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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ableiterelement einer Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle nach Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle mit einem solchen Ableiterelement. Des Weiteren ist auch eine Batteriezelle Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Es ist bekannt, dass es insbesondere bei Lithium-Ionen-Batteriezellen über der Betriebsdauer zu als Dendriten bezeichneten Ablagerungen von Lithium an den Elektroden kommen kann. Dendrite wachsen dabei mit zunehmender Betriebsdauer stetig an und können im ungünstigsten Fall aufgrund ihrer durchaus spitzen Ausbildung den die Elektroden elektrisch voneinander trennenden Separator durchstoßen und dadurch zu Kurzschlüssen in den einzelnen Batteriezellen führen. Auch Verunreinigungen während der Herstellung, wie beispielsweise an den Elektroden anhaftende Partikel, können unter Umständen Dendritenwachstum begünstigen und schließlich zu Kurzschlüssen in den Batteriezellen führen.
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Batteriezellen, welche aufgrund von Kurzschlüssen nicht mehr funktionsfähig sind, sollten rechtzeitig und zuverlässig vom Stromkreis der Batterie getrennt werden, um weitere Schädigungen durch erhöhte Stromflüsse vermeiden zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Ableiterelement einer Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass auf einfache und zuverlässige Weise eine Sicherung gegenüber einem erhöhten Stromfluss beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei ist es möglich, die elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Spannungsabgriff der galvanischen Zelle und einer Elektrode der galvanischen Zelle mechanisch zu trennen.
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Erfindungsgemäß wird ein Ableiterelement einer Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle zur Verfügung gestellt. Das Ableiterelement ist dabei mit einer Elektrode der galvanischen Zelle verbindbar, wobei die Elektrode insbesondere eine Anode oder eine Kathode ist. Weiterhin weist das Ableiterelement zumindest einen ersten Kontaktbereich auf, welcher elektrisch leitend mit der Elektrode verbindbar ist. Zudem weist das Ableiterelement zumindest einen zweiten Kontaktbereich auf, welcher als ein Spannungsabgriff der galvanischen Zelle ausgebildet ist oder elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff der galvanischen Zelle verbindbar ist.
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Ferner sind der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich durch einen Sicherheitsbereich elektrisch leitend miteinander verbunden. Weiterhin ist der Sicherheitsbereich dazu ausgebildet, bei einem Überschreiten eines definierten Wertes für den elektrischen Strom und/oder eines definierten Wertes für die Temperatur die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich zu unterbrechen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Vorrichtungen oder des in dem unabhängigen Anspruch angegeben Verfahrens möglich.
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Gemäß einem ersten Gedanken der Erfindung ist der Sicherheitsbereich aus einem ersten Material ausgebildet und der erste Kontaktbereich ist aus einem zweiten Material ausgebildet. Dabei weist das erste Material des Sicherheitsbereiches einen niedrigeren Schmelzpunkt und/oder einen größeren elektrischen Widerstand auf als das zweite Material des ersten Kontaktbereiches.
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Dadurch ist es möglich, dass ein erhöhter Stromfluss zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich, welcher insbesondere oberhalb eines kritischen Wertes liegt, dazu führt, dass der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich aufgrund einer mechanischen Trennung in dem Sicherheitsbereich mechanisch und elektrisch voneinander getrennt werden. Somit kann der Stromfluss zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich, also auch zwischen der Elektrode der galvanischen Zelle und dem Spannungsabgriff der galvanischen Zelle, unterbrochen werden.
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Dabei bedingt ein elektrischer Stromfluss durch den Sicherheitsbereich aufgrund dessen elektrischen Widerstandes eine teilweise Umwandlung der elektrischen Energie in Wärmeenergie, welche zu einer Erhöhung der Temperatur des Sicherheitsbereiches führen kann.
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Weist das erste Material des Sicherheitsbereiches nun einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das zweite Material des ersten Kontaktbereiches führt ein erhöhter Stromfluss zu einer Erhöhung der Temperatur und schließlich dazu, dass der Sicherheitsbereich schmilzt und dadurch der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich mechanisch voneinander getrennt werden können. Weist das erste Material des Sicherheitsbereiches einen größeren elektrischen Widerstand auf als das zweite Material des ersten Kontaktbereiches führt ein erhöhter Stromfluss aufgrund des größeren elektrischen Widerstandes zu einer erhöhten Temperatur des Sicherheitsbereiches, wodurch der Sicherheitsbereich schmilzt und dadurch der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich mechanisch und elektrisch voneinander getrennt werden können.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das erste Material einen niedrigeren Schmelzpunkt und einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als das zweite Material des ersten Kontaktbereiches.
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Gemäß einem zweiten Gedanken der Erfindung weist das Ableiterelement eine von dem ersten Kontaktbereich in Richtung des zweiten Kontaktbereiches weisende Längsrichtung auf. Weiterhin weist der Sicherheitsbereich eine erste Querschnittsfläche auf, die senkrecht zu der Längsrichtung angeordnet ist. Weiterhin weist der erste Kontaktbereich eine zweite Querschnittsfläche auf, die senkrecht zu der Längsrichtung angeordnet ist. Dabei weist die erste Querschnittsfläche des Sicherheitsbereiches einen kleineren Flächeninhalt auf als die zweite Querschnittsfläche des ersten Kontaktbereiches. Dadurch kann auf zuverlässige Weise eine Sicherung vor überhöhten Stromflüssen zur Verfügung gestellt werden. Dabei ist die Stromdichte, welche als elektrische Stromstärke pro Flächeneinheit verstanden sein soll, in dem Sicherheitsbereich im Vergleich zu dem ersten Kontaktbereich erhöht aufgrund des kleineren Flächeninhalts der Querschnittsfläche. Somit ist auch der in Wärmeenergie umgewandelte Anteil der elektrischen Energie erhöht, wodurch der Sicherheitsbereich eine erhöhte Temperatur im Vergleich zu dem ersten Kontaktbereich aufweist. Weiterhin schmilzt damit der Sicherheitsbereich im Vergleich zu dem ersten Kontaktbereich zuerst. An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass aufgrund des kleineren Flächeninhalts die Menge des zu schmelzenden Materials des Sicherheitsbereiches auch noch reduziert ist, wodurch die zuverlässige Trennung des ersten Kontaktbereiches und des zweiten Kontaktbereiches weiter erhöht werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des eben beschriebenen zweiten Gedankens der Erfindung weist der Sicherheitsbereich zumindest eine Perforierung, einen Schlitz oder eine Aussparung auf. Dadurch ist eine einfache Ausbildung des Ableiterelements möglich, bei welcher die erste Querschnittsfläche des Sicherheitsbereiches einen kleineren Flächeninhalt aufweist als zweite Querschnittsfläche des ersten Kontaktbereiches.
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Bevorzugt ist das Ableiterelement aus zumindest einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Insbesondere ist das Ableiterelement aus Aluminium und/oder Kupfer ausgebildet.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass vorzugsweise der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich aus Aluminium ausgebildet sind, sollte die Elektrode vorzugsweise eine Aluminiumelektrode sein. Weiterhin sei in dieser Stelle angemerkt, dass vorzugsweise der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich aus Kupfer ausgebildet sind, sollte die Elektrode eine Kupferelektrode sein.
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Dabei ist es möglich, dass auch der Sicherheitsbereich aus Aluminium bzw. aus Kupfer ausgebildet ist, sollte die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich durch einen beispielsweise kleineren Flächeninhalt der ersten Querschnittsfläche des Sicherheitsbereiches im Vergleich zu der zweiten Querschnittsfläche des ersten Kontaktbereiches ausgebildet sein, wobei der Sicherheitsbereich dabei vorteilhafterweise zumindest eine Perforierung, einen Schlitz oder eine Aussparung aufweist. Weiterhin ist es dabei auch möglich, dass der Sicherheitsbereich aus einer metallischen Legierung ausgebildet ist, welche einen niedrigeren Schmelzpunkt und/oder einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als das Aluminium bzw. das Kupfer, aus welchem vorteilhafterweise der erste Kontaktbereich und insbesondere auch der zweite Kontaktbereich ausgebildet ist.
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Ferner betrifft die Erfindung auch eine Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle mit einem Ableiterelement, welches bevorzugt ein eben beschriebenes erfindungsgemäßes Ableiterelement ist. Die Elektrodenanordnung weist weiterhin eine Elektrode auf, die insbesondere eine Kathode oder eine Anode ist.
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Weiterhin weist das Ableiterelement zumindest einen ersten Kontaktbereich auf, der elektrisch leitend mit der Elektrode verbunden ist, wobei insbesondere der erste Kontaktbereich stoffschlüssig mit der Elektrode verbunden ist oder die Elektrode das Ableiterelement ausbildet.
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Weiterhin weist das Ableiterelement zumindest einen zweiten Kontaktbereich auf, der als ein Spannungsabgriff der galvanischen Zelle ausgebildet ist oder elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff der galvanischen Zelle verbindbar ist. Dabei sind der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich durch einen Sicherheitsbereich elektrisch leitend miteinander verbunden. Weiterhin ist der Sicherheitsbereich dazu ausgebildet, bei einem Überschreiten eines definierten Wertes für den elektrischen Strom und/oder für die Temperatur die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich zu unterbrechen.
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Dies hat den Vorteil, dass eine Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle zur Verfügung gestellt werden kann, welche eine zuverlässige Sicherung gegen einen erhöhten Stromfluss aufweist.
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An dieser Stelle angemerkt, dass eine Elektrodenanordnung mit einem beschriebenen Ableiterelement selbstverständlich auch durch alle im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ableiterelement beschriebenen Weiterbildungen für das Ableitungselement weitergebildet werden kann und dementsprechend auch die erwähnten Vorteile aufweist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine galvanische Zelle mit einem beschriebenen erfindungsgemäßen Ableiterelement und/oder mit einer beschriebenen erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 schematisch in einer Seitenansicht eine Ausführungsform einer Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ableiterelements,
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1a schematisch in einer Seitenansicht einen Ausschnitt einer Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle mit einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ableiterelements,
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1b schematisch in einer Seitenansicht einen Ausschnitt einer Elektrodenanordnung einer galvanischen Zelle mit einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ableiterelements und
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2 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Elektrodenanordnung einer galvanischen Zellen mit einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Ableiterelements.
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Die 1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 1 einer hier nicht gezeigten galvanischen Zelle.
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Die Elektrodenanordnung 1 weist ein erfindungsgemäßes Ableiterelement 2 auf, welches in der 1 gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt ist. Weiterhin weist die Elektrodenanordnung 1 eine Elektrode 3 auf. Dabei ist die Elektrode 3 insbesondere eine Kathode oder eine Anode der galvanischen Zelle.
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Wie aus der 1 zu erkennen ist, ist das Ableiterelement 2 mit der Elektrode 3 verbunden, wobei die Verbindung des Ableiterelements 2 und der Elektrode 3 elektrisch leitend ausgebildet ist.
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Dabei weist weiterhin das Ableiterelement 2 zumindest einen ersten Kontaktbereich 21 auf. Der erste Kontaktbereich 21 ist elektrisch leitend mit der Elektrode 3 verbunden.
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Zudem weist das Ableiterelement 2 dabei zumindest einen zweiten Kontaktbereich 22 auf, der als ein Spannungsabgriff der galvanischen Zelle ausgebildet sein kann oder auch elektrisch leitend mit einem hier nicht gezeigten Spannungsabgriff der galvanischen Zelle verbunden werden kann. Insbesondere kann der zweite Kontaktbereich beispielsweise über eine Ultraschallschweißung mit einem zumindest zwei galvanische Zellen elektrisch leitend miteinander verbindenden und hier auch nicht gezeigten Zellverbinder elektrisch leitend verbunden sein.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der zweite Kontaktbereich 22 dazu ausgebildet, elektrischen Strom in die galvanische Zelle hinein zu leiten, sollte die Elektrode 3 eine Kathode sein, oder elektrischen Strom aus der galvanischen Zellen heraus zu leiten, sollte die Elektrode 3 eine Anode sein.
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An dieser Stelle angemerkt, dass die Elektrode 3 bevorzugt eine Anode ist.
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Der erste Kontaktbereich 21 und der zweite Kontaktbereich 22 sind durch einen Sicherheitsbereich 23 elektrisch leitend miteinander verbunden. Dabei ist der Sicherheitsbereich 23 weiterhin dazu ausgebildet, bei einem Überschreiten eines definierten Wertes für den elektrischen Strom und/oder die Temperatur die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Kontaktbereich 21 zweiten Kontaktbereich 22 zu unterbrechen.
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Die in der 1 eingezeichneten gestrichelten Linien 25, 26 dienen zu einer Verdeutlichung der Abgrenzung zwischen dem ersten Kontaktbereich 21 und dem Sicherheitsbereich 23 sowie zu einer Verdeutlichung der Abgrenzung zwischen dem zweiten Kontaktbereich 22 und dem Sicherheitsbereich 23.
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Das Ableiterelement 2 weist eine von dem ersten Kontaktbereich 21 in Richtung des zweiten Kontaktbereiches 22 weisende Längsrichtung 24 auf. Der Sicherheitsbereich 23 weist eine senkrecht zu der Längsrichtung 24 angeordnete erste Querschnittsfläche 51 auf und der erste Kontaktbereich 21 weist eine senkrecht zur Längsrichtung angeordnete zweite Querschnittsfläche 52 auf. Die erste Querschnittsfläche 51 und die zweite Querschnittsfläche 52 stehen dabei jeweils senkrecht auf der Zeichenebene der 1, so dass in 1 nur jeweils eine Kante der Querschnittsflächen 51, 52 zu erkennen ist.
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Gemäß der in der 1 dargestellten Elektrodenanordnung 1 mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ableiterelements 2 weist die erste Querschnittsfläche 51 des Sicherheitsbereiches 23 einen kleineren Flächeninhalt auf als die zweite Querschnittsfläche 52 des ersten Kontaktbereiches 21.
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Bei der in der 1 gezeigten Ausbildung der Elektrodenanordnung 1 mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Ableiterelements 2 ist der kleinere Flächeninhalt der ersten Querschnittsfläche 51 des Sicherheitsbereiches 23 im Vergleich zu der zweiten Querschnittsfläche 52 des ersten Kontaktbereiches 21 dadurch ausgebildet, dass der Sicherheitsbereich 23 Aussparungen 41 aufweist.
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Die 1a und 1b zeigen jeweils schematisch in einer Seitenansicht den in 1 dargestellten Ausschnitt A einer Elektrodenanordnung 1. Dabei unterscheiden sich die in den 1a und 1b gezeigten Elektrodenanordnungen 1 lediglich in der Ausbildung des Sicherheitsbereiches 23 von dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Elektrodenanordnung 1.
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Die 1a zeigt eine Elektrodenanordnung 1 einer galvanischen Zelle mit einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Ableiterelements 2. Dabei weist der Sicherheitsbereich 23 Perforierungen 42 auf. Unter einer Perforierung 42 soll an dieser Stelle eine durch den Sicherheitsbereich 23 durchgehend verlaufende Öffnung verstanden sein, welche insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Die 1b zeigt eine Elektrodenanordnung 1 einer galvanischen Zelle mit einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Ableiterelements 2. Dabei weist der Sicherheitsbereich 23 einen Schlitz 43 auf. Unter einem Schlitz 43 soll an dieser Stelle eine durch den Sicherheitsbereich 23 durchgehend verlaufende Ausnehmung verstanden sein, welche beispielsweise mittels eines Lasers erzeugt werden kann.
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An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die in den 1, 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen der Elektrodenanordnung 1 mit jeweils erfindungsgemäßen Ausbildungen der Ableiterelemente 2 eine mechanische und elektrische Trennung des ersten Kontaktbereiches 21 und des zweiten Kontaktbereiches 22 bei einem erhöhten elektrischen Strom aufgrund des kleineren Flächeninhalts der ersten Querschnittsfläche 51 des Sicherheitsbereiches 23 im Vergleich zu der zweiten Querschnittsfläche 52 des ersten Kontaktbereiches 21 zur Verfügung stellen.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 1 einer hier auch nicht gezeigten galvanischen Zelle mit einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Ableiterelements 2.
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Dabei ist der Sicherheitsbereich 23 aus einem ersten Material ausgebildet und der erste Kontaktbereich 21 und insbesondere auch der zweite Kontaktbereich 22 aus einem zweiten Material ausgebildet.
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Die in der 2 gezeigte weitere Ausführungsform der Elektrodenanordnung 1 unterscheidet sich von den in den 1, 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen insbesondere jeweils weiterhin dadurch, dass das erste Material des Sicherheitsbereiches 23 einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das zweite Material des ersten Kontaktbereiches 21. Weiterhin ist es auch möglich, dass das erste Material des Sicherheitsbereiches 23 einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als das zweite Material des ersten Kontaktbereiches 21.
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Weiterhin unterscheidet sich das in der 2 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel der Elektrodenanordnung 1 von den in den 1, 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen dadurch, dass die Elektrode 3 das Ableiterelement 2 ausbildet.
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Bevorzugt sind der erste Kontaktbereich 21 und der zweite Kontaktbereich 22 jeweils aus Kupfer ausgebildet, wenn die Elektrode 3 eine aus Kupfer ausgebildete Elektrode ist. Weiterhin kann dabei gemäß den in den 1, 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispielen auch der Sicherheitsbereich 23 vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei gemäß dem in der 2 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel der Sicherheitsbereich 23 vorzugsweise aus einem Material mit einer im Vergleich zu Kupfer niedrigeren Schmelztemperatur und/oder mit einem im Vergleich zu Kupfer größeren elektrischen Widerstand ausgebildet sein, wie beispielsweise einer metallischen Legierung ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind der erste Kontaktbereich 21 und der zweite Kontaktbereich 22 jeweils aus Aluminium ausgebildet, wenn die Elektrode 3 eine aus Aluminium ausgebildete Elektrode ist. Weiterhin kann dabei gemäß den in den 1, 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispielen auch der Sicherheitsbereich 23 vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei gemäß dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Sicherheitsbereich 23 vorzugsweise aus einem Material mit einer im Vergleich zu Aluminium niedrigeren Schmelztemperatur und/oder mit einem im Vergleich zu Aluminium größeren elektrischen Widerstand ausgebildet sein, wie beispielsweise einer metallischen Legierung ausgebildet sein.
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An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass das Ableiterelement 2 bevorzugt stoffschlüssig mit der Elektrode 3 verbunden ist, wie in den 1, 1a und 1b gezeigt ist. Des Weiteren es auch möglich, dass die Elektrode 3, wie in der 2 gezeigt ist, das Ableiterelement 2 ausbildet.
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Des Weiteren sei auch noch angemerkt, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich einem besseren Verständnis dienen und die Erfindung keineswegs einschränken sollen. Insbesondere ist es möglich, die gezeigten Ausführungsbeispiele wie bereits beschrieben miteinander zu kombinieren.
