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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontaktieren eines Energiespeichers sowie eine Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers.
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Stand der Technik
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Energiespeicher können aus einer Vielzahl an Einzelzellen bestehen. Anschlüsse von Einzelzellen werden elektrisch leitend miteinander und mit Schnittstellen des Energiespeichers verbunden. Da die zu verbindenden Anschlüsse metallisch sind, können die Anschlüsse über Schweißverfahren, wie Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Kontaktieren eines Energiespeichers, insbesondere eines Lithiumionen-Energiespeichers, sowie eine Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers, insbesondere eines Lithiumionen-Energiespeichers, gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Kontaktbereichen gleichartiger Elektroden eines Energiespeichers herzustellen, ohne dass dabei aus den Kontaktbereichen Partikel herausgerissen beziehungsweise geschleudert werden. Durch das Vermeiden der Partikel können Schädigungen des Energiespeichers vermieden werden. Insbesondere können Kurzschlüsse zwischen Anode und Kathode durch dazwischen abgelagerte Partikel verhindert werden. Dabei können also mehrere Kathoden elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Ebenso können mehrere Anoden elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann eine thermische Belastung der Verbindungsstelle und ihrer Umgebung sehr gering gehalten werden.
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Es wird ein Verfahren zum Kontaktieren eines Energiespeichers vorgestellt, wobei der Energiespeicher zumindest einen Fahnenstapel aus übereinander angeordneten Kontaktfahnen von Elektroden des Energiespeichers aufweist, wobei in einem Schritt des Druckens zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung der Kontaktfahnen schmelzflüssiges Metallmaterial aus einem Schmelzdruckkopf auf zumindest einen Teilbereich eines Kantenbereichs des Fahnenstapels gedruckt wird.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers vorgestellt, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß dem hier vorgestellten Ansatz in entsprechenden Einrichtungen auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Eine Energiespeicherzelle weist Elektroden auf. Die Elektroden können als Anode und Kathode bezeichnet werden. Zwischen den Elektroden ist bei einer Batterie ein Elektrolytmaterial und bei einem Kondensator ein Dielektrikum angeordnet. Die Anode und die Kathode benötigen eine elektrische Kontaktierung, damit elektrische Energie über eine Zellengrenze transportiert werden kann. Ein Energiespeicher kann aus einer Vielzahl miteinander verschalteten Energiespeicherzellen bestehen. Die Energiespeicherzellen eines Energiespeichers können flächig ausgeführt sein und als Stapel übereinander angeordnet sein.
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Die Elektroden des Energiespeichers können als dünne elektrisch leitende Folien oder Bleche aus einem Metallmaterial ausgeführt sein. Bei der Herstellung werden die Elektroden zugeschnitten und zu einem Stapel beziehungsweise Stack übereinander geschichtet. Dabei werden abwechselnd Anoden und Kathoden geschichtet. Zwischen den Elektroden wird das Elektrolytmaterial oder das Dielektrikum angeordnet. Die Elektroden weisen zumindest je einen über eine Fläche des Elektrolytmaterials beziehungsweise des Dielektrikums hervorstehenden flächigen Bereich auf. Der Bereich kann als Kontaktfahne beziehungsweise Flag bezeichnet werden. Die Kontaktfahne ist wie die Elektrode aus der Folie oder dem Blech ausgeschnitten. Die Kontaktfahne ist aus dem gleichen Metallmaterial, wie die jeweilige Elektrode. Bei einer Batterie kann das Metallmaterial der Anoden unterschiedlich zu dem Metallmaterial der Kathoden sein.
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Die Anoden und Kathoden weisen unterschiedlich angeordnete Kontaktfahnen auf. Die unterschiedliche Anordnung kann beispielsweise durch eine spiegelverkehrte Anordnung der Anoden und Kathoden im Stapel erreicht werden. Ebenso können die Anoden und Kathoden unterschiedliche Geometrien aufweisen. Durch die unterschiedliche Anordnung beziehungsweise Geometrie der Elektroden kommen beim Schichten des Stapels die Kontaktfahnen der Anoden über den Kontaktfahnen der anderen Anoden zu liegen und es bildet sich zumindest ein Fahnenstapel aus Anoden-Kontaktfahnen aus. Die Kontaktfahnen der Kathoden kommen über den Kontaktfahnen der anderen Kathoden zu liegen und es bildet sich und zumindest ein Fahnenstapel aus Kathoden-Kontaktfahnen aus. Der Anoden-Fahnenstapel ist beabstandet zu dem Kathoden-Fahnenstapel angeordnet und berührt diesen nicht.
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Die Schnittkanten der Elektroden eines Fahnenstapels sind aneinander ausgerichtet. Die Flachseiten der Kontaktfahnen sind übereinander angeordnet. Die einzelnen übereinander angeordneten Kontaktfahnen können unterschiedliche Abmessungen aufweisen, um eine vorteilhafte Gestaltung des Fahnenstapels zu erreichen. Beispielsweise können Vorderkanten der Kontaktfahnen abhängig von einer Position im Stapel unterschiedlich weit über eine Kante des Stapels überstehen. Die Kontaktfahnen können aus einer Haupterstreckungsebene der jeweiligen Elektrode abgewinkelt ausgeführt sein, um eine benachbarte Kontaktfahne im jeweiligen Fahnenstapel zumindest mit der Vorderkante zu berühren. Die Schnittkanten der Kontaktfahnen bilden einen Kantenbereich eines Fahnenstapels aus.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird schmelzflüssiges Metallmaterial quer zu den Schnittkanten der Kontaktfahnen aufgedruckt, um eine dauerhafte elektrisch leitende Verbindung zwischen den einzelnen Kontaktfahnen des Fahnenstapels herzustellen. Dabei verbindet sich das Metallmaterial ohne Zusätze stoffschlüssig mit den Kontaktfahnen und stellt so die elektrisch leitende Verbindung her. Es kann das gleiche Metallmaterial aufgedruckt werden, aus dem die Kontaktfahnen des Fahnenstapels bestehen. Das schmelzflüssige Metallmaterial kann auch durch den Kapillareffekt in einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Kontaktfahnen eindringen und diesen teilweise auffüllen.
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Das schmelzflüssige Metallmaterial überträgt thermische Energie auf die Kontaktfahnen. Die Kontaktfahnen werden in dem Teilbereich erwärmt beziehungsweise angeschmolzen. Da das Erwärmen und/oder Anschmelzen dort stattfindet, wo das Metallmaterial bereits eine umgebende Atmosphäre verdrängt hat, werden keine Partikel aus den Kontaktfahnen gerissen beziehungsweise geschleudert.
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Das Metallmaterial kann in unmittelbarer Nähe zu der Fügestelle aufgeschmolzen werden. Das Metallmaterial kann in einem Schmelzdruckkopf aufgeschmolzen werden. Wenn die Anoden und Kathoden aus unterschiedlichem Material bestehen, können unterschiedliche Metallmaterialien in unterschiedlichen Schmelzdruckköpfen aufgeschmolzen werden. Mit mehreren Schmelzdruckköpfen kann zeitgleich gedruckt werden. Ebenso kann mit verschiedenen Schmelzdruckköpfen zeitlich versetzt gedruckt werden. Der Schmelzdruckkopf kann relativ zu dem Fahnenstapel in mehreren Achsen beweglich sein. Mehrere Schmelzdruckköpfe können miteinander gekoppelt sein, sodass sie simultan drucken können. Die Schmelzdruckköpfe können auch unabhängig voneinander beweglich sein, um unabhängig voneinander drucken zu können. Das Metallmaterial kann in festem Zustand zugeführt werden und in dem Schmelzdruckkopf durch Erwärmen aus dem festen Zustand in den schmelzflüssigen Zustand überführt werden. Der Schmelzdruckkopf kann eine Heizeinrichtung und eine Zuführeinrichtung aufweisen. Die Heizeinrichtung kann das Metallmaterial in einer Kammer beziehungsweise einem Tiegel aufheizen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise induktiv oder resistiv den Tiegel und/oder das Metallmaterial aufheizen. Die Zuführeinrichtung kann dem Tiegel festes Metallmaterial zuführen. Das Metallmaterial kann kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt werden. Das Metallmaterial kann beispielsweise als Draht, Drahtabschnitte, Pellets oder Pulver zugeführt werden. Der Tiegel kann eine Austrittsöffnung beziehungsweise Düse aufweisen, durch die das schmelzflüssige Metallmaterial auf den Kantenbereich des Fahnenstapels gedruckt werden kann.
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Das Metallmaterial kann dosiert auf den Fahnenstapel gedruckt werden Zum Dosieren des Metallmaterials kann ein Druck auf das Metallmaterial im Schmelzdruckkopf ausgeübt werden. Durch den Druck kann eine Ausflussrate des schmelzflüssigen Metallmaterials beeinflusst werden. Durch eine Druckerhöhung kann die Ausflussrate erhöht werden. Durch eine Drucksenkung kann die Ausflussrate verringert werden. Der Druck kann beispielsweise durch ein Gaspolster in dem Schmelzdruckkopf auf das Metallmaterial wirken. Der Druck im Gaspolster kann über eine gezielte Zufuhr beziehungsweise ein gezieltes Abziehen des Gases kontrolliert werden. Als Gas kann ein Schutzgas beziehungsweise Inertgas verwendet werden, um eine chemische Reaktion des Metallmaterials zu verhindern.
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Der Druck kann auch über einen Kolben im Schmelzdruckkopf erzeugt werden. Der Kolben kann ein Volumen einer Druckkammer im Schmelzdruckkopf einstellen. Der Kolben und die Druckkammer bilden eine Pumpe aus. Durch eine Verringerung des Volumens kann das Metallmaterial aus dem Schmelzdruckkopf gedrückt werden. Bei einer entgegengesetzten Bewegung des Kolbens kann schmelzflüssiges Metallmaterial in die Druckkammer nachgesaugt werden. Der Kolben kann auch auf die gesamte Kammer wirken.
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Das schmelzflüssige Metallmaterial kann in dem Schmelzdruckkopf überhitzt und überhitzt auf den Fahnenstapel gedruckt werden. Beim Überhitzen kann das Metallmaterial auf eine höhere Temperatur erwärmt werden, als zum Übergang von dem festen Zustand in den flüssigen Zustand erforderlich ist. Durch das Überhitzen enthält das Metallmaterial einen Überschuss an thermischer Energie. Der Überschuss kann beim Drucken an das Metallmaterial der Kontaktfahnen abgegeben werden, bevor das gedruckte Metallmaterial erstarrt. Dadurch kann das gedruckte Metallmaterial noch eine Strecke weit zwischen den Kontaktfahnen fließen, bevor es fest wird. Eine elektrisch leitende Querschnittsfläche zwischen den einzelnen Kontaktfahnen kann so vergrößert werden.
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Das Metallmaterial kann diskontinuierlich in Tropfenform auf den Fahnenstapel gedruckt werden. Alternativ kann das Metallmaterial kontinuierlich in Raupenform auf den Fahnenstapel gedruckt werden. Durch ein Drucken in Tropfenform kann der Druckvorgang gut kontrolliert werden. Durch das Drucken in Raupenform kann der Druckvorgang schnell ausgeführt werden. Durch das Drucken in Tropfenform kann ein Temperatureintrag in den Stapel der Elektroden besser kontrolliert werden.
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Dem Schritt des Druckens kann ein Schritt des Ablatierens vorausgehen, in dem in dem Teilbereich unter Verwendung eines Laserstrahls Material von den Kontaktfahnen abgetragen wird. Beim Ablatieren wird das Material verdampft. Durch das Ablatieren wird eine Oberfläche des Fahnenstapels beziehungsweise des Kantenbereichs gereinigt. Beispielsweise kann eine Oxidschicht entfernt werden. Ebenso können Verunreinigungen entfernt werden. Das schmelzflüssige Metallmaterial kann so eine festere Verbindung zu den einzelnen Kontaktfahnen eingehen. Die sehr kleinen Materialdampfpartikel können abgesaugt werden. Eine Lasereinrichtung kann mit dem Schmelzdruckkopf gekoppelt sein. Bei mehreren Schmelzdruckköpfen kann eine Lasereinrichtung das Ablatieren für mehrere Schmelzdruckköpfe ausführen.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Absaugens aufweisen, in dem Partikel aus dem Bereich des Fahnenstapels abgesaugt werden. Beim Absaugen kann Gas abgesaugt werden. Ein Gasstrom reißt eventuell vorhandene oder entstandene Partikel mit. Durch das Absaugen kann der Druckprozess abgesichert werden, da eventuell entstehende Partikel nicht in den Stapel gelangen können.
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Ebenso ist es denkbar, den Prozess des Abreinigens der Elektrodenfahnen an der Verbindungsstelle räumlich vom Fügeprozess zu trennen oder auch ein anderes Reinigungsverfahren als Laserreinigen zu verwenden.
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Dem Schritt des Druckens kann ein Schritt des Vorwärmens vorausgehen, in dem der Teilbereich unter Verwendung eines Laserstrahls vorgewärmt wird. Durch ein Vorwärmen kann eine Verbindungsqualität verbessert werden. Es kann auch ein größerer Bereich um den Teilbereich mit vorgewärmt werden. Thermische Spannungen im Stapel und/oder Fahnenstapel können durch das Vorwärmen verringert werden.
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Das schmelzflüssige Metallmaterial kann ferner auf zumindest einen mit dem Fahnenstapel ausgerichteten Stromleiter aufgedruckt werden. Ein Stromleiter kann ein flächiges Kontaktelement sein, das dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie des Energiespeichers über eine Grenze des Energiespeichers zu transportieren. Der Stromleiter kann eine größere Materialstärke aufweisen, als die Kontaktfahnen. Das schmelzflüssige Metallmaterial kann über den Kantenbereich hinaus auf den Stromleiter gedruckt werden. Der Fahnenstapel kann so im gleichen Schritt elektrisch leitend mit dem Stromleiter verbunden werden.
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Es kann zumindest eine durchgehende Kontaktbahn über zumindest je zwei der Kontaktfahnen des Fahnenstapels gedruckt werden. Das Metallmaterial kann so gezielt aufgedruckt werden, dass eine vorbestimmte Anzahl an Kontaktfahnen miteinander elektrisch leitend verbunden werden. Die Anzahl kann geringer sein, als die Gesamtanzahl der Kontaktfahnen im Fahnenstapel. Durch mehrere separate Verbindungsstellen kann der Fahnenstapel auch in kontaktiertem Zustand flexibel sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen als Verfahren zum Kontaktieren und als Vorrichtung zum Kontaktieren beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt eine Darstellung einer Batterie vor einem Kontaktieren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 zeigt eine Darstellung eines Energiespeichers mit einem gemäß einem Ausführungsbeispiel kontaktierten Fahnenstapel;
- 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines gemäß einem Ausführungsbeispiel kontaktierten Fahnenstapels;
- 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schmelzdruckkopfs einer Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schmelzdruckkopfs einer Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Kontaktieren eines Energiespeichers 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Energiespeicher 102 ist ein schichtweise gestapelter Energiespeicher für elektrische Energie. Der Energiespeicher 102 ist beispielsweise ein Kondensator oder eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator. Der Energiespeicher 102 weist Elektroden 104, 106 auf, die abhängig von ihrer Polarität als Anoden 104 oder Kathoden 106 bezeichnet werden. Die Elektroden 104, 106 sind aus dünnem Metallblech oder Metallfolie und können zusätzlich beschichtet sein. Die Anoden 104 und Kathoden 106 sind wechselweise zu einem Stapel 108 übereinandergestapelt. Zwischen den Anoden 104 und den Kathoden 106 ist bei einer Batterie ein Elektrolytmaterial zum Transport der Energie in chemischer Form angeordnet. Elektrisch sind Anode und Kathode mit einem dazwischen liegenden Separator getrennt. Bei einem Kondensator ist zwischen den Elektroden 104, 106 ein Dielektrikum zum Isolieren der beiden Elektroden 104, 106 voneinander angeordnet.
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Hier ist der hier vorgestellte Ansatz an den Anoden 104 dargestellt. Der hier vorgestellte Ansatz kann in gleicher Weise an den Kathoden 106 ausgeführt werden.
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Die Anoden weisen je zumindest eine Kontaktfahne 110 auf. Die Kontaktfahnen 110 sind bei allen Anoden 104 an der gleichen Stelle. Daher sind die Kontaktfahnen 110 im Stapel 108 übereinander angeordnet und bilden einen Fahnenstapel 112 aus. Der Fahnenstapel 112 steht über einen Rand des Stapels 108 über. Um den Energiespeicher 102 elektrisch zu kontaktieren werden die Kontaktfahnen 110 der Anoden 104 miteinander elektrisch leitend verbunden. Ebenso werden die Kontaktfahnen der Kathoden 106 elektrisch leitend miteinander verbunden, was hier zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird unter Verwendung der Vorrichtung 100 schmelzflüssiges Metallmaterial 114 aus einer Düse eines Schmelzdruckkopfs 116 der Vorrichtung 100 auf zumindest einen Teilbereich eines Kantenbereichs 118 des Fahnenstapels 112 aufgedruckt. Das schmelzflüssige Metallmaterial 114 erkaltet auf dem Fahnenstapel 112 und erstarrt zu einer elektrisch leitenden Leiterbahn 120, die die einzelnen Kontaktfahnen 110 stoffschlüssig elektrisch leitend miteinander verbindet. Die Leiterbahn 120 wird quer zu einer Haupterstreckungsebene der Elektroden 104, 106 auf den Kantenbereich 118 gedruckt. Bevor es erstarrt, dringt das schmelzflüssige Metallmaterial 114 etwas in Zwischenräume zwischen den einzelnen Kontaktfahnen 110 ein. Dadurch wird eine Kontaktfläche der Leiterbahn 120 zu den Kontaktfahnen 110 vergrößert.
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Beim Abkühlen gibt das Metallmaterial 114 Wärmeenergie an die Kontaktfahnen 110 und die Umgebung ab. Dabei kann genug Wärmeenergie abgegeben werden, um die Kontaktfahnen 110 im Bereich der Leiterbahn 120 zumindest teilweise zu schmelzen, wodurch die Leiterbahn 120 und die Kontaktfahnen 110 einstückig miteinander verbunden werden.
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Der Schmelzdruckkopf 116 ist über eine Antriebseinrichtung 122 relativ zu dem Energiespeicher 102 beweglich. Hier ist der Schmelzdruckkopf 116 über drei Linearführungssysteme in drei Achsen beweglich.
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Der Schmelzdruckkopf 116 weist eine Zuführeinrichtung 124 und eine Heizeinrichtung 126 auf. Die Zuführeinrichtung fördert ungeschmolzenes Metallmaterial 128 in einen Schmelzbereich 130. Der Schmelzbereich 130 wird durch die Heizeinrichtung 126 erwärmt, um das ungeschmolzene Metallmaterial 128 in den schmelzflüssigen Zustand zu überführen.
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Hier wird das ungeschmolzene Metallmaterial 128 als Draht zugeführt. Dazu weist die Zuführeinrichtung 124 Vorschubrollen 132 auf, die den Draht mechanisch greifen und in ein Rohr 134 drücken. Durch die Heizeinrichtung 126 angesteuerte Heizwendeln 136 oder Induktionsspulen 136 sind hier in einer Wand des Rohrs 134 angeordnet. Im Rohr 134 wird der Draht erwärmt, bis er vollständig zu dem schmelzflüssigen Metallmaterial 114 aufgeschmolzen ist.
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Die Zuführeinrichtung 124 ist hier gleichzeitig als Dosiereinrichtung ausgebildet. Je schneller der Draht in den Schmelzbereich 130 eingeführt wird, umso größer ist ein Volumenstrom des schmelzflüssigen Metallmaterials 114 aus der Düse. Je größer der Volumenstrom ist, umso mehr Leistung wird durch die Heizeinrichtung 126 bereitgestellt, um das Metallmaterial 128 aufzuschmelzen.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 eine Laseroptik 138 auf. Die Laseroptik 138 ist dazu ausgebildet, gerichtetes Laserlicht 140 auf den Kantenbereich 118 des Fahnenstapels 112 zu emittieren. Hier ist die Laseroptik 138 abgesetzt von dem Schmelzdruckkopf 116 ausgeführt. Dadurch kann das Laserlicht 140 unabhängig von Bewegungen des Schmelzdruckkopfs 116 verwendet werden. Dazu wird hier das Laserlicht 140 einer Laserquelle 142 durch eine Ablenkeinheit 144 bzw. einen Laserscanner 144 dort auf den Teilbereich gelenkt, wo nachfolgend das schmelzflüssige Metallmaterial 114 aufgedruckt wird. Die Ablenkeinheit 144 scannt dabei den Teilbereich vor der Düse des Schmelzdruckkopfs 116 zeilenweise oder mit anderen Bewegungsmustern ab. Die Laseroptik 138 kann auch als Festoptik mit einem eigenen Achssystem bewegt werden. Alternativ kann sie in den Schmelzdruckkopf 116 integriert sein. Dann kann das Laserlicht 140 durch die Antriebseinrichtung 122 entlang der Bewegungsachsen über den Teilbereich gelenkt werden. Beispielsweise kann das Laserlicht 140 parallel zu der Düse gelenkt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel werden durch das Laserlicht Verunreinigungen, wie Oxidschichten von der Oberfläche der Kontaktfahnen 110 zu entfernt.
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Eine Kontaktfahne 110 kann als Flag bezeichnet werden. Für den Fall, dass Oxidschichten an dem Flag und/oder einem damit zu verbindenden Ableiter die Fügeverbindung behindern, können diese effizient mittels Laserablation an der Fügestelle lokal entfernt werden. Dies ist mit dem Einsatz von scannenden Laseroptiken 138 mit extrem kurzer Taktzeit möglich. Zudem kann der Ablationsprozess so eingestellt werden, dass die Partikel kleiner sind, als die für die Zelle kritische Größe zum Durchstoßen eines Separators. Die Partikelgröße kann dabei kleiner zehn µm, insbesondere kleiner fünf µm insbesondere kleiner ein µm bei UKP Pulsen eingestellt werden. Diese Partikel können sehr gut abgesaugt werden.
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Bei Bedarf kann auch über den Laser 140 oder anderer Wärmequellen lokal die Temperatur der Fügepartner erhöht werden, so dass eine bessere Anbindung erfolgt.
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Der hier vorgestellte Flüssigmetalldruck, insbesondere in Verbindung mit der Ablation von Oxidschichten, kann bei weiteren Fügeverbindungen innerhalb der Zelle angewendet werden. Für die Ablation können Laser, vorzugsweise gepulste Laser und insbesondere Laser mit Pulsdauern im nanosekunden-, besser pikosekunden- oder sogar femtosekunden-Bereich eingesetzt werden. Alternativ sind auch andere Energiereiche Strahlen wie Elektronenstrahlen denkbar.
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Beispielsweise kann der Flüssigmetalldruck zur Kontaktierung der Überlastelektronik, zur Kontaktierung Lead an Gehäuse oder weitere Leiter verwendet werden. Weiterhin kann das hier vorgestellte Fügeverfahren in anderen Bereichen genutzt werden, insbesondere, wo es auf minimale Anwesenheit oder Abwesenheit von Partikeln ankommt, wie Verbindungen in der Elektronik, Sensorik oder bei Chips.
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Die hier vorgestellte Fügeverbindung löst das Problem der Partikelemission in die Zelle. Damit sind geringere Ausfallquoten (0 km Fehler) und mit einem weniger kritischen Prozess eine stabilere Produktion möglich. Weiterhin ergibt sich ein Potential durch längere Batterielebensdauern und eine geringere Selbstentladung. Das Fügeverfahren spielt seine Stärken überall dort aus, wo Partikel problematisch sind.
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2 zeigt eine Darstellung einer Batterie 102 vor einem Kontaktieren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Batterie 102 entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Energiespeicher. Zusätzlich dazu sind hier die Kontaktfahnen 110 der Kathoden 106 dargestellt. Anoden 104 und Kathoden 106 sind aus unterschiedlichem Metallmaterial. Beispielsweise ist die Metallfolie der Graphit-Anode 104 aus Kupfer und die Leitfolie der LFP-, NCA oder NCM-Kathode 106 aus Aluminium. Die Kontaktfahnen 110 der Anode 104 sind alle im Wesentlichen gleich geformt. Die Kontaktfahnen 110 weisen eine rechteckige Form auf. Der Kantenbereich 118 des Anoden-Fahnenstapels 112 ist dadurch im Wesentlichen parallel zu einer Seitenfläche des Stapels 108 ausgerichtet. Im Gegensatz dazu sind die Kontaktfahnen 110 der Kathode 106 im Wesentlichen gleich breit, stehen jedoch unterschiedlich weit über den Stapel 108 über. Der Kantenbereich 118 des Kathoden-Fahnenstapels 112 ist schräg zu der Seitenfläche des Stapels 108 ausgerichtet. Die Kontaktfahnen 110 der Kathode 106 bilden dabei näherungsweise die Form von Treppenstufen nach.
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Der Stapel 108 ist hier in einer flexiblen Tasche 200 angeordnet. Die Fahnenstapel 112 stehen aus einer Öffnung der Tasche 200 hervor. Die Batterie 102 kann somit als Taschenzelle beziehungsweise Pouch-Zelle bezeichnet werden.
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In einer Batterie 102 wird der Stromkreis zwischen der Kathode 106 und Anode 104 innerhalb der Zelle über den lonenleiter (Elektrolyt) und nach außen über einen Elektronenleiter geschlossen. Wenn mehrere Anoden 104 bzw. Kathoden 106 in einer Batterie 102 vorhanden sind, werden jeweils die einzelnen Leiter 110 eines Pols zusammengefügt und über einen Ableiter aus der Batterie 102 geführt. Bei gestackten Zellen 108 wird hier von der Fügeverbindung „Flag (Leitfahne an der Elektrode) Lead (Ableiter)“ gesprochen.
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In 2 stehen aus einer Pouch-Zelle die Flags der Anoden 104 und Kathoden 106 heraus. Diese werden zur Stromsammlung untereinander und zur Ableitung mit einem weiteren Stromleiter verbunden.
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Die Verbindung der Flags aus Metallfolien zum Lead kann mittels Ultraschallschweißen erfolgen. Nachteilig ist hierbei der Platzbedarf für die Fügestelle und die Ultraschallschweißzange. Zudem emittiert der Prozess eine deutliche Menge an Metallpartikeln. Diese können lokal zwischen den Elektroden Kurzschlüsse erzeugen und damit zu einer schnelleren Selbstentladung oder gar Zerstörung der Zelle beitragen.
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Ebenso kann über das lokale Aufschmelzen der Fügepartner z.B. durch Lasertiefschweißen eine formschlüssige Verbindung erzeugt werden. Aber auch diese Schweißprozesse erzeugen Partikel.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird die Fügestelle „flag to lead “ mittels eines neuen Verfahrens materialschlüssig verbunden. Dazu wird flüssiges Metall auf die zu verbindenden Fügepartner aufgebracht.
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3 zeigt eine Darstellung eines Energiespeichers 102 mit einem gemäß einem Ausführungsbeispiel kontaktierten Fahnenstapel 112. Der Fahnenstapel 112 entspricht dabei im Wesentlichen dem Fahnenstapel in 2. Die Kontaktfahnen 110 sind nach dem Treppenstufenprinzip angeordnet. Im Gegensatz zu dem Fahnenstapel in 2 sind hier die Kontaktfahnen 110 von Elektroden in der Mitte des Stapels 108 am längsten, während die Kontaktfahnen 110 zum Rand des Stapels 108 hin immer kürzer werden. Die Kontaktfahnen 110 sind in Richtung der Mitte gebogen. Die Kante einer kürzeren Kontaktfahne 110 liegt auf einer Oberfläche der benachbarten längeren Kontaktfahne 110 auf.
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In der Mitte aller Kontaktfahnen 110 ist hier ein Stromleiter 300 angeordnet. Der Stromleiter 300 ist aus einem Blech mit größerer Materialstärke, als die Kontaktfahnen 110. Über den Stromleiter 300 wird dem Energiespeicher 102 elektrische Energie zugeführt oder entzogen.
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Hier erstrecken sich zwei aufgedruckte Leiterbahnen 120 aus erstarrtem Metallmaterial quer über alle Kanten der Kontaktfahnen 110 bis zu dem Stromleiter 300.
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Mit anderen Worten zeigt 3 eine Pouch oder gestackte Zellen 108. Der hier vorgestellte Ansatz kann bei verschiedenen Zellgeometrien oder Zellchemien, wie NiMH oder Lithium-Ionen eingesetzt werden, bei welchen die Elektroden über Flags untereinander und mit einem weiteren Ableiter 300 kontaktiert werden sollen.
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Der hier vorgestellte Ansatz ist nicht auf ein Material limitiert. Er kann neben Elektroden aus Kupfer und Aluminium sowie deren Legierungen auch bei anderen materialgleichen oder -ungleichen Materialsystemen zum Einsatz kommen.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung eines gemäß einem Ausführungsbeispiel kontaktierten Fahnenstapels 112. Der Fahnenstapel 112 entspricht im Wesentlichen dem Fahnenstapel in 3. Hier ist nur eine Seite des gesamten Fahnenstapels 112 dargestellt. Die Leiterbahn 120 hat in schmelzflüssigen Zustand die Kanten der Kontaktfahnen 110 aufgeschmolzen und hat sich mit den Kontaktfahnen 110 stoffschlüssig und einstückig verbunden. Ebenso hat die Leiterbahn 120 den Stromleiter 300 partiell aufgeschmolzen und sich mit dem Stromleiter 300 stoffschlüssig und einstückig verbunden. Durch diese Verbindung ergibt sich eine gute elektrische Leitfähigkeit.
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Die Wärmekapazität des flüssigen Metalls führt zu einer lokalen Aufschmelzung z.B. im Flag und kann nach dem erstarren eine materialschlüssige Verbindung mit exzellenter elektrischer Leitfähigkeit erzeugen.
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Mit anderen Worten zeigen die 3 und 4 Beispiele für eine Geometrie, bei welcher die Flüssigmetallkontaktierung einfach angewandt werden kann.
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Im Gegensatz zu vielen anderen Fügeverfahren wird bei dem hier vorgestellten Ansatz kein Material in die gasförmige Phase überführt. Dadurch entsteht kein Dampfdruck, welcher Spritzer und Metalldampfpartikel in die Batterie emittiert.
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Damit ist ein zentrales Risiko der Fügeverbindung eliminiert und es kann fügetechnisch ein Optimum für die Selbstentladezeit der Zelle erreicht werden. Desweiterem tritt bei dem Flüssigmetalldruck keine Prozessdynamik, wie bei den schnell umflossenen Kapillaren beim Laserschweißen auf. Damit sind auch Probleme, wie Porenbildung hier nicht relevant.
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Das Flüssigmetall kann aus exakt dem gleichen Metall wie Elektrodenfolie und Ableiter 300 bestehen. Dadurch ergeben sich chemisch keine weiteren Komplikationen, im Gegensatz z.B. zu Lötprozessen. Ebenso ist es möglich, das Flüssigmetall in den von der Zellchemie vorgegebenen Grenzen zu modifizieren, sodass die Verbindung noch stabiler z.B. gegen Alterung oder Rissbildung wird.
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Über ein Einstellen des pro Zeit aufgebrachten Volumens oder auch der Temperatur der Schmelze kann der Temperaturverlauf in der Fügestelle eingestellt werden. Zudem kann über die Temperatur der Schmelze die Viskosität eingestellt werden und damit, wie weit diese zwischen die Flags fließt.
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So können Abrisse von Flags von einer durch Abkühlung schrumpfenden Leiterbahn 120 verhindert werden.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schmelzdruckkopfs 116 einer Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schmelzdruckkopf 116 entspricht im Wesentlichen dem Schmelzdruckkopf in 1. Im Gegensatz dazu weist der Schmelzdruckkopf 116 eine separate Dosiereinrichtung 500 auf. Die Dosiereinrichtung 500 stellt einen Druck in einem Gaspolster 502 innerhalb eines beheizten Tiegels 504 des Schmelzdruckkopfs 116 ein, um eine Fließrate des schmelzflüssigen Metallmaterials 114 durch eine Düse 506 des Tiegels 504 zu kontrollieren. Um das Gaspolster 502 einzuschließen weist der Tiegel einen dicht schließenden Deckel auf. Dabei fließt das schmelzflüssige Metallmaterial 114 während des Druckens kontinuierlich aus dem Tiegel 504 und bildet eine Raupe 508 beziehungsweise einen Strang 508 als die Leiterbahn 120. Die Dosiereinrichtung 500 erhöht den Druck in dem Gaspolster 502, um die Fließrate zu erhöhen, beispielsweise um eine breitere oder dickere Leiterbahn 120 zu drucken. Andersherum kann der Schmelzdruckkopf 116 bei einer höheren Fließrate mit einem höheren Vorschub bewegt werden, wobei die Leiterbahn 120 gleich bleibt. Die Dosiereinrichtung 500 verringert den Druck in dem Gaspolster 502, um die Fließrate zu verringern. Damit kann eine schmalere oder dünnere Leiterbahn 120 gedruckt werden. Andersherum kann der Schmelzdruckkopf 116 bei einer geringeren Fließrate mit einem geringeren Vorschub bewegt werden, wobei die Leiterbahn 120 wieder gleich bleibt.
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Die Heizwendeln 136 oder Heizspulen 136 sind hier auf einer Außenseite des Tiegels 504 angeordnet. Wenn der Tiegel 504 ferromagnetisch ist, kann der Tiegel 504 durch Induktion erwärmt werden, um das Metallmaterial 128 aufzuschmelzen. Wenn das Metallmaterial 128 ferromagnetisch ist, kann das Metallmaterial 128 direkt erwärmt werden.
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Die Zuführeinrichtung 124 führt das feste Metallmaterial 128 hier in Form von Pellets zu. Um das feste Metallmaterial 128 zuzuführen, ohne das Gaspolster 504 zu ventilieren, weist der Tiegel 504 in seinem Deckel eine Durchgangsbohrung mit einer Dichtung auf.
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Bei dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel ist Metallflüssigdruck mit einem kontinuierlichen Auftrag möglich. Dazu wird hier ein einstellbares Druckpolster 502 in den Tiegel 504 eingeleitet, welches eine hydrostatische Kraft auf die Oberfläche der Schmelze 114 ausübt. Durch diese statische Kraft kann durch eine geeignete angepasste Düse 506 Schmelze 114 kontinuierlich ausgeleitet werden. Dabei können die Prozessparameter dergestalt gewählt werden, dass eine kontinuierliche Raupe 508 ausgebracht wird, welche das Grundmaterial ausreichend aufschmilzt. Dabei kann ein großer Querschnitt aufgebaut werden, welcher später den Strom ausreichend gut leitenden kann.
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Das Schmelzmaterial 128 kann in jeder beliebigen Form, beispielsweise als Draht, Pulver oder Pellet kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt werden. Die Schmelzenergie wird vorzugsweise durch eine Induktionsspule 136 oder alternativen Erwärmungsmethoden über den Tiegel 504 auf die Schmelze 114 über Wärmeleitung oder bei einem Tiegel 504, der eine reduzierte Induktionsfähigkeit besitzt, direkt auf die Schmelze 114 übertragen.
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Durch das kontinuierliche Auftragen können ein hoher Volumendurchsatz und eine hohe Prozessgeschwindigkeit erreicht werden.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schmelzdruckkopfs 116 einer Vorrichtung zum Kontaktieren eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Schmelzdruckkopf 116 entspricht dabei im Wesentlichen dem Schmelzdruckkopf in 5. Im Gegensatz dazu weist der Schmelzdruckkopf 116 keinen Deckel auf. Der Tiegel 504 ist nach oben offen. Beispielsweise kann ungeschmolzenes Metallmaterial durch die Öffnung einfach eingefüllt bzw. nachgefüllt werden. Vor der Düse 506 ist im Tiegel 504 eine Dosierpumpe 600 angeordnet. Die Dosierpumpe 600 ist eine Kolbenpumpe. Ein an einer Kolbenstange befestigter Kolben 602 ist in einer Pumpenkammer 604 axial beweglich angeordnet. Die Pumpenkammer 604 mündet in der Düse 506. Der Kolben 602 drückt bei einer Abwärtsbewegung das schmelzflüssige Metallmaterial 114 aus der Pumpenkammer 604 tropfenweise aus der Düse 506. Bei einer Aufwärtsbewegung wird die Pumpenkammer 604 wieder mit flüssigem Metallmaterial 114 aus dem Tiegel 504 gefüllt.
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Bei dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel ist Metallflüssigdruck mit einem inkrementellen Auftrag möglich. Im Gegensatz zu der kontinuierlichen Auftragsmethode werden hier mittels eines Stempels diskrete kleine flüssige Tröpfchen 606 aus Schmelze 114 auf die Verbindungsstelle aufgetragen. Der inkrementelle Auftrag kann als Drop on Demand oder inkrementelles Gießen bezeichnet werden. Dies wird mittels einer Hubbewegung des Kolbens 602 realisiert, welche bei jedem Hub ein Tröpfchen 606 aus der Düse 506 ausstößt.
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Dabei können die einzelnen Tröpfchen 606 auch überhitzt werden, um mehr Energie in die Verbindungsstelle einzuleiten und das Basismaterial teilweise aufzuschmelzen.
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Durch das inkrementelle Auftragen ergibt sich eine minimierte Temperaturbelastung, da die Temperatur flexibler einstellbar ist. Die Zugspannung durch Schrumpfung kann minimiert werden. Es ist eine beliebige Kontur der Druckraupe 508 darstellbar.
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Die in den 5 und 6 dargestellten Varianten können einfach parallelisiert werden, um die Taktzeit zu reduzieren.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
