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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl an Folienelementen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren, mit welchem auf vorteilhafte Weise Elektrodenfolien miteinander und mit einem Stromableiter verschweißt werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Batteriezelle, die nach einem derartigen Verfahren erzeugt ist.
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Stand der Technik
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Oftmals ist es notwendig, Folienelemente miteinander zu verbinden. Beispielhaft sei hier die Herstellung von Batterien beziehungsweise von Batteriezellen genannt, welche Elektroden aus einem Folienmaterial aufweisen können. Bei deren Herstellung müssen somit oftmals dünne Folien, die meist mit Aktivmaterial beschichtet sind, miteinander und mit einem Stromableiter verbunden werden. Dieser Schritt ist oftmals eine Herausforderung insbesondere mit Bezug auf die erreichbare Stabilität.
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US 2009/0104525 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Sekundärbatterie, bei dem eine Vielzahl von Folien miteinander verschweißt wird, etwa unter Verwendung eines Laserstrahls. Dabei werden die Folien in Laminierrichtung verschweißt, also in einer Richtung quer zur Folienebene und damit durch die Folien.
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US 2013/0029206 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen einer Sekundärbatterie, bei dem eine Vielzahl von Folien in Laminierrichtung, also in einer Richtung quer zur Folienebene, miteinander verschweißt wird. Ausweislich dieses Dokuments wird für das Verschweißen insbesondere Ultraschallschweißen verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl an Folienelementen, wobei die Folienelemente in einer definierten Lage zueinander derart angeordnet werden, dass Fügepositionen der Folienelemente benachbart zueinander positioniert werden, und wobei die Fügepositionen mittels eines Schweißprozesses miteinander verbunden werden, wobei ein Schweißstrahl stirnseitig auf die Fügepositionen gerichtet wird und eine Mehrzahl von Schweißnähten derart erzeugt wird, dass die Schweißnähte die zu verbindenden Folienelemente überspannen.
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Insbesondere ein vorbeschriebenes Verfahren und dabei insbesondere der in dem Verfahren beschriebene Schweißprozess für die Folienelemente kann ein effektives und langzeitstabiles insbesondere stoffschlüssiges Verbinden der Folienelemente erlauben.
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Das vorbeschriebene Verfahren dient dazu, eine Mehrzahl an Folienelementen zu verbinden. Somit sollen die Folienelemente verbunden und dabei insbesondere aneinander fixiert werden.
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Ein Folienelement ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element beziehungsweise ein Bauteil, welches flexibel verformbar ist und dabei eine zu der Breite und Länge geringe Dicke aufweist. Insbesondere weist ein Folienelement eine Dicke auf in einem Bereich von größer oder gleich 5µm bis kleiner oder gleich 30µm, vorzugsweise von größer oder gleich 5µm bis kleiner oder gleich 30µm.
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Bezüglich des hier beschriebenen Verfahrens ist es zunächst vor einem Verbinden der Folienelemente beziehungsweise vor einem Fixieren der Folienelemente aneinander vorgesehen, dass diese derart in einer definierten Lage zueinander angeordnet werden, dass Fügepositionen der Folienelemente benachbart zueinander positioniert werden. Das soll insbesondere bedeuten, dass die Fügepositionen, an denen die Folienelemente miteinander verbunden werden sollen, aneinander gelegt werden. Dabei sollten die Folienelemente vorzugsweise bereits in der gewünschten relativen Position zueinander angeordnet beziehungsweise ausgerichtet werden.
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Bezüglich des Verbindens der Folienelemente beziehungsweise bezüglich des Fügeprozesses ist es ferner vorgesehen, dass die Fügepositionen der jeweiligen Folienelemente mittels eines Schweißprozesses miteinander verbunden werden. Dadurch kann in an sich bekannter Weise eine dauerhaft stabile und einfach ausbildbare insbesondere stoffschlüssige Verbindung erzeugt werden.
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Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren ist es ferner vorgesehen, dass ein Schweißstrahl stirnseitig und damit parallel zu der Folienebene auf die Fügepositionen gerichtet wird. Unter der Folienebene soll dabei die Ebene gemeint sein, die an der Fügeposition durch die Breite und die Länge der Folienelemente definiert wird. Diesbezüglich sind die Folienelemente zumindest an den Fügepositionen bevorzugt parallel ausgerichtet.
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Durch den Schweißstrahl soll eine Mehrzahl von Schweißnähten derart erzeugt werden, dass die Schweißnähte die zu verbindenden Folienelemente überspannen. In anderen Worten werden die Schweißnähte derart ausgebildet, dass diese quer zu den Folienebenen ausgebildet werden beziehungsweise dass der Schweißstrahl die Folienelemente sukzessive bearbeitet und die Folienelemente nacheinander abfährt. Dadurch wird eine Schweißnaht in Laminierrichtung, also in Richtung durch die Folienelemente beziehungsweise parallel zu deren Dicke, erzeugt.
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Insbesondere die vorbeschriebene Ausgestaltung eines Fügens der Folienelemente kann signifikante Vorteile gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik aufweisen.
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Insbesondere kann bei dem hier beschriebenen Verfahren etwa im Gegensatz zu einem Verschweißen durch einen Schweißstrahl in Laminierrichtung oder bei einem stirnseitigen Verschweißen entlang der Folienebene es verhindert werden, dass sich die Folienelemente von der Schweißnaht lösen und der erzeugte Verbund somit beschädigt wird. Denn es konnte insbesondere gefunden werden, dass Folienelemente nach einem Fügen gemäß dem Stand der Technik von der eigentlichen Schweißnaht aufgrund der Schrumpfungen oder der Oberflächenspannungen abreißen können. Dieser negative Effekt kann durch das hier beschriebene Verfahren gerade verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden.
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Weiterhin können sich vermutlich wegen der sehr großen hygroskopischen Oberflächen im Stand der Technik große Poren und Instabilitäten der Naht ausbilden, was erfindungsgemäß ebenfalls verhindert oder zumindest reduziert werden kann.
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Ferner kann eine Wärmeleitung durch die verschiedenen Folien, also ein Übergang der Wärme durch die Folien, in Verfahrrichtung des Schweißstrahls, etwa fortlaufend, bei dem hier beschriebenen Verfahren gering gehalten werden, was ein besonders definiertes Erzeugen der Schweißnaht ermöglichen kann.
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Mit der Änderung der Schweißrichtung gegenüber dem Stand der Technik und somit und der Erzeugung einer über ein Raster skalierbaren Schweißnahtfläche ist sowohl eine sichere und reproduzierbare Verbindung als auch die Realisierung der geforderten Stromtragfähigkeit zu erzielen.
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Dabei führt die verwendete Schweißrichtung, die quer über die Folienelemente und gegebenenfalls zumindest teilweise den oder die Stromableiter verläuft, wie dies nachstehend beschrieben ist zu einer Wegstrecke, welche durch die Grenzflächen zu einem deutlich schlechteren Wärmefluss in Schweißrichtung führt und so die Bewegung der Folienelemente vor dem eigentlichen Schweißprozess verringert. Eine so erzeugte Wegstrecke liegt beispielsweise, etwa bei der Verbindung von Batterielelektroden, wie dies ebenfalls nachstehend beschrieben ist, bei ungefähr 600µm, wobei der vorstehende Wert in keiner Weise beschränkend sondern exemplarisch zu verstehen ist und etwa durch eine vergrößerte Anzahl an Folienelementen wachsen kann.
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Ferner ist es bei dem hier beschriebenen Verfahren von Vorteil, dass Schrumpfungsprozesse bei einem Fügen von der Nahtwurzel in Richtung Nahtoberfläche gerichtet sind, so dass diese nicht mehr an den Folienelementen direkt wirken kann, sondern sich bereits eine feste Schale gebildet hat, die nicht mehr durch die Spannungen zerstört werden kann.
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Ferner kann die Anzahl der verbindbaren Folien grundsätzlich unbeschränkt sein, da auch bei einer Vielzahl von Folienelementen auf einfache Weise die Schweißnaht verlängert werden kann und trotzdem ein sicherer Halt ermöglicht wird. Dies kann insbesondere bei einem Verschweißen in Laminierrichtung nicht immer sichergestellt werden.
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Darüber hinaus kann es bei dem hier beschriebenen Verfahren verhindert werden, dass in der Fügezone Blasenbildung auftritt, welche den Materialzusammenhalt schwächt. Somit kann durch ein hier beschriebenes Verfahren eine besonders hohe Stabilität der Schweißverbindung und damit der erzeugten Folienstruktur ermöglicht werden.
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Die Drehung der Schweißrichtung quer zur Folienrichtung führt zu einer Steuerung der Erstarrung und damit der Schrumpfspannungen. Damit werden Folienabrisse vermieden. Weiterhin kann eine Anbindung und damit Stromtragfähigkeit skaliert werden
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Bei dem direkten stirnseitigen Schweißen ist eine gute Vorbereitung der Kanten von Vorteil, da Folienelemente und gegebenenfalls Stromableiter übereinander liegen müssen und Stufen vermieden werden müssen. Die Anforderungen sind dabei jedoch gering genug, dass eine händische Vorbereitung möglich ist.
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Somit kann insbesondere im Gegensatz zu den Verfahren aus dem Stand der Technik eine reproduzierbare und definierte Verbindung möglich werden. Das Abreißen der Nähte kann verhindert werden beziehungsweise die Gefahr hierfür kann signifikant reduziert werden.
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Neben einem direkten stirnseitigen Verschweißen der Folienelemente und damit einem Richten des Schweißstrahls auf die Kopfkanten der Folienelemente ist es im Sinne der Erfindung auch möglich, die positionierten beziehungsweise angeordneten Folienelemente und gegebenenfalls entsprechend angeordnete Stromableiter mit einem Loch zu versehen, etwa durch einen Stanzprozess. Dann kann ein Fügen beziehungsweise ein Verschweißen von innen, beispielsweise mittels einer Optik, etwa einer Trepannieroptik erfolgen, wobei der Schweißstrahl ebenfalls stirnseitig auf die Folienelemente beziehungsweise Fügepositionen gerichtet wird, um die Folienelemente und gegebenenfalls die Stromableiter zu verschweißen. Dies würde zwar zusätzlichen Bauraum benötigen, was jedoch gegebenenfalls zu tolerieren ist.
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Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass als Schweißstrahl ein Laserstrahl verwendet wird. Insbesondere unter Verwendung eines Laserstrahls lassen sich bei einem hier beschriebenen Verfahren signifikante Vorteile aufweisen, beispielsweise gegenüber einem stoffschlüssigen Fügen mittels Ultraschallschweißen. Beispielsweise kann ein sehr einfacher Prozess ermöglicht werden, da beispielsweise eine aufwändige Reinigung der Fügeflächen entfallen kann und ferner keine speziellen Anforderungen an die Dicke oder Ausgestaltung der Folienelemente beziehungsweise deren Anzahl und der Ausgestaltung der Fügeflächen gestellt werden braucht. Ferner kann durch eine hohe mögliche Vorschubgeschwindigkeit eine hohe Taktzeit ermöglicht werden, was den Prozess sehr effizient gestaltet. Bezüglich des Fügeprozesses kann es ferner vorteilhaft sein, dass nicht oder kaum, wie etwa bei einem Ultraschallschweißen, Materialspritzer entstehen, die zu Verunreinigungen führen können. Schließlich ist das Totvolumen sehr gering und eine Umsetzung auch in einer Serienproduktion problemlos möglich.
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Es kann ferner bevorzugt sein, dass die Mehrzahl an Folienelementen mittels Scannerschweißen verschweißt wird. Ein Scannerschweißen kann insbesondere ein Prozess sein, bei dem der Laserstrahl über ein oder mehrere etwa galvanometrisch bewegte Spiegel, wie etwa Drehspiegel, umgelenkt und positioniert wird. Die Fokussierung kann über eine Fokussierlinse noch vor dem Scannerkopf realisiert werden. In dieser Ausgestaltung können etwa im Vergleich zu bewegten Werkstückachsen wesentlich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei in der Regel niedrigeren Investitionskosten erlaubt werden. Denn bei dem Erzeugen der Schweißnähte mittels Scanner ist es ferner möglich, dass nur sehr kleine bewegte Massen sehr hohe Geschwindigkeiten ermöglichen. Ein komplexes Raster lässt sich damit in wenigen 100ms und damit in hohen Taktzeiten herstellen.
Somit schafft diese Ausgestaltung eine kostengünstige Möglichkeit verlässliche Schweißnähte in kurzen Taktzeiten zu ermöglichen.
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Es kann ferner bevorzugt sein, dass der Fokus des Schweißstrahls, also der Durchmesser des auf die Folienelemente auftreffende Schweißstrahls, in einem Bereich von kleiner oder gleich 190% der Dicke der Folienelemente liegt. Beispielsweise liegt der Fokus des Schweißstrahls in einem Bereich von größer oder gleich 75%, etwa größer oder gleich 100% der Dicke der Folienelemente und oder kleiner oder gleich 150% oder kleiner oder gleich 125% der Dicke der Folienelemente, also der einzelnen Folienelemente. Bei einer beispielhaften Foliendicke von 15 µm können besonders gute Schweißungen etwa mit einem Fokus von ca. 18 µm möglich sein.
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Denn es hat sich gezeigt, dass im Stand der Technik oftmals eine Instabilität der Schweißung dadurch auftritt, dass die Schweißnaht durch die klassischen Ausrichtungen der Schweißstrahlung ein verglichen zu den zu verbindenden Folienelementen große Größe aufweist. Dadurch ist die Folie von der Schrumpfspannung beeinflusst und die Gefahr eines Abreißens kann bestehen.
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Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann es somit verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden, dass eine reproduzierbare Schweißung gemäß dem Stand der Technik aufgrund der großen Foki sich mit bekannten Schweißanordnungen beziehungsweise Schweißverfahren nur schwer erreichen lässt, da sich die Folienelemente aufgrund der vorlaufenden Wärme vor dem Schweißen bewegen und damit die Spannbedingungen verschlechtern.
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Auch diese negativen Effekte können durch das hier beschriebene Verfahren insbesondere in dieser Ausgestaltung gerade verhindert oder zumindest reduziert werden.
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Denn durch das hier beschriebene Verfahren wird es ermöglicht, die relevante Schweißnahtgröße Verdrehung der Schweißrichtung und ferner einen geringen Fokus des Schweißstrahls in die Größenordnung der Foliendicke zu bringen.
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Damit können die Folien der Schrumpfspannung widerstehen und reißen nicht ab, sondern bilden eine als „feste Schale“ zu bezeichnende Struktur im Nahtgrund, hier also im Randbereich der Folien zur eigentlichen Schweißnaht. Die schlechte Wärmeleitung über die Grenzflächen der Folien, also in Schweißrichtung sorgt für kalte Folien, also eine sehr gute Wärmesenke, die die Schalenbildung begünstigt und dadurch die Stabilität der erhaltenen Struktur verbessert.
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Insbesondere unter Verwendung eines Fokus des Schweißstrahls in dem vorbeschriebenen Bereich und/oder mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit kann ein stabiler Verbund erzeugt werden. Etwa sind bei sehr kleinen Brennflecken, wie sie sich typischerweise mit Faserlasern erzeugen lassen, sowie grundsätzlich bei hohen Geschwindigkeiten beziehungsweise bei hohen Taktzeiten tendenziell kleinere Fehler der Schweißverbindung zu sehen.
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Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass in einem ersten Schritt eine erste Struktur an Schweißnähten erzeugt wird und anschließend in einem zweiten Schritt eine zweite Struktur an Schweißnähten erzeugt wird, wobei die Schweißnähte der ersten Struktur und die Schweißnähte der zweiten Struktur alternierend angeordnet sind. Somit können in anderen Worten in dieser Ausgestaltung die Zwischenräume des ersten Nahtmusters noch mit weiteren Nähten gefüllt werden. Dies hat den Vorteil, dass wiederum die Schrumpfspannungen an einer massiven Naht und nicht an empfindlichen Folien wirken. Mögliche Risse der ersten Schweißnähte werden damit ausgeheilt. In dieser Ausgestaltung kann ferner ein sehr enges Raster an Schweißnähten erzeugt werden, was die Stabilität der Fügeverbindung verbessern kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Mehrzahl an Folienelementen Bestandteil einer Batteriezelle ist. Dabei kann es ferner vorgesehen sein, dass die Mehrzahl an Folienelementen mit wenigstens einem, beispielsweise zwei, etwa die Folienelemente begrenzend angeordnete Stromableitern verschweißt wird. Beispielsweise können die Folienelemente Elektrodenfolien sein, die im Rahmen eines Herstellungsverfahrens einer Batterie in an sich bekannter Weise an einem Fügebereich miteinander verbunden werden. Bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien oder vergleichbaren Stromspeichern muss stets eine Stromübertragung von den beschichteten nur wenige um dicken Folien zu den Stromableitern mit einer Dicke von mehreren Zehnteln Millimetern erfolgen. Somit sind die gefügten Bereiche insbesondere die Bereiche, welche mit en Stromableitern verbunden werden. Entsprechend kann das Verfahren besonders effizient sein, wenn die Mehrzahl an Folienelementen bei der Verbindung der Folienelemente gleichzeitig mit einem Stromableiter verschweißt wird.
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Dieser Prozessschritt ist aufgrund der empfindlichen Folien ein Kernprozess in der Batteriefertigung. Insbesondere dabei kann das vorbeschriebene Verfahren etwa gegenüber einem Ultraschallschweißen Vorteile aufweisen. Denn ein Ultraschallschweißen benötigt mehrere Millimeter Platz und kann damit unter Umständen die Packungsdichte der Batterien reduzieren. Weiterhin kann beim Ultraschallschweißen unter Umständen die Gefahr nicht gänzlich verhindert werden, dass sehr große, leitfähige Partikel erzeugt werden, die bezüglich der Herstellung und des Betriebs nachteilig sein können und/oder entfernt werden müssen. Diese Nachteile können bei dem hier beschriebenen Verfahren umgangen werden. Hierzu kann insbesondere ein Laserschweißen aufgrund der kleinen möglichen Schmelzzonen von Vorteil sein.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die Mehrzahl an Folienelementen mit wenigsten einem Stromableiter mittels eines Schweißprozesses verbunden wird, und dass nach einem Verbinden der Mehrzahl an Folienelementen mit dem wenigstens einen Stromableiter der wenigstens eine Stromableiter stirnseitig und in Folienebene beziehungsweise parallel zu der Folienebene mit einer die Schweißnähte überspannenden Schweißnaht versehen wird. Dabei wird die Schweißnah insbesondere derart aufgebracht, dass diese die zuvor eingebrachten Schweißnähte, die die Folienelemente überspannen, kontaktiert und insbesondere miteinander verbindet. Durch diesen Schritt kann eine besonders hohe Stabilität ermöglicht werden. Dabei wirken die anschließend erzeugten Schweißnähte beziehungsweise Kräfte bei deren Herstellung nicht mehr an den Folien direkt, sondern an der verglichen dazu massiven bestehenden Schweißnähten, weshalb die Gefahr eines Abreißens der Folienelemente von der Naht nicht besteht.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Verfahrens wird auf die Beschreibung der Batteriezelle, der Verwendung und die Figuren verwiesen, und umgekehrt.
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Dem Vorstehenden folgend ist ferner ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung das Verwenden eines Verfahrens, wie dies vorstehend beschrieben ist, zum Herstellen einer Batteriezelle.
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Bezüglich der spezifischen Vorteile wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Verwendung wird auf die Beschreibung des Verfahrens, der Batteriezelle und die Figuren verwiesen, und umgekehrt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Batteriezelle, aufweisend eine Vielzahl von Folienelementen mit jeweils einem Fügebereich, wobei die Fügebereiche der Folienelemente durch eine Mehrzahl an Schweißnähten miteinander verbunden sind, wobei die Mehrzahl an Schweißnähten stirnseitig angeordnet ist und die Mehrzahl an Folienelemente überspannen. Beispielsweise können die Folienelemente zusätzlich zu einer Verbindung an sich mit einem oder einer Mehrzahl an Stromableitern verbunden sein. Beispielsweise können zwei Stromableiter vorgesehen sein und können die Folienelemente zwischen den Stromableitern angeordnet sein. In diesem Fall verlaufen die Schweißnähte die Folienelemente überspannend beispielsweise jeweils von Stromableiter zu Stromableiter.
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Der Vorteil einer derartigen Batteriezelle kann insbesondere in einer besonders langlebigen und sicheren stoffschlüssigen Verbindung der Folienelemente an sich und gegebenenfalls der Folienelemente mit einem oder mehreren Stromableitern gesehen werden. Denn insbesondere können die Folienelemente, wie etwa die Elektroden der Batteriezelle, sicher an der Schweißnaht haften.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Batteriezelle wird auf die Beschreibung des Verfahrens, der Verwendung und die Figuren verwiesen, und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen
- 1 eine schematische Ansicht darstellend ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle;
- 2 eine schematische Ansicht von mit Schweißnähten versehenen Folienelementen von oben;
- 3 eine schematische Ansicht von mit Schweißnähten versehenen Folienelementen von der Seite;
- 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung von mit Schweißnähten versehenen Folienelementen von oben;
- 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung von mit Schweißnähten versehenen Folienelementen von oben;
- 6 eine schematische Ansicht der Ausgestaltung aus 5 von mit Schweißnähten versehenen Folienelementen von der Seite;
- 7 eine schematische Ansicht darstellend einen Bereich der Folienelemente während des Verfahrens in einer seitlichen Schnittansicht; und
- 8 eine schematische Ansicht zeigend eine Ausgestaltung eines Schweißprozesses.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung zeigend ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer Mehrzahl an Folienelementen 10 gezeigt. Das hier beschriebene Verfahren kann beispielsweise verwendet werden zur Herstellung einer Batteriezelle, um etwa Elektrodenfolien miteinander zu verbinden und insbesondere an entsprechende Stromableiter 12 anzubinden. Auch wenn das Verfahren im Folgenden in dieser Anwendung beschrieben ist, ist es in keiner Weise auf diese Anwendung beschränkt.
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Im Detail sind in der 1 eine Vielzahl von Elektrodenfolien als Folienelemente 10 gezeigt, die zwischen zwei Stromableitern 12 angeordnet sind. Die Folienelemente 10 beziehungsweise die Stromableiter 12 weisen Fügepositionen 14, 16 beziehungsweise Fügebereiche auf, die benachbart zueinander angeordnet sind. Diese sind am Rand der Folienelemente 10 angeordnet.
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Um die Folienelemente 10 miteinander und mit den Stromableitern 12 stoffschlüssig zu verbinden, wird ein Schweißprozess verwendet. Im Detail ist ein Schweißstrahl 18 gezeigt, der etwa von einer Laserschweißeinrichtung 20 oder auch von einer Elektronenstrahl-Schweißeinrichtung emittiert wird. Der Schweißstrahl 18 wird parallel zu der Folienebene und stirnseitig auf die Fügepositionen 14, 16 gerichtet. Dabei werden durch die Bewegung des Schweißstrahls 18, welche durch den Pfeil 23 dargestellt sein soll, eine Mehrzahl von Schweißnähten 22 derart erzeugt, dass die Schweißnähte 22 die zu verbindenden Folienelemente 10 überspannen und bis auf die Stromableiter 12 verlaufen.
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In der 8 ist als eine Ausgestaltung eines Schweißprozesses ein Scannerschweißen gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass der Schweißstrahl 18 durch einen Spiegel 42 umgelenkt beziehungsweise bewegt wird, um die Schweißnähte 22 zu erzeugen. Dies erlaubt eine besonders kurze Taktzeit, was besonders vorteilhaft ist, wie dies nachstehend beschrieben ist.
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In der 2 ist ferner eine stirnseitige Ansicht auf die Folienelemente 10 und die Stromableiter 12 gezeigt, welche mit entsprechenden Schweißnähten 22 versehen sind. Entsprechend kann diese Ansicht eine Batteriezelle zeigen. Dabei ist zu erkennen, dass die Schweißnähte 22 die Folienelemente 10 überspannen und von Stromableiter 12 zu Stromableiter 12 quer zur Folienebene verlaufen.
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3 zeigt in einer Schnittansicht die Fügepositionen 14, 16 und ferner eine Schweißnaht 22 im Detail. Dabei ist insbesondere zu erkennen, dass die Fügepositionen 14, 16 der Folienelemente 10 und der Ableiter 12 durch die Schweißnaht 22 sicher miteinander verbunden sind.
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In der 4 ist ferner eine stirnseitige Ansicht auf eine weitere Ausgestaltung gezeigt, in der die Folienelemente 10 und die Stromableiter 12 wie auch in 2 mit entsprechenden Schweißnähten 22 versehen sind. Ferner ist gezeigt, dass der Abstand der Schweißnähte 22 vergleichen zu 2 geringer ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass in einem ersten Schritt eine erste Struktur 24 an Schweißnähten 22 erzeugt wird und anschließend in einem zweiten Schritt eine zweite Struktur 26 an Schweißnähten 22 erzeugt wird, wobei die Schweißnähte 22 der ersten Struktur 24 und die Schweißnähte 22 der zweiten Struktur 26 alternierend angeordnet sind.
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In den 5 und 6 ist eine weitere Ausgestaltung gezeigt, wobei 5 eine Draufsicht auf verbundene Folienelemente 10 beziehungsweise Stromableiter 12 zeigt und 6 eine geschnittene Seitenansicht. Dabei ist es vorgesehen, dass neben den die Folienelemente 10 übergreifenden Schweißnähten 22 weitere Schweißnähte 28 vorgesehen sind, die parallel zu den Folienebenen verlaufen und die auf den Stromableitern 12 vorgesehen sind. Diese Struktur ist erhältlich, indem die Mehrzahl an Folienelementen 10 mit den Stromableitern 12 mittels eines Schweißprozesses verbunden wird, und nach einem Verbinden der Mehrzahl an Folienelementen 10 mit den Stromableitern 12 letztere stirnseitig und parallel zu den Folienebenen mit jeweils einer die Schweißnähte 22 überspannenden Schweißnaht 28 versehen werden. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders hohe Stabilität erreicht werden. Entsprechend kann diese Ansicht eine Batteriezelle 22 in einer weiteren Ausgestaltung zeigen.
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In der 7 ist ferner eine Schnittansicht durch die Fügezonen 14 der Folienelemente 10 gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass der Schweißstrahl 18 das Material der Folienelemente 10 in einem ersten Bereich 30 aufschmilzt, wobei sich das Material hinter dem Schweißstahl 18 beziehungsweise nach Entfernen des Schweißstrahls 18 in einem zweiten Bereich 32 wieder abkühlt und erstarrt, so dass in dem Bereich 34, der der Schweißnaht 22 entspricht, eine stoffschlüssige Verbindung vorliegt. Dabei bildet sich am unteren Bereich des Bereichs 30 eine feste Schale 36 im Nahtgrund, welche eine stabile Fixierung der Folienelemente 10 am Nahtgrund ermöglicht. Die Schale 36 wird folgend Teil der Schweißnaht 22.
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Dabei führt die Schweißrichtung quer über Stromableiter 12 und Folienelemente 10 durch die Grenzflächen zu einem deutlich schlechteren Wärmefluss in Schweißrichtung, wie dies durch den Pfeil 38 dargestellt ist, und verringert damit die Bewegung der Folienelemente 10 vor dem eigentlichen Schweißprozess. Die Schrumpfung, dargestellt durch die Pfeile 39, kann von der Nahtwurzel in Richtung Nahtoberfläche gerichtet werden, so dass diese nicht mehr an den Folienelementen 10 direkt wirken kann, da sich bereits die feste Schale 36 gebildet hat, die nicht mehr durch die Spannungen zerstört werden kann. Der schlechte Wärmefluss begünstigt daher die Bildung der Schale 36. Die optional erzeugten Schweißnähte 28 in Längsrichtung der Stromableiter 12 wirken ebenfalls nicht mehr an den Folienelementen 10 direkt, sondern an den verglichen dazu massiven bestehenden Schweißnähten 22 und können daher ebenfalls nicht mehr abreißen.
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Ferner liegt nur eine geringe Wärmeleitung in die Tiefe vor, wie dies durch den Pfeil 40 dargestellt sein soll. Dies führt zu vergleichsweise kalten Folienelementen 10, wodurch die Folienelemente 10 der Schrumpfspannung widerstehen können und nicht abreißen. Dies begünstigt weiter die Bildung der Schale 36 im Randbereich der Folienelemente 10 zur eigentlichen Schweißnaht 22. Die schlechte Wärmeleitung in die Tiefe der Folienelemente 10, also parallel zu dem Schweißstrahl beim Auftreffen auf die Folienelemente 10 sorgt ebenfalls für kalte Folienelemente 10, also eine sehr gute Wärmesenke, die die Schalenbildung begünstigt.
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Die Bildung der Schale 36 wird insbesondere begünstigt durch kleine Foki des Schweißstrahls 18, etwa in einem Bereich von kleiner oder gleich 190% der Dicke der Folienelemente 10 und ferner durch eine hohe Schweißgeschwindigkeit. Dadurch ist durch die thermischen Eigenschaften das Ausbilden der festen Schale sicher zu erzeugen, da eine geringere Wärmemenge hierfür notwendig ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0104525 A1 [0003]
- US 2013/0029206 A1 [0004]
