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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einer in einem Gehäuse angeordneten Anode mit einer Mehrzahl von Stromableitern und einer in dem Gehäuse angeordneten Kathode mit einer Mehrzahl von Stromableitern.
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Im Allgemeinen sind Einzelzellen als elektrischer Energiespeicher bekannt, die ein aus Folienabschnitten gebildetes Gehäuse aufweisen, in dem eine Anode und eine Kathode angeordnet sind. Sowohl die Anode als auch die Kathode ist jeweils mit einem Stromableiter verbunden, wobei der mit der Anode verbundene Stromableiter einen Pluspol und der mit der Kathode verbundene Stromableiter einen Minuspol der Einzelzelle bildet.
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In der
EP 2 997 619 B1 ist eine wiederaufladbare Batterie beschrieben. Die Batterie umfasst eine Anode mit mehreren Laschen entlang der Anode und einer Streifenlasche an einem Ende der Anode und eine Kathode mit mehreren Laschen entlang der Kathode und einer Streifenlasche an einem Ende der Kathode. Dabei sind die jeweiligen Streifenlaschen an der Anode und der Kathode an gegenüberliegenden Enden der Anode und der Kathode angeordnet. Die mehreren Laschen entlang der Anoden und Kathoden stellen einen kürzeren Strompfad und eine Stufe eines Innenwiderstandes zum Betreiben der Batterie über einen Temperaturbereich der Batterie zwischen einer ersten Temperatur und einer zweiten Temperatur bereit. Die Laschen an den gegenüberliegenden Enden der Anoden und Kathoden stellen einen längeren Strompfad und eine zweite Stufe eines Innenwiderstandes zum Betreiben der Batterie außerhalb des Temperaturbereiches zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur bereit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Energiespeicher anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein elektrischer Energiespeicher umfasst eine in einem Gehäuse angeordnete Anode mit einer Mehrzahl von aus dem Gehäuse herausgeführten Stromableitern und einer in dem Gehäuse angeordneten Kathode mit einer Mehrzahl von aus dem Gehäuse herausgeführten Stromableitern. Erfindungsgemäß sind zumindest an gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuses jeweils zumindest zwei Stromableiter mit unterschiedlicher Polarität aus dem Gehäuse herausgeführt.
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Mittels eines derartig ausgebildeten elektrischen Energiespeichers ist es möglich, einen großformatigen elektrischen Energiespeicher herzustellen, welcher ohne Verringerung einer Energiedichte mit höherer C-Rate betrieben werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch drei elektrische Energiespeicher nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch ein Diagramm mit einem Verlauf eines elektrischen Potentials gemäß zwei Ausbildungsformen in 1,
- 3 schematisch einen elektrischen Energiespeicher in einer ersten Ausführungsform,
- 4 schematisch einen elektrischen Energiespeicher in einer zweiten Ausführungsform,
- 5 schematisch einen elektrischen Energiespeicher in einer dritten Ausführungsform,
- 6 schematisch eine Ausführung für einen elektrischen Energiespeicher mit gewickelter Aufbauweise.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt drei Ausbildungsformen eines elektrischen Energiespeichers 1 in Form einer Einzelzelle, welche im Weiteren als Einzelzelle 1 bezeichnet wird, mit jeweils zwei Stromableitern 2 unterschiedlicher Polarität gemäß dem Stand der Technik.
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Die Einzelzellen 1 weisen ein Gehäuse 3 auf, welches aus miteinander verbundenen Folienabschnitten gebildet ist. In dem Gehäuse 3 sind eine beispielhaft in 6 teiltransparent gezeigte Anode A und eine ebenfalls beispielhaft in 6 teiltransparent dargestellte Kathode K angeordnet.
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Die Anode A und die Kathode K ist mit jeweils einem Stromableiter 2 verbunden, wobei der mit der Anode A verbundene Stromableiter 2 einen Pluspol P1 und der mit der Kathode K verbundene Stromableiter 2 einen Minuspol P2 der Einzelzelle 1 bildet.
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In einer in 1 gezeigten ersten Ausbildungsform sind beide Stromableiter 2 an einer Stirnseite S1 des Gehäuses 3 mit größerer Längenabmessung als eine weitere Stirnseite S2 herausgeführt.
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Gemäß einer zweiten Ausbildungsform sind die beiden Stromableiter 2 an gegenüberliegenden Stirnseiten S1 mit den größeren Längenabmessungen aus dem Gehäuse 3 herausgeführt und in einer dritten Ausbildungsform sind die Stromableiter 2 sich gegenüberliegend an den weiteren Stirnseiten S2, also den kürzeren weiteren Stirnseiten S2 zur Bildung der elektrischen Pole P1, P2 aus dem Gehäuse 3 herausgeführt.
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Ein solches Herausführen der Stromableiter 2 aus dem Gehäuse 3 ist relativ problemlos bei Einzelzellen 1 kleinerer Formate sowie bei Einzelzellen 1, die mit verhältnismäßig geringer C-Rate betrieben werden, möglich. Die C-Rate ist eine Quantifizierung von wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichern, wobei mittels der C-Rate maximal zulässige Lade- und Entladeströme unter bestimmten Bedingungen angegeben werden.
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Bei der dritten Ausbildungsform liegen sich die beiden Stromableiter 2 gegenüber und sind an den weiteren Stirnseiten S2 aus dem Gehäuse 3 der Einzelzelle 1 herausgeführt. Bei einer solchen Anordnung der Stromableiter 2 gilt die Annahme einer homogenen Stromverteilung, wobei eine Änderung der Stromdichte als konstant angenommen wird.
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Da ein Gradient eines elektrischen Potentials der Stromdichte proportional ist, kann ermittelt werden, dass das elektrische Potential entlang einer x-Richtung des Stromsammlers im Verlauf eine quadratische Funktion von x ist.
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Eine solche Abhängigkeit gilt für die Anode A und die Kathode K nur mit unterschiedlichen Vorzeichen und ist in 2 dargestellt. Insbesondere zeigt 2 den Verlauf des elektrischen Potentials entlang der x-Richtung in den Stromsammler 2 der Anode A und der Kathode K für die in 1 gezeigte dritte Ausbildungsform der Einzelzelle 1 und entlang einer y-Richtung für die Einzelzelle 1 in der zweiten Ausbildungsform. Dabei sind die x-Richtung auf der Abszisse und das elektrische Potential an einem jeweiligen sogenannten und nicht näher gezeigten Stromsammler auf der Ordinate abgetragen.
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Wird angenommen, dass eine Einzelzelle 1 aus einer unendlichen Anzahl von infinitesimal breiten, parallel zu einander geschalteten Zellen gebildet ist, so wird an jede dieser Zellen eine Spannung angelegt, die als Differenz zwischen dem elektrischen Potential am Stromsammler der Kathode K und dem elektrischen Potential am Stromsammler der Anode A ermittelt wurde. D. h., dass die angelegte Spannung an allen Zellen nicht konstant, sondern abhängig von einer Position bzgl. der Stromsammler 2 ist.
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Für eine Einzelzelle 1 gilt, dass ein durchfließender elektrischer Strom von der elektrischen Spannung, insbesondere nach der Butler-Volmer-Gleichung exponentiell, abhängig ist. Daraus resultiert, dass die Einzelzelle 1 nicht gleichmäßig belastet wird, wobei in Bereichen mit unmittelbarer Nähe zu den Stromableitern 2 die Stromdichte höher ist als in der Mitte der Einzelzelle 1.
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Im Fall, dass die zwei Parabeln, welche den Verlauf des elektrischen Potentials entlang der Stromsammler 2 beschreiben, sich einem linearen Verlauf annähern, sind eine Streuung der Stromdichten durch aktive Schichten entlang der x-Richtung vernachlässigbar. Insbesondere ist das so, wenn die Längenabmessung der Stirnseiten S1 vergleichsweise gering sind, eine Dicke der Stromsammler ausreichend ist, eine Schichtdicke des aktiven Materials vergleichsweise gering ist und/oder die Einzelzelle 1 mit einer verhältnismäßig geringen C-Rate betrieben ist.
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Für Einzelzellen 1 mit vergleichsweise großer Längenabmessung der Stirnseiten S1, für Einzelzellen 1, deren Stromsammler eine bestimmte Dicke aufweisen und für Einzelzellen 1 deren Schichtdicke des aktiven Materials eine bestimmte Dicke aufweisen, gibt es eine C-Raten-Grenze. Ab dieser C-Raten-Grenze weisen überwiegend nur die Bereiche, die sich in der Nähe der Stromableiter 2 befinden, eine elektrochemische Aktivität auf, wobei in einem mittleren Bereich der Einzelzelle 1 fast keine elektrochemische Aktivität zu verzeichnen ist. Dies kann beispielsweise zu einer schnelleren zyklischen Alterung der Einzelzelle 1 führen.
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Um den Verlauf des elektrischen Potentials nahezu linear halten zu können, ist die Einzelzelle 1 wie in den folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben, ausgebildet.
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In 3 ist eine erste Ausführungsform der Einzelzelle 1 dargestellt. Dabei ist jede Lage der Anode A und jede Lage der Kathode K mit jeweils zwei entsprechenden Stromableitern 2 verbunden.
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Dabei sind die Stromableiter 2 an den sich gegenüberliegenden weiteren Stirnseiten S2 der Einzelzelle 1 aus dem Gehäuse 3 herausgeführt, die eine geringere Längenabmessung aufweisen als die Stirnseiten S1, wobei sich jeweils ein Pluspol P1 und ein Minuspol P2 gegenüberliegen.
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Wird die Einzelzelle 1 mit den vier Stromableitern 2 mit der gleichen C-Rate betrieben, wie die aus dem Stand der Technik, sind die Stromdichten im Bereich der Stromableiter 2 in Bezug auf die Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik nur halb so hoch. Eine effektive Länge, über welche die Ströme durch die Stromsammler 2 fließen, wird ebenfalls halbiert.
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Wird die Differenz zwischen einem Maximum und einem Minimum des elektrischen Potentials am Stromsammler 2 als Δφ bezeichnet, dann beträgt das elektrische Potential an dem jeweiligen Stromsammler 2 ¼ Δφ im Vergleich zu einer Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik. Somit nähert sich der Verlauf des elektrischen Potentials im Stromableiter 2 einem linearen Verlauf an, so dass eine Lastverteilung über die Einzelzelle 1 homogener wird und Nutzeigenschaften der Einzelzelle 1, wie z. B. eine maximale C-Rate steigen.
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In der 4 ist eine zweite Ausführungsform der Einzelzelle 1 gezeigt, wobei eine Vielzahl von Stromableitern 2 an den Stirnseiten S1 mit geringerer Längenabmessung aus dem Gehäuse 3 herausgeführt sind. Dabei entspricht die Anzahl der Stromableiter 2 einer Stirnseite S1 der Anzahl der Stromableiter 2 der gegenüberliegenden Stirnseite S1, wobei immer ein Pluspol P1 einem Minuspol P2 und umgekehrt gegenüberliegt.
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Eine dritte Ausführungsform einer Einzelzelle 1 ist in 5 gezeigt, wobei ein Aspektverhältnis der Einzelzelle 1 vergleichsweise groß ist.
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In der dritten Ausführungsform sind jeweils zwei Stromableiter 2 an Stirnseiten S1 aus dem Gehäuse 3 geführt, wobei zusätzlich an einer weiteren Stirnseite S2 zwei Stromableiter 2 aus dem Gehäuse 3 geführt sind. Die Einzelzelle 1 weist also drei Pluspole P1 und drei Minuspole P2 auf.
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In 6 ist eine Ausführungsform für eine Einzelzelle 1 mit einem Elektrodenwickel, bestehend aus Anodenfolien und Kathodenfolien dargestellt, wobei mittels des Pfeiles eine Wickelrichtung vorgegeben ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Stromableitern 2 entlang eines jeweiligen Stromsammlers angeordnet, wobei die Stromableiter 2 nach einem Wickelprozess mit den Stromsammlern elektrisch verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Energiespeicher/Einzelzelle
- 2
- Stromableiter, Stromsammler
- 3
- Gehäuse
- A
- Anode
- K
- Kathode
- P1
- Pluspol
- P2
- Minuspol
- S1
- Stirnseite
- S2
- weitere Stirnseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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