Lithium enthaltenden Legierung gefertigt ist. Die Metallschicht 41 kann auch aus einer Natrium, Beryllium, Magnesium oder Aluminium enthaltenden Legierung gefertigt sein. Ebenso kann die Metallschicht 41 auch aus reinem Lithium, Natrium, Beryllium, Magnesium oder Aluminium gefertigt sein.
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Die Schutzschicht 31 ist derart an der Metallschicht 41 angeordnet, dass ihre Oberfläche mit den Vorsprüngen 33 der Metallschicht 41 zugewandt ist, und dass ihre Außenfläche 32 der Metallschicht 42 abgewandt ist. Die Schutzschicht 31 ist, wie bereits erwähnt, aus einer Keramik gefertigt. Alternativ kann die Schutzschicht 31 aus einem Glas oder einem verstärkten Polymer gefertigt sein. Die Schutzschicht 31 ist somit härter als die verhältnismäßig weiche Metallschicht 41, und insbesondere weist die Schutzschicht 31 dabei eine höhere Festigkeit sowie einen höheren E-Modul als die Metallschicht 41 auf.
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Die Schutzschicht 31 ist auf die Metallschicht 41 aufgepresst, beziehungsweise eingeprägt. Dabei verdrängen die verhältnismäßig harten Vorsprünge 33 der Schutzschicht 31 das verhältnismäßig weiche Material der Metallschicht 41. Das Material der Metallschicht 41 fließt dabei in die zwischen den Vorsprüngen 33 der Schutzschicht 31 ausgebildeten Zwischenräume der Schutzschicht 31. Die Metallschicht 41 bildet dabei Erhebungen 43, welche in die besagten Zwischenräume, welche komplementär zu den Vorsprüngen 33 der Schutzschicht 31 ausgebildet sind, hineinragen.
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Die Oberfläche mit den Vorsprüngen 33 weist nur eine geringe Fläche auf, welche parallel zu der Außenfläche 32 orientiert ist. Dadurch ist die Kontaktfläche zwischen der Schutzschicht 31 und der Metallschicht 41 größer, als wenn die Schutzschicht 31 und die Metallschicht 41 mit jeweils glatten Oberflächen aufeinander liegen würden. Dadurch ist auch der zwischen der Schutzschicht 31 und der Metallschicht 41 vorhandene Grenzflächenwiderstand vorteilhaft verringert.
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Die Schutzschicht 31 weist vorliegend eine Dicke von etwa 20 Mikrometer auf. Üblicherweise liegt die Dicke der Schutzschicht 31 in einem Bereich zwischen 2 Mikrometer und 50 Mikrometer, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 Mikrometer und 25 Mikrometer.
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Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schutzschicht 31 einer Elektrode 21 ist in 5 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen eine erste Walze 51 und eine zweite Walze 52, welche gegenläufig rotieren. Die erste Walze 51 rotiert dabei in eine erste Rotationsrichtung 53, und die zweite Walze 52 rotiert in eine zweite Rotationsrichtung 54.
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Die zweite Walze 52 weist eine glatte Walzfläche auf. Die erste Walze 51 weist eine strukturierten Walzfläche auf, welche komplementär zu den Vorsprüngen 33 der herzustellenden Schutzschicht 31 ausgebildet ist.
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Zur Herstellung der Schutzschicht 31 der Elektrode 21 wird zunächst eine Folie hergestellt, welche Keramik und Binder enthält, und welche als Grünling 50 bezeichnet wird. Der Grünling 50 wird dann in Einführrichtung 55 zwischen die rotierenden Walzen 51, 52 der oben beschriebenen Vorrichtung eingeführt und gewalzt.
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Eine Seite des Grünlings 50 liegt dabei an der zweiten Walze 52 mit der glatten Walzfläche an, und die gegenüberliegende Seite des Grünlings 50 liegt an der ersten Walze 51 mit der strukturierten Walzfläche an. Durch den Walzvorgang bleibt eine Seite des Grünlings 50 glatt und die andere Seite des Grünlings 50 erhält durch die strukturierten Walzfläche der ersten Walze 51 eine Struktur in Form der Vorsprünge 33.
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Der so gewalzte und strukturierte Grünling 50 wird anschließend gesintert, wobei der Binder verdampft und die keramische Schutzschicht 31 verbleibt. Alternativ kann der in dem Grünling 50 enthaltene Binder auch durch eine chemische Reaktion, insbesondere mit in der Umgebungsluft enthaltenem Sauerstoff, reagieren.
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Alternativ zu dem beschriebenen Walzen des Grünlings 50 ist auch ein Gießen, insbesondere Foliengießen, des Grünlings 50 möglich. Dabei wird eine Mischung aus Keramik und Binder auf eine Maske aufgebracht, deren Oberfläche komplementär zu den Vorsprüngen 33 der herzustellenden Schutzschicht 31 ausgebildet ist.
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Der so gegossene Grünling 50 wird anschließend gesintert, wobei der Binder verdampft und die keramische Schutzschicht 31 verbleibt. Alternativ kann der in dem Grünling 50 enthaltene Binder auch durch eine chemische Reaktion, insbesondere eine Reaktion mit in der Umgebungsluft enthaltenem Sauerstoff, reagieren.
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Ebenfalls alternativ zu dem beschriebenen Walzen des Grünlings 50 ist auch ein Druck, insbesondere ein Siebdruck, des Grünlings 50 möglich. Dabei wird eine Mischung aus Keramik und Binder, welche in Pulverform vorliegt, verpresst und in eine Maske gedruckt, welche komplementär zu den Vorsprüngen 33 der herzustellenden Schutzschicht 31 ausgebildet ist.
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Der so gedruckte Grünling 50 wird anschließend gesintert, wobei der Binder verdampft und die keramische Schutzschicht 31 verbleibt. Alternativ kann der in dem Grünling 50 enthaltene Binder auch durch eine chemische Reaktion, insbesondere eine Reaktion mit in der Umgebungsluft enthaltenem Sauerstoff, reagieren.
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Ferner ist es denkbar, zunächst eine folienartige, keramische Schicht durch Sintern herzustellen, wobei die Schicht zwei glatte Flächen, also eine glatte Außenfläche 32 und auch eine gegenüberliegende glatte Oberfläche aufweist. Anschließend kann die Oberfläche, beispielsweise mittels Fräsen oder Laserbestrahlung, bearbeitet und strukturiert werden, wodurch die gewünschten Vorsprünge 33 entstehen.
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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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- US 2010/0003599 A1 [0007]
- DE 102012215921 A1 [0008]
