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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, umfassend eine Elektrodeneinheit mit einer mit einem negativen Terminal verbundenen Anode und mit einer mit einem positiven Terminal verbundenen Kathode. Dabei durchgreifen das negative Terminal und das positive Terminal eine Deckplatte eines Zellengehäuses, in welchem die Elektrodeneinheit angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, wobei eine Anode einer Elektrodeneinheit mit einem eine Deckplatte eines Zellengehäuses durchgreifenden negativen Terminal verbundenen wird, und eine Kathode der Elektrodeneinheit mit einem die Deckplatte des Zellengehäuses durchgreifenden positiven Terminal verbundenen wird.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Hierbei 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 weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern, oder mit einem Metall legieren, sowie wieder auslagern, oder die Legierung wieder auflösen, können. Ein solcher Vorgang wird auch als Interkalation, beziehungsweise Deinterkalation bezeichnet. Bei einer Legierung wird besagter Vorgang als Konversion bezeichnet. Eine Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriezellen sind Batteriezellen mit einer Post-Lithium-Ionen Technologie, beispielsweise Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft. Dabei handelt es sich um Konversionssysteme.
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Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten. Eine Elektrodeneinheit weist zwei folienartig ausgebildete Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden sind beispielsweise unter Zwischenlage eines Separators zu einem Elektrodenwickel, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird, gewunden. Auch können die Elektroden in Form eines Elektrodenstapels unter Zwischenlage eines Separators übereinander geschichtet sein. Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit werden elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden.
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Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Innerhalb des Zellengehäuses ist die Elektrodeneinheit angeordnet. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Auch andere Bauformen für Zellengehäuse, beispielsweise kreiszylindrisch, sind bekannt.
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Aus der
US 2015/0364742 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, welche eine in einem Zellengehäuse angeordnete Elektrodeneinheit aufweist. Dabei ist ein negatives Terminal mit einer Anode verbundenen, und ein positives Terminal ist mit einer Kathode verbundenen. Das negative Terminal und das positive Terminal durchgreifen eine Deckplatte des Zellengehäuses.
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Aus der
US 2011/0129711 A1 ist eine Batteriezelle mit einer Elektrodeneinheit bekannt. Dabei ist ein negatives Terminal mit Kontaktfahnen einer Anode verbundenen, und ein positives Terminal ist mit Kontaktfahnen einer Kathode verbundenen.
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In der
US 2008/0107961 A1 ist eine Batteriezelle offenbart, welche eine in einem Zellengehäuse angeordnete Elektrodeneinheit aufweist. An dem Zellengehäuse angeordnete Terminals sind mittels Kollektoren mit einer Anode sowie mit einer Kathode der Elektrodeneinheit verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, die eine Elektrodeneinheit mit einer mit einem negativen Terminal verbundenen Anode und mit einer mit einem positiven Terminal verbundenen Kathode umfasst. Dabei durchgreifen das negative Terminal und das positive Terminal eine Deckplatte eines Zellengehäuses, in welchem die Elektrodeneinheit angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß weist die Anode eine Mehrzahl von Anodenkontaktfahnen auf, welche an einer ersten Kontaktstelle mit dem negativen Terminal verschweißt sind, wobei die erste Kontaktstelle auf einer der Deckplatte abgewandten Seite eines ersten Isolationselements angeordnet ist, welches das negative Terminal teilweise umgibt, und/oder die Kathode weist eine Mehrzahl von Kathodenkontaktfahnen auf, welche an einer zweiten Kontaktstelle mit dem positiven Terminal verschweißt sind, wobei die zweite Kontaktstelle auf einer der Deckplatte abgewandten Seite eines zweiten Isolationselements angeordnet ist, welches das positive Terminal teilweise umgibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf einer dem negativen Terminal abgewandten Seite der Anodenkontaktfahnen ein erstes Metallelement angeschweißt, und/ oder auf einer dem positiven Terminal abgewandten Seite der Kathodenkontaktfahnen ist ein zweites Metallelement angeschweißt. Das erste Metallelement ist vorzugsweise dicker als die Anodenkontaktfahnen, und zweite Metallelement ist vorzugsweise dicker als die Kathodenkontaktfahnen. Die Metallelemente verhindern Risse an den Kontaktstellen, insbesondere in den Anodenkontaktfahnen und in den Kathodenkontaktfahnen.
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Vorzugsweise sind die Elektrodeneinheit sowie die erste Kontaktstelle und/oder die zweite Kontaktstelle dabei innerhalb des Zellengehäuses der Batteriezelle angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Anodenkontaktfahnen und die Kathodenkontaktfahnen von der Elektrodeneinheit nebeneinander in Richtung auf die Deckplatte des Zellengehäuses zu. Dabei erfahren die Anodenkontaktfahnen eine Biegung und verlaufen im Bereich der ersten Kontaktstelle parallel zu der Deckplatte des Zellengehäuses, und/oder die Kathodenkontaktfahnen erfahren eine Biegung und verlaufen im Bereich der zweiten Kontaktstelle parallel zu der Deckplatte des Zellengehäuses.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Isolationselement eine Durchgriffsöffnung auf, welche das negative Terminal durchgreift, und/oder das zweite Isolationselement weist eine Durchgriffsöffnung auf, welche das positive Terminal durchgreift.
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Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle vorgeschlagen. Dabei wird eine Anode einer Elektrodeneinheit mit einem eine Deckplatte eines Zellengehäuses durchgreifenden negativen Terminal verbundenen, indem eine Mehrzahl von Anodenkontaktfahnen der Anode an einer ersten Kontaktstelle mit dem negativen Terminal verschweißt werden, wobei die erste Kontaktstelle auf einer der Deckplatte abgewandten Seite eines ersten Isolationselements angeordnet ist, welches das negative Terminal teilweise umgibt, und/oder eine Kathode der Elektrodeneinheit wird mit einem die Deckplatte des Zellengehäuses durchgreifenden positiven Terminal verbundenen, indem eine Mehrzahl von Kathodenkontaktfahnen der Kathode an einer zweiten Kontaktstelle mit dem positiven Terminal verschweißt werden, wobei die zweite Kontaktstelle auf einer der Deckplatte abgewandten Seite eines zweiten Isolationselements angeordnet ist, welches das positive Terminal teilweise umgibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auf einer dem negativen Terminal abgewandten Seite der Anodenkontaktfahnen ein erstes Metallelement angeschweißt, und/ oder auf einer dem positiven Terminal abgewandten Seite der Kathodenkontaktfahnen ist ein zweites Metallelement angeschweißt. Das erste Metallelement ist vorzugsweise dicker als die Anodenkontaktfahnen, und zweite Metallelement ist vorzugsweise dicker als die Kathodenkontaktfahnen. Die Metallelemente verhindern Risse an den Kontaktstellen, insbesondere in den Anodenkontaktfahnen und in den Kathodenkontaktfahnen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Anodenkontaktfahnen mittels Widerstandpunktschweißens mit dem negativen Terminal und mit dem ersten Metallelement verschweißt, indem eine erste Schweißelektrode auf das negative Terminal aufgesetzt wird, und eine zweite Schweißelektrode auf das erste Metallelement aufgesetzt wird, und/oder die Kathodenkontaktfahnen werden mittels Widerstandpunktschweißens mit dem positiven Terminal und mit dem zweiten Metallelement verschweißt, indem eine erste Schweißelektrode auf das positive Terminal aufgesetzt wird, und eine zweite Schweißelektrode auf das zweite Metallelement aufgesetzt wird.
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Vorzugsweise wird nach dem Verschweißen der Anodenkontaktfahnen mit dem negativen Terminal und/oder nach dem Verschweißen der Kathodenkontaktfahnen mit dem positiven Terminal die Deckplatte zumindest annähernd rechtwinklig relativ zu der Elektrodeneinheit gedreht und mit einem Gehäusebecher des Zellengehäuses verschweißt wird. Der Gehäusebecher und die Deckplatte bilden dann das Zellengehäuse, in dem die Elektrodeneinheit sowie die erste Kontaktstelle und die zweite Kontaktstelle angeordnet sind.
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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.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batteriezelle sind zusätzliche, separate Kollektoren zur Verbindung der Anode sowie der Kathode mit den Terminals nicht erforderlich, da die Anodenkontaktfahnen sowie die Kathodenkontaktfahnen unmittelbar mit den Terminals verschweißt werden. Insbesondere kann als Schweißverfahren dabei das Widerstandpunktschweißen eingesetzt werden, welches verhältnismäßig kostengünstig und einfach ausführbar ist. Dabei kann vorteilhaft durch das Terminal hindurch geschweißt werden, wodurch der Übergangswiderstand beim Schweißvorgang reduziert wird. Aber auch andere Schweißverfahren, beispielsweise Laserschweißen, sind denkbar. Das Isolationselement verhindert einerseits, das Schweißspritzer auf die Deckplatte oder an seitliche Bereiche der Terminals gelangen. Ferner gewährleistet das Isolationselement, dass ein beim Widerstandpunktschweißen fließender Strom ausschließlich über die dafür vorgesehene Kontaktstelle fließt.
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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 einer Elektrodeneinheit,
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3 einen Schnitt durch eine Elektrodeneinheit und ein Terminal vor dem Verschweißen,
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4 einen Schnitt durch die Elektrodeneinheit und das Terminal aus 3 während des Verschweißens und
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5 einen Schnitt durch eine Batteriezelle.
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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. Das Zellengehäuse 3 umfasst ferner einen Gehäusebecher 7, welcher mit der Deckplatte 5 verschweißt ist.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Vorliegend ist die Elektrodeneinheit 10 als Elektrodenwickel ausgebildet, und die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewunden. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodeneinheiten 10 in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind.
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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. Von dem Stromableiter 31 der Anode 21 ragen Anodenkontaktfahnen 25 weg und auf die Deckplatte 5 des Zellengehäuses 3 zu. Die Anodenkontaktfahnen 25 des Stromableiters 31 der Anode 21 sind 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. Von dem Stromableiter 32 der Kathode 22 ragen Kathodenkontaktfahnen 26 weg und auf die Deckplatte 5 des Zellengehäuses 3 zu. Die Kathodenkontaktfahnen 26 des Stromableiters 32 der Kathode 22 sind 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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2 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung der Elektrodeneinheit 10 aus 1. Die Anode 21 und die Kathode 22 der Elektrodeneinheit 10 sind dabei um eine Wickelachse A zu dem Elektrodenwickel gewunden. Die Anodenkontaktfahnen 25 und die Kathodenkontaktfahnen 26 erstrecken sich nebeneinander und parallel zu der Wickelachse A von der Elektrodeneinheit 10 weg.
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In 3 ist ein Schnitt durch eine Elektrodeneinheit 10 und ein positives Terminal 12 vor dem Verschweißen dargestellt. Wie bereits in 2 gezeigt, ragen die Kathodenkontaktfahnen 26 aus der Elektrodeneinheit 10 heraus. In der gezeigten Darstellung sind die Anodenkontaktfahnen 25 dabei von den Kathodenkontaktfahnen 26 verdeckt, und das negative Terminal 11 ist von dem positiven Terminal 12 verdeckt.
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Das positive Terminal 12 durchgreift die Deckplatte 5, wobei eine Dichtung 59 zwischen dem positiven Terminal 12 und der Deckplatte 5 angeordnet ist. Die Dichtung 59 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt und stellt einerseits eine elektrische Isolierung zwischen dem positiven Terminal 12 und der Deckplatte 5 dar und dichtet die Öffnung in der Deckplatte 5 zusätzlich gasdicht ab.
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Ein Teil des positiven Terminals 12, welcher später innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnet ist, ist von einem Isolationselement 55 umgeben. Das Isolationselement 55 ist ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt. Das Isolationselement 55 weist dabei eine Durchgriffsöffnung 57 auf, welche das positive Terminal 12 durchgreift.
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In der gezeigten Darstellung, also vor dem Verschweißen, verlaufen die Kathodenkontaktfahnen 26 annähernd geradlinig und parallel zueinander von der Elektrodeneinheit 10 weg. Das positive Terminal 12 und die Deckplatte 5 sind derart positioniert, dass die Deckplatte 5 zumindest annähernd parallel zu den Kathodenkontaktfahnen 26 ausgerichtet ist.
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4 zeigt einen Schnitt durch die Elektrodeneinheit 10 und das positive Terminal 12 aus 3 während des Verschweißens. Ausgehend von der Darstellung aus 3 wird zunächst ein Metallelement 61 auf einer dem positiven Terminal 12 abgewandten Seite der Kathodenkontaktfahnen 26 positioniert.
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Anschließend wird eine erste Schweißelektrode 71 auf das positive Terminal 12 aufgesetzt, und eine zweite Schweißelektrode 72 wird auf das Metallelement 61 aufgesetzt. Danach werden die beiden Schweißelektroden 71, 72 aufeinander zu bewegt. Dadurch werden die Kathodenkontaktfahnen 26 zwischen dem Metallelement 61 und dem positiven Terminal 12 zusammengepresst und dadurch mechanisch fixiert. Die außen liegende Kathodenkontaktfahne 26, die dem positiven Terminal 12 zugewandt ist, liegt dabei auch an dem Isolationselement 55 an.
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Anschließend werden die Kathodenkontaktfahnen 26 mittels Widerstandpunktschweißens mit dem positiven Terminal 12 und mit dem Metallelement 61 verschweißt. Dabei fließt ein Strom zwischen den Schweißelektroden 71, 72 durch das positive Terminal 12, die Kathodenkontaktfahnen 26 und das Metallelement 61. Ein Bereich, an dem die Kathodenkontaktfahnen 26 miteinander sowie mit dem positiven Terminal 12 und mit dem Metallelement 61 verschweißt werden, wird vorliegend als Kontaktstelle 51 bezeichnet. Der beim Widerstandpunktschweißen zwischen den Schweißelektroden 71, 72 fließende Strom fließt dabei ausschließlich über die besagte Kontaktstelle 51.
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Das negative Terminal 11 wird auf gleiche Weise mit den Anodenkontaktfahnen 25 verschweißt. Das Metallelement 61, das mit den Kathodenkontaktfahnen 26 verschweißt wird, ist vorliegend aus Aluminium gefertigt. Jedoch ist das Metallelement 61, das mit den Anodenkontaktfahnen 25 verschweißt wird, vorliegend aus Kupfer gefertigt.
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Die vorliegend aus Kupfer gefertigten Anodenkontaktfahnen 25 weisen eine Dicke im Bereich zwischen 6 µm und 15 µm auf. Das Metallelement 61, das mit den Anodenkontaktfahnen 25 verschweißt wird, weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 50 µm und 300 µm, eventuell bis zu 500 µm, auf. Die vorliegend aus Aluminium gefertigten Kathodenkontaktfahnen 26 weisen eine Dicke im Bereich zwischen 10 µm und 20 µm auf. Das Metallelement 61, das mit den Kathodenkontaktfahnen 26 verschweißt wird, weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 50 µm und 300 µm, eventuell bis zu 500 µm, auf.
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5 zeigt einen Schnitt durch die Batteriezelle 2. Nach dem Verschweißen der Anodenkontaktfahnen 25 mit dem negativen Terminal 11 sowie nach dem Verschweißen der Kathodenkontaktfahnen 26 mit dem positiven Terminal 12 wird die Deckplatte 5 annähernd rechtwinklig in Bezug auf die Elektrodeneinheit 10 gedreht. Anschließend wird die Elektrodeneinheit 10 in den Gehäusebecher 7 eingeführt, und die Deckplatte 5 wird mit dem Gehäusebecher 7 zu dem Zellengehäuse 3 verschweißt. Die Elektrodeneinheit 10 und die Kontaktstellen 51 sind somit innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnet.
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Die Kathodenkontaktfahnen 26 erstrecken sich dabei von der Elektrodeneinheit 10 zunächst in Richtung auf die Deckplatte 5 des Zellengehäuses 3 zu. Dabei erfahren die Kathodenkontaktfahnen 26 eine Biegung und verlaufen im Bereich der Kontaktstelle 51 parallel zu der Deckplatte 5 des Zellengehäuses 3. Die in dieser Darstellung von den Kathodenkontaktfahnen 26 verdeckten Anodenkontaktfahnen 25 erstrecken sich von der Elektrodeneinheit 10 zunächst in Richtung auf die Deckplatte 5 des Zellengehäuses 3 zu. Dabei erfahren die Anodenkontaktfahnen 25 ebenfalls eine Biegung und verlaufen im Bereich der Kontaktstelle 51 parallel zu der Deckplatte 5 des Zellengehäuses 3.
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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 2015/0364742 A1 [0006]
- US 2011/0129711 A1 [0007]
- US 2008/0107961 A1 [0008]
