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Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Batterie mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
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CN 101 572 324 A beschreibt in seiner
7 eine wiederaufladbare Batterie mit vier in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Zellen, die in
7 nebeneinander angeordnet sind. Dieses Dokument zeigt in seiner
3 eine wiederaufladbare Batterie mit einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle, die diesen vier Zellen gleicht. Diese eine Zelle weist einen Elektrolyten 3.11 sowie - in
3 von rechts nach links - eine rechte isolierte Steuerelektrode 3.10+3.9, einen Minusstromableiter 3.13, eine Minuselektrode 3.8, einen Separator 3.6, eine Pluselektrode 3.5, einen Plusstromableiter 3.1 und eine linke isolierte Steuerelektrode 3.3+3.4 auf.
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Diese bekannte wiederaufladbare Batterie bildet die Basis für den Oberbegriff des Patentanspruchs 1, da sie einen Minuspol 4.3 und einen Pluspol 4.2, einen ersten 4.5 und einen zweiten Anschlusskontakt 4.4, einen Elektrolyten, eine erste Minuselektrode (in 7 die Minuselektrode der ersten Zelle von rechts), eine zweite Minuselektrode (in 7 die Minuselektrode der vierten Zelle von rechts), eine erste Pluselektrode (in 7 die Pluselektrode der ersten Zelle von rechts), eine zweite Pluselektrode (in 7 die Pluselektrode der vierten Zelle von rechts), einen ersten Minusstromableiter (in 7 der Minusstromableiter der ersten Zelle von rechts), einen zweiten Minusstromableiter (in 7 der Minusstromableiter der vierten Zelle von rechts), einen ersten Plusstromableiter (in 7 der Plusstromableiter der ersten Zelle von rechts), einen zweiten Plusstromableiter (in 7 der Plusstromableiter der vierten Zelle von rechts), einen ersten Separator (in 7 der Separator der ersten Zelle von rechts), einen zweiten Separator (in 7 der Separator der vierten Zelle von rechts), eine erste isolierte Steuerelektrode (in 7 die rechte isolierte Steuerelektrode der ersten Zelle von rechts), eine zweite isolierte Steuerelektrode (in 7 die rechte isolierte Steuerelektrode der vierten Zelle von rechts) und eine dritte isolierte Steuerelektrode (in 7 die linke isolierte Steuerelektrode der vierten Zelle von rechts) aufweist. Der erste Minusstromableiter ist zwischen der ersten Steuerelektrode und der ersten Minuselektrode angeordnet. Der zweite Minusstromableiter ist zwischen der zweiten Steuerelektrode und der zweiten Minuselektrode angeordnet. Die erste Minuselektrode ist zwischen dem ersten Minusstromableiter und dem ersten Separator angeordnet. Die zweite Minuselektrode ist zwischen dem zweiten Minusstromableiter und dem zweiten Separator angeordnet. Der erste Separator ist zwischen der ersten Minuselektrode und der ersten Pluselektrode angeordnet. Der zweite Separator ist zwischen der zweiten Minuselektrode und der zweiten Pluselektrode angeordnet. Die erste Pluselektrode ist zwischen dem ersten Separator und dem ersten Plusstromableiter angeordnet. Die zweite Pluselektrode ist zwischen dem zweiten Separator und dem zweiten Plusstromableiter angeordnet. Der zweite Plusstromableiter ist zwischen der zweiten Pluselektrode und der dritten Steuerelektrode angeordnet. Der erste Minusstromableiter ist an den Minuspol 4.3 gekoppelt. Der zweite Plusstromableiter ist an den Pluspol 4.2 gekoppelt. Der Elektrolyt berührt die Minuselektroden, die Pluselektroden und die Separatoren. Die erste Steuerelektrode ist an den ersten Anschlusskontakt 4.5 gekoppelt, der an einen Pol c einer Gleichspannungsquelle V1 gekoppelt werden kann. Die dritte Steuerelektrode ist an den zweiten Anschlusskontakt 4.4 gekoppelt ist, der an einen entgegengesetzten Pol c' der Gleichspannungsquelle V1 gekoppelt werden kann. Diese bekannte wiederaufladbare Batterie ist derart aufgebaut, dass
- • der erste Plusstromableiter zwischen der ersten Pluselektrode und einer vierten isolierten Steuerelektrode (in 7 die linke isolierte Steuerelektrode der ersten Zelle von rechts) angeordnet ist;
- • die dritte Steuerelektrode neben dem zweiten Plusstromableiter angeordnet ist;
- • der zweite Minusstromableiter an einen dritten Plusstromableiter (in 7 der Plusstromableiter der dritten Zelle von rechts) gekoppelt ist;
- • der erste Plusstromableiter an einen dritten Minusstromableiter (in 7 der Minusstromableiter der zweiten Zelle von rechts) gekoppelt ist;
- • die zweite Steuerelektrode an eine fünfte isolierte Steuerelektrode (in 7 die linke isolierte Steuerelektrode der dritten Zelle von rechts) gekoppelt ist.
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Diese bekannte wiederaufladbare Batterie bildet zudem die Basis für den Oberbegriff des Patentanspruchs 5, da sie einen Minuspol 4.3 und einen Pluspol 4.2, einen ersten 4.4 und einen zweiten Anschlusskontakt 4.5, einen Elektrolyten, eine erste Minuselektrode (in 7 die Minuselektrode der ersten Zelle von links), eine zweite Minuselektrode (in 7 die Minuselektrode der vierten Zelle von links), eine erste Pluselektrode (in 7 die Pluselektrode der ersten Zelle von links), eine zweite Pluselektrode (in 7 die Pluselektrode der vierten Zelle von links), einen ersten Minusstromableiter (in 7 der Minusstromableiter der ersten Zelle von links), einen zweiten Minusstromableiter (in 7 der Minusstromableiter der vierten Zelle von links), einen ersten Plusstromableiter (in 7 der Plusstromableiter der ersten Zelle von links), einen zweiten Plusstromableiter (in 7 der Plusstromableiter der vierten Zelle von links), einen ersten Separator (in 7 der Separator der ersten Zelle von links), einen zweiten Separator (in 7 der Separator der vierten Zelle von links), eine erste isolierte Steuerelektrode (in 7 die linke isolierte Steuerelektrode der ersten Zelle von links), eine zweite isolierte Steuerelektrode (in 7 die linke isolierte Steuerelektrode der vierten Zelle von links) und eine dritte isolierte Steuerelektrode (in 7 die rechte isolierte Steuerelektrode der vierten Zelle von links) aufweist. Der erste Plusstromableiter ist zwischen der ersten Steuerelektrode und der ersten Pluselektrode angeordnet. Der zweite Plusstromableiter ist zwischen der zweiten Steuerelektrode und der zweiten Pluselektrode angeordnet. Die erste Pluselektrode ist zwischen dem ersten Plusstromableiter und dem ersten Separator angeordnet. Die zweite Pluselektrode ist zwischen dem zweiten Plusstromableiter und dem zweiten Separator angeordnet. Der erste Separator ist zwischen der ersten Pluselektrode und der ersten Minuselektrode angeordnet. Der zweite Separator ist zwischen der zweiten Pluselektrode und der zweiten Minselektrode angeordnet. Die erste Minuselektrode ist zwischen dem ersten Separator und dem ersten Minusstromableiter angeordnet. Die zweite Minuselektrode ist zwischen dem zweiten Separator und dem zweiten Minusstromableiter angeordnet. Der zweite Minusstromableiter ist zwischen der zweiten Minuselektrode und der dritten Steuerelektrode angeordnet. Der erste Plusstromableiter ist an den Pluspol 4.2 gekoppelt. Der zweite Minusstromableiter ist an den Minuspol 4.3 gekoppelt. Der Elektrolyt berührt die Pluselektroden, die Minuselektroden und die Separatoren. Die erste Steuerelektrode ist an den ersten Anschlusskontakt 4.4 gekoppelt, der an einen Pol c einer Gleichspannungsquelle V1 gekoppelt werden kann. Die dritte Steuerelektrode ist an den zweiten Anschlusskontakt 4.5 gekoppelt ist, der an einen entgegengesetzten Pol c' der Gleichspannungsquelle V1 gekoppelt werden kann. Diese bekannte wiederaufladbare Batterie ist derart aufgebaut, dass
- • der erste Minusstromableiter zwischen der ersten Minuselektrode und einer vierten isolierten Steuerelektrode (in 7 die rechte isolierte Steuerelektrode der ersten Zelle von links) angeordnet ist;
- • die dritte Steuerelektrode neben dem zweiten Minusstromableiter angeordnet ist;
- • der zweite Plusstromableiter an einen dritten Minusstromableiter (in 7 der Minusstromableiter der dritten Zelle von links) gekoppelt ist;
- • der erste Minusstromableiter an einen dritten Plusstromableiter (in 7 der Plusstromableiter der zweiten Zelle von links) gekoppelt ist;
- • die zweite Steuerelektrode an eine fünfte isolierte Steuerelektrode (in 7 die rechte isolierte Steuerelektrode der dritten Zelle von links) gekoppelt ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine wiederaufladbare Batterie mit einfacherem und kompakterem Aufbau zu schaffen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine wiederaufladbare Batterie mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem ersten Aspekt eine wiederaufladbare Batterie vor, aufweisend
- • einen Minuspol und einen Pluspol;
- • einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt;
- • einen Elektrolyten;
- • eine erste und eine zweite Minuselektrode;
- • eine erste und eine zweite Pluselektrode;
- • einen ersten und einen zweiten Minusstromableiter;
- • einen ersten und einen zweiten Plusstromableiter;
- • einen ersten und einen zweiten Separator;
- • eine erste, eine zweite und eine dritte isolierte Steuerelektrode;
wobei
- • der erste Minusstromableiter zwischen der ersten Steuerelektrode und der ersten Minuselektrode angeordnet ist;
- • der zweite Minusstromableiter zwischen der zweiten Steuerelektrode und der zweiten Minuselektrode angeordnet ist;
- • die erste Minuselektrode zwischen dem ersten Minusstromableiter und dem ersten Separator angeordnet ist;
- • die zweite Minuselektrode zwischen dem zweiten Minusstromableiter und dem zweiten Separator angeordnet ist;
- • der erste Separator zwischen der ersten Minuselektrode und der ersten Pluselektrode angeordnet ist;
- • der zweite Separator zwischen der zweiten Minuselektrode und der zweiten Pluselektrode angeordnet ist;
- • die erste Pluselektrode zwischen dem ersten Separator und dem ersten Plusstromableiter angeordnet ist;
- • die zweite Pluselektrode zwischen dem zweiten Separator und dem zweiten Plusstromableiter angeordnet ist;
- • der zweite Plusstromableiter zwischen der zweiten Pluselektrode und der dritten Steuerelektrode angeordnet ist;
- • der erste Minusstromableiter an den Minuspol gekoppelt ist;
- • der zweite Plusstromableiter an den Pluspol gekoppelt ist;
- • der Elektrolyt die Minuselektroden, die Pluselektroden und die Separatoren berührt;
- • die erste Steuerelektrode an den ersten Anschlusskontakt gekoppelt ist, der an einen Pol einer Gleichspannungsquelle gekoppelt werden kann;
- • die dritte Steuerelektrode an den zweiten Anschlusskontakt gekoppelt ist, der an einen entgegengesetzten Pol der Gleichspannungsquelle gekoppelt werden kann;
- • der erste Plusstromableiter zwischen der ersten Pluselektrode und der dritten Steuerelektrode angeordnet ist;
- • die dritte Steuerelektrode zwischen dem ersten Plusstromableiter und dem zweiten Plusstromableiter angeordnet ist;
- • der zweite Minusstromableiter an den Minuspol gekoppelt ist;
- • der erste Plusstromableiter an den Pluspol gekoppelt ist;
- • die zweite Steuerelektrode an den ersten Anschlusskontakt gekoppelt ist.
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Die Erfindung schlägt gemäß einem zweiten Aspekt eine wiederaufladbare Batterie vor, aufweisend
- • einen Minuspol und einen Pluspol;
- • einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt;
- • einen Elektrolyten;
- • eine erste und eine zweite Minuselektrode;
- • eine erste und eine zweite Pluselektrode;
- • einen ersten und einen zweiten Minusstromableiter;
- • einen ersten und einen zweiten Plusstromableiter;
- • einen ersten und einen zweiten Separator;
- • eine erste, eine zweite und eine dritte isolierte Steuerelektrode;
wobei
- • der erste Plusstromableiter zwischen der ersten Steuerelektrode und der ersten Pluselektrode angeordnet ist;
- • der zweite Plusstromableiter zwischen der zweiten Steuerelektrode und der zweiten Pluselektrode angeordnet ist;
- • die erste Pluselektrode zwischen dem ersten Plusstromableiter und dem ersten Separator angeordnet ist;
- • die zweite Pluselektrode zwischen dem zweiten Plusstromableiter und dem zweiten Separator angeordnet ist;
- • der erste Separator zwischen der ersten Pluselektrode und der ersten Minuselektrode angeordnet ist;
- • der zweite Separator zwischen der zweiten Pluselektrode und der zweiten Minuselektrode angeordnet ist;
- • die erste Minuselektrode zwischen dem ersten Separator und dem ersten Minusstromableiter angeordnet ist;
- • die zweite Minuselektrode zwischen dem zweiten Separator und dem zweiten Minusstromableiter angeordnet ist;
- • der zweite Minusstromableiter zwischen der zweiten Minuselektrode und der dritten Steuerelektrode angeordnet ist;
- • der erste Plusstromableiter an den Pluspol gekoppelt ist;
- • der zweite Minusstromableiter an den Minuspol gekoppelt ist;
- • der Elektrolyt die Pluselektroden, die Minuselektroden und die Separatoren berührt;
- • die erste Steuerelektrode an den ersten Anschlusskontakt gekoppelt ist, der an einen Pol einer Gleichspannungsquelle gekoppelt werden kann;
- • die dritte Steuerelektrode an den zweiten Anschlusskontakt gekoppelt ist, der an einen entgegengesetzten Pol der Gleichspannungsquelle gekoppelt werden kann;
- • der erste Minusstromableiter zwischen der ersten Minuselektrode und der dritten Steuerelektrode angeordnet ist;
- • die dritte Steuerelektrode zwischen dem ersten Minusstromableiter und dem zweiten Minusstromableiter angeordnet ist;
- • der zweite Plusstromableiter an den Pluspol gekoppelt ist;
- • der erste Minusstromableiter an den Minuspol gekoppelt ist;
- • die zweite Steuerelektrode an den ersten Anschlusskontakt gekoppelt ist.
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Somit sind gemäß dem ersten Aspekt die beiden Pluselektrode innen, neben der dritten Steuerelektrode und die beiden Minuselektroden weiter außen angeordnet, wohingegen gemäß dem zweiten Aspekt die beiden Minuselektrode innen, neben der dritten Steuerelektrode und die beiden Pluselektroden weiter außen angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Batterie ermöglicht einen einfacheren und kompakteren Aufbau im Vergleich zu der aus
CN 101 572 324 A bekannten Batterie.
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Beim Entladen der Batterie stellt jede der Minuselektroden eine Anode dar, da an dieser Elektrode eine Oxidation stattfindet, und stellt jede der Pluselektroden eine Kathode dar, da an dieser Elektrode eine Reduktion stattfindet. Beim Laden der Batterie hingegen stellt jede der Minuselektroden eine Kathode dar, da an dieser Elektrode eine Reduktion stattfindet, und stellt jede der Pluselektroden eine Anode dar, da an dieser Elektrode eine Oxidation stattfindet.
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Die Batterie kann nach Bedarf kein zusätzliches oder wenigstens ein zusätzliches Paar aus Minuselektrode und Pluselektrode sowie zu jedem dieser zusätzlichen Paare einen zusätzlichen Minusstromableiter, einen zusätzlichen Plusstromableiter, einen zusätzlichen Separator und eine zusätzliche isolierte Steuerelektrode aufweisen.
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Die Batterie kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Lithium-lonen-Batterie oder Lithium-Metalloxid-Batterie oder Lithium-Eisenphosphat-Batterie oder Lithium-Cobaltdioxid-Batterie oder Lithium-Polymer-Batterie oder Lithium-Titanat-Batterie oder Lithium-Mangan-Batterie oder Nickel-Cadmium-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie oder Nickel-Eisen-Batterie oder Aluminium-Ionen-Batterie.
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Jede Minuselektrode kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise Kohlenstoff und / oder Graphit und / oder nanokristallines, amorphes Silicium und / oder Lithiumtitanspinell und / oder Zinndioxid aufweisen.
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Jede Pluselektrode kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise Lithium-Cobalt(III)-oxid und / oder wenigstens ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid und / oder wenigstens ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid und / oder wenigstens ein Spinell und / oder Lithiummanganspinell und / oder Lithiumeisenphosphat aufweisen.
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Der Elektrolyt kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat, das in einem wasserfreien aprotischen Lösungsmittel wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan gelöst ist, und / oder Lithiumtetrafluorborat, das in einem wasserfreien aprotischen Lösungsmittel wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan gelöst ist, und / oder Lithiumbis(oxalato)borat, das in einem wasserfreien aprotischen Lösungsmittel wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan gelöst ist, und / oder Polyvinylidenfluorid und / oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen und / oder Lithiumphosphatnitrid aufweisen.
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Jeder Minusstromableiter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise Kupfer und / oder Silber aufweisen.
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Jeder Plusstromableiter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise Aluminium und / oder Aluminium-Celmet aufweisen.
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Jeder Separator kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise wenigstens ein Polymer und / oder wenigstens ein Polyolefin und / oder Polyethylen und / oder PVC und / oder Mikroglasfaservlies und / oder Polyamid und / oder Polypropylen und / oder wenigstens eine Keramik aufweisen.
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Jede Steuerelektrode kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise Kupfer und / oder Silber und / oder Aluminium aufweisen.
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Bei einer Ausführungsform der gemäß dem ersten Aspekt vorgeschlagenen Batterie ist spezifiziert, dass
- • die dritte Steuerelektrode flächig ausgebildet ist und eine erste und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche hat;
- • der erste und der zweite Plusstromableiter jeweils eine Folie ist;
- • der erste Plusstromableiter an der ersten Hauptfläche und der zweite Plusstromableiter an der zweiten Hauptfläche anliegt.
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Hierdurch werden ein besonders kompakter Aufbau und eine günstige Herstellung ermöglicht. Vorzugsweise bilden die dritte Steuerelektrode und die zugeordneten Plusstromableiter zusammen eine Baueinheit.
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Bei einer Ausführungsform der gemäß dem zweiten Aspekt vorgeschlagenen Batterie ist spezifiziert, dass
- • die dritte Steuerelektrode flächig ausgebildet ist und eine erste und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche hat;
- • der erste und der zweite Minusstromableiter jeweils eine Folie ist;
- • der erste Minusstromableiter an der ersten Hauptfläche und der zweite Minusstromableiter an der zweiten Hauptfläche anliegt.
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Hierdurch werden ein besonders kompakter Aufbau und eine günstige Herstellung ermöglicht. Vorzugsweise bilden die dritte Steuerelektrode und die zugeordneten Minusstromableiter zusammen eine Baueinheit.
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Bei einer Ausführungsform der gemäß dem ersten Aspekt vorgeschlagenen Batterie ist spezifiziert, dass die Batterie aufweist
- • eine dritte Minuselektrode;
- • eine dritte Pluselektrode;
- • einen dritten Minusstromableiter;
- • einen dritten Plusstromableiter;
- • einen dritten Separator;
- • eine vierte isolierte Steuerelektrode;
wobei
- • der dritte Minusstromableiter zwischen der zweiten Steuerelektrode und der dritten Minuselektrode angeordnet ist;
- • die dritte Minuselektrode zwischen dem dritten Minusstromableiter und dem dritten Separator angeordnet ist;
- • der dritte Separator zwischen der dritten Minuselektrode und der dritten Pluselektrode angeordnet ist;
- • die dritte Pluselektrode zwischen dem dritten Separator und dem dritten Plusstromableiter angeordnet ist;
- • der dritte Plusstromableiter zwischen der dritten Pluselektrode und der vierten Steuerelektrode angeordnet ist;
- • die zweite Steuerelektrode zwischen dem zweiten Minusstromableiter und dem dritten Minusstromableiter angeordnet ist;
- • der dritte Minusstromableiter an den Minuspol gekoppelt ist;
- • der dritte Plusstromableiter an den Pluspol gekoppelt ist;
- • die vierte Steuerelektrode an den zweiten Anschlusskontakt gekoppelt ist.
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Hierdurch wird eine Vergrößerung der Oberflächen ermöglicht, an denen beim Entladen und Laden der Batterie die Redoxreaktionen stattfinden.
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Bei einer Ausführungsform der gemäß dem ersten Aspekt vorgeschlagenen Batterie ist spezifiziert, dass
- • die zweite Steuerelektrode flächig ausgebildet ist und eine erste und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche hat;
- • der zweite und der dritte Minusstromableiter jeweils eine Folie ist;
- • der zweite Minusstromableiter an der ersten Hauptfläche und der dritte Minusstromableiter an der zweiten Hauptfläche anliegt.
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Hierdurch werden ein besonders kompakter Aufbau und eine günstige Herstellung ermöglicht. Vorzugsweise bilden die vierte Steuerelektrode und die zugeordneten Minusstromableiter zusammen eine Baueinheit.
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Bei einer Ausführungsform der gemäß dem zweiten Aspekt vorgeschlagenen Batterie ist spezifiziert, dass die Batterie aufweist
- • eine dritte Minuselektrode;
- • eine dritte Pluselektrode;
- • einen dritten Minusstromableiter;
- • einen dritten Plusstromableiter;
- • einen dritten Separator;
- • eine vierte isolierte Steuerelektrode;
wobei
- • der dritte Plusstromableiter zwischen der zweiten Steuerelektrode und der dritten Pluselektrode angeordnet ist;
- • die dritte Pluselektrode zwischen dem dritten Plusstromableiter und dem dritten Separator angeordnet ist;
- • der dritte Separator zwischen der dritten Pluselektrode und der dritten Minuselektrode angeordnet ist;
- • die dritte Minuselektrode zwischen dem dritten Separator und dem dritten Minusstromableiter angeordnet ist;
- • der dritte Minusstromableiter zwischen der dritten Minuselektrode und der vierten Steuerelektrode angeordnet ist;
- • die zweite Steuerelektrode zwischen dem zweiten Plusstromableiter und dem dritten Plusstromableiter angeordnet ist;
- • der dritte Plusstromableiter an den Pluspol gekoppelt ist;
- • der dritte Minusstromableiter an den Minuspol gekoppelt ist;
- • die vierte Steuerelektrode an den zweiten Anschlusskontakt gekoppelt ist.
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Hierdurch wird eine Vergrößerung der Oberflächen ermöglicht, an denen beim Entladen und Laden der Batterie die Redoxreaktionen stattfinden.
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Bei einer Ausführungsform der gemäß dem zweiten Aspekt vorgeschlagenen Batterie ist spezifiziert, dass
- • die zweite Steuerelektrode flächig ausgebildet ist und eine erste und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche hat;
- • der zweite und der dritte Plusstromableiter jeweils eine Folie ist;
- • der zweite Plusstromableiter an der ersten Hauptfläche und der dritte Plusstromableiter an der zweiten Hauptfläche anliegt.
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Hierdurch werden ein besonders kompakter Aufbau und eine günstige Herstellung ermöglicht. Vorzugsweise bilden die vierte Steuerelektrode und die zugeordneten Plusstromableiter zusammen eine Baueinheit.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass jede Steuerelektrode einen Leiter, der an den jeweiligen Anschlusskontakt gekoppelt ist, und eine Elektrodenisolierung aufweist, die diesen Leiter umschließt.
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Jeder Leiter kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise Kupfer und / oder Silber und / oder Aluminium aufweisen.
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Jede Elektrodenisolierung kann nach Bedarf auf beliebige Weise ausgebildet sein und beispielsweise #hier sollte der Erfinder noch wenigstens ein geeignetes Material nennen# aufweisen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist spezifiziert, dass die Batterie aufweist
- • eine Gleichspannungsquelle mit einem ersten, negativen und einem zweiten, positiven Pol;
- • einen Wechselschalter;
wobei
- • der Wechselschalter derart ausgebildet ist, dass er wahlweise den ersten Pol mit dem ersten Ausgangskontakt und den zweiten Pol mit dem zweiten Ausgangskontakt oder den zweiten Pol mit dem ersten Ausgangskontakt und den ersten Pol mit dem zweiten Ausgangskontakt verbinden kann.
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Hierdurch wird beim Entladen und Laden der Batterie eine Erhöhung der Beweglichkeit der Ionen im Elektrolyten und / oder an und / oder in den jeweiligen Anoden und / oder an und / oder in den jeweiligen Kathoden ermöglicht. Vorzugsweise wird der Wechselschalter der gemäß dem ersten Aspekt vorgeschlagenen Batterie derart geschaltet, dass er beim Entladen dieser Batterie den ersten Pol mit dem zweiten Ausgangskontakt und den zweiten Pol mit dem ersten Ausgangskontakt verbindet und beim Laden dieser Batterie den ersten Pol mit dem ersten Ausgangskontakt und den zweiten Pol mit dem zweiten Ausgangskontakt verbindet. Analog hierzu wird vorzugsweise der Wechselschalter der gemäß dem zweiten Aspekt vorgeschlagenen Batterie derart geschaltet, dass er beim Entladen dieser Batterie den zweiten Pol mit dem zweiten Ausgangskontakt und den ersten Pol mit dem ersten Ausgangskontakt verbindet und beim Laden dieser Batterie den zweiten Pol mit dem ersten Ausgangskontakt und den ersten Pol mit dem zweiten Ausgangskontakt verbindet.
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Die Wirkung der derart zugeschalteten Gleichspannungsquelle auf die Ionenbeweglichkeit wird beispielhaft für den Fall erläutert, dass die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
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In aktuellen Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsstrang werden bekannte Lithium-Ionen-Batterien als elektrische Energiespeicher eingesetzt. Derartige bekannte Batterien weisen in der Regel Einzelzellen auf, die in Reihe geschaltet sind und von denen jede einen Elektrolyten, einen Minusstromableiter, eine Minuselektrode, einen Separator, eine Pluselektrode und einen Plusstromableiter aufweist. Meist besteht der Elektrolyt aus einer Folie aus Polyvinylidenfluorid, der Minusstromableiter aus einer Folie aus Kupfer, die Minuselektrode aus Graphit, der Separator aus einer Folie aus Polyolefin, die Pluselektrode aus Lithiummanganspinell, und der Plusstromableiter aus einer Folie aus Aluminium. Beim Laden dieser bekannten Batterien werden die Lithium-Ionen, die ja positiv geladen sind, von der Pluselektrode, die ja beim Laden eine Anode darstellt, durch den Separator zur Minuselektrode, die ja beim Laden eine Kathode darstellt, überführt, wobei der Elektrolyt die lonenbewegung ermöglicht. Die entsprechenden Elektronen werden über die Stromableiter und das an Minuspol und Pluspol angeschlossene Ladegerät von der Pluselektrode, also Anode, zur Minuselektrode, also Kathode, geführt, um dann dort zusammen mit den Lithium-Ionen in der Anode zu interkalieren.
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Das Laden dieser bekannten Batterien wird durch verschiedene bekannte Ansätze beschrieben, in der Regel wird der Ladestrom vom Batteriemanagementsystem geregelt. Um die Ladezeit zu verkürzen, wird der Ladestrom erhöht, dies hat negative Auswirkungen auf die Sicherheit und die Lebensdauer der Batterien. Eine Hauptgrenze beim Laden der Batterien stellt die Beweglichkeit der Lithium-Ionen innerhalb der Zelle und im speziellen an bzw. in der Minuselektrode aus Graphit dar. Beim Übergang der Lithium-Ionen in das Graphit der Minuselektrode existiert eine unterschiedliche Verteilung der Lithium-Ionen über die Dicke der Graphitschicht, bis hin zur Abscheidung von Lithium auf der Oberfläche, was auch als „Lithium plating“ bezeichnet wird. Dadurch wird die Alterung sehr stark beschleunigt, die Schnellladefähigkeit ist also begrenzt. Die wesentlichen begrenzenden Faktoren beim Ladevorgang sind:
- • die Ionenbeweglichkeit der Lithium-Ionen in der Kathode;
- • die Ionenbeweglichkeit der Lithium-Ionen im Elektrolyten;
- • die Ionenbeweglichkeit der Lithium-Ionen durch den Separator hindurch;
- • die Ionenbeweglichkeit der Lithium-Ionen in der Anode;
- • die Rekombination von Elektronen und Lithium-Ionen auf der Grenzfläche zwischen Separator und Anode (Lithium plating)
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Bei der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batterie wird durch das zuvor beschriebene Anlegen einer Gleichspannung an die Anschlusskontakte ein elektrisches Feld zwischen den Steuerelektroden aufgebaut. Die Richtung dieses Feldes ist dabei so eingestellt, dass die Lithium-Ionen, die ja positiv geladen sind, beim Laden eine Kraft in Richtung der Minuselektrode erfahren und beim Entladen in Richtung der Pluselektrode. Dieses überlagerte elektrische Feld steigert nun die Ionenbeweglichkeit der Lithium-Ionen.
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Ein weiterer positiver Effekt beim Laden ist die Kraft des elektrischen Feldes auf die Elektronen. Diese Kraft hält die Elektronen in der Nähe des Minusstromableiters, wodurch die Rekombination von Elektronen und Lithium-Ionen auf der Grenzfläche zwischen Separator und Minuselektrode, also das Lithium plating, verhindert bzw. reduziert werden kann. Es kommt vorrangig zur Interkalation von Lithium in der Nähe des Minusstromableiters, und erst mit zunehmendem Ladezustand erstreckt sich die Interkalation über die gesamte Minuselektrode zwischen Minusstromableiter und Separator, was auch als Sättigungseffekt bezeichnet wird.
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Die Erläuterungen zu einem der Aspekte der Erfindung, insbesondere zu einzelnen Merkmalen dieses Aspektes, gelten entsprechend auch analog für die anderen Aspekte der Erfindung.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße wiederaufladbare Batterie in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform einer wiederaufladbaren Batterie;
- 2 eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuerelektrode in der Batterie der 1;
- 3 eine zweite Ausführungsform der Batterie;
- 4 eine dritte Ausführungsform der Batterie.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie 10 schematisch dargestellt. Die Batterie 10 weist einen Minuspol 11 und einen Pluspol 12, einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt 13a, 13b, einen Elektrolyten 14, eine erste und eine zweite Minuselektrode 15a, 15b, eine erste und eine zweite Pluselektrode 16a, 16b, einen ersten und einen zweiten Minusstromableiter 17a, 17b, einen ersten und einen zweiten Plusstromableiter 18a, 18b, einen ersten und einen zweiten Separator 19a, 19b sowie eine erste, eine zweite und eine dritte isolierte Steuerelektrode 20a, 20b, 20c auf.
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Der erste Minusstromableiter 17a ist zwischen der ersten Steuerelektrode 20a und der ersten Minuselektrode 15a angeordnet. Der zweite Minusstromableiter 17b ist zwischen der zweiten Steuerelektrode 20b und der zweiten Minuselektrode 15b angeordnet. Die erste Minuselektrode 15a ist zwischen dem ersten Minusstromableiter 17a und dem ersten Separator 19a angeordnet. Die zweite Minuselektrode 15b ist zwischen dem zweiten Minusstromableiter 17b und dem zweiten Separator 19b angeordnet. Der erste Separator 19a ist zwischen der ersten Minuselektrode 15a und der ersten Pluselektrode 16a angeordnet. Der zweite Separator 19b ist zwischen der zweiten Minuselektrode 15b und der zweiten Pluselektrode 16b angeordnet. Die erste Pluselektrode 16a ist zwischen dem ersten Separator 19a und dem ersten Plusstromableiter 18a angeordnet. Die zweite Pluselektrode 16b ist zwischen dem zweiten Separator 19b und dem zweiten Plusstromableiter 18b angeordnet. Der erste Plusstromableiter 18a ist zwischen der ersten Pluselektrode 16a und der dritten Steuerelektrode 20c angeordnet. Der zweite Plusstromableiter 18b ist zwischen der zweiten Pluselektrode 16b und der dritten Steuerelektrode 20c angeordnet. Die Minusstromableiter 17 sind an den Minuspol 11 gekoppelt, die Plusstromableiter 18 an den Pluspol 12. Der Elektrolyt berührt die Minuselektroden 15, die Pluselektroden 16 und die Separatoren 19. Die erste Steuerelektrode 20a und die zweite Steuerelektrode 20b sind an den ersten Anschlusskontakt 13a gekoppelt, der an einen nicht dargestellten Pol einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle gekoppelt werden kann. Die dritte Steuerelektrode 20c ist an den zweiten Anschlusskontakt 13b gekoppelt, der an einen nicht dargestellten entgegengesetzten Pol der Gleichspannungsquelle gekoppelt werden kann. Die dritte Steuerelektrode 20c ist zwischen dem ersten Plusstromableiter 18a und dem zweiten Plusstromableiter 18b angeordnet.
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Die Batterie 10 ist beispielhaft als Lithium-Polymer-Batterie ausgebildet. Der Elektrolyt 14 ist beispielhaft eine Lösung aus Lithiumhexafluorophosphat in Ethylencarbonat. Jeder Minusstromableiter 17 ist beispielhaft eine Folie aus Kupfer. Jede Minuselektrode 15 ist beispielhaft eine Schicht aus Graphit, die auf diejenige Seite der Folie des jeweiligen Minusstromableiters 17 aufgebracht ist, die zu dem jeweiligen Separator 19 hin weist. Jeder Plusstromableiter 18 ist beispielhaft eine Folie aus Aluminium. Jeder Separator 19 ist beispielhaft eine Folie aus Polyolefin. Jede Pluselektrode 16 ist beispielhaft eine Schicht aus Lithiummanganspinell, die auf diejenige Seite der Folie des jeweiligen Plusstromableiters 18 aufgebracht ist, die zu dem jeweiligen Separator 19 hin weist.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der dritten Steuerelektrode 20c schematisch dargestellt. Diese Steuerelektrode 20c weist einen Leiter 21 und eine Elektrodenisolierung 22 auf. Der Leiter 21 ist über einen durch die Elektrodenisolierung 22 nach außen geführten Draht an den zugeordneten zweiten Anschlusskontakt 13b gekoppelt und beispielhaft eine Folie aus Kupfer. Die Elektrodenisolierung 22 umschließt den Leiter 21 und ist beispielhaft eine Folie aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Somit ist die dritte Steuerelektrode 20c flächig ausgebildet und hat eine erste Hauptfläche, die von dem Leiter 21 weg und in 1 und 2 nach links weist, und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche, die von dem Leiter 21 weg und in 1 und 2 nach rechts weist. Der erste Plusstromableiter 18a liegt an der ersten Hauptfläche an, der zweite Plusstromableiter 18b an der zweiten Hauptfläche.
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Die beiden anderen Steuerelektroden 20a, 20b sind wie die dritte Steuerelektrode 20c ausgebildet und weisen ebenfalls jeweils einen Leiter 21 und eine Elektrodenisolierung 22 auf. Jeder dieser Leiter 21 ist über einen durch die jeweilige Elektrodenisolierung 22 nach außen geführten Draht an den zugeordneten ersten Anschlusskontakt 13a gekoppelt und beispielhaft eine Folie aus Kupfer. Jede dieser Elektrodenisolierungen 22 umschließt den jeweiligen Leiter 21 und ist beispielhaft eine Folie aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Zum Einen ist somit die erste Steuerelektrode 20a flächig ausgebildet und hat eine erste Hauptfläche, die von ihrem Leiter 21 weg und in 1 nach links weist, und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche, die von ihrem Leiter 21 weg und in 1 nach rechts weist. Der erste Minusstromableiter 17a liegt an der zweiten Hauptfläche an. Zum Anderen ist somit auch die zweite Steuerelektrode 20b flächig ausgebildet und hat eine erste Hauptfläche, die von ihrem Leiter 21 weg und in 1 nach links weist, und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche, die von ihrem Leiter 21 weg und in 1 nach rechts weist. Der zweite Minusstromableiter 17b liegt an der ersten Hauptfläche an.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 10 schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist der erste Plusstromableiter 18a zwischen der ersten Steuerelektrode 20a und der ersten Pluselektrode 16a angeordnet. Der zweite Plusstromableiter 18b ist zwischen der zweiten Steuerelektrode 20b und der zweiten Pluselektrode 16b angeordnet. Die erste Pluselektrode 16a ist zwischen dem ersten Plusstromableiter 18a und dem ersten Separator 19a angeordnet. Die zweite Pluselektrode 16b ist zwischen dem zweiten Plusstromableiter 18b und dem zweiten Separator 19b angeordnet. Der erste Separator 19a ist zwischen der ersten Pluselektrode 16a und der ersten Minuselektrode 15a angeordnet. Der zweite Separator 19b ist zwischen der zweiten Pluselektrode 16b und der zweiten Minuselektrode 15b angeordnet. Die erste Minuselektrode 15a ist zwischen dem ersten Separator 19a und dem ersten Minusstromableiter 17a angeordnet. Die zweite Minuselektrode 15b ist zwischen dem zweiten Separator 19b und dem zweiten Minusstromableiter 17b angeordnet. Der erste Minusstromableiter 17a ist zwischen der ersten Minuselektrode 15a und der dritten Steuerelektrode 20c angeordnet. Der zweite Minusstromableiter 17b ist zwischen der zweiten Minuselektrode 15b und der dritten Steuerelektrode 20c angeordnet. Die dritte Steuerelektrode 20c ist zwischen dem ersten Minusstromableiter 17a und dem zweiten Minusstromableiter 17b angeordnet.
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Somit liegt der erste Minusstromableiter 17a an der ersten Hauptfläche der dritten Steuerelektrode 20c an, der zweite Minusstromableiter 17b an der zweiten Hauptfläche. Der erste Plusstromableiter 18a liegt an der zweiten Hauptfläche der ersten Steuerelektrode 20a an. Der zweite Plusstromableiter 18b liegt an der ersten Hauptfläche der zweiten Steuerelektrode 20b an.
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Bei dieser Ausführungsform weist die Batterie 10 eine Gleichspannungsquelle 23 mit einem ersten, negativen und einem zweiten, positiven Pol 24a, 24b und einen Wechselschalter 25 mit einem ersten und einem zweiten Bewegtkontakt 26a, 26b und einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten Festkontakt 27a, 27b, 27c, 27d auf.
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Der erste Bewegtkontakt 26a ist an den ersten Anschlusskontakt 13a gekoppelt, der zweite Bewegtkontakt 26b an den zweiten Anschlusskontakt 13b. Der erste und der dritte Festkontakt 27a, 27c sind an den ersten Pol 24a gekoppelt, der zweite und der vierte Festkontakt 27b, 27d an den zweiten Pol 24b. Die Bewegtkontakte 26 sind mechanisch derart aneinander gekoppelt, dass in einer ersten Stellung des Wechselschalters 25 der erste Bewegtkontakt 26a den ersten Festkontakt 27a und der zweite Bewegtkontakt 26b den zweiten Festkontakt 27b berührt und in einer zweiten Stellung des Wechselschalters 25, die in 3 dargestellt ist, der erste Bewegtkontakt 26a den dritten Festkontakt 27c und der zweite Bewegtkontakt 26b den vierten Festkontakt 27d berührt.
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Somit ist der Wechselschalter 25 derart ausgebildet, dass er wahlweise den ersten Pol 24a mit dem ersten Ausgangskontakt 13a und den zweiten Pol 24b mit dem zweiten Ausgangskontakt 13b oder den zweiten Pol 24b mit dem ersten Ausgangskontakt 13a und den ersten Pol 24a mit dem zweiten Ausgangskontakt 13b verbinden kann.
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Eine nicht dargestellte Steuereinrichtung kann den Wechselschalter 25 in die erste Stellung schalten, wenn die Batterie 10 entladen wird, und kann den Wechselschalter 25 in die zweite Stellung schalten, wenn die Batterie 10 geladen wird. In der ersten Stellung liegt an der ersten und der zweiten Steuerelektrode 20a, 20b ein negatives Potenzial und an der dritten Steuerelektrode 20c ein positives Potenzial, wodurch die Lithium-Ionen eine Kraft in Richtung der jeweiligen Pluselektrode 16 erfahren, was beim Entladen die Ionenbeweglichkeit erhöht. In der zweiten Stellung liegt an der ersten und der zweiten Steuerelektrode 20a, 20b ein positives Potenzial und an der dritten Steuerelektrode 20c ein negatives Potenzial, wodurch die Lithium-Ionen eine Kraft in Richtung der jeweiligen Minuselektrode 15 erfahren, was beim Laden die Ionenbeweglichkeit erhöht.
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In 4 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie 10 schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden vor Allem die Unterschiede näher erläutert werden.
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Bei dieser Ausführungsform weist die Batterie 10 eine dritte Minuselektrode 15c, eine dritte Pluselektrode 16c, einen dritten Minusstromableiter 17c, einen dritten Plusstromableiter 18c, einen dritten Separator 19c und eine vierte isolierte Steuerelektrode 20d auf.
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Der dritte Minusstromableiter 17c ist zwischen der zweiten Steuerelektrode 20b und der dritten Minuselektrode 15c angeordnet. Die dritte Minuselektrode 15c ist zwischen dem dritten Minusstromableiter 17c und dem dritten Separator 19c angeordnet. Der dritte Separator 19c ist zwischen der dritten Minuselektrode 15c und der dritten Pluselektrode 16c angeordnet. Die dritte Pluselektrode 16c ist zwischen dem dritten Separator 19c und dem dritten Plusstromableiter 18c angeordnet. Der dritte Plusstromableiter 18c ist zwischen der dritten Pluselektrode 16c und der vierten Steuerelektrode 20d angeordnet. Die zweite Steuerelektrode 20b ist zwischen dem zweiten Minusstromableiter 17b und dem dritten Minusstromableiter 17c angeordnet. Der dritte Minusstromableiter 17c ist an den Minuspol 11 gekoppelt.
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Der dritte Plusstromableiter 18c ist an den Pluspol 12 gekoppelt. Die vierte Steuerelektrode 20d ist an den zweiten Anschlusskontakt 13b gekoppelt.
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Der dritte Minusstromableiter 17c ist beispielhaft wie die zwei anderen Minusstromableiter 17a, 17b eine Folie aus Kupfer. Der zweite Minusstromableiter 17b liegt an der ersten Hauptfläche der zweiten Steuerelektrode 20b an, und der dritte Minusstromableiter 17c an der zweiten Hauptfläche. Der dritte Plusstromableiter 18c ist beispielhaft wie die zwei anderen Plusstromableiter 18a, 18b eine Folie aus Aluminium. Die vierte Steuerelektrode 20d ist wie die drei anderen Steuerelektrode 20a, 20b, 20c ausgebildet und hat eine erste Hauptfläche, die von ihrem Leiter 21 weg und in 4 nach links weist, und eine gegenüberliegende, zweite Hauptfläche, die von ihrem Leiter 21 weg und in 4 nach rechts weist. Der dritte Plusstromableiter 18c liegt an der ersten Hauptfläche an.
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Jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann bei Bedarf mit wenigstens einer der übrigen Ausführungsformen kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterie
- 11
- Minuspol
- 12
- Pluspol
- 13a/b
- erster/zweiter Anschlusskontakt
- 14
- Elektrolyt
- 15a/b/c
- erste/zweite/dritte Minuselektrode
- 16a/b/c
- erste/zweite/dritte Pluselektrode
- 17a/b/c
- erster/zweiter/dritter Minusstromableiter
- 18a/b/c
- erster/zweiter/dritter Plusstromableiter
- 19a/b/c
- erster/zweiter/dritter Separator
- 20a/b/c/d
- erste/zweite/dritte/vierte Steuerelektrode
- 21
- Leiter von 20
- 22
- Elektrodenisolierung von 20
- 23
- Gleichspannungsquelle
- 24a/b
- erster/zweiter Pol von 23
- 25
- Wechselschalter
- 26a/b
- erster/zweiter Bewegtkontakt von 25
- 27a/b/c/d
- erster/zweiter/dritter/vierter Festkontakt von 25
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 101572324 A [0002, 0010]
