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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, wobei eine erste Aktivmaterialschicht mittels Unterdruck an einer Vakuumeinheit fixiert wird, und eine Separatorschicht mittels Unterdruck auf der ersten Aktivmaterialschicht fixiert wird, wodurch eine Verbundschicht gebildet wird, welche einem Schichtenstapel zugeführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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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. 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.
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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. Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einer Elektrodeneinheit zusammengefügt.
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Eine solche Elektrodeneinheit ist beispielsweise als Elektrodenstapel ausgeführt, bei dem mehrere plattenförmige Lagen von Anode, Kathode und Separator übereinander geschichtet sind. Eine Elektrodeneinheit kann auch als Elektrodenwickel ausgeführt sein, wobei die Anode, die Kathode und der Separator als bandförmige Streifen vorliegen und zu dem Elektrodenwickel gewunden werden.
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Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. 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. Aber auch andere Gehäuseformen, beispielsweise kreiszylindrisch, oder auch flexible Pouchzellen, sind bekannt.
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Die Anode, die Kathode und der Separator müssen verhältnismäßig exakt zueinander positioniert werden. Dabei ist insbesondere die Handhabung von biegeschlaffen Separatoren verhältnismäßig aufwendig. Ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für eine Elektrodeneinheit ist beispielsweise aus der
WO 2005/008807 A2 bekannt.
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Aus der
US 2012/0276435 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit bekannt. Dabei werden Elektrodenschichten sowie Separatorschichten der Elektrodeneinheit beim Zusammenfügen auf einer Vakuumeinheit fixiert.
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Die
US 2013/0298389 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels. Dabei werden Elektrodenschichten sowie Separatorschichten abwechselnd von einer oder mehreren Vakuumeinheiten aufgenommen und auf den Elektrodenstapel abgelegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird dabei eine erste Aktivmaterialschicht mittels Unterdruck von einer Vakuumeinheit fixiert, und eine Separatorschicht wird mittels Unterdruck auf der ersten Aktivmaterialschicht fixiert. Durch das Zusammenfügen der Aktivmaterialschicht und der Separatorschicht wird eine Verbundschicht gebildet, welche frei von einem metallischen Stromableiter ist. Die so gebildete Verbundschicht wird dann einem Schichtenstapel zugeführt, welcher mindestens einen metallischen Stromableiter enthält.
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Bei der ersten Aktivmaterialschicht der Verbundschicht kann es sich dabei um eine kathodische Aktivmaterialschicht oder um eine anodische Aktivmaterialschicht handeln. Ebenso kann es sich bei dem mindestens einen metallischen Stromableiter um einen Stromableiter der Kathode oder um einen Stromableiter der Anode handeln.
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Die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht weist bevorzugt eine höhere Luftdurchlässigkeit auf als die Separatorschicht der Verbundschicht. Insbesondere ist die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht verhältnismäßig porös ausgebildet, und die Separatorschicht der Verbundschicht verhältnismäßig luftundurchlässig ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Bildung der Verbundschicht die Separatorschicht von der Vakuumeinheit durch die erste Aktivmaterialschicht hindurch angesaugt.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass die Separatorschicht seitlich einen Überstand über die erste Aktivmaterialschicht aufweist, und dass bei der Bildung der Verbundschicht der Überstand der Separatorschicht von der Vakuumeinheit angesaugt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein erster Stromableiter auf die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht abgelegt.
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Wenn die erste Aktivmaterialschicht eine anodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der erste Stromableiter ein Stromableiter der Anode. Wenn die erste Aktivmaterialschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der erste Stromableiter ein Stromableiter der Kathode.
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Vorzugsweise wird die gebildete Verbundschicht derart dem Schichtenstapel zugeführt, dass die Separatorschicht der Verbundschicht unmittelbar auf einer zweiten Aktivmaterialschicht abgelegt wird. Die zweite Aktivmaterialschicht weist dabei eine der ersten Aktivmaterialschicht der Verbundschicht entgegengesetzte Polarität auf.
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Wenn die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht beispielsweise eine anodische Aktivmaterialschicht ist, so ist die zweite Aktivmaterialschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht. Wenn die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht ist, so ist die zweite Aktivmaterialschicht eine anodische Aktivmaterialschicht. Die Separatorschicht der Verbundschicht ist somit also zwischen einer anodischen Aktivmaterialschicht und einer kathodischen Aktivmaterialschicht in dem Schichtenstapel angeordnet.
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Die zweite Aktivmaterialschicht ist dabei bevorzugt auf einem zweiten Stromableiter angeordnet, und die Separatorschicht der Verbundschicht wird auf einer dem zweiten Stromableiter abgewandten Seite der zweiten Aktivmaterialschicht abgelegt. Wenn die zweite Aktivmaterialschicht eine anodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der zweite Stromableiter ein Stromableiter der Anode. Wenn die zweite Aktivmaterialschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der zweite Stromableiter ein Stromableiter der Kathode.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bildung der Verbundschicht die erste Aktivmaterialschicht und die Separatorschicht als plattenförmige Lagen der Vakuumeinheit zugeführt. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung einer Lage in eine Längsrichtung annähernd gleich groß, insbesondere mindestens halb so groß und höchstens doppelt so groß, ist wie eine Ausdehnung der Lage in eine Querrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung orientiert ist.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bildung der Verbundschicht die erste Aktivmaterialschicht und die Separatorschicht als bandförmige Streifen der Vakuumeinheit zugeführt. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung eines Streifens in die Längsrichtung deutlich größer ist als eine Ausdehnung des Streifens in die Querrichtung.
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Es wird auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit findet vorteilhaft Verwendung in einer Batteriezelle 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 das erfindungsgemäße Verfahren ist die Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle mit verhältnismäßig geringem Aufwand und in verhältnismäßig kurzer Taktzeit durchführbar. Insbesondere ist die Handhabung der relativ dünnen und biegeschlaffen Separatorschichten vorteilhaft vereinfacht. Weiterhin ist die Gefahr der Beschädigung der dünnen und biegeschlaffen Separatorschichten bei Herstellung der Elektrodeneinheit vorteilhaft verringert.
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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 Darstellung zur Bildung einer Verbundschicht gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 eine Seitenansicht eines Schichtenstapels gemäß der ersten Ausführungsform und
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4 eine Seitenansicht eines Schichtenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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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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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt.
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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.
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Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche beispielsweise als Elektrodenstapel oder als Elektrodenwickel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch Separatorschichten 18, 19 voneinander separiert. Die Separatorschichten 18, 19 sind ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
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Die Anode 21 umfasst eine anodische Aktivmaterialschicht 41 und einen Stromableiter 31. 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 eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 und einen Stromableiter 32. 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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2 zeigt eine schematische Darstellung zur Bildung einer Verbundschicht 60 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die so gebildete Verbundschicht 60 wird später einem hier nicht dargestellten Schichtenstapel 50 zugeführt, und der Schichtenstapel 50 wird zu der Elektrodeneinheit 10 weiter verarbeitet.
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Zunächst wird eine plattenförmige Lage der anodische Aktivmaterialschicht 41 einer Vakuumeinheit 70 zugeführt. Die anodische Aktivmaterialschicht 41 wird mittels Unterdruck von der Vakuumeinheit 70 fixiert.
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Vorliegend bildet die anodische Aktivmaterialschicht 41 eine erste Aktivmaterialschicht, und die kathodische Aktivmaterialschicht 42 bildet eine zweite Aktivmaterialschicht. Selbstverständlich kann, alternativ, auch die kathodische Aktivmaterialschicht 42 die erste Aktivmaterialschicht bilden, und die anodische Aktivmaterialschicht 41 kann die zweite Aktivmaterialschicht bilden. Dies gilt für die erste Ausführungsform ebenso wie für die zweite Ausführungsform.
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Von einem bandförmigen Streifen werden entlang der Schnittlinien S plattenförmige Lagen einer ersten Separatorschicht 18 geschnitten und eine Lage der ersten Separatorschicht 18 wird ebenfalls der Vakuumeinheit 70 zugeführt. Die erste Separatorschicht 18 wird mittels Unterdruck von der Vakuumeinheit 70 auf der anodischen Aktivmaterialschicht 41 fixiert. Die erste Separatorschicht 18 wird dabei von der Vakuumeinheit 70 durch die anodische Aktivmaterialschicht 41 hindurch angesaugt.
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Die anodische Aktivmaterialschicht 41 und die erste Separatorschicht 18 bilden die Verbundschicht 60. Die plattenförmigen Lagen der ersten Separatorschicht 18 werden dabei derart geschnitten, dass sie einen seitlichen Überstand über die plattenförmigen Lagen der zugehörigen anodischen Aktivmaterialschicht 41 aufweisen.
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Die so gebildete Verbundschicht 60 wird dann dem in 3 in einer Seitenansicht dargestellten Schichtenstapel 50 zugeführt. Der Schichtenstapel 50 umfasst zunächst eine Lage der kathodischen Aktivmaterialschicht 42, welche auf einem Stromableiter 32 der Kathode 22 angeordnet ist.
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Vorliegend bildet der Stromableiter 32 der Kathode 22 einen zweiten Stromableiter, und der Stromableiter 31 der Anode 21 bildet einen ersten Stromableiter. Selbstverständlich kann, alternativ, auch der Stromableiter 31 der Anode 21 den ersten Stromableiter bilden, und der Stromableiter 32 der Kathode 22 kann dien zweiten Stromableiter bilden. Dies gilt für die erste Ausführungsform ebenso wie für die zweite Ausführungsform.
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Die Verbundschicht 60 wird dem Schichtenstapel 50 derart zugeführt, dass die erste Separatorschicht 18 unmittelbar auf der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 abgelegt wird. Die erste Separatorschicht 18 der Verbundschicht 60 wird also auf einer dem Stromableiter 32 der Kathode 22 abgewandten Seite der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 abgelegt. Die erste Separatorschicht 18 der Verbundschicht 60 ist danach zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht 41 der Verbundschicht 60 und der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 in dem Schichtenstapel 50 angeordnet.
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Anschließend wird ein Stromableiter 31 der Anode 21 auf die anodische Aktivmaterialschicht 41 der Verbundschicht 60 abgelegt, und eine weitere anodische Aktivmaterialschicht 41 wird separat auf den Stromableiter 31 der Anode 21 abgelegt.
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Danach wird eine weitere Verbundschicht 60 dem Schichtenstapel 50 zugeführt, welche aus einer zweiten Separatorschicht 19 und der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 gebildet ist. Die weitere Verbundschicht 60 wird dem Schichtenstapel 50 derart zugeführt, dass die zweite Separatorschicht 19 unmittelbar auf der anodischen Aktivmaterialschicht 41 abgelegt wird. Die zweite Separatorschicht 19 der weiteren Verbundschicht 60 ist danach zwischen der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 der weiteren Verbundschicht 60 und der anodischen Aktivmaterialschicht 41 in dem Schichtenstapel 50 angeordnet.
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In der Folge werden weitere Stromableiter 31, 32, weitere Aktivmaterialschichten 41, 42 und weitere Verbundschichten 60 auf dem Schichtenstapel 50 abgelegt. Die Stromableiter 31 der Anode 21 sind danach jeweils zwischen zwei anodischen Aktivmaterialschichten 41 angeordnet. Die Stromableiter 32 der Kathode 22 sind danach jeweils zwischen zwei kathodischen Aktivmaterialschichten 42 angeordnet. Lediglich an einem Ende des Schichtenstapels 50 angeordnete Stromableiter 31, 32 grenzen nur an eine Aktivmaterialschicht 41, 42 an.
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Die Stromableiter 31 der Anode 21 und die angrenzenden anodischen Aktivmaterialschichten 41 bilden die Anode 21. Die Stromableiter 32 der Kathode 22 und die angrenzenden kathodischen Aktivmaterialschichten 42 bilden die Kathode 22. Zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 ist jeweils eine Separatorschicht 18, 19 angeordnet.
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Anschließend werden die Stromableiter 31 der Anode 21 in dem Schichtenstapel 50 elektrisch miteinander verbunden, und die Stromableiter 32 der Kathode 22 in dem Schichtenstapel 50 werden elektrisch miteinander verbunden. Dadurch entsteht die Elektrodeneinheit 10, welche dann vorliegend als Elektrodenstapel ausgebildet ist.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines Schichtenstapels 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform während des Herstellprozesses. Dabei werden eine anodische Aktivmaterialschicht 41 sowie die erste Separatorschicht 18 jeweils als bandförmige Streifen einer ersten Vakuumeinheit 70 zugeführt, und eine weitere anodische Aktivmaterialschicht 41 sowie die zweite Separatorschicht 19 werden jeweils als bandförmige Streifen einer zweiten Vakuumeinheit 70 zugeführt. Der Schichtenstapel 50 ist somit vorliegend als kontinuierlicher bandförmiger Streifen ausgebildet.
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Die beiden Vakuumeinheiten 70 können, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform in 2 dargestellt, einen flachen Ansaugbereich aufweisen, auf welchen die anodischen Aktivmaterialschichten 41 sowie die Separatorschichten 18, 19 flächig angesaugt werden. Alternativ können die beiden Vakuumeinheiten 70 auch beispielsweise als umlaufende, zylindrische Trommeln ausgebildet sein, wobei jeweils der Umfang der zylindrischen Trommeln den Ansaugbereich der beiden Vakuumeinheiten 70 darstellt.
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Die erste Vakuumeinheit 70 saugt durch die anodische Aktivmaterialschicht 41 hindurch die erste Separatorschicht 18 an, wodurch eine Verbundschicht 60 gebildet wird. Die zweite Vakuumeinheit 70 saugt durch die anodische Aktivmaterialschicht 41 hindurch die zweite Separatorschicht 19 an, wodurch eine weitere Verbundschicht 60 gebildet wird.
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Die beiden Verbundschichten 60 werden dann zusammen mit dem Stromableiter 31 der Anode 21, welcher ebenfalls als bandförmiger Streifen vorliegt, dem Schichtenstapel 50 zugeführt. Dabei ist der Stromableiter 31 der Anode 21 zwischen den beiden anodischen Aktivmaterialschichten 41 der beiden Verbundschichten 60 angeordnet. Der Stromableiter 31 der Anode 21 und die beiden angrenzenden anodischen Aktivmaterialschichten 41 der beiden Verbundschichten 60 bilden dann die Anode 21.
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Gleichzeitig wird eine Gegenelektrode, vorliegend die Kathode 22, dem Schichtenstapel 50 zugeführt. Die Kathode 22 umfasst dabei den Stromableiter 32 der Kathode 22, welcher von zwei kathodischen Aktivmaterialschichten 42 umgeben ist. Die Kathode 22 wird dem Schichtenstapel 50 derart zugeführt, dass eine der beiden kathodischen Aktivmaterialschichten 42 auf der zweiten Separatorschicht 19 von einer der beiden Verbundschichten 60 abgelegt wird.
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Anschließend wird der als kontinuierlicher bandförmiger Streifen ausgebildete Schichtenstapel 50 zu einem Elektrodenwickel gewunden, welcher die Elektrodeneinheit 10 bildet.
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Wenn die beiden Vakuumeinheiten 70 als umlaufende, zylindrische Trommeln ausgebildet sind, wird der Schichtenstapel 50 in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt. Wenn die beiden Vakuumeinheiten 70 einen flachen Ansaugbereich aufweisen, wird der Schichtenstapel 50 schrittweise in einem diskontinuierlichen Prozess hergestellt.
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Die einzelnen bandförmigen Streifen der Separatoren 18, 19 sowie der anodischen Aktivmaterialschichten 41, des Stromableiters 31 der Anode 21 und auch der Kathode 22 können rechtwinklig zu ihrer Bewegungsrichtung verlaufende Perforationen aufweisen, an welchen die entsprechenden bandförmigen Streifen in dem Schichtenstapel 50 später zu plattenförmige Lagen aufgetrennt werden können. Alternativ oder zusätzlich können einzelne bandförmige Streifen oder auch der ganze Schichtenstapel 50 an hier nicht dargestellten, rechtwinklig zur Bewegungsrichtung verlaufenden, Schnittlinien geschnitten werden. In diesem Fall wird der Schichtenstapel 50, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, zu einem Elektrodenstapel weiter verarbeitet, der die Elektrodeneinheit 10 bildet.
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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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- WO 2005/008807 A2 [0006]
- US 2012/0276435 [0007]
- US 2013/0298389 [0008]
