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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, die ein Zellengehäuse umfasst, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinheit eine mit einem negativen Terminal elektrisch verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal elektrisch verbundene Kathode aufweist, und wobei das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, aufweist, und wobei eine Einfüllöffnung zum Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten in das Zellengehäuse vorgesehen 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 einem Elektrodenwickel gewunden oder zu einem Elektrodenstapel mit mehreren Elektrodenlagen gestapelt. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben.
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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 beispielsweise prismatisch, insbesondere quaderförmig, oder auch kreiszylindrisch ausgestaltet. Auch andere Bauformen für Zellengehäuse sind bekannt.
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Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Terminals der Batteriezelle können dabei an dem Zellengehäuse angebracht und elektrisch von dem Zellengehäuse isoliert sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, aufweist, wobei die beiden Gehäuseteile elektrisch voneinander isoliert sind.
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Aus der
US 2014/0295239 sowie aus der
DE 10 2011 076 919 A1 ist eine gattungsgemäße Batteriezelle bekannt, die eine Elektrodeneinheit aufweist, die in einem metallischen Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse umfasst dabei zwei Gehäuseteile, die durch ein Isolationselement elektrisch voneinander isoliert sind. Die Anode und die Kathode des Elektrodenstapels sind mit je einem der Gehäuseteile elektrisch verbunden. Die Gehäuseteile bilden somit die Terminals der Batteriezelle.
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Aus der
CN 204809307 ist eine Batteriezelle mit einem Zellengehäuse bekannt, welche eine Einfüllöffnung zum Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten in das Zellengehäuse aufweist. Nach Einfüllen des Elektrolyten wird die Einfüllöffnung verschlossen.
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Das Dokument
DE 10 2012 221 684 A1 offenbart eine Batteriezelle, welche mehrere Öffnungen zum Befüllen mit einem Elektrolyt aufweist. Die Öffnungen zum Befüllen mit Elektrolyt sind dabei an einer Deckfläche ebenso wie an Seitenflächen des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet. Dabei kann der flüssige Elektrolyt an verschiedenen der vorgesehenen Öffnungen eingefüllt werden, und andere Öffnungen dienen zum Absaugen von innerhalb des Gehäuses befindlichem Gas.
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Das Dokument
DE 10 2014 221 300 A1 offenbart eine Batteriezelle, welche Strömungsführungselemente aufweist, entlang derer ein Elektrolyt fließen kann. Das Gehäuse weist dabei Einfüllöffnungen auf, durch welche der flüssige Elektrolyt in das Gehäuse eingefüllt wird, sowie Ausströmöffnungen, durch welche der Elektrolyt aus dem Gehäuse austreten kann.
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Das Dokument
DE 10 2012 222 111 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einem Gehäuse, in welchem ein Elektrodenwickel angeordnet ist. Der Elektrodenwickel ist dabei mittels eines Arretierkörpers in dem Gehäuse fixiert. Der Arretierkörper weist eine Kanalstruktur auf, mittels welcher innerhalb des Gehäuses entstehende Gase zu einer Entgasungsöffnung im Deckel des Gehäuses geleitet werden.
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Das Dokument
DE 10 2012 217 451 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einem Gehäuse, welches einen Gehäusedeckel aufweist, in dem eine Öffnung zum Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten vorgesehen ist. Die besagte Öffnung ist nach dem Einfüllen des flüssigen Elektrolyten verschließbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, die ein Zellengehäuse umfasst, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist. Die Elektrodeneinheit weist dabei eine Anode, die mit einem negativen Terminal der Batteriezelle elektrisch verbunden ist, und eine Kathode, die mit einem positiven Terminal der Batteriezelle elektrisch verbunden ist, auf. Das Zellengehäuse weist ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, auf. Ferner ist eine Einfüllöffnung zum Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten in das Zellengehäuse der Batteriezelle vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist die Elektrodeneinheit von einem Retainer in dem Zellengehäuse gehalten, welcher derart geformt ist, dass zwischen der Elektrodeneinheit und dem Zellengehäuse ein Rückhalteraum oder ein Reservoir zur Aufnahme des Elektrolyten gebildet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Zellengehäuses eine Konnektoreinheit vorgesehen, welche einen negativen Konnektor, der mit der Anode und mit dem ersten Gehäuseteil elektrisch verbunden ist, und einen positiven Konnektor, der mit der Kathode und mit dem zweiten Gehäuseteil elektrisch verbunden ist, sowie ein Verbindungselement, welches mit dem negativen Konnektor und mit dem positiven Konnektor mechanisch verbunden ist, aufweist.
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Der negative Konnektor dient somit zur elektrischen Verbindung der Anode mit dem negativen Terminal, und der positive Konnektor dient zur elektrischen Verbindung der Kathode mit dem positiven Terminal. Das Verbindungselement ist bevorzugt zentral zwischen dem negativen Konnektor und dem positiven Konnektor angeordnet. Das Verbindungselement ist dabei aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt, insbesondere aus Kunststoff, und isoliert somit den negativen Konnektor elektrisch von dem positiven Konnektor.
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Vorzugsweise weist das Verbindungselement der Konnektoreinheit eine Ausnehmung auf, welche mit der Einfüllöffnung fluchtet. Elektrolyt, der durch die Einfüllöffnung in das Zellengehäuse eingefüllt wird, fließt somit weiter durch die Ausnehmung in dem Verbindungselement der Konnektoreinheit.
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Bevorzugt ist die Einfüllöffnung in das erste Gehäuseteil oder in das zweite Gehäuseteil des Zellengehäuses eingebracht. Vorzugsweise ist die Konnektoreinheit dabei derart innerhalb des Zellengehäuses angeordnet, dass die Einfüllöffnung in dem ersten Gehäuseteil oder in dem zweiten Gehäuseteil des Zellengehäuses mit der Ausnehmung in dem Verbindungselement der Konnektoreinheit fluchtet.
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Vorteilhaft weist der Retainer, der die Elektrodeneinheit in dem Zellengehäuse hält, ein Profil auf, welches einen ersten geraden Abschnitt umfasst, an welchen eine Flanke anschließt, wobei an die Flanke ein zweiter gerader Abschnitt anschließt, welcher zu dem ersten Abschnitt parallel versetzt ist. Die Flanke kann dabei annähernd rechtwinklig oder geneigt zu dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt verlaufen.
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Bevorzugt ist der Retainer dabei derart innerhalb des Zellengehäuses angeordnet, dass der erste Abschnitt des Retainers an dem ersten Gehäuseteil anliegt, und dass der zweite Abschnitt des Retainers an dem zweiten Gehäuseteil anliegt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Gehäuseteil des Zellengehäuses und das zweite Gehäuseteil des Zellengehäuses metallisch ausgeführt und durch ein umlaufendes Isolationselement elektrisch voneinander isoliert.
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Das Isolationselement kann beispielsweise in Form eines Klebstoffs ausgeführt sein, welcher das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil mechanisch miteinander verbindet. Das Isolationselement kann aber auch aus einem Kunststoff hergestellt sein.
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Vorzugsweise ist die Einfüllöffnung dabei mittels eines Stopfens verschlossen.
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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. Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batteriezelle ist ein Fluss des Elektrolyten innerhalb des Zellengehäuses ermöglicht. Durch die Ausbildung des Rückhalteraums ist sichergestellt, dass mit möglichst wenigen Befüllschritten eine ausreichende Menge an Elektrolyt in das Zellengehäuses eingefüllt werden kann und im Betrieb der Batteriezelle verfügbar ist. Die Einfüllöffnung ist beispielsweise durch Einbringen eines Festkörpers in Form eines Stopfens, sowie durch Verkleben oder durch Aufschmelzen verschließbar.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Elektrodeneinheit mit einer Konnektoreinheit einer Batteriezelle,
- 3 eine Schnittdarstellung durch die Batteriezelle,
- 4 eine perspektivische, teilweise Darstellung einer Batteriezelle,
- 5 eine Schnittdarstellung eines Retainers und
- 6 eine perspektivische Darstellung eines Retainers.
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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 Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches elektrisch leitend ausgeführt ist. Das Zellengehäuse 3 weist ein erstes Gehäuseteil 61 und ein zweites Gehäuseteil 62 auf, welche durch ein umlaufendes Isolationselement 60 elektrisch voneinander isoliert sind. Die Gehäuseteile 61, 62 sind aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, gefertigt. Das erste Gehäuseteil 61 bildet ein negatives Terminal 11, und das zweite Gehäuseteil 62 bildet 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 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 die Elektrodeneinheit 10 als Elektrodenstapel ausgebildet ist, wobei Schichten der Anode 21 und Schichten der Kathode 22 unter Zwischenlage je einer Schicht des Separators 18 übereinander gestapelt sind.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. 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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Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. 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 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 ersten Gehäuseteil 61 des Zellengehäuses 3, und somit mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Somit ist auch die Anode 21 mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.
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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 zweiten Gehäuseteil 62 des Zellengehäuses 3, und somit mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden. Somit ist auch die Kathode 22 mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Elektrodeneinheit 10 mit einer Konnektoreinheit 50 von einer Batteriezelle 2. Das Zellengehäuse 3 mit den Gehäuseteilen 61, 62 ist hier nicht dargestellt. Die Konnektoreinheit 50 umfasst einen negativen Konnektor 51, einen positiven Konnektor 52, ein Verbindungselement 58 sowie ein erstes Endelement 55 und ein zweites Endelement 56. Der negative Konnektor 51 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der positive Konnektor 52 ist ebenfalls elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium.
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Das Verbindungselement 58 ist mit dem negativen Konnektor 51 und mit dem positiven Konnektor 52 mechanisch verbunden. Das Verbindungselement 58 ist dabei zentral zwischen dem negativen Konnektor 51 und dem positiven Konnektor 52 angeordnet. Das Verbindungselement 58 ist aus einem Kunststoff gefertigt und somit elektrisch isolierend. Das erste Endelement 55 ist mit dem negativen Konnektor 51 mechanisch verbunden, und das zweite Endelement 56 ist mit dem positiven Konnektor 52 mechanisch verbunden. Die Endelemente 55, 56 sind aus einem Kunststoff gefertigt und somit elektrisch isolierend.
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Der negative Konnektor 51 ist mit dem Stromableiter 31 der Anode 21 und mit dem hier nicht dargestellten ersten Gehäuseteil 61 elektrisch verbunden. Somit ist das negative Terminal 11 der Batteriezelle 2 mittels des negativen Konnektors 51 elektrisch mit der Anode 21 verbunden. Der positive Konnektor 52 ist mit dem Stromableiter 32 der Kathode 22 und mit dem hier nicht dargestellten zweiten Gehäuseteil 62 elektrisch verbunden. Somit ist das positive Terminal 12 der Batteriezelle 2 mittels des positiven Konnektors 52 elektrisch mit der Kathode 22 verbunden.
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Ein Abdeckelement 80 aus einem elektrisch isolierenden Material ist derart an der Konnektoreinheit 50 angebracht, dass ein elektrischer Kontakt des negativen Konnektors 51 mit dem noch anzubringenden zweiten Gehäuseteil 62 vermieden ist. Ein weiteres Abdeckelement 80 aus einem elektrisch isolierenden Material ist derart an der Konnektoreinheit 50 angebracht, dass ein elektrischer Kontakt des positiven Konnektors 52 mit dem noch anzubringenden ersten Gehäuseteil 61 vermieden ist.
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Das Verbindungselement 58 der Konnektoreinheit 50 weist ferner eine annähernd zentral angeordnete Ausnehmung 59 auf.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Batteriezelle 2. Das erste Gehäuseteil 61 und das zweite Gehäuseteil 62 sind mittels des Isolationselements 60, welches vorliegend ein Klebstoff ist, mechanisch miteinander zu dem Zellengehäuse 3 verbunden und elektrisch voneinander isoliert.
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In dem ersten Gehäuseteil 61 ist eine Einfüllöffnung 92 zum Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten eingebracht. Die Einfüllöffnung 92 ist dabei mittels eines Stopfens 96 verschlossen. Die Konnektoreinheit 50 ist dabei derart angeordnet, dass die Ausnehmung 59 mit der Einfüllöffnung 92 in dem ersten Gehäuseteil 61 fluchtet.
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Die Elektrodeneinheit 10 ist zusammen mit der Konnektoreinheit 50 mittels eines Retainers 82 mechanisch in dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 gehalten und elektrisch von den Gehäuseteilen 61, 62 isoliert. Der Retainer 82 ist aus einem Kunststoff gefertigt und somit elektrisch isolierend. Der Retainer 82 weist ein Profil auf, welches einen ersten geraden Abschnitt 85 umfasst, an welchen eine Flanke 88 anschließt. An die Flanke 88 schließt ein zweiter gerader Abschnitt 86 an, welcher zu dem ersten Abschnitt 85 parallel versetzt ist.
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Der Retainer 82 ist derart in dem Zellengehäuse 3 angeordnet, dass der erste Abschnitt 85 an dem ersten Gehäuseteil 61 anliegt, und dass der zweite Abschnitt 86 an dem zweiten Gehäuseteil 62 anliegt. Durch die Formgebung des Retainers 82 sowie durch dessen Anordnung in dem Zellengehäuse 3 ist zwischen der Elektrodeneinheit 10 und dem Zellengehäuse 3 ein Rückhalteraum 90 zur Aufnahme des Elektrolyten gebildet. Vorliegend ist der Rückhalteraum 90 umlaufend zwischen der Elektrodeneinheit 10 und dem zweiten Gehäuseteil 62 sowie zwischen der Konnektoreinheit 50 und dem zweiten Gehäuseteil 62 gebildet.
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4 zeigt eine perspektivische, teilweise Darstellung der in 3 gezeigten Batteriezelle 2. Zu sehen ist insbesondere der Bereich des ersten Gehäuseteils 61 des Zellengehäuses 3, in welchem die Einfüllöffnung 92 eingebracht ist. Die Einfüllöffnung 92 ist dabei durch den Stopfen 96 verschlossen.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung des in 3 dargestellten Retainers 82. Wie bereits erwähnt, umfasst das Profil des Retainers 82 einen ersten geraden Abschnitt 85, an welchen eine Flanke 88 anschließt, und an die Flanke 88 schließt ein zweiter gerader Abschnitt 86 an, welcher zu dem ersten Abschnitt 85 parallel versetzt ist. Die Flanke 88 verläuft vorliegend annähernd rechtwinklig zu dem ersten Abschnitt 85 und dem zweiten Abschnitt 86. Die Flanke 88 kann aber auch geneigt zu dem ersten Abschnitt 85 sowie zu dem zweiten Abschnitt 86 verlaufen.
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6 zeigt eine perspektivische Darstellung des in 3 und in 5 dargestellten Retainers 82. Der Retainer 82 ist als umlaufendes Profil ausgebildet und umschließ die Elektrodeneinheit 10 sowie die Konnektoreinheit 50 in dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2.
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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 2014/0295239 [0006]
- DE 102011076919 A1 [0006]
- CN 204809307 [0007]
- DE 102012221684 A1 [0008]
- DE 102014221300 A1 [0009]
- DE 102012222111 A1 [0010]
- DE 102012217451 A1 [0011]
