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Gegenstand der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Folienstapel für eine Batteriezelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung mit einer derartigen Folienstapel und einem Montagewerkzeug und eine Batteriezelle mit einem Folienstapel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle.
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Stand der Technik
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US 2009/0042099 A1 zeigt einen Elektrodenstapel und eine bipolare Sekundärbatterie mit übereinander angeordneten Anodenfolien und Kathodenfolien, welche mittels Separatorfolien voneinander beabstandet sind. Zur Vermeidung eines Verrutschens der Folien und zur Fixierung ihrer gegenseitigen Position zueinander weisen die Folien Durchgangslöcher auf, wobei durch diese Durchgangslöcher Schrauben hindurchgesteckt sind. Die Schrauben sind mit Muttern fixiert.
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Aus
US 2014/0349147 A1 ist ein Stapel von Bipolarzellen bekannt, deren einzelne Scheiben mittels Durchgangslöchern und Schraubfixierung zueinander fixiert sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Folienstapel zur Verwendung in einer Batteriezelle und ein Herstellungsverfahren zu geben, wobei eine hohe Positioniergenauigkeit der einzelnen Schichten übereinander erzielt werden kann und wobei zugleich die elektrische und chemische Isolierung der einzelnen Schichten gegeneinander sichergestellt sein kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßer Folienstapel für eine Batteriezelle, d. h. zur Verwendung in einer Batteriezelle, weist zumindest eine Anodenfolie, zumindest eine Separatorfolie und zumindest eine Kathodenfolie auf, welche jeweils zumindest ein erstes und ein zweites Durchgangsloch aufweisen, wobei die Folien so übereinander angeordnet sind, dass die ersten Durchgangslöcher der Folien übereinander angeordnet sind und die zweiten Durchgangslöcher der Folien übereinander angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Kathodenfolie in einem ersten Bereich um das erste Durchgangsloch und in einem zweiten Bereich um das zweite Durchgangsloch elektrochemisch deaktiviert ausgebildet ist.
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Mit „Folie“ wird eine im Wesentlichen flach ausgebildete Elektrode bezeichnet. Bei der flachen Elektrode sind zwei räumliche Dimensionen der Elektrode um eine oder bevorzugt um mehrere Größenordnungen größer ausgebildet als die dritte räumliche Dimension. Die Folie kann in der Fläche eine beliebige Form aufweisen, z. B. quadratisch, rechteckig, abgerundete Ecken, oval, kreisförmig o.ä.
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Die Batteriezelle kann sowohl eine Primärbatteriezelle als auch eine Sekundärbatteriezelle bzw. Akkumulatorzelle sein, welche eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern und chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Insbesondere kann die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Zelle sein, die sich typischerweise durch besonders hohe Energiedichte, thermische Stabilität und geringe Selbstentladung auszeichnet. Ein Einsatzzweck für die vorgestellte Batteriezelle kann insbesondere in Kraftfahrzeugen sein, wie Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Plug-In-Hybridfahrzeugen.
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Die Anodenfolien bilden zusammen die Anode der Batteriezelle, welche auch als negative Elektrode bezeichnet wird. Die Kathodenfolien bilden gemeinsam die Kathode der Batteriezelle und werden auch als positive Elektrode bezeichnet.
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Die Erfindung ist auf alle Arten von Zellen anwendbar, die aus einzelnen Sheets (Anode, Kathode und Separator und andere Elemente) aufgebaut werden, z.B. Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien, Magnesiumbatterien.
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Die Kathodenfolie und die Anodenfolie umfassen typischerweise jeweils anodische bzw. kathodische Stromableiter, auf dem elektrochemisch aktives Material aufgebracht ist.
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Als Stromableiter kommen auf der negativen Seite beispielsweise Kupfer, Kupfer/Nickel oder Eisen/Nickel in Betracht und auf der positiven Seite beispielsweise Aluminium. Die Stromableiter weisen jeweils einen als Stromableiterfähnchen bezeichneten Bereich auf, auf welchem sich kein aktives Material befindet. Die Stromableiterfähnchen werden jeweils zu positiven bzw. negativen Terminalen zusammengeführt, mittels welchen die Batteriezelle mit weiteren Batteriezellen zu Modulen und Packs verschaltet wird.
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Bei dem aktiven Material für die Kathodenfolie kann es sich beispielsweise um ein Metalloxid, insbesondere lithiumhaltiges Schwermetalloxid handeln. Bei dem aktiven Material für die Anodenfolie kann es sich beispielsweise um Graphit, Silizium, Ruß oder organischen Stoffen handeln. Die Kathode umfasst daher beispielsweise lithiumhaltiges Schwermetalloxid auf Aluminiumfolien. Die Anode umfasst beispielsweise Graphit auf Kupferfolien.
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Bei der elektrochemischen Reaktion des Entladevorgangs fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Beim Ladevorgang wandern die Lithiumionen dagegen von der Kathode zur Anode.
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Die Anoden und die Kathoden, d. h. die Elektroden und Gegenelektroden, werden dabei unter Zwischenlagen eines Separators von einem flüssigen Elektrolyt umgeben. Im Folienstapel ist hierzu zwischen einer Anodenfolie und einer Kathodenfolie jeweils eine Separatorfolie angeordnet, wobei hierfür eine beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Folie verwendet werden kann. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest einer Anodenfolie an ein anodisches Stromableiterfähnchen gekoppelt, das ein drittes Durchgangsloch aufweist. Das dritte Durchgangsloch befindet sich also bevorzugt in einem Bereich des anodischen Stromableiters, in welchem sich kein aktives Material befindet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Kathodenfolie an ein kathodisches Stromableiterfähnchen gekoppelt, das ein viertes Durchgangsloch aufweist. Das vierte Durchgangsloch befindet sich also bevorzugt in einem Bereich des kathodischen Stromableiters, in dem sich kein aktives Material befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen zumindest zwei anodische Stromableiter, bevorzugt sämtliche anodische Stromableiter, die dritten Durchgangslöcher auf. Bevorzugt sind die dritten Durchgangslöcher übereinander angeordnet, wenn die Anodenfolien übereinander angeordnet sind.
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Entsprechend weisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zumindest zwei kathodische Stromableiter, bevorzugt sämtliche kathodische Stromableiter, die vierten Durchgangslöcher auf. Bevorzugt sind die vierten Durchgangslöcher übereinander angeordnet, wenn die Kathodenfolien übereinander angeordnet sind.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen der beschriebenen Folienstapel und ein Montagewerkzeug, das einen Schaft und einen zweiten Schaft aufweist, wobei der erste Schaft durch die ersten Durchgangslöcher der Folien geführt ist und der zweite Schaft des Montagewerkzeugs durch die zweiten Durchgangslöcher der Folien geführt ist.
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Während der Herstellung wird ein derartiger Folienstapel bevorzugt dadurch gebildet, dass die Durchgangslöcher auf entsprechende Schäfte eines Montagewerkzeugs aufgefädelt werden, das heißt die ersten und zweiten Durchgangslöcher, bevorzugt auch die dritten und vierten Durchgangslöcher, falls vorhanden, und noch weitere Durchgangslöcher, falls vorhanden, welche die Folien wie mit Bezug zu den ersten, zweiten, dritten und vierten Durchgangslöchern beschrieben aufweisen können. Hierdurch entsteht während der Herstellung eine Anordnung mit einem der beschriebenen Folienstapel und den Schäften des Montagewerkzeugs. Es kann vorgesehen sein, den Folienstapel zwischenzulagern, beispielsweise in Vorratstürmen. Es kann aber auch vorgesehen sein, die den Folienstapel zu positionieren und dann gleich weiterzuverarbeiten.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle weist einen in einem Batteriezellengehäuse angeordneten derartigen Folienstapel auf. Dabei wird das Gehäuse typischerweise mit dem Elektrolyt befüllt und verschlossen.
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Die Batteriezelle weist beispielsweise ein aus Aluminium gefertigtes festes Zellengehäuse auf, das beispielsweise prismatisch, insbesondere quaderförmig ausgebildet sein kann. Alternativ kann auch ein Gehäuse aus einem weichen, flexiblen Folienmaterial vorgesehen sein, welches auch als Pouchzelle bezeichnet wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels für eine Batteriezelle sind die folgenden Schritte vorgesehen:
- a) Bereitstellen zumindest einer Anodenfolie, zumindest einer Separatorfolie und zumindest einer Kathodenfolie,
- b) Bereitstellen zumindest eines ersten und eines zweiten Durchgangslochs in den Folien,
- c) elektrochemisches Deaktivieren der Kathodenfolie in einem ersten Bereich um das erste Durchgangsloch und in einem zweiten Bereich um das zweite Durchgangsloch,
- d) übereinander Anordnen der Folien zur Bildung des Folienstapels durch Auffädeln der Folien mittels ihrer ersten und zweiten Durchgangslöcher auf einen ersten und einen zweiten Schaft eines Montagewerkzeugs.
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Im Schritt a) werden die Anodenfolie, Separatorfolie und Kathodenfolie in der gewünschten Geometrie vereinzelt, wobei dies z. B. durch Stanzen, Schneiden, insbesondere Laserschneiden oder ähnliches erfolgen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zwischen Schritt a) und b) die Anodenfolie zwischen zwei Separatorfolien angeordnet und laminiert. Beispielsweisen werden zunächst die Außengeometrien der Separatorfolien und Anodenfolien zugeschnitten und dann eine Anodenfolie zwischen zwei Separatorfolien positioniert, wobei hierauf ein mechanisches oder thermisches Laminieren erfolgen kann. Im Schritt d) wird der Separator-Anodenverbund auf oder unter die Kathodenfolie gelegt.
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Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, die Separatorfolie zunächst mittels eines thermischen oder mechanischen Prozesses als Endlosfolie bereitzustellen und die Endlosfolie auf eine ebenfalls als Endlosfolie ausgebildete Anodenfolie beidseitig zu laminieren, so dass eine Endlosfolie eines Separator-Anodenverbunds erzeugt wird. Hiernach kann die Lochung für diesen Verbund durchgeführt werden und die Geometrie zugeschnitten werden, woraufhin der Verbund im Schritt d) auf oder unter die Kathodenfolie aufgelegt wird.
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Das elektrochemische Deaktivieren der Kathodenfolie in Schritt c) erfolgt beispielsweise durch mechanisches Verdichten. Dabei ist vorgesehen, die Porositäten in der Kathodenfolie durch Druckeinwirkung zu zerstören bzw. zu verschließen, so dass keine Lithiumionen eingelagert werden können. Die Druckeinwirkung ist bevorzugt größer als 10 MPa.
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Alternativ hierzu kann das elektrochemische Deaktivieren der Kathodenfolie durch thermisches Veröden erfolgen. Dabei ist vorgesehen, den Bereich durch Einwirkung einer Wärmemenge lokal schmelzen zu lassen, so dass die Kathode in dem Bereich keine Lithiumionen mehr einlagern kann. Thermisches Veröden erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von mehr als 180 °C.
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Dabei kann vorgesehen sein, einen Hilfsstoff wie z. B. Polyvinylidenfluorid oder Epoxidharz einzusetzen, z. B. oberflächlich aufzutragen. Bei der bevorzugten Temperatur von mehr als 180 °C schmilzt der Hilfsstoff und verschließt die Poren.
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Alternativ kann vorgesehen sein, ein Infiltrat einzubringen, beispielsweise ein niedrig polymerisiertes Polymer oder ein Monomer, welches sich durch Aktivierung eines zugegebenen Aktivators verfestigen lässt und das Infiltrat zu verfestigen. Der Aktivator kann beispielsweise thermisch oder durch UV-Strahlung gestartet werden. Als niedrig polymerisierte Polymere werden bevorzugt niedrig polymerisierte Polyethylene, niedrig polymerisierte Polypropylene oder niedrig polymerisiertes Poly(ethylenglykol)-Dimethacrylat verwendet.
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Die bereichsweise elektrochemische Deaktivierung der Kathodenfolie kann auch durch eine Kombination zweier oder mehrerer der beschriebenen Verfahren erfolgen.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle wird hergestellt, indem in einem ersten Schritt ein Folienstapel wie beschrieben hergestellt wird und in einem weiteren Schritt der Folienstapel in einem Batteriezellengehäuse angeordnet wird. Das Gehäuse wird mit dem Elektrolyt befüllt und versiegelt.
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Vorteile der Erfindung
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Es wird ein Aufbau eines Folienstapels beschrieben, welcher eine sehr geringe Positionierungstoleranz aufweist und ein geometrisches Überlappen der Anode über die Kathode in alle Richtungen gewährleistet. Die Deaktivierung der Kathode im Bereich des ersten und zweiten Durchgangslochs vermeidet den Einsatz weiterer Bauteile zur elektrischen Isolation.
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Während bei den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden der Überlapp der Anode zur Kathode sehr groß gewählt wurde, ermöglicht die Erfindung durch die Positionierung der Folien über Löcher, deren umgebender deaktivierter Bereich unabhängig vom Beschichtungsrand der Größe nach festgelegt werden kann, einen Bruch in der Toleranzkette, so dass der Überlapp deutlich geringer gewählt werden kann. Vorteilhaft ergibt sich damit eine Erhöhung des elektrochemisch aktiven Volumens und somit der Energiedichte der Zelle, ohne dass eine Veränderung an der Chemie erfolgt.
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Im Bereich der Löcher kann durch das Deaktivieren der Kathode ein Überlapp der Anode über den aktiven Bereich der Kathode gewährleistet werden. Dies ist ohne Deaktivierung bei Positionierung über einen einfachen Stift nicht möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Montagewerkzeug und einem Folienstapel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht und
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2 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Montagewerkzeug und einem Folienstapel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Anordnung 10 mit einem Montagewerkzeug 11 und einem Folienstapel 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Das Montagewerkzeug 11 ist hier schematisch lediglich mit vier Schäften 12 und einer Grundplatte 13 dargestellt. Die Schäfte 12 stehen senkrecht aus der Grundplatte 13 hervor und sind derart angeordnet, dass ein Auffädeln von Folien 21, 22, 24 über darin angeordnete Durchgangslöcher 27, 28, 31, 32 geführt wird.
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Der Folienstapel 20 umfasst eine Separatorfolie 21, eine Anodenfolie 22, eine weitere Separatorfolie 21 und eine Kathodenfolie 24, welche in dieser Reihenfolge übereinander auf der Grundplatte 13 angeordnet sind und im Folgenden vereinfacht als Folien 21, 22, 24 bezeichnet werden.
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Die Folien 21, 22, 24 sind jeweils im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, so dass sie einen quaderförmigen Stapel für eine prismatische Batteriezelle bilden, jedoch sind andere Geometrien ebenso vorstellbar. Die Anodenfolie 22 ist in ihren flächigen Abmessungen etwas größer ausgebildet als die Kathodenfolie 24, was auch als geometrisches Überlappen der Anode über die Kathode bezeichnet wird.
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Die Folien 21, 22, 24 weisen jeweils ein erstes Durchgangsloch 27 auf, welche übereinander angeordnet sind, wenn die Folien 21, 22, 24 in dem Montagewerkzeug 11 übereinander angeordnet sind. Die Folien 21, 22, 24 weisen außerdem jeweils ein zweites Durchgangsloch 28 auf, welche ebenfalls übereinander angeordnet sind, wenn die Folien 21, 22, 24 übereinander angeordnet sind.
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Die Anodenfolie 22 umfasst ein anodisches Stromableiterfähnchen 26, welches ein drittes Durchgangsloch 31 aufweist, durch welches wiederum einer der Schäfte 12 des Montagewerkzeugs 11 durchgesteckt ist. Ebenso umfasst das Stromableiterfähnchen 25 der Kathodenfolie 24 ein viertes Durchgangsloch 32, in welchem ein weiterer Schaft 12 des Montagewerkzeugs 11 angeordnet ist.
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Die Durchgangslöcher 27, 28, 31, 32 sind in der Anordnung 10 mit dem Montagewerkzeug 11 von dessen Schäften 12 durchstoßen. Durch wiederholte Ablage dieser Schichtfolge, bzw. Folienfolge kann eine sehr exakte Positionierung der Folien 21, 22, 24 übereinander erfolgen.
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Die Kathodenfolie 24 ist in einem ersten Bereich 29 um das erste Durchgangsloch 27 elektrochemisch deaktiviert ausgebildet. Der elektrochemisch deaktivierte erste Bereich 29 ist beispielsweise ein 0,1 bis 5 mm, bevorzugt 0,25 bis 3 mm breiter Rand um das erste Durchgangsloch 27.
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Die Kathodenfolie 24 ist in einem zweiten Bereich 30 um das zweite Durchgangsloch 28 ebenfalls elektrochemisch deaktiviert ausgebildet. Der zweite Bereich 30 ist beispielsweise ein 0,1 bis 5 mm, bevorzugt 0,25 bis 3 mm breiter Rand um das zweite Durchgangsloch 28.
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Der Abstand der ersten und zweiten Durchgangslöcher 27, 28 zum Rand der Folien 21, 22, 24 beträgt bevorzugt höchstens zwei Mal der Größe (Ringdicke) des deaktivierten Bereichs, um das Volumen maximal zu nutzen.
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2 zeigt die Anordnung 10 mit dem Montagewerkzeug 11 und dem Folienstapel 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Während in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Durchgangslöcher 27, 28 im aktiven Bereich in den Ecken der Folien 21, 22, 24 vorgesehen sind, um damit die Positioniergenauigkeit zu maximieren, ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich ein erstes Durchgangsloch 27 vorgesehen, das sich im aktiven Bereich mittig am Rand der Folien 21, 22, 24 befindet. Hierdurch wird mehr Volumen elektrochemisch genutzt als bei der Variante in 1.
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Alternativ, aber nicht zeichnerisch dargestellt, kann vorgesehen sein, dass das erste Durchgangsloch 27 sich im aktiven Bereich mittig der Folien 21, 22, 24 befindet.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des angegebenen Bereichs weitere Abwandlungen und Ergänzungen möglich, die dem Fachmann ersichtlich sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0042099 A1 [0002]
- US 2014/0349147 A1 [0003]
