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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer Batteriezelle und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wiederaufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.
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Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen.
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Eine Batteriezelle weist typischerweise ein Batteriezellengehäuse auf, welches eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenwickels oder eines Elektrodenstapels aufnimmt. Je nach Anforderungen kann das Batteriezellengehäuse zylindrisch, prismatisch oder folienartig ausgestaltet sein.
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Eine Batteriezelle mit einem folienartigen Batteriezellengehäuse wird auch als Pouchzelle bezeichnet. Eine derartige Batteriezelle ist vor allem durch ihr geringes Gewicht gekennzeichnet.
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Hinsichtlich der Optimierung der die Lithium-Ionen-Batterien kennzeichnenden Eigenschaften wie etwa der spezifischen Energiedichte werden aktuell Herstellungsverfahren und Lade- bzw. Entladeverfahren einzelner Batteriezellen erforscht und weiterentwickelt.
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Aus dem Dokument
JP 2011044333A ist ein Herstellungsverfahren einer Batteriezelle bekannt, bei dem die einzelnen Verfahrensschritte hinsichtlich der Vergrößerung der Zellkapazität optimiert sind.
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Ferner ist aus dem Dokument
US 2016254572A1 eine Batteriezelle bekannt, bei der ein Vorbehandlungsverfahrensschritt einer Elektrode zur Verlängerung der Lebensdauer der betroffenen Batteriezelle durchgeführt wird
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bereitstellung einer Batteriezelle.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen ersten Verfahrensschritt, bei dem zumindest eine Elektrodeneinheit in ein Batteriezellengehäuse der Batteriezelle eingeführt wird. Die zumindest eine Elektrodeneinheit weist hierbei eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen Separator auf, welcher die erste Elektrode von der zweiten Elektrode trennt. Weiter umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen zweiten Verfahrensschritt, bei dem eine metallische Folie in das Batteriezellengehäuse aufgenommen wird. Die besagte metallische Folie wird in einem späteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder aus dem Batteriezellengehäuse entfernt. Dieser spätere Verfahrensschritt erfolgt zeitlich nach dem vorbeschriebenen zweiten Verfahrensschritt.
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Hierbei kann die metallische Folie als Hilfselektrode neben der ersten und der zweiten Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit betrachtet werden. Beispielsweise kann die metallische Folie als Hilfselektrode zusammen mit der ersten Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit als Elektrodeneinheit zusammengeschaltet werden. Werden die metallische Folie und die erste Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit bzw. mehrere erste Elektroden an einem Ladestromkreis angeschlossen, werden Ladungsträger in Form von Lithiumionen von der ersten Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit oder von den ersten Elektroden zu der metallischen Folie als Hilfselektrode transportiert. Durch die Auslagerung der Lithiumionen aus den ersten Elektroden wird deren Redoxpotential derart verändert, dass sich die Differenz der Redoxpotentiale zwischen der oder den ersten und zweiten Elektroden erhöht. Die Redoxpotentiale haben dabei einen unmittelbaren Einfluss auf die Zellspannung, welche wiederum zusammen mit der Menge an Aktivmaterial in der oder den zweiten Elektroden die spezifische Energie einer Batteriezelle bestimmt. Durch den Anstieg des Redoxpotentials an den ersten Elektroden kann die Menge an Elektrodenaktivmaterial in den zweiten Elektroden reduziert werden. Die Herstellungskosten einer derartigen Batteriezelle können somit verringert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Batteriezellengehäuse folienartig ausgebildet.
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Der technische Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein folienartiges Gehäuse relativ wenige Baukomponenten umfasst. Eine Deckelbaugruppe für einen Gehäusedeckel kann bei einem folienartigen Gehäuse entfallen. Darüber hinaus kann das folienartige Gehäuse auf einfache Weise, beispielsweise mittels Heißsiegeln, verschlossen werden.
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Weiter ist vorteilhaft, wenn die metallische Folie aus Kupfer oder Nickel bereitgestellt wird, da eine derartige metallische Folie als negative Elektrode in der Batteriezelle verwendet werden kann.
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Weiterhin ist vorteilhaft, wenn in dem zweiten Verfahrensschritt die metallische Folie derart auf der zumindest einen Elektrodeneinheit angeordnet wird, dass die metallische Folie die zumindest eine Elektrodeneinheit auf deren zumindest einer Großfläche vollflächig bedeckt.
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Dabei wird die metallische Folie vorteilhafterweise auf derjenigen Elektrode angeordnet, deren Ableiterfähnchen aus demselben Material wie die metallische Folie ausgeführt ist. Damit muss kein zusätzlicher Separator zwischen der metallischen Folie und der zumindest einen Elektrodeneinheit angeordnet werden.
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Ferner ist es vorgesehen, dass das Batteriezellengehäuse in einem dritten Verfahrensschritt mit einem Elektrolyten befüllt und anschließend verschlossen wird.
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Der Elektrolyt kann dabei beispielsweise ein Lösungsmittel sein, in dem ein oder mehrere elektrisch leitfähige Salze gelöst sind. Beispielsweise kann der Elektrolyt Propylencarbonat enthalten. Der Elektrolyt kann durch eine Öffnung des Batteriezellengehäuses in dessen Innenraum eingeführt werden. Der dritte Verfahrensschritt wird auch als Benetzung bezeichnet, wobei die Poren des porösen Separators mit dem Elektrolyten gefüllt werden. Dieser Verfahrensschritt kann etwa acht Stunden dauern.
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Aufgrund der hohen Reaktionsfähigkeit des Elektrolyten mit der Umgebungsfeuchtigkeit wird das Batteriezellengehäuse anschließend verschlossen, beispielsweise versiegelt.
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Aus dem Batteriezellengehäuse hinaus werden vorteilhafterweise die Ableiterfähnchen der Elektroden der zumindest einen Elektrodeneinheit und der metallischen Folie zur externen elektrischen Kontaktierung beispielsweise mit einem Ladegerät herausgeführt. Dabei können die Ableiterfähnchen der Elektroden, welche über das Batteriezellengehäuse hinausragen, in einem Abstand nebeneinander positioniert werden. Das entsprechende Ableiterfähnchen der metallischen Folie kann auf einer benachbarten Seite oder einer gegenüberliegenden Seite des Batteriezellengehäuses angeordnet werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Batteriezelle in einem vierten Verfahrensschritt mittels eines außerhalb des Batteriezellengehäuses angeordneten Ladegerätes geladen wird, wobei die metallische Folie und eine der Elektroden der zumindest einen Elektrodeneinheit als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle fungieren. Dabei fungiert die metallische Folie vorteilhafterweise als Anode und die eine Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit als Kathode.
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Weiter ist es vorgesehen, dass die Batteriezelle in einem fünften Verfahrensschritt mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses angeordneten Ladegerätes geladen wird, wobei die erste und die zweite Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle fungieren.
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Dabei werden weitere Ladungsträger in Form von Lithiumionen aus der ersten Elektrode ausgelagert, die in dem vorbeschriebenen vierten Verfahrensschritt mit der metallischen Folie mittels des Ladegerätes elektrisch verbunden worden ist. Auf diese Weise steigt das Redoxpotential an der ersten Elektrode weiter an. Die Zellspannung der Batteriezelle wird damit weiter gesteigert.
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Weiter ist es vorgesehen, dass die metallische Folie in einem sechsten Verfahrensschritt aus dem Batteriezellengehäuse entfernt wird.
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Der sechste Verfahrensschritt kann derart erfolgen, dass zunächst eine Seite des Batteriezellengehäuses, aus der das Ableiterfähnchen der metallischen Folie hinausragt, aufgeschnitten wird. Anschließend wird die metallische Folie durch die aufgeschnittene Seite des Batteriezellengehäuses aus dem Batteriezellengehäuse herausgenommen.
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Da die metallische Folie die zumindest eine Elektrodeneinheit auf deren zumindest einer Großfläche vollflächig bedeckt und darüber hinaus teilweise über die zumindest eine Elektrodeneinheit übersteht, kann von außerhalb des Batteriezellengehäuses leicht erkannt werden, in welchen Bereichen der Batteriezelle lediglich die metallische Folie enthalten ist. Auf diese Weise kann das Batteriezellengehäuse relativ einfach eingeschnitten werden, ohne die zumindest eine Elektrodeneinheit dabei mechanisch zu beschädigen.
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Darüber hinaus werden Gase, die während des vierten und des fünften Verfahrensschrittes in dem Batteriezellengehäuse gebildet worden ist, durch das Aufschneiden aus dem Batteriezellengehäuse entfernt. Somit muss kein zusätzlicher Verfahrensschritt zur Entgasung durchgeführt werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Batteriezellengehäuse in einem siebten Verfahrensschritt unter Vakuum erneut verschlossen wird.
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Dadurch werden die erste und die zweite Elektrode der zumindest einen Elektrode aufeinander gepresst und damit der Abstand zwischen den beiden Elektroden reduziert. Dies ermöglicht eine relativ kurze Distanz für einen Ionentransport zwischen den beiden Elektroden. Der Transportwiderstand und der Innenwiderstand können somit innerhalb der Batteriezelle möglichst klein gehalten werden.
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Es ist ferner vorgesehen, dass die Batteriezelle in einem achten Verfahrensschritt mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuse angeordneten Ladegerätes mehrmals aufgeladen und entladen wird.
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Diese Maßnahme dient der chemischen Stabilität innerhalb der Batteriezelle. Nach dem achten Verfahrensschritt kann die Batteriezelle beispielsweise in ein Batteriemodul eingebaut werden.
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Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellte Batteriezelle findet Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in elektrischen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine Schnittansicht einer gemäß einem dritten Verfahrensschritt des Verfahrens in 1 bereitgestellten Batteriezelle,
- 3 eine Schnittansicht einer gemäß einem vierten Verfahrensschritt des Verfahrens in 1 bereitgestellten Batteriezelle,
- 4 eine Schnittansicht einer gemäß einem fünften Verfahrensschritt des Verfahrens in 1 bereitgestellten Batteriezelle und
- 5 eine Schnittansicht einer gemäß dem Verfahren in 1 fertiggestellten Batteriezelle.
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In 1 ist ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zur Bereitstellung einer Batteriezelle dargestellt. Das Verfahren 10 wird anhand den schematischen Darstellungen der Batteriezellen 20, 50 in den 2 bis 5 erläutert. In den 2 bis 5 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen jeweils die gleichen Komponenten.
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In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird ein Elektrodenstapel mit einer ersten Elektrode 204, 214, einer zweiten Elektrode 206, 216 und einem dazwischen angeordneten Separator in ein folienartig ausgebildetes Batteriezellengehäuse 202 eingeführt. Das Batteriezellengehäuse 202 kann beispielsweise aus Aluminium ausgeführt sein. Ferner kann das folienartige Batteriezellengehäuse 202 als ein Beutel mit einer oder mehreren offenen Seiten ausführt sein.
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Die erste Elektrode 204, 214 ist beispielsweise aus einer ersten Ableiterfolie 214 und einem mit der ersten Ableiterfolie214 verbundenen ersten Ableiterfähnchen 204 ausgeführt. Das erste Ableiterfähnchen 204 kann beispielsweise mit der ersten Ableiterfolie 214 verschweißt sein. Alternativ können die erste Ableiterfolie 214 und das erste Ableiterfähnchen 204 einstückig ausgestaltet sein. Die erste Elektrode 204, 214 umfasst weiter ein Elektrodenmaterial, das auf die erste Ableiterfolie 214 aufgebracht ist. Das Elektrodenmaterial ist hierbei eine Zusammensetzung aus einem Elektrodenaktivmaterial und einem Additiv. Weitere Materialien zur Verbindung des Elektrodenaktivmaterial mit dem Additiv wie bspw. Binder sind dabei auch denkbar. Für die Anwendung in einer Kathode weist das Elektrodenaktivmaterial beispielsweise Lithium-Eisenphosphat auf und für die Anwendung in einer Anode bspw. Graphit. Die zweite Elektrode 206, 216 kann beispielsweise ebenfalls der ersten Elektrode 204, 214 entsprechend ausgeführt sein. Die zweite Elektrode 206, 216 umfasst so beispielsweise eine zweite Ableiterfolie 216 und ein zweites Ableiterfähnchen 206. Dabei ist die erste Elektrode 204, 214 als eine Kathode und die zweite Elektrode 206, 216 als eine Anode vorgesehen. Der Separator wird beispielsweise zwischen der ersten Ableiterfolie214 und der zweiten Ableiterfolie216 positioniert, um einen Kurzschluss zwischen der ersten Elektrode 204, 214 und der zweiten Elektrode 206, 216 zu unterbinden.
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Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 102 eine metallische Folie 208, 218 in das Batteriezellengehäuse 202 eingeführt. Dabei kann die metallische Folie 208, 218 durch eine offene Seite des Batteriezellengehäuses 202 eingeschoben werden. Die metallische Folie 208, 218, die eine dritte Ableiterfolie 218 und ein mit der dritten Ableiterfolie 218 verbundenes drittes Ableiterfähnchen 208 umfasst, kann beispielsweise aus Kupfer oder Nickel ausgeführt sein. Die dritte Ableiterfolie 218 der metallischen Folie 208, 218 wird derart ausgestaltet, dass die erste Ableiterfolie 204 der ersten Elektrode 204, 214 und die zweite Ableiterfolie 206 der zweiten Elektrode 206, 216 zumindest auf deren einer Großfläche vollflächig von der dritten Ableiterfolie 218 bedeckt werden. Dabei wird die metallische Folie 208, 218 vorzugsweise auf der zweiten Elektrode 206, 216 aufgebracht, die ein Ableiterfähnchen 206 aus Kupfer aufweist. Die zweite Elektrode 206, 216 weist dabei bspw. dieselbe Polarität wie die metallische Folie 208, 218 auf. Dadurch muss kein zweiter Separator zwischen der metallischen Folie 208, 218 und der zweiten Elektrode 206, 216 angeordnet werden.
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Weiter wird in einem dritten Verfahrensschritt 103 das Batteriezellengehäuse 202 mit einem Elektrolyten befüllt und anschließend verschlossen. Dabei kann die eine oder die mehreren offenen Seiten des Batteriezellengehäuses 202 mittels eines aufgeheizten Siegelgerätes verschlossen werden. Das erste, das zweite sowie das dritte Ableiterfähnchen 204, 206, 208 weisen dabei beispielsweise jeweils einen streifenartigen Bereich aus einem Polymer auf, der mit dem Batteriezellengehäuse 202 stoffschlüssig verbunden wird.
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Weiterhin wird in einem vierten Verfahrensschritt 104 die Batteriezelle 20 mittels eines außerhalb des Batteriezellengehäuses 202 angeordneten Ladegerätes 30 geladen bzw. teilaufgeladen. Dabei wird ein Ladestromkreis der Batteriezelle 20 derart gebildet, dass die metallische Folie 208, 218 und die erste Elektrode 204, 214 als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle fungieren. Die Ladeparameter beziehen sich vorzugsweise auf 3% bis 15% der Nennkapazität der ersten Elektrode 204, 214.
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Ferner wird in einem fünften Verfahrensschritt 105 die Batteriezelle 20 mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses 202 angeordneten Ladegerätes 30 ein weiteres Mal geladen bzw. teilaufgeladen. Dabei fungieren die erste Elektrode 204, 214 und die zweite Elektrode 206, 216 als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle 20. Die metallische Folie 208, 218 wird dabei nicht an den entsprechenden Ladestromkreis angeschlossen. Der Ladestrom beträgt dabei weniger als IC und die Batteriezelle 20 wird vorzugsweise bis zu einem Ladezustand (auf Englisch: state of charge, SOC) von kleiner als 80% aufgeladen.
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Anschließend wird die metallische Folie 208, 218 in einem sechsten Verfahrensschritt 106 aus dem Batteriezellengehäuse 202 entfernt. Dabei wird zuerst das Batteriezellengehäuse 202 entlang der Seite, an der das dritte Ableiterfähnchen 208 der metallischen Folie 208, 218 angeordnet ist, geöffnet. Aus der geöffneten Seite des Batteriezellengehäuses 202 wird die metallische Folie 208, 218 herausgenommen. Ein Bereich der metallischen Folie 208, 218 kann bspw. beim Öffnen des Batteriezellengehäuses 202 teilweise abgetrennt werden. Dabei kann vor allem der Bereich der metallischen Folie 208, 218 abgeschnitten werden, der über die erste bzw. zweite Ableiterfolie214, 216 übersteht.
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Weiter wird das Batteriezellengehäuse 202 in einem siebten Verfahrensschritt 107 vorzugsweise unter Vakuum unter Ausbildung eines weiteren Batteriezellengehäuses 502 erneut verschlossen. Dieser Verfahrensschritt 107 dient dazu, dass Gase in dem gemäß dem siebten Verfahrensschritt 107 ausgebildeten weiteren Batteriezellengehäuse 502 nicht mehr vorhanden sind.
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Weiterhin wird die Batteriezelle 50 in einem achten Verfahrensschritt 108 mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses 502 angeordneten Ladegerätes 30 mehrmals aufgeladen und entladen.
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In 2 ist eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle 20 dargestellt, wie sie nach dem vorbeschriebenen dritten Verfahrensschritt 103 vorliegt.
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Die Batteriezelle 20 umfasst beispielsweise ein Batteriezellengehäuse 202, das in Form eines Beutels ausgeführt ist. Weiter umfasst die Batteriezelle 20 eine erste Elektrode 204, 214 und eine zweite Elektrode 206, 216 und einen dazwischen angeordneten Separator, welcher nicht dargestellt ist.
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Die erste Elektrode 204, 214 und die zweite Elektrode 206, 216 umfassen jeweils eine rechteckige erste bzw. zweite Ableiterfolie 214, 216 und ein erstes bzw. zweites Ableiterfähnchen 204, 206. Auf der zweiten Elektrode 206, 216 ist eine metallische Folie 208, 218 aufgebracht. Die metallische Folie 208, 218 ist der ersten und der zweiten Elektrode 204, 214, 206, 216 entsprechend ausgestaltet. Die metallische Folie 208, 218 weist eine rechteckige dritte Ableiterfolie 218 und ein rechteckiges Ableiterfähnchen 208 auf. Dabei sind die dritte Ableiterfolie 218 und das dritte Ableiterfähnchen 208 beispielsweise aus demselben Metall, bspw. Kupfer, ausgeführt. Die dritte Ableiterfolie 218 hat vorzugsweise eine größere Großfläche als die erste Ableiterfolie 214 bzw. die zweite Ableiterfolie 216.
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In 3 ist neben der vorbeschriebenen Batteriezelle 20 ein Ladegerät 30 schematisch dargestellt. Das Ladegerät 30 ist außerhalb des Batteriezellengehäuses 202 angeordnet. Dabei sind die erste Elektrode 204, 214 und die metallische Folie 208, 218 gemäß einem vierten Verfahrensschritt 104 des vorbeschriebenen Verfahrens 10 an dem Ladegerät 30 angeschlossen.
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In 4 sind die erste Elektrode 204, 214 und die zweite Elektrode 206, 216 gemäß einem fünften Verfahrensschritt 105 des vorbeschriebenen Verfahrens 10 an dem Ladegerät 30 angeschlossen.
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In 5 ist eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle 50 dargestellt, wie sie nach dem siebten Verfahrensschritt 107 oder dem achten Verfahrensschritt 108 des vorbeschriebenen Verfahrens 10 vorliegt.
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Die Batteriezelle 50 umfasst ein folienartiges Batteriezellengehäuse 502, in welchem eine erste Elektrode 204, 214 und eine zweite Elektrode 206, 216 aufgenommen sind. Ferner umfasst die Batteriezelle 50 einen Separator, welcher zwischen der ersten Elektrode 204, 214 und der zweiten Elektrode 206, 216 angeordnet ist. Der Separator ist in 5 nicht dargestellt.
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Die vorbeschriebene Batteriezelle 50 findet beispielsweise Anwendung in Kraftfahrzeugen. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise E-Bikes und elektrische Werkzeuge.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011044333 A [0007]
- US 2016254572 A1 [0008]
