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Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Batteriezelle, welche ein Silizium enthaltendes Aktivmaterial umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche eine Elektrode 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. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Silizium. Aber auch Graphit ist als Aktivmaterial für Anoden verbreitet.
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In das Aktivmaterial 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 von der Anode zur Kathode. Dabei lagern die Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der Anode reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in das Aktivmaterial der Anode reversibel ein, was auch als Lithiierung 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. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet sein.
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Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodenwickel oder des Elektrodenstapel. 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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Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Die Terminals befinden sich dabei außerhalb des Zellengehäuses. Nach dem Verbinden der Elektroden mit den Terminals wird der Elektrolyt in das Zellengehäuse gefüllt.
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Eine gattungsgemäße Batteriezelle, die eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei das Aktivmaterial der Anode Silizium aufweist, ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 212 299 A1 bekannt.
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Anoden, welche zumindest teilweise Silizium enthalten, sind unter anderem in den Veröffentlichungen Journal of Power Sources 196 (2011), Seiten 13–24 sowie Advanced Materials 2011, 23, Seiten 1563–1566 und Advanced Materials 2007, 19, Seiten 4564–4567 beschrieben.
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Silizium weist, als Aktivmaterial der Anode, eine im Vergleich zu Graphit erhöhte Speicherfähigkeit für Lithiumionen auf. Das Silizium als Aktivmaterial der Anode wird jedoch von dem flüssigen Elektrolyt angegriffen, welches sich, gemeinsam mit dem enthaltenen Lithium, auf der Oberfläche des Aktivmaterials ablagert und dort eine Schicht bildet, welche als "solid electrolyte interphase" (SEI) bezeichnet wird. Dort abgelagertes Lithium steht für den Transport von Lithiumionen zwischen den Elektroden nicht mehr zur Verfügung.
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Im Betrieb der Batteriezelle erfährt eine Anode mit Silizium als Aktivmaterial Volumenänderungen. Eine solche Volumenänderung kann bis zu 300% betragen. Beim Einlagern von Lithiumionen dehnt sich das Aktivmaterial aus, und beim Auslagern von Lithiumionen zieht sich das Aktivmaterial zusammen. Bedingt durch solche Volumenänderungen kommt es langfristig zu Verformungen und Zerstörungen von Teilen des Aktivmaterials. Weiterhin erfährt das Zellengehäuse der Batteriezelle durch die Volumenänderungen der Anode Verformungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Elektrode umfasst ein Aktivmaterial, welches Silizium enthält. Erfindungsgemäß ist das Aktivmaterial in Form eines Netzes aufgebaut, welches Stege und Poren aufweist. Dabei sind die Poren des Netzes zwischen den Stegen des Netzes angeordnet.
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Bei der erfindungsgemäßen Elektrode handelt es sich insbesondere um eine Anode einer Batteriezelle.
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Das Aktivmaterial kann reines Silizium aufweisen. Es ist aber auch denkbar, dass das Aktivmaterial eine Silizium enthaltende Legierung aufweist. Insbesondere sind Legierungen aus Silizium mit Aluminium, Magnesium, Zinn, Eisen, Titan oder Kupfer denkbar. Auch eine Dotierung ist denkbar.
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Vorzugsweise weist das Aktivmaterial eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf, welche somit für Elektronen durchlässig ist.
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Vorzugsweise sind die Stege dabei rechtwinklig zu einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Das bedeutet, die Stege stehen rechtwinklig von der besagten Ebene ab und bilden zwischen sich die Poren, welche als wannenartige Vertiefungen zwischen den Stegen ausgebildet sind.
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Vorzugsweise treffen sich mehrere Stege in einem Knoten. Ein Knoten ist somit ein Mittelpunkt, von welchem aus sich mehrere Stegen in unterschiedliche Richtungen von dem Knoten weg auf jeweils einen anderen Knoten zu erstrecken.
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Vorteilhaft weisen die Stege eine Materialstärke, beziehungsweise eine Dicke, zwischen 50 nm und 100 nm auf. Es hat sich gezeigt, dass bei besagter Materialstärke ein besonders effektives Einlagern sowie ein besonders effektives Auslagern der Lithiumionen möglich sind.
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Ebenso vorteilhaft weisen die Stege eine Höhe zwischen 500 nm und 900 nm auf. Das bedeutet, die Stege sind um die besagte Höhe von 500 nm bis 900 nm über die erwähnte gemeinsame Ebene erhaben. Es hat sich gezeigt, dass bei dieser Höhe die mechanische Stabilität des Netzes des Aktivmaterials besonders hoch ist.
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Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst.
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Eine erfindungsgemäße Batterie findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Elektrode sind Verformungen und Zerstörungen von Teilen des Aktivmaterials verringert. Die Stege des Netzes dehnen sich bei einem Ladevorgang, also beim Einlagern von Lithiumionen aus und verformen sich dabei vorrangig in eine Richtung parallel zu der erwähnten gemeinsamen Ebene. Dabei verbleiben die Knoten an ihrer aktuellen Position, und lediglich die zwischen den Knoten verlaufenden Stege erfahren eine Verformung sowie eine Änderung ihrer Dicke. Im entladenen Zustand verlaufen die Stege in annähernd direkter und gerader Linie zwischen je zwei benachbarten Knoten.
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Zusätzlich dehnen sich die Stege in eine Richtung senkrecht zu der gemeinsamen Ebene aus. Dabei dehnt sich auch die gesamte Elektrode in die Richtung senkrecht zu der besagten Ebene aus.
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Weiterhin sind Verformungen des Zellengehäuses der Batteriezelle, welche durch die Volumenänderungen der Anode bedingt sind, durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrode verringert. Durch geeigneten Aufbau der Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel können solche Verformungen noch weiter verringert oder kompensiert werden.
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Durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung des Aktivmaterials der Elektrode ist die elektronische Anbindung des Aktivmaterials und damit die Ratenfähigkeit der Anode vorteilhaft 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 schematische Darstellung einer Batteriezelle,
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2 eine schematische Draufsicht auf ein anodisches Aktivmaterial einer Anode und
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3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie S durch das anodische Aktivmaterial aus 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine Batteriezelle 2 ist in 1 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
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Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. 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 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind. Anstelle des Elektrodenwickels kann auch beispielsweise ein Elektrodenstapel vorgesehen sein.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
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Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein Metalloxid auf, beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
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Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
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Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist mit einem flüssigen Elektrolyt 15, oder mit einem Polymerelektrolyt, gefüllt. Der Elektrolyt 15 umgibt dabei die Anode 21, die Kathode 22 und den Separator 18. Auch der Elektrolyt 15 ist ionisch leitfähig.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein anodisches Aktivmaterial 41 einer Anode 21 im entladenen Zustand. Das anodische Aktivmaterial 41 ist in Form eines Netzes aufgebaut und umfasst Stege 52 sowie Poren 50, welche zwischen den Stegen 52 angeordnet sind. Die Poren 50 sind dabei mit dem flüssigen Elektrolyt 15, oder mit einem Polymerelektrolyt, gefüllt.
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Die Stege 52 dabei rechtwinklig zu einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Stege 52 stehen also rechtwinklig von der besagten Ebene ab. Zwischen den Stegen 52 sind die Poren 50 als wannenartige Vertiefungen ausgebildet. In der Darstellung nach 2 erstreckt sich die gemeinsame Ebene parallel zu der Zeichenebene.
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Die Stege 52 weisen vorliegend eine Höhe zwischen 500 nm und 900 nm auf. Die Stege 52 sind also um die besagte Höhe von 500 nm bis 900 nm über die erwähnte gemeinsame Ebene erhaben. Somit weisen die Poren 50 eine Tiefe von ebenfalls zwischen 500 nm und 900 nm auf.
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Die Stege 52 des Netzes bilden dabei eine Struktur aus regelmäßigen, sich wiederholenden Formen. In der vorliegenden Ausführungsform bilden jeweils drei Stege 52 die Seiten eines gleichseitigen Dreiecks. Besagte drei Stege 52 schließen dabei eine Pore 50 ein, deren Fläche ebenfalls die Gestalt eines gleichseitigen Dreiecks aufweist. Jeweils sechs Stege 52 treffen sich in einem Knoten 54. Von den Knoten 54 aus erstrecken sich also jeweils sechs Stege 52 sternförmig weg. Die Materialstärke der Stege 52 beträgt zwischen 50 nm und 100 nm und bleibt zumindest annähernd konstant.
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Aber auch andere geometrische Formen des Netzes des anodischen Aktivmaterials 41 sind denkbar. Beispielsweise können jeweils vier Stege 52 die Seiten eines Quadrats bilden und eine Pore 50 einschließen, deren Fläche ebenfalls die Gestalt eines Quadrats aufweist. In diesem Fall treffen sich jeweils vier Stege 52 in einem Knoten 54. Auch wabenförmige Strukturen sind denkbar. In diesem Fall bilden jeweils sechs Stege 52 die Seiten eines regelmäßigen Sechsecks und schließen eine Pore 50 ein, deren Fläche ebenfalls die Gestalt eines regelmäßigen Sechsecks aufweist. Dabei treffen sich dann jeweils drei Stege 52 in einem Knoten 54. Die Materialstärke der Stege 52 beträgt dabei zwischen 50 nm und 100 nm und bleibt zumindest annähernd konstant.
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Auch ist es denkbar, dass die Flächen der Poren 50 die Gestalt eines Kreises aufweisen. Zwischen zwei solcher Kreise ist dann jeweils ein Steg 52 angeordnet. Die Materialstärke der Stege 52 ist in diesem Fall veränderlich. Beispielsweise treffen sich jeweils drei Stege 52 in einem Knoten 54. Die Materialstärke der Stege 52 ist dann nahe der Knoten 54 verhältnismäßig groß und nimmt mit zunehmender Entfernung zu den Knoten 54 ab. Jeweils in der Mitte zwischen zwei Knoten ist die Materialstärke der Stege 52 dann somit minimal. Die Materialstärke der Stege 52 schwankt also, vorzugsweise zwischen 50 nm und 100 nm.
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Das anodische Aktivmaterial 41 in Form eines Netzes ist beispielsweise mittels Fotolithographie und eines Ätzverfahrens herstellbar.
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Die Stege 52 sind, insbesondere auf ihren den Poren 50 zugewandten Seiten, mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Aber auch die zwischen den einzelnen Poren 50 liegenden, in der Darstellung nach 2 sichtbaren, Stirnflächen der Stege 52 weisen eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf. Besagte elektrisch leitfähige Beschichtung dient der Erhöhung der Leitfähigkeit für Elektronen.
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Bei einem Ladevorgang, also beim Einlagern von Lithiumionen in das Aktivmaterial 41 der Anode 21, dehnen sich die Stege 52 des Netzes aus. Dabei verformen sich die Stege 52 vorrangig in eine Richtung parallel zu der besagten gemeinsamen Ebene. Die Knoten 54 verbleiben jedoch an ihrer jeweiligen Position. Somit erfahren lediglich die zwischen den Knoten 54 verlaufenden Stege 52 eine Verformung sowie eine Vergrößerung ihrer Dicke. Im entladenen Zustand, welcher in 2 dargestellt ist, verlaufen die Stege 52 in annähernd direkter und gerader Linie zwischen je zwei Knoten 54.
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Zusätzlich dehnen sich die Stege 52 auch in eine Richtung senkrecht zu der gemeinsamen Ebene aus. Dabei dehnt sich auch die gesamte Anode 21 in diese Richtung senkrecht zu der besagten Ebene aus.
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In 3 ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie S in Blickrichtung A durch das anodische Aktivmaterial 41 aus 2 dargestellt. Dabei sind insbesondere die Poren 50, welche zwischen je zwei Stegen 52 sowie zwischen je einem Knoten 54 und einem Steg 52 angeordnet sind, erkennbar. Die Dicke der Knoten 54 ist, aufgrund der geometrischen Ausgestaltung des Netzes, größer als die Materialstärke der Stege 52. Die Breite aller Poren 50 bleibt jedoch bei gleicher Blickrichtung A stets gleich.
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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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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212299 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Journal of Power Sources 196 (2011), Seiten 13–24 [0010]
- Advanced Materials 2011, 23, Seiten 1563–1566 [0010]
- Advanced Materials 2007, 19, Seiten 4564–4567 [0010]
