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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Festkörperzellenstapel umfassend eine Anzahl von entlang einer Stapelrichtung gestapelten elektrochemischen Festkörperzellen.
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Elektrisch (elektromotorisch) angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen üblicherweise einen Elektromotor mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zum Zwecke einer Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor typischerweise mit einer fahrzeuginternen (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher gekoppelt. Derartige Batterien sind beispielsweise als Akkumulatoren ausgeführt, wobei zur Erzeugung einer ausreichend hohen Betriebsspannung typischerweise mehrere einzelne Batterien modular zu einem gemeinsamen Batteriesystem verschaltet sind.
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Aus der
DE 10 2014 204 737 A1 ist ein derartiges Batteriesystem für einen Hochvoltspeicher eines Kraftfahrzeugs zu entnehmen, bei welchem ein Stapel von Batteriemodulen mit einem faserverstärkten Kunststoffband umwickelt ist.
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Die einzelnen Batteriemodule umfassen üblicherweise eine Anzahl von elektrochemischen (Dünn-)Schichtzellen, welche innerhalb eines jeweiligen Batteriegehäuses entlang einer Stapel- oder Reihenrichtung zu einem Zellenstapel oder Zellenpaket aneinander gereiht beziehungsweise gestapelt werden.
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Die Dünnschichtzellen weisen einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht und mit einer Anodenschicht sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht auf. Diese Bestandteile werden von einem flüssigen Elektrolyt (Flüssigelektrolyt) durchdrungen, welcher eine ionische Verbindung der Bestandteile erzeugt. Die Ionenleitung basiert hierbei in der Regel auf Lithium-Ionen.
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Derartige Schichtzellen weisen jedoch nachteiligerweise ein hohes Entzündungsrisiko aufgrund des flüssigen Elektrolyten sowie zudem eine vergleichsweise geringe Energiespeicherdichte auf. Dadurch wird zur Erzeugung der benötigten Hochvoltspannung in elektromotorischen Kraftfahrzeugen eine hohe Anzahl von Schichtzellen benötigt. Das entsprechende Batteriesystem weist somit einen hohen Bauraumbedarf auf. Des Weiteren weist das Batteriesystem ein vergleichsweise hohes Baugewicht auf, welches sich nachteilig auf die Reichweite des elektromotorischen Antriebs auswirkt.
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Schichtzellen mit einem Festkörperelektrolyten, nachfolgend auch als Festkörperzellen bezeichnet, weisen bei gleichem Baugewicht eine wesentlich höhere Energiespeicherdichte als Schichtzellen mit Flüssigelektrolyten auf. Festkörperzellen weisen weiterhin verbesserte Sicherheitseigenschaften auf, da die Festkörperelektrolyten nicht entzündlich sind und ein Dendritenwachstum zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht während eines Lade- oder Entladevorgangs verhindern. Des Weiteren werden aufgrund der Selektivität der Ladungsträger und der generell hohen Stabilität der Festelektrolyten die Zyklenstabilität sowie die Lebensdauer der Festkörperzelle verbessert. Eine derartige (Festkörper-)Batterie ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 207 531 A1 bekannt. Festkörperbatterien dieser Art sind beispielsweise im automotiven Bereich und als Consumer-Zellen sowie für stationäre Energiespeicher einsetzbar.
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Während eines Lade- oder Entladevorgangs treten Volumenänderungen der Elektroden im Schichtverbund der Festkörperzelle auf. Die Schichtdicken der Kathodenschichten in typischen Festkörperzellen betragen etwa 30 μm bis 150 μm. Viele Aktivmaterialien, wie beispielsweise Silizium, weisen eine vergleichsweise große Volumenänderung zwischen Lade- und Entladevorgang von bis zu 300 % auf. Im Vergleich zu Flüssigelektrolyten sind derartige Volumenänderungen mittels eines Festkörperelektrolyten nicht pufferbar, wodurch eine Stapelung oder Aneinanderreihung zu einem Festkörperzellenstapel erschwert wird.
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Die Volumenänderungen im Festkörperzellenstapel können zu Kontaktverlusten zwischen den einzelnen Festkörperzellen sowie zu Beschädigungen (Risse) oder vollständigen Zerstörung der (Festkörper-)Batterie führen. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass die Festkörperzellen bei einer Volumenänderung im Stapelverbund gegeneinander verschoben werden, sodass Kurzschlüsse beziehungsweise Feinschlüsse zwischen den Festkörperzellen auftreten können.
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Zum Schutz vor Umwelteinflüssen sind die Festkörperzellen typischerweise in einem jeweiligen (Zellen-)Gehäuse angeordnet. Durch die Abschirmung wird insbesondere das Aktivmaterial der Anodenschicht vor einem Kontakt mit der Umgebungsluft geschützt. Insbesondere wird hierbei metallisches Lithium als Aktivmaterial vor einem Kontakt mit Sauerstoff, Stickstoff, Luftfeuchtigkeit und/oder Kohlenstoffdioxid geschützt. Durch die Vielzahl an Festkörperzellen in einem Festkörperzellenstapel weist das dadurch gebildete Batteriemodul ein vergleichsweise großes Baugewicht auf, welches sich weiterhin nachteilig auf die Reichweite des elektromotorischen Antriebs überträgt.
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Zur Reduzierung des Baugewichtes ist es beispielsweise aus der
EP 1 487 034 A2 bekannt, den Festkörperzellenstapel fluiddicht in einem Harz einzugießen, sodass keine einzelnen Zellengehäuse für die Festkörperzellen benötigt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriemodul anzugeben, bei welchen die Gefahr eines Verrutschens der Festkörperzellen im Festkörperzellenstapel reduziert ist.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst vorzugsweise ein Batteriegehäuse, in welches ein Festkörperzellenstapel aufgenommen ist. Der Festkörperzellenstapel weist eine Anzahl von entlang einer Stapelrichtung gestapelten oder aneinandergereihten elektrochemischen Festkörperzellen auf. Jede Festkörperzelle ist mit einer Anodenschicht und mit einer Kathodenschicht sowie mit einer zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht sandwichartig angeordneten Festelektrolytschicht (Separator, Zwischenschicht) ausgeführt.
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Um Kontaktverluste während der Zyklisierung zwischen den einzelnen Festkörperzellen zu vermeiden, wird der Festkörperzellenstapel in einer kompakten und definierten Lage innerhalb des Batteriegehäuses gehalten. Hierzu sind die Festkörperzellen zur Bildung des Festkörperzellenstapels mittels einer oder mehrerer Haltevorrichtungen in einer definierten Lage zueinander fixiert.
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Unter einer Festkörperzelle ist insbesondere ein schichtartig aufgebautes galvanisches Element zu verstehen, wobei die Kathodenschicht und die Festelektrolytschicht sowie die Anodenschicht entlang der Stapelrichtung aneinander angereiht sind. Die Schichten sind hierbei vorzugsweise in Dünnschichttechnik hergestellt. Die Abscheidung der einzelnen Schichten erfolgt hierbei beispielsweise mittels Gasabscheidung, nasschemischen Verfahren, Rolle-zu-Rolle-Prozesse oder Siebdruckverfahren.
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Die Kathodenschicht weist als bevorzugtes Aktivmaterial insbesondere Materialien mit einem α-NaFeO2-artigen Aufbau, Schichtoxide, Layer-layered Materialien wie OLO, Olivine, Spinelle, Silicate, Phosphate oder Konversionsmaterialien auf.
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Als geeignete Aktivmaterialien für die Anodenschicht werden insbesondere metallisches Lithium und Lithium-Legierungen sowie Materialien basierend auf Natrium angesehen. Alternativ ist es hierbei auch möglich, ein Graphit, Kohlenstoffe (Hard Carbon, Soft Carbon), oder Mischungen der genannten Materialien als Anodenmaterial zu verwenden.
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Der Festkörperelektrolyt der Festelektrolytschicht ist bevorzugterweise aus NASCION (sodium super ionic conductor), LISICON (lithium super ionic conductor), Sulfide, Oxide (bspw. Granatstrukturen), Phosphate, LiPON oder PEO hergestellt.
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Zur Bildung des Festkörperzellenstapels sind vorzugsweise mehr als 3 und weniger als 10000, insbesondere mehr als 10 und weniger als 1000, Festkörperzellen entlang der Stapelrichtung aneinandergereiht. Die Festkörperzellen sind hierzu direkt, das bedeutet, ohne ein (Zellen-)Gehäuse aneinander gereiht beziehungsweise gestapelt. Mit anderen Worten liegen die Festkörperzellen entlang der Stapelrichtung an ihren jeweiligen Stirnflächen im Wesentlichen lose aneinander (Anlageflächen).
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In einer vorteilhaften Ausführung weisen die einander zugewandten Anlageflächen zweier in Stapelrichtung benachbarter Festkörperzellen eine oberflächenvergrößernde Strukturierung als Teil der Haltevorrichtungen auf. Mit anderen Worten ist die Rauheit der angrenzenden Anlageflächen vergrößert.
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Die rauen Anlageflächen sind beispielsweise im Zuge der Festkörperzellenherstellung hergestellt, oder aber nachträglich durch einen Aufrauprozess an die stirnseitigen Oberflächen der Festkörperzellen eingebracht.
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Die Strukturierungen sind beispielsweise durch ein nachträgliches Strukturwalzen in die Anlageflächen eingeprägt. Ebenso denkbar ist beispielsweise auch eine Laser- oder Mikrostrukturierung. Alternativ werden die Anlageflächen während der Schichtherstellung der Festkörperzellen erzeugt. Die Strukturierungen sind hierzu beispielsweise mittels Sputtern, Drucken, Trocknung, Sintern oder ein geeignetes nasschemisches Ätzen hergestellt. Die Anlageflächen sind somit entweder vorgeformt und gestapelt oder werden im Zuge der Kombination beziehungsweise Stapelung in-situ geformt.
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Unter einer rauen oder aufgerauten Fläche beziehungsweise Strukturierung ist insbesondere eine Gestaltabweichung von einer planen Oberfläche durch Unebenheiten oder Ähnlichem zu verstehen, wodurch insbesondere die im Montage- oder Stapelzustand in Kontakt stehenden Oberflächen zwischen den Festkörperzellen vergrößert wird. Die Oberflächenvergrößerung wirkt sich hierbei positiv auf den Halt zwischen den Festkörperzellen aus, sodass die Gefahr eines Verrutschens vorteilhaft und einfach reduziert wird.
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In einer geeigneten Weiterbildung greifen die Strukturierungen der einander zugewandten Anlageflächen im Stapelzustand formschlüssig ineinander ein. Insbesondere ist hierbei eine mechanische Verzahnung nach Art eines Nut-Feder-Prinzips realisiert. Durch das Ineinandergreifen der vorzugsweise zahn- oder hakenförmigen Strukturierungen ist eine besonders große Kontakt- oder Übergangsfläche zwischen den benachbarten Festkörperzellen ausgebildet.
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Mit anderen Worten sind die Strukturierungen der einander zugewandten Anlageflächen beispielsweise als komplementäre oder gegengleiche Riffelungen ausgestaltet. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf eine Reduzierung des elektrischen (Übergangs-)Widerstandes zwischen den angereihten Festkörperzellen. Mit anderen Worten wird ein niedrig-ohmscher Kontakt zwischen den angereihten Festkörperzellen hergestellt, sodass die elektrische Leitfähigkeit entlang der Stapelrichtung nicht Wesentlich beeinflusst wird.
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In einer bevorzugten Ausbildung weisen die Strukturierungen in Stapelrichtung eine Höhe zwischen 0,01 μm und 20 μm, vorzugsweise zwischen 0,1 μm und 10 μm, insbesondere zwischen 0,1 μm und 5 μm, auf. Dadurch ist ein besonders sicherer Halt zwischen den Festkörperzellen, auch bei im Betrieb auftretenden Vibrationen, gewährleistet. Des Weiteren sind die Strukturierungen somit derart dimensioniert, dass sie im Zuge einer Qualitätsüberwachung in einfacher Art und Weise mittels Mikroskopie (Rasterkraftmikroskopie) oder Dilatometrie überprüft werden können.
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In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung ist der Festkörperzellenstapel mittels einer Mantelhülle als Teil der Haltevorrichtungen vollständig, d. h. insbesondere allseitig, umhüllt. Dadurch wird der Festkörperzellenstapel von außen in einer kompakten und definierten Lage gehalten. Die Umhüllung durch die Mantelhülle schützt den Festkörperzellenstapel auf einfache Art und Weise vor einem Verrutschen der einzelnen Festkörperzellen.
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Insbesondere in einer gemeinsamen Ausführungsform mit der Strukturierung der Anlageflächen ist ein besonders stabiler und zuverlässiger Halt des Festkörperzellenstapels realisiert. Einerseits wird durch die Strukturierung der Halt zwischen den Festkörperzellen, das bedeutet innerhalb des Festkörperzellenstapels selbst, verbessert. Andererseits wird der komplette Festkörperzellenstapel stabilisierend umhüllt.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Mantelhülle fluiddicht, insbesondere luftdicht. Dadurch werden die Festkörperzellen, insbesondere die Aktivmaterialien der Kathoden- und/oder Anodenschicht, vor Umwelteinflüssen geschützt.
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Die Mantelhülle ist beispielsweise aus einem Klebeband oder einem Harz, beziehungsweise Epoxid, hergestellt. Hierbei ist es zum Beispiel möglich, dass der Festkörperstapel in einem Dipcoating-Prozess mit einer flüssigen Mantelschicht umzogen wird, welche im Zuge eines Aushärtens die Mantelhülle ausbildet. Ebenso denkbar ist beispielsweise auch eine Ausgestaltungsform mittels metallischer oder aus Kunststoff hergestellten Klammern. In einer besonders kostengünstigen und baugewichtreduzierten Ausbildung ist die Mantelhülle jedoch insbesondere aus einer Folie hergestellt.
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Durch die Elastizität beziehungsweise Flexibilität der Folie sind hierbei Volumenänderungen des Festkörperzellenstapels während der Zyklisierung ohne Beschädigung der Mantelhülle ausgleichbar. Dadurch wird einem Verrutschen oder Gleiten der einzelnen Festkörperzellen im Stapel auch nach mehreren Zyklen stets zuverlässig entgegengewirkt.
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In einer bevorzugten Anwendung ist eine Anzahl von erfindungsgemäßen Batteriemodulen zu einem gemeinsamen Batteriesystem eines elektrisch beziehungsweise elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das Batteriesystem ist beispielsweise für die elektrische Versorgung des Fahrzeugantriebs des insbesondere als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgestalteten Kraftfahrzeugs ausgebildet. Durch die integrierten Haltevorrichtungen in den einzelnen Modulen ist ein besonders geeignetes Batteriesystem gebildet, welches hinsichtlich der Leistung, der Lebenszeit, der Reichweite sowie der Sicherheitseigenschaften verbessert ist.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur in einer schematischen Schnittdarstellung ein Batteriemodul mit einem mittels Haltevorrichtungen stabilisierten Festkörperzellenstapel.
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Das in der Figur anhand einer schematischen Schnittdarstellung dargestellte Batteriemodul 2 umfasst ein lediglich beispielhaft dargestelltes Batteriegehäuse 4, in welchen ein Festkörperzellenstapel 6 aufgenommen ist. Das Batteriemodul 2 ist vorzugsweise Teil eines Batteriesystems zur elektrischen Versorgung eines Fahrzeugantriebs eines elektrisch beziehungsweise elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugs in diesem integriert.
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Der Festkörperzellenstapel 6 weist eine Anzahl von aufeinandergestapelten elektrochemischen Festkörperzellen 8 auf. Die Festkörperzellen 8 sind hierbei entlang einer Stapelrichtung S gestapelt beziehungsweise angereiht angeordnet. Der Festkörperzellenstapel 6 ist mittels Haltevorrichtungen 10, 12 in einer kompakten und definierten Lage innerhalb des Batteriegehäuses 4 gehalten. Dadurch werden Kontaktverluste zwischen den einzelnen Festkörperzellen 8 während einer Zyklisierung von Lade- und Entladevorgängen vermieden.
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Die Festkörperzellen 8 weisen jeweils eine Anodenschicht 14 und eine Kathodenschicht 16 sowie eine zwischen der Anodenschicht 14 und der Kathodenschicht 16 sandwichartig angeordnete Festelektrolytschicht 18 auf. Die an den Stapelstirnseiten angeordnete Anodenschicht 14 beziehungsweise Kathodenschicht 16 sind hierbei mittels eines nicht näher dargestellten Ableiters mit einem Stromabnehmer des Kraftfahrzeugs kontaktiert. In der Figur sind die Festkörperzellen lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Wie in der Figur schematisch dargestellt weisen die einander zugewandten Anlageflächen 14a, 16a zweier in Stapelrichtung S benachbarter Festkörperzellen 8 jeweils eine Strukturierung als Haltevorrichtung 10 auf. Die Strukturierungen 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Zahnungen mit jeweils einer Anzahl an zahnartigen Fortsätzen ausgeführt. Die geriffelte Strukturierung 10 ist vorzugsweise nachträglich mittels Strukturwalzens in die planen Anlageflächen 14a und 16a der Anodenschicht 14 beziehungsweise Kathodenschicht 16 eingebracht.
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Im Montage- beziehungsweise Stapelzustand greifen die komplementären Strukturierungen 10 der zugewandten Anlageflächen 14a, 16a formschlüssig ineinander ein. Durch die Strukturierung 10 ist einerseits ein verbesserter und rüttelfreier Halt der gestapelten Festkörperzellen 8 gewährleistet. Andererseits ist aufgrund der dadurch erzeugten Oberflächenvergrößerung eine besonders große Kontakt- oder Übergangsfläche zwischen den benachbarten Festkörperzellen 8 ausgebildet. Mit anderen Worten ist somit ein besonders niedriger elektrischen (Übergangs-)Widerstandes zwischen den angereihten Festkörperzellen 8 sichergestellt.
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Der Festkörperzellenstapel 6 ist weiterhin mit einer folienartigen Mantelhülle als Haltevorrichtungen 12 umhüllt. Die Mantelhülle 12 ist hierbei fluiddicht, insbesondere luftdicht, ausgestaltet.
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Durch die Strukturierung 10 wird einerseits der Halt zwischen den gestapelten Festkörperzellen 8, das bedeutet innerhalb des Festkörperzellenstapels 6, verbessert. Andererseits wird der komplette Festkörperzellenstapel 6 mit der Mantelhülle 12 stabilisierend umhüllt.
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In einer geeigneten Dimensionierung sind zur Bildung des Festkörperzellenstapels 6 vorzugsweise mehr als 3 und weniger als 10000, insbesondere mehr als 10 und weniger als 1000, Festkörperzellen 8 entlang der Stapelrichtung S aneinandergereiht. Die Strukturierungen 10 weisen in Stapelrichtung S geeigneterweise eine Höhe zwischen 0,01 μm und 20 μm, vorzugsweise zwischen 0,1 μm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 μm und 5 μm, auf.
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Die Kathodenschicht 16 weist vorzugsweise eine Schichtdicke – das bedeutet eine (Schicht-)Höhe entlang der Stapelrichtung S – von etwa 10 μm bis 200 μm auf. Als geeignetes Aktivmaterial wird beispielsweise ein vom α-NaFeO2-Typ abgeleitetes Schichtoxid, welches zusätzlich Elemente der Übergangsmetalle enthalten kann, angesehen.
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Die Anodenschicht 14 umfasst vorzugsweise ein Aktivmaterial, welches dazu geeignet und eingerichtet ist, reversibel Lithium-Ionen ein- und auszulagern. Besonders bevorzugt ist hierbei metallisches Lithium als Aktivmaterial mit einer Schichtdicke zwischen 1 μm und 150 μm eingesetzt, wobei die luftdichte Mantelhülle 12 das Lithium vorteilhafterweise vor einem Kontakt mit der Umgebungsluft schützt.
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Die Festelektrolytschicht 18 weist einen Festkörperelektrolyt mit einer Schichtdicke zwischen 0,001 μm bis 150 μm auf. Der Festkörperelektrolyt ist hierbei zweckmäßigerweise aus einem ionenleitenden, insbesondere Lithium-Ionen-leitenden, glasartigen oder keramischen Material hergestellt. Insbesondere ist die Festelektrolytschicht 18 beispielsweise aus einem Granat oder Perovskit hergestellt.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batteriemodul
- 4
- Batteriegehäuse
- 6
- Festkörperzellenstapel
- 8
- Festkörperzelle
- 10
- Haltevorrichtung/Strukturierung
- 12
- Haltevorrichtung/Mantelhülle
- 14
- Anodenschicht
- 14a
- Anlagefläche
- 16
- Kathodenschicht
- 16a
- Anlagefläche
- 18
- Festelektrolytschicht
- S
- Stapelrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014204737 A1 [0003]
- DE 102014207531 A1 [0007]
- EP 1487034 A2 [0011]
