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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle durch Stapeln einer Mehrzahl von Kontaktfahnen einer Elektrode und mindestens eines Kollektorelements und Verschweißen der Kontaktfahnen und des Kollektorelements. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die einen Elektrodenstapel aufweist, der 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 metallischen 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, beispielsweise zu einem Elektrodenstapel gestapelt. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenwickel gewunden sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden. Als Festkörperzellen ausgeführte Batteriezellen können auch Lithium-Folien aufweisen.
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Die beiden Elektroden des Elektrodenstapels sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Dazu stehen von den Stromableitern der Elektroden Kontaktfahnen ab. Die Kontaktfahnen der Elektroden sind jeweils mit einem Kollektorelement verbunden, insbesondere verschweißt, welches mit einem der Terminals der Batteriezelle verbunden ist. Die Kollektorelemente sind dabei auch Teil des Elektrodenstapels.
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Beim Verschweißen der verhältnismäßig dünnen Kontaktfahnen der Elektroden, welche eine Dicke von wenigen Mikrometern aufweisen, mit dem Kollektorelement, insbesondere mittels Laserschweißens, können einzelne Kontaktfahnen abreißen. Dadurch kann es zu einer verringerten mechanischen Festigkeit sowie zu einem erhöhten elektrischen Übergangswidertand des Elektrodenstapels kommen.
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Aus der Druckschrift
JP H06-44479 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Speicherbatterie bekannt. Dabei werden Kontaktfahnen von Elektroden durch Schlitze in einem Kollektorelement geführt. Bereiche der Kontaktfahnen, die über das Kollektorelement überstehen werden mittels eines Laserstrahls abgeschnitten. Die verbleibenden Kontaktfahnen werden mittels Laserschweißens mit dem Kollektorelement verschweißt.
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Das Dokument
US 2006/0108335 A1 offenbart ein Verfahren zum Verschweißen von Kontaktfahnen von Elektroden. Dabei werden die Kontaktfahnen zunächst mittels Widerstandschweißens oder Ultraschallschweißens miteinander verschweißt. Zusätzlich werden die Kontaktfahnen anschließend mittels Laserschweißens verschweißt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Lithiumionen-Batteriezelle, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die nachfolgend aufgeführten Schritte.
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Zunächst werden eine Mehrzahl von Kontaktfahnen einer Elektrode und mindestens ein Kollektorelement in einer Stapelrichtung gestapelt. Vorteilhaft werden dabei Kontaktfahnen einer Anode und mindestens ein negatives Kollektorelement in einer Stapelrichtung gestapelt, und gleichzeitig werden Kontaktfahnen einer Kathode und mindestens ein positives Kollektorelement in dergleichen Stapelrichtung gestapelt.
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Eine Anzahl der Kontaktfahnen der Elektrode liegt vorzugsweise zwischen 2 und 100, besonders vorzugsweise zwischen 20 und 60. Die Kontaktfahnen der Elektrode haben bevorzugt eine Dicke zwischen 2 und 50 Mikrometern, besonders bevorzugt zwischen 3 und 18 Mikrometern. Die Kontaktfahnen der Anode bestehen beispielsweise aus Kupfer. Die Kontaktfahnen der Kathode bestehen beispielsweise aus Aluminium.
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Das Kollektorelement weist eine signifikant größere Dicke auf als eine Kontaktfahne, beispielsweise zwischen 100 µm und 2000 µm, insbesondere zwischen 150 µm und 1000 µm. Die Kontaktfahnen der Elektrode werden dabei parallel zu dem Kollektorelement gestapelt. Das negative Kollektorelement besteht beispielsweise aus Kupfer. Das positive Kollektorelement besteht beispielsweise aus Aluminium. Es ist auch denkbar, dass beide Kollektorelemente aus Kupfer bestehen, sowie, dass beide Kollektorelemente aus Aluminium bestehen.
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Anschließend wird ein Laserstrahl auf die Mehrzahl von Kontaktfahnen der Elektrode und das Kollektorelement derart gerichtet, dass die Mehrzahl von Kontaktfahnen der Elektrode und das Kollektorelement entlang eines Schnittspalts getrennt werden, und dass eine Verschweißung der Kontaktfahnen der Elektrode und des Kollektorelements an mindestens einem Randbereich des Schnittspalts erfolgt. Mittels des Laserstrahls wird also ein kombinierter Prozess aus Schneiden und Verbinden durchgeführt.
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Dabei wird der Laserstrahl beispielsweise primär auf die Kontaktfahne gerichtet, welche dem Kollektorelement entfernt gelegen ist. Der Laserstrahl schneidet dann durch diese Kontaktfahne, durch die weiteren Kontaktfahnen und durch das Kollektorelement.
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Dieser kombinierte Prozess kann sowohl mit einem hochbrillianten Continuous-Wave-Laser, beispielsweise mit einem Scheibenlaser oder einem Faserlaser, als auch mit einem gepulsten Laser durchgeführt werden, wobei die Pulsdauer im Bereich von Millisekunden, Mikrosekunden oder Nanosekunden liegen kann. Dabei sind die Parameter des Lasers vorzugsweise so zu wählen, dass eine optimale Anbindung der Kontaktfahnen und weniger, dass ein optimaler Schnitt hergestellt wird. Je nach Schnittprozess kann ein Schneidgas oder ein Schutzgas eingesetzt werden um eine entstehende Schmelze aus dem Schnittspalt auszutreiben.
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Vorzugsweise wird der Schneidprozess so optimiert, dass keine oder lediglich eine möglichst geringe Bartbildung entsteht. Als Bart werden Restpartikel an der Unterseite der Verbindung bezeichnet. Ein solcher Bart kann später im laufenden Betrieb einer Batteriezelle abfallen und dabei Schäden in der Batteriezelle hervorrufen. Vorzugsweise wird der kombinierte Prozess aus Schneiden und Verbinden so geführt, dass der Schmelzeaustrieb geeignet abgesaugt werden kann. Dadurch können Kontaminationen, welche die Batteriezelle schädigen können, vermieden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl parallel zu der Stapelrichtung auf die Kontaktfahnen der Elektrode und das Kollektorelement gerichtet. Der Laserstrahl steht somit rechtwinklig zu einer Oberfläche des Kollektorelements und rechtwinklig zu den Oberflächen der Kontaktfahnen der Elektrode.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl um einen Winkel geneigt zu der Stapelrichtung auf die Kontaktfahnen der Elektrode und das Kollektorelement gerichtet. Der Laserstrahl steht somit um den Winkel geneigt zu der Oberfläche des Kollektorelements und um den Winkel geneigt zu den Oberflächen der Kontaktfahnen der Elektrode.
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Beispielsweise kann der Laserstrahl so angestellt werden das die entstehende Schmelze von den Kontaktfahnen der Elektrode und dem Kollektorelement weg befördert wird. Ein geneigter oder schräger Einfall des Laserstrahls kann zudem noch eine größere Dicke der Kontaktfahnen sowie des Kollektorelements anbinden. Somit kann die Festigkeit und Stromtragfähigkeit des Elektrodenstapels erhöht werden.
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Die Kontaktfahnen der Elektrode weisen in einer Richtung rechtwinklig zu der Stapelrichtung eine Materialbreite auf. Das Kollektorelement kann die gleiche Materialbreite aufweisen. Das Kollektorelement kann aber auch eine unterschiedliche Materialbreite aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl derart geführt, dass der Schnittspalt sich über die vollständige Materialbreite der Kontaktfahnen der Elektrode erstreckt.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl derart geführt, dass der Schnittspalt sich über eine Schnittlänge erstreckt, die kleiner als die Materialbreite der Kontaktfahnen der Elektrode ist.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl derart geführt, dass der Schnittspalt geradlinig durch die Kontaktfahnen der Elektrode und das Kollektorelement verläuft.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl derart geführt, dass der Schnittspalt eine zylindrische Form, insbesondere eine kreiszylindrische Form, aufweist.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Schnittspalt dabei rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse, welche parallel zu der Stapelrichtung verläuft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden ein Teil der Kontaktfahnen der Elektrode und ein Teil des Kollektorelements von einem Rest der Kontaktfahnen der Elektrode und einem Rest des Kollektorelements während der Verschweißung abgetrennt.
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Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, die mindestens einen Elektrodenstapel umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung 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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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Verbindung von Kontaktfahnen mit einem Kollektorelement, wobei ein Abreißen von einzelnen Kontaktfahnen weitgehend vermieden ist. Die Kontaktierungs-Schmelze, welche die elektrische und mechanische Verbindung der Kontaktfahnen untereinander herstellt, kann frei erstarren. Es erfolgt eine durchgehende Kontaktierung, da alle Fügepartner über den gesamten Querschnitt der Verbindung thermisch beaufschlagt werden. Es entsteht nur eine sehr dünne Schmelzschicht, typischerweise im Bereich der Dicke der Kontaktfahnen bis zum 50-fachen der Dicke der Kontaktfahnen, insbesondere im Bereich zwischen 10 und 200 Mikrometern. Auch kommt es nur zu einem sehr geringen thermischen Energieeintrag in den Elektrodenstapel aufgrund der kleinen Schmelzzone, die im Kontakt mit dem Elektrodenstapel ist.
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Der Schnitt durch die Kontaktfahnen und das Kollektorelement kann so gestaltet werden, dass kein Abschnittteil übrig bleibt, indem der Schnitt in den Stapel gelegt wird. Der Schnitt kann so gelegt werden, dass eine weitere Funktion erzeugt wird, beispielsweise eine Durchgangsbohrung für einen Anschraubpunkt. Auch kann der Schnitt so gelegt werden, dass er zur Entlastung der Fügestelle beiträgt und mechanische Belastungen abfedert. Vorteilhaft wird der Schneidprozess bei einem nicht geschlossenen Schnitt so geführt, dass beide Schneidflanken eine elektrische Kontaktierung der Kontaktfahnen erzeugen und zur Stromübertragung beitragen.
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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 Darstellung einer Batteriezelle,
- 2 einen Stapel mit einer Mehrzahl von Kontaktfahnen und einem Kollektorelement,
- 3 eine Seitenansicht des Stapels aus 2 während eines Schweißvorgangs gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
- 4 den Stapel aus 3 nach dem Schweißvorgang,
- 5 eine Draufsicht auf den Stapel aus 2 nach einem Schweißvorgang gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
- 6 eine Schnittdarstellung des Stapels aus 5 und
- 7 eine Draufsicht auf den Stapel aus 2 nach einem Schweißvorgang gemäß einer dritten Ausführungsvariante.
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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 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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Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3. Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit angeordnet, welche vorliegend als Elektrodenstapel 10 ausgeführt ist. Der Elektrodenstapel 10 weist eine negative Elektrode, die als Anode 21 bezeichnet wird, und eine positive Elektrode, die als Kathode 22 bezeichnet wird, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig, aber elektrisch isolierend.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial und einen anodischen Stromableiter. Der anodische Stromableiter ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Von dem anodischen Stromableiter ragen Kontaktfahnen 35 der Anode 21 weg. Die Kontaktfahnen 35 der Anode 21 sind mit einem negativen Kollektorelement 51 verbunden, welches mit dem negativen Terminal 11 verbunden ist. Somit ist der anodische Stromableiter elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial und einen kathodischen Stromableiter. Der kathodische Stromableiter ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Von dem kathodischen Stromableiter ragen Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 weg. Die Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 sind mit einem positiven Kollektorelement 52 verbunden, welches mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist. Somit ist der kathodische Stromableiter elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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2 zeigt einen Stapel mit einer Mehrzahl von Kontaktfahnen 35, 36 einer Elektrode 21, 22 und einem Kollektorelement 51, 52. Dabei kann es sich um Kontaktfahnen 35 der Anode 21 und ein negatives Kollektorelement 51 ebenso wie um Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 und ein positives Kollektorelement 52 handeln. Die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 sind dabei in einer Stapelrichtung z gestapelt.
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Die Kontaktfahnen 35, 36 der Elektrode 21, 22 weisen in einer Richtung, welche rechtwinklig zu der Stapelrichtung z verläuft und sich vorliegend in die Zeichenebene hinein erstreckt, eine Materialbreite MB auf. Die Materialbreite MB ist unter anderem in 5 gezeigt. Das Kollektorelement 51, 52 kann in der besagten Richtung die gleiche Materialbreite MB aufweisen. Vorliegend ist das Kollektorelement 51, 52 breiter als die Materialbreite MB der Kontaktfahnen 35, 36.
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3 zeigt eine Seitenansicht des Stapels aus 2 während eines Schweißvorgangs gemäß einer ersten Ausführungsvariante. Ein Laserstrahl 80 wird auf die Mehrzahl von Kontaktfahnen 35, 36 der Elektrode 21, 22 und das Kollektorelement 51, 52 gerichtet. Dabei wird der Laserstrahl 80 parallel zu der Stapelrichtung z auf die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 gerichtet.
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Der Laserstrahl 80 erzeugt dabei eine Schnittspalt 90 in den Kontaktfahnen 35, 36 und dem Kollektorelement 51, 52. Die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 werden entlang des Schnittspalts 90 getrennt. Der Laserstrahl 80 wird vorliegend primär auf die Kontaktfahne 35, 36 gerichtet, welche dem Kollektorelement 51, 52 entfernt gelegen ist. Der Laserstrahl 80 schneidet dann durch diese Kontaktfahne 35, 36, durch die weiteren Kontaktfahnen 35, 36 und durch das Kollektorelement 51, 52.
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Der Schnittspalt 90 erstreckt sich somit durch alle Kontaktfahnen 35, 36 und durch das Kollektorelement 51, 52. Der Laserstrahl 80 wird vorliegend geradlinig und in Richtung der Materialbreite MB geführt. Der Schnittspalt 90 verläuft somit geradlinig in Richtung der Materialbreite MB, also rechtwinklig zu der Zeichenebene.
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4 zeigt den Stapel aus 3 nach dem Schweißvorgang. An zwei Randbereichen 85 des Schnittspalts 90 ist eine Verschweißung der Kontaktfahnen 35, 36 und des Kollektorelements 51, 52 erfolgt. Die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 sind also an den Randbereichen 85 des Schnittspalts 90 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
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Der Laserstrahl 80 wurde dabei über die vollständige Materialbreite MB der Kontaktfahnen 35, 36 und vollständig über das Kollektorelement 51, 52 geführt. Somit erstreckt sich auch der Schnittspalt 90 über die vollständige Materialbreite MB der Kontaktfahnen 35, 36 und vollständig über das Kollektorelement 51, 52. Dabei werden ein Teil der Kontaktfahnen 35, 36 und ein Teil des Kollektorelements 51, 52 von einem Rest der Kontaktfahnen 35, 36 und einem Rest des Kollektorelements 51, 52 abgetrennt. Der abgetrennte Teil der Kontaktfahnen 35, 36 und des Kollektorelements 51, 52 wird als Abfallteil 49 bezeichnet und wird entfernt.
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5 zeigt eine Draufsicht auf den Stapel aus 2 nach einem Schweißvorgang gemäß einer zweiten Ausführungsvariante. Der Laserstrahl 80 wurde dabei in einer Kreisform geführt und der Schnittspalt 90 weist somit eine kreiszylindrische Form auf. Der Schnittspalt 90 ist somit rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse A, welche parallel zu der Stapelrichtung z verläuft.
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Der Laserstrahl 80 wurde also derart dabei über die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 geführt, dass der Schnittspalt 90 sich über eine Schnittlänge SL erstreckt, die kleiner als die Materialbreite MB der Kontaktfahnen 35, 36 ist. Die Schnittlänge SL entspricht vorliegend dem Durchmesser des kreiszylindrischen Schnittspalts 90.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung des Stapels aus 5. An dem umlaufenden Randbereich 85 des Schnittspalts 90 ist eine Verschweißung der Kontaktfahnen 35, 36 und des Kollektorelements 51, 52 erfolgt. Die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 sind also an dem Randbereich 85 des Schnittspalts 90 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
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Der kreiszylindrisch ausgebildete Schnittspalt 90 dient beispielsweise als Durchgangsbohrung für eine Schraube oder für eine elektrische Leitung, beispielsweise eine Messleitung.
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7 zeigt eine Draufsicht auf den Stapel aus 2 nach einem Schweißvorgang gemäß einer dritten Ausführungsvariante. Der Laserstrahl 80 wurde dabei derart über die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 geführt, dass der Schnittspalt 90 sich über eine Schnittlänge SL erstreckt, die kleiner als die Materialbreite MB der Kontaktfahnen 35, 36 ist. Die Schnittlänge SL ist dabei der größte Abstand von zwei Punkten auf dem Randbereich 85 des Schnittspalts 90 in Richtung der Materialbreite MB der Kontaktfahnen 35, 36.
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An dem umlaufenden Randbereich 85 des Schnittspalts 90 ist eine Verschweißung der Kontaktfahnen 35, 36 und des Kollektorelements 51, 52 erfolgt. Die Kontaktfahnen 35, 36 und das Kollektorelement 51, 52 sind also an dem Randbereich 85 des Schnittspalts 90 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
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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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- JP H0644479 B2 [0006]
- US 2006/0108335 A1 [0007]
