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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle mit einer elektrischen Isolation nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle sowie ein Batteriemodul mit einer solchen Batteriezelle.
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Für eine Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen zwei Batteriezellen und zu einer Verhinderung von an einem Batteriegehäuse anliegenden Spannungen werden Batteriezellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen oder Lithium-Festkörperzellen, bzw. deren Batteriegehäuse elektrisch isoliert.
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Aus dem Stand der Technik ist dabei beispielsweise ein Abkleben der Batteriezelle mit einer Isolationsfolie, eine Aufnahme der Batteriezelle in einem Strumpfschlauch, eine Anordnung von elektrisch isolierenden Trennelementen zwischen zwei Batteriezellen oder auch ein Lackieren der Batteriezelle mit einem elektrisch isolierenden Lack bekannt.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 089 949 A1 offenbart dazu ein Batteriemodul, welches im Wesentlichen in seiner Gesamtheit in einem luftdichten Schrumpfschlauch aufgenommen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Batteriezelle mit einer elektrischen Isolation mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass zuverlässig eine elektrische Isolation der Batteriezelle zur Verfügung gestellt werden kann, welche eine geringere Abhängigkeit von Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel Temperatur, Feuchtigkeit oder Vibrationen, aufweist als aus dem Stand der Technik bekannte Isolationen. Zudem ist eine solche Batteriezelle vergleichbar günstig mit einem geringeren maschinellen Aufwand herstellbar.
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Insgesamt können zudem Luft-und Kriechstrecken zuverlässiger eingehalten werden, als bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einer elektrischen Isolation zur Verfügung gestellt. Dabei ist die Batteriezelle insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Batteriezelle umfasst eine Mehrzahl an Außenseiten und eine Oberseite. Weiterhin weist die Batteriezelle ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Isolationselement auf, welches die Mehrzahl an Außenseiten vollständig bedeckt und die Oberseite zumindest teilweise bedeckt. Dabei weist das elektrische Isolationselement direkt benachbart zu der Oberseite eine Siegelnaht auf.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegeben Vorrichtungen möglich.
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Es ist zweckmäßig, wenn das elektrische Isolationselement eine Schrumpffolie oder ein Schrumpfschlauch ist. Dabei kann die direkt benachbart zu der Oberseite angeordnete Siegelnaht ein Nachschrumpfen der Schrumpffolie oder des Schrumpfschlauches begrenzen, so dass Fehler in der Isolation zwischen der Batteriezelle und einer anderen Batteriezelle oder auch einem angrenzenden Bauteil verhindert werden können.
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Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle wird diese zum Beispiel in dem Schrumpfschlauch oder in der Schrumpffolie aufgenommen und der Schrumpfschlauch oder die Schrumpffolie verringert anschließend beispielsweise unter der Einwirkung von Wärme das Volumen und legt sich somit an die Außenseiten der Batteriezellen an.
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Während des Betriebes oder der Lagerung von Batteriezellen auftretende, erhöhte Temperaturen können zu einem Nachschrumpfen des Isolationselements führen, wodurch das Isolationselement vorwiegend in Richtung der Außenseiten gezogen wird. Durch eine erfindungsgemäße Siegelnaht an der Oberseite der Batteriezelle kann dem Nachschrumpfen entgegengewirkt werden und somit auch ein Freilegen der Außenseiten aufgrund des Nachschrumpfens verhindert werden, wodurch auf einfache Weise mittels der Siegelnaht die Sicherheit erhöht werden kann.
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Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass durch ein Schließen des Schrumpfschlauches oder der Schrumpffolie mittels einer Siegelnaht, welche benachbart zu der Oberseite der Batteriezelle angeordnet ist, ein Nachschrumpfen des Isolationselements verhindert werden kann.
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Weiterhin weist eine erfindungsgemäße Batteriezelle auch den Vorteil auf, dass durch die Bedeckung der Oberseite durch das elektrisch isolierende Isolationselement zusätzliche Bauteile für die Isolation der Oberseite entfallen können.
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Von Vorteil ist es, wenn die Batteriezelle an der Oberseite einen Spannungsabgriff aufweist, wobei der Spannungsabgriff zumindest teilweise nicht mit dem elektrischen Isolationselement bedeckt ist. Dadurch ist es möglich, dass die Batteriezelle mittels des Spannungsabgriffs elektrisch leitend seriell und/oder parallel mit einer anderen Batteriezelle verbunden werden kann.
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Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Batteriezelle an der Oberseite einen ersten Spannungsabgriff und einen zweiten Spannungsabgriff aufweist, wobei die Siegelnaht zwischen dem ersten Spannungsabgriff und dem zweiten Spannungsabgriff angeordnet ist. Dadurch können der erste Spannungsabgriff und der zweite Spannungsabgriff beispielsweise zu einer gewissen mechanischen Fixierung der Siegelnaht dienen.
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Gemäß einem Gedanken der Erfindung weist die Oberseite der Batteriezelle eine Längsrichtung auf und die Siegelnaht ist im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung angeordnet. Insbesondere soll die Längsrichtung von dem ersten Spannungsabgriff zu dem zweiten Spannungsabgriff weisen. Dadurch ist es möglich, dass durch eine solche Anordnung der Siegelnaht zuverlässig einem Nachschrumpfen entgegengewirkt werden kann, wobei insbesondere dem Nachschrumpfen in Richtung der Außenseiten, welche parallel zu der Längsrichtung angeordnet sind, entgegengewirkt werden kann.
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Gemäß noch einem weiteren Gedanken der Erfindung weist die Oberseite der Batteriezelle eine Spiegelachse auf, wobei die Oberseite insbesondere eine quadratische Form oder eine rechteckige Form aufweist, und wobei die Siegelnaht entlang der Symmetrieachse, welche insbesondere eine Längssymmetrieachse ist, verläuft.
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Dadurch ist es zuverlässig möglich, einer Nachschrumpfung des Isolationselements entgegenzuwirken.
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Ferner betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul, welches eine eben beschriebene Batteriezelle aufweist.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch isolierten Batteriezelle, welche eben beschrieben wurde.
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Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt eine Batteriezelle bereitgestellt, wobei die Batteriezelle eine Mehrzahl an Außenseiten und zumindest eine Oberseite umfasst.
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In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Isolationselement bereitgestellt, welches einen Aufnahmeraum mit einer Öffnung umfasst.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird die Batteriezelle innerhalb des Aufnahmeraums des Isolationselements angeordnet, wobei die Batteriezelle insbesondere durch die Öffnung in den Aufnahmeraum des Isolationselements eingeführt werden kann.
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In einem vierten Verfahrensschritt wird die Öffnung des Aufnahmeraums mit einer Siegelnaht verschlossen.
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Dann wird in einem fünften Verfahrensschritt das Isolationselement in der Art geschrumpft, dass das Isolationselement die Mehrzahl an Außenseiten vollständig bedeckt und die Oberseite zumindest teilweise bedeckt und das weiterhin die Siegelnaht direkt benachbart zu der Oberseite angeordnet ist.
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An dieser Stelle sei dazu angemerkt, dass die Ausbildung der Siegelnaht vor dem Schrumpfen des Isolationselements erfolgt.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn in dem vierten Verfahrensschritt die Siegelnaht mittels eines thermischen Siegelverfahrens oder mittels eines Ultraschallsiegelverfahrens ausgebildet wird.
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An dieser sei noch angemerkt, dass die Mehrzahl an Außenseiten der Batteriezelle und die Oberseite der Batteriezelle sowohl von einem Gehäuse der Batteriezelle als auch beispielsweise von den elektrochemischen Komponenten der Batteriezelle, wie bei gespalten Batteriezelle, ausgebildet werden können.
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Das elektrische Isolationselement kann dabei aus einem elektrisch isolierenden und unter Wärmezufuhr schrumpfbaren Kunststoff ausgebildet sein. Beispielsweise kann das elektrische Isolationselement aus Polyolefin, wie vorzugsweiße Polyethylen oder Polypropylen, ausgebildet sein.
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Insbesondere kann des elektrische Isolationselement auch ein lonomer, beispielsweise zwischen Ethylen und Methaycrylsäure sein.
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Weiterhin kann das elektrische Isolationselement beispielsweise aus einem thermoplastischen Elastomer, wie vorzugsweise thermoplastischem Polyamid, thermoplastischem Urethan, thermoplastischtem Vulkanisat oder thermoplastischem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk ausgebildet sein.
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Ferner kann das Isolationselement beispielsweise auch aus Polytetraflurpolymeren, wie vorzugsweise Polytetrafluorethen oder Polyvinylidenfluorid ausgebildet sein.
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Des Weiteren kann des elektrische Isolationselement auch aus Polyvinylchlorid ausgebildet sein.
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Weiterhin kann das Isolationselement auch aus schrumpfbaren Silikonmaterialien oder Kautschuken ausgebildet sein.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 A in einer Seitenansicht einen Schnitt durch eine Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik,
- 1 B in einer Draufsicht eine Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik,
- 2 A in einer Seitenansicht einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Batteriezelle,
- 2 B in einer Draufsicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Batteriezelle,
- 3 einen Zustand einer Batteriezelle während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle und
- 4 einen weiteren Zustand einer Batteriezelle während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle.
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Die 1 A zeigt in einer Seitenansicht einen Schnitt durch eine Batteriezelle 100 gemäß dem Stand der Technik mit einem elektrischen Isolationselement 200. Des Weiteren zeigt die 1 B eine Draufsicht auf die Batteriezelle 100 gemäß dem Stand der Technik.
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Die Batteriezelle 100 weist eine Mehrzahl an Außenseiten auf, welche durch das Bezugszeichen 300 angedeutet sein sollen. Weiterhin weist die Batteriezelle 100 eine Oberseite 400 auf.
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Dabei sind an der Oberseite 400 ein erster Spannungsabgriff 510 und ein zweiter Spannungsabgriff 520 der Batteriezelle 100 angeordnet.
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Dabei weist die Batteriezelle 100 ein elektrisches Isolationselement 200 auf, welches die Mehrzahl an Außenseiten 300 bedeckt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Isolationselement 200 nur die Außenseiten 300 bedeckt und die Oberseite 400 gemäß dem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik nicht von dem elektrischen Isolationselement 200 bedeckt ist.
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Die 2 A zeigt in einer Seitenansicht einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Batteriezelle 1 mit einem elektrischen Isolationselement 2. Weiterhin zeigt die 2 B in einer Draufsicht die erfindungsgemäße Ausführungsform einer Batteriezelle 1 mit einem elektrischen Isolationselement 2 gemäß 2 A.
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Die Batteriezelle 1 weist eine Mehrzahl an Außenseiten 3 auf und weist zudem eine Oberseite 4 auf. Dabei soll unter einer Außenseite 3 der Batteriezelle 1 jeweils insbesondere eine Bodenfläche der Batteriezelle 1 oder jeweils auch eine Seitenfläche der Batteriezelle 1 verstanden sein. Daher kann die Mehrzahl an Außenseiten 3 also sowohl die Bodenfläche als auch eine Mehrzahl an Seitenflächen umfassen. Weiterhin soll dabei unter der Oberseite 4 der Batteriezelle 1 insbesondere die Deckelfläche der Batteriezelle 1 verstanden sein. Prismatisch ausgebildete Batteriezellen 1 weisen somit beispielsweise fünf Seitenflächen 3 und genau eine Oberseite 4 auf.
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Weiterhin weist die Batteriezelle 1 ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Isolationselement 2 auf, welches die Mehrzahl an Außenseiten 3 bedeckt und die Oberseite 4 zumindest teilweise bedeckt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Isolationselement 2 auch eine von der Gesamtzahl der Außenseiten 3 verschiedene Anzahl an Außenseiten 3 bedecken kann und/oder die Mehrzahl an Außenseiten 3 auch nur teilweise bedecken kann.
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Die Batteriezelle 1 weist bevorzugt einen ersten Spannungsabgriff 51 und einen zweiten Spannungsabgriff 52 auf, wobei die Batteriezelle 1 mittels des ersten Spannungsabgriffs 51 und/oder des zweiten Spannungsabgriffs 52 elektrisch seriell und/oder parallel mit einer anderen hier nicht dargestellten weiteren Batteriezelle verbindbar ist. Wie aus den 2 A und 2 B erkennbar ist, sind der erste Spannungsabgriff 51 und der zweite Spannungsabgriff 52 zumindest teilweise nicht mit dem elektrischen Isolationselement 2 bedeckt, wodurch eine elektrisch leitende Verbindung mit einer anderen Batteriezelle möglich ist.
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Wie insbesondere aus der 2 B zu erkennen ist, weist das Isolationselement 2 eine Siegelnaht 6 auf. Dabei ist weiterhin insbesondere auch aus der 2 A zu erkennen, dass die Siegelnaht 6 des Isolationselements 2 direkt benachbart zu der Oberseite 4 angeordnet ist.
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Die Siegelnaht 6 ist dabei zwischen dem ersten Spannungsabgriff 51 und dem zweiten Spannungsabgriff 52 angeordnet. Dabei weist die Oberseite 4 der Batteriezelle 1 eine Längsrichtung 7 auf, wobei die Siegelnaht 6 im Wesentlichen parallel verlaufend zu der Längsrichtung 7 angeordnet ist. Insbesondere ist die Siegelnaht 6 zumindest abschnittsweise oder bevorzugt auch vollständig entlang der Längsrichtung 7 verlaufend ausgebildet. Die Längsrichtung 7 weist dabei von dem ersten Spannungsabgriff 51 zu dem zweiten Spannungsabgriff 52.
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Weiterhin weist die Oberseite 4 der Batteriezelle 1 zumindest eine Symmetrieachse 8 auf, wobei an dieser Stelle angemerkt sei, dass die Symmetrieachse 8 der Längsrichtung 7 entsprechen kann, wie in den 2 A und 2 B gezeigt ist. Bevorzugt ist die Siegelnaht 6 dabei zumindest abschnittsweise oder bevorzugt auch vollständig entlang der Symmetrieachse 8 verlaufend ausgebildet.
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Weiterhin ist aus der 2 B zu erkennen, dass die Oberseite 4 dabei eine rechteckige Form aufweist.
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Die 3 zeigt einen Zustand einer Batteriezelle 1 während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle 1 insbesondere gemäß den 2 A und 2 B. Dabei zeigt rechte Darstellung einen Schnitt in einer Seitenansicht durch die Batteriezelle 1 sowie das Isolationselement 2 und die linke Darstellung einen Schnitt entlang der gezeigten Linie A-A.
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Dabei ist eine Batteriezelle 1 zu erkennen, welche, wie bereits im Zusammenhang mit den 2 A und 2 B beschrieben ist, eine Mehrzahl an Außenseiten 3 und eine Oberseite 4 umfasst. Weiterhin ist in der 3 ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Isolationselement 2 zu erkennen.
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Dabei weist das Isolationselement 2 einen Aufnahmeraum 21 auf, der weiterhin eine Öffnung 22 umfasst, durch die die Batteriezelle 1 in den Aufnahmeraum 21 eingeschoben werden kann. Das Isolationselement 2 gemäß dem in der 3 und der später beschriebenen 4 gezeigten erfindungsgemäßen Verfahren ist als Schrumpfschlauch oder Schrumpffolie ausgebildet.
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Vor dem in der 3 gezeigten Zustand der Batteriezelle 1 während des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde bereits in einem ersten Verfahrensschritt eine Batteriezelle 1 bereitgestellt und weiterhin in einem zweiten Verfahrensschritt aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Isolationselement 2 bereitgestellt. Des Weiteren wurde in einem dritten Verfahrensschritt die Batteriezelle 1 durch die Öffnung 22 in den Aufnahmeraum 21 eingeschoben, sodass die Batteriezelle 1 innerhalb des Aufnahmeraums 21 des Isolationselements 2 angeordnet ist.
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Ferner wurde in einem vierten Verfahrensschritt die Öffnung 22 des Aufnahmeraums 21 mit einer Siegelnaht 6 verschlossen. Daher ist die Öffnung 22 in der 3 auch nur durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet. Vorteilhafterweise wurde die Siegelnaht 6 dabei mittels eines thermischen Siegelverfahrens ausgebildet, wobei das Material des Isolationselement 2 dazu mittels Wärme lokal aufgeschmolzen und zu einer Verschließung der Öffnung anschließend miteinander verbunden wird. Weiterhin kann die Siegelnaht auch mittels eines Ultraschallsiegelverfahrens ausgebildet worden sein, wobei das Material des Isolationselements 2 dazu einem hochfrequenten Schall ausgesetzt wird.
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Dabei ist die Siegelnaht 6 oberhalb der Oberseite 4 angeordnet, sodass nach einem Schrumpfen des Isolationselements 2 die Siegelnaht 6 direkt benachbart zu der Oberseite 4 angeordnet ist.
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Die 4 zeigt einen weiteren Zustand einer Batteriezelle 1 während des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle 1. Dabei zeigt rechte Darstellung einen Schnitt in einer Seitenansicht durch die Batteriezelle 1 sowie das Isolationselement 2 und die linke Darstellung einen Schnitt entlang der gezeigten Linie B-B.
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Dabei zeigt die 4 die Batteriezelle 1 mit dem elektrischen Isolationselement 2 nach der Ausführung eines fünften Verfahrensschritts, in welchem ausgehend von dem in der 3 gezeigten Zustand das Isolationselement 2 geschrumpft wurde. Dabei wurde in dem fünften Verfahrensschritt das Isolationselement 2 in der Art geschrumpft wurde, dass das Isolationselement 2 die Mehrzahl an Außenseiten 3 vollständig bedeckt und die Oberseite 4 zumindest teilweise bedeckt und weiterhin die Siegelnaht 6 direkt benachbart zu der Oberseite 4 angeordnet ist.
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Ausgehend von dem in der 4 gezeigten Zustand des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise noch der erste Spannungsabgriff 51 und der zweite Spannungsabgriff 52 freigelegt werden, insbesondere in der Art, dass der erste Spannungsabgriff 51 und der zweite Spannungsabgriff 52 zumindest teilweise nicht von dem Isolationselement 2 bedeckt sind, was beispielsweise in den 2 A und 2 B zu erkennen ist, so dass eine elektrische Verschaltung der Batteriezelle 1 mit einer anderen Batteriezelle möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011089949 A1 [0004]
