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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, die eine Anode, welche mittels eines negativen Kollektors mit einem negativen Terminal verbunden ist, und eine Kathode, welche mittels eines positiven Kollektors mit einem positiven Terminal verbunden ist, umfasst. Die Anode und die Kathode sind dabei um eine Wickelachse zu einem annähernd zylindrisch ausgestalteten Elektrodenwickel gewickelt.
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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 (Hybrid Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybrid 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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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 beiden Elektroden des Elektrodenwickels sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben.
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Eine gattungsgemäße Batteriezelle, die einen Elektrodenwickel mit einer Anode und einer Kathode umfasst, ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 223 796 A1 bekannt. Die beiden Kollektoren sind dabei je an einer Stirnseite des Elektrodenwickels mit unbeschichteten Bereichen der Anode sowie der Kathode verbunden.
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Auch aus der
KR 2006-0022355 A ist eine Batteriezelle mit einem Elektrodenwickel bekannt. In einer Stirnseite des Elektrodenwickels ist dabei eine Nut eingebracht, in welche der Kollektor eingreift. Der Kollektor ragt dabei über die Stirnseite des Elektrodenwickels hinaus.
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Aus der
US 2013/0040191 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die zwei Elektrodenwickel aufweist. Beide Stirnseiten beider Elektrodenwickel weisen verhältnismäßig breite Nuten auf, welche jeweils zur Aufnahme eines Kollektors dienen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgeschlagen, die eine Anode, welche mittels eines negativen Kollektors mit einem negativen Terminal verbunden ist, und eine Kathode, welche mittels eines positiven Kollektors mit einem positiven Terminal verbunden ist, umfasst. Dabei sind die Anode und die Kathode um eine Wickelachse zu einem annähernd zylindrisch ausgestalteten Elektrodenwickel gewickelt. Mindestens eine Stirnseite des Elektrodenwickels weist eine Nut zur Aufnahme von einem der beiden Kollektoren auf. Vorzugsweise weist jede der beiden Stirnseiten des Elektrodenwickels je eine Nut zur Aufnahme je eines Kollektors auf.
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Erfindungsgemäß weist die Nut in der Stirnseite des Elektrodenwickels eine Breite auf, welche zumindest annähernd einer Dicke eines Zentralbereichs des Elektrodenwickels entspricht, welcher frei von der Anode und frei von der Kathode ist. Bei der Fertigung des Elektrodenwickels werden die Anode und die Kathode auf einen Wickelkern gewickelt, welcher eine Ausdehnung rechtwinklig zu der Wickelachse aufweist. Der Wickelkern kann in dem Elektrodenwickel verbleiben und definiert dann den Zentralbereich des Elektrodenwickels. Wird der Wickelkern entfernt, so entsteht ein Hohlraum, welcher den Zentralbereich des Elektrodenwickels definiert.
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Vorzugsweise vorläuft die Nut in der Stirnseite des Elektrodenwickels in einer Längsrichtung rechtwinklig zu der Wickelachse, welche eine Axialrichtung definiert. Die Breite der Nut in der Stirnseite des Elektrodenwickels sowie die Dicke des Zentralbereichs des Elektrodenwickels erstrecken sich dabei in eine Querrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung und rechtwinklig zu der Axialrichtung orientiert ist.
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Vorzugsweise ist die Nut derart in die Stirnseite des Elektrodenwickels eingebracht, dass die Wickelachse die Nut in der Stirnseite des Elektrodenwickels zumindest annähernd mittig schneidet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stirnseite des Elektrodenwickels in Längsrichtung vollständig von der Nut durchzogen. Die Nut erstreckt sich somit in Längsrichtung von einem Ende der Stirnseite bis zu dem gegenüberliegenden Ende der Stirnseite.
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Es ist aber auch denkbar, dass ein Randbereich an einem Ende der Stirnseite des Elektrodenwickels frei von der Nut ist. Die Nut erstreckt sich in diesem Fall in Längsrichtung von einem Ende der Stirnseite in den Elektrodenwickel hinein, erreicht aber nicht das gegenüberliegende Ende der Stirnseite.
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Vorzugsweise sind das negative Terminal und das positive Terminal der Batteriezelle von einem Zellengehäuse der Batteriezelle elektrisch isoliert. Das Zellengehäuse der Batteriezelle selbst ist beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt.
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Vorteilhat weisen der negative Kollektor und/oder der positive Kollektor einen zumindest annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Als Querschnitt des Kollektors wird dabei die Ausdehnung des Kollektors rechtwinklig zu der Längsrichtung bezeichnet.
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Vorzugsweise ist der negative Kollektor stoffschlüssig mit der Anode verbunden. Vorzugsweise ist auch der positive Kollektor stoffschlüssig mit der Kathode verbunden. Zur stoffschlüssigen Verbindung eignet sich insbesondere Ultraschallschweißen.
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Besonders vorteilhaft weist die Nut in der Stirnseite des Elektrodenwickels eine Tiefe auf, welche zumindest annähernd einer Dicke des Kollektors entspricht. Die Tiefe der Nut in der Stirnseite des Elektrodenwickels sowie die Dicke des Kollektors erstrecken sich dabei in die Axialrichtung. Somit ist der Querschnitt des Kollektors vollständig in der Nut in der Stirnseite des Elektrodenwickels aufgenommen und ragt somit nicht in Axialrichtung über die Stirnseite des Elektrodenwickels hinaus.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zentralbereich des Elektrodenwickels von einem Wickelkern gebildet, welcher aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Nach dem Wickeln des Elektrodenwickels verbleibt der Wickelkern also im Inneren des Elektrodenwickels und definiert somit den Zentralbereich des Elektrodenwickels, insbesondere die Dicke des Zentralbereichs.
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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 einer stationären Batterie, insbesondere zur Netzstabilisierung in Haushalten, in einer Batterie in einer marinen Anwendung, beispielsweise beim Schiffsbau oder in Jet-Skis, oder in einer Batterie in einer aeronautischen Anwendung, insbesondere beim Flugzeugbau. Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batteriezelle ist das Volumen innerhalb des Zellengehäuses vorteilhaft effektiver ausgenutzt. Insbesondere ist dabei inaktives Volumen, welches von den Kollektoren benötigt wird, verringert. Die Kollektoren fügen sich in die Nuten in dem Elektrodenwickel ein, und die nicht mit Aktivmaterial beschichteten Bereiche der Stromableiter der Elektroden können kürzer ausgeführt werden. Das effektiv genutzte aktive Volumen, welches die chemisch aktiven Teile, also das Aktivmaterial der Elektroden, enthält, ist vergrößert. Somit ist die Kapazität der erfindungsgemäßen Batteriezelle bei gleichen Volumen gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezelle vergrößert.
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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, perspektivische Darstellung eines Elektrodenwickels mit Kollektoren,
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3 eine Draufsicht auf den Elektrodenwickel aus 2 in Längsrichtung,
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4 eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Elektrodenwickel aus 2 in Axialrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1 ist eine Batteriezelle 2 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 Deckplatte 5 des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel 10 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 10 gewickelt.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff vorliegend 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 der Anode 21 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Somit ist auch die Anode 21 folienartig ausgebildet.
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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 mittels eines negativen Kollektors 51 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 der Kathode 22 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Somit ist auch die Kathode 22 folienartig ausgebildet.
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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 mittels eines positiven Kollektors 52 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. 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, perspektivische Darstellung des Elektrodenwickels 10 mit den Kollektoren 51, 52, mittels welchen die Stromableiter 31, 32 mit den Terminals 11, 12 der Batteriezelle 2 verbunden sind. Ferner sind die Deckplatte 5 des Zellengehäuses 3 und die daran angeordneten Terminals 11, 12 dargestellt. Beide Terminals 11, 12 sind von der Deckplatte 5 sowie von dem übrigen Zellengehäuse 3 elektrisch isoliert.
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Die Anode 21 und die Kathode 22 des Elektrodenwickels 10 sind um eine Wickelachse A gewickelt, welche in eine Axialrichtung x verläuft. Die Kollektoren 51, 52 erstrecken sich annähernd geradlinig in einer Längsrichtung z von dem Elektrodenwickel 10 auf die Deckplatte 5 zu. Dabei stehen die Axialrichtung x und die Längsrichtung z rechtwinklig aufeinander. Eine Querrichtung y ist rechtwinklig zu der Längsrichtung z und rechtwinklig zu der Axialrichtung x orientiert.
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Eine erste Stirnseite 91 des Elektrodenwickels 10 weist eine Nut 80 auf, in welcher der negative Kollektor 51 aufgenommen ist. Die Nut 80 verläuft dabei ebenfalls in Längsrichtung z und durchzieht die erste Stirnseite 91 des Elektrodenwickels 10 vollständig von einem der Deckplatte 5 zugewandten Bereich bis zu einem der Deckplatte 5 abgewandten Bereich.
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Eine zweite Stirnseite 92 des Elektrodenwickels 10, welche der ersten Stirnseite 91 gegenüber liegt, weist eine in dieser Darstellung nicht sichtbare Nut 80 auf, in welcher der positive Kollektor 52 aufgenommen ist. Die Nut 80 verläuft dabei ebenfalls in Längsrichtung z und durchzieht die zweite Stirnseite 92 des Elektrodenwickels 10 vollständig von einem der Deckplatte 5 zugewandten Bereich bis zu einem der Deckplatte 5 abgewandten Bereich.
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Die Kollektoren 51, 52 weisen, rechtwinklig zu der Längsrichtung z, jeweils einen zumindest annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Auch die beiden Nuten 80 in den Stirnseiten 91, 92 des Elektrodenwickels 10 weisen einen zumindest annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Die Querschnitte der Kollektoren 51, 52 sind vollständig in der jeweiligen Nut 80 in der entsprechenden Stirnseite 91, 92 des Elektrodenwickels 10 aufgenommen. Insbesondere ragen die Kollektoren 51, 52 in Axialrichtung x nicht über die entsprechende Stirnseite 91, 92 des Elektrodenwickels 10 hinaus.
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Der negative Kollektor 51 ist stoffschlüssig mit dem Stromableiter 31 der Anode 21 verbunden, und der positive Kollektor 52 ist stoffschlüssig mit dem Stromableiter 32 der Kathode 22 verbunden, vorliegend mittels Ultraschallschweißens. Aber auch andere Verbindungstechniken sind durchaus denkbar.
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3 zeigt eine Draufsicht auf den Elektrodenwickel 10 aus 2 in Längsrichtung z. Beide Stirnseiten 91, 92 des Elektrodenwickels 10 sind von jeweils einer Nut 80 durchzogen. Die Nuten 80 verlaufen dabei in Längsrichtung z und somit rechtwinklig zu der Wickelachse A, welche in Axialrichtung x verläuft. Die Wickelachse A schneidet die beiden Nuten 80 in den Stirnseiten 91, 92 jeweils mittig.
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Die Nuten 80 in den Stirnseiten 91, 92 des Elektrodenwickels 10 weisen eine Tiefe T auf. Die Tiefe T der Nuten 80 erstreckt sich dabei jeweils in Axialrichtung x. Die Nuten 80 in den Stirnseiten 91, 92 des Elektrodenwickels 10 weisen auch eine Breite B auf. Die Breite B der Nuten 80 erstreckt sich dabei jeweils in Querrichtung y.
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Die Breite B und die Tiefe T der Nuten 80 sind derart bemessen, dass die hier nicht dargestellten Kollektoren 51, 52 annähernd bündig in den Nuten 80 in den Stirnseiten 91, 92 des Elektrodenwickels 10 aufgenommen sind. Die Kollektoren 51, 52 ragen also in Axialrichtung x nicht über die entsprechende Stirnseite 91, 92 des Elektrodenwickels 10 hinaus und füllen die Nuten 80 annähernd vollständig aus.
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4 zeigt eine Draufsicht auf die erste Stirnseite 91 des Elektrodenwickels 10 aus 2 in Axialrichtung x. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind um einen Wickelkern 60 gewickelt, welcher einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Wickelkern 60 ist aus einen elektrisch isolierenden Material gefertigt, beispielsweise aus Kunststoff. Der Wickelkern 60 wird fertigungstechnisch beim Wickeln des Elektrodenwickels 10 benötigt und verbleibt danach in dem Elektrodenwickel 10.
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Die Anode 21 und die Kathode 22 erstrecken sich also um den Wickelkern 60 herum. Der Wickelkern 60 selbst bildet einen Zentralbereich 70, welcher frei von der Anode 21 und frei von der Kathode 22 ist. Die Dicke des Zentralbereichs 70, also die Ausdehnung des Zentralbereichs 70 in Querrichtung y entspricht der Breite B der Nut 80.
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Der hier nicht dargestellte negative Kollektor 51 ist in der Nut 80 in der ersten Stirnseite 91 des Elektrodenwickels 10 aufgenommen und mit dem Stromableiter 31 der Anode 21 verschweißt. Dabei ragt ein Teil des Stromableiters 31 der Anode 21, der nicht mit anodischem Aktivmaterial 41 beschichtet ist, bis auf die Oberfläche der ersten Stirnseite 91. Das Aktivmaterial 41 der Anode 21, der Separator 18 sowie die Kathode 22 erstrecken sich nicht bis zu der Oberfläche der ersten Stirnseite 91 des Elektrodenwickels 10.
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Ebenso ist der positive Kollektor 52 in der Nut 80 in der zweiten Stirnseite 92 des Elektrodenwickels 10 aufgenommen und mit dem Stromableiter 32 der Kathode 22 verschweißt. Dabei ragt ein Teil des Stromableiters 32 der Kathode 22, der nicht mit kathodischem Aktivmaterial 42 beschichtet ist, bis auf die Oberfläche der zweiten Stirnseite 92. Das Aktivmaterial 42 der Kathode 22, der Separator 18 sowie die Anode 21 erstrecken sich nicht bis zu der Oberfläche der zweiten Stirnseite 92 des Elektrodenwickels 10.
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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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- DE 102012223796 A1 [0006]
- KR 2006-0022355 A [0007]
- US 2013/0040191 A1 [0008]
