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Die Erfindung betrifft eine Lithiumionen-Batteriezelle und ein Verfahren zu deren Herstellung.
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In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In-Hybridfahrzeugen werden Hochvolt-Batterien eingesetzt, die typischerweise ein oder mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte werden in Kraftfahrzeugen insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen eingesetzt. Hier und im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batteriezelle“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Die Lithiumionen-Batteriezelle kann auch eine Festkörper-Batteriezelle sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörper-Batteriezelle.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbessere Lithiumionen-Batteriezelle anzugeben, die sich insbesondere durch einen geringen Herstellungsaufwand und eine verbesserte Wärmeableitung auszeichnet. Weiterhein soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithiumionen-Batteriezelle angegeben werden.
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Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Lithiumionen-Batteriezelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Lithiumionen-Batteriezelle eine Elektrodeneinheit. Die Elektrodeneinheit umfasst eine Vielzahl von Anodenschichten, die jeweils einen Anodenstromableiter aufweisen und eine Vielzahl von Kathodenschichten, die jeweils einen Kathodenstromableiter aufweisen. Die Anodenschichten können insbesondere jeweils durch ein auf eine Kupferfolie aufgebrachtes Anodenaktivmaterial und die Kathodenschichten durch ein auf eine Aluminiumfolie aufgebrachtes Kathodenaktivmaterial gebildet sein. Die Anodenstromableiter dienen zur elektrischen Kontaktierung der Anodenschichten und sind beispielsweise Randbereiche der Kupferfolien, die nicht mit dem Anodenaktivmaterial beschichtet sind. Entsprechend dienen die Kathodenstromableiter zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenschichten und sind beispielsweise Randbereiche der Aluminiumfolien, die nicht mit dem Kathodenaktivmaterial beschichtet sind. Die Anodenschichten und die Kathodenschichten können jeweils durch eine Separatorfolie voneinander getrennt sein. Die Elektrodeneinheit kann insbesondere ein Elektrodenwickel (Jelly roll) sein. Im Elektrodenwickel sind die durch Separatorfolien voneinander getrennten Anodenschichten und Kathodenschichten um einen Kern, beispielsweise um einen Rundstab, gewickelt. Auf diese Weise erhält man eine hohe Speicherkapazität in einer kompakten Form.
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Die Batteriezelle umfasst eine Stromableiterscheibe, die mit den Anodenstromableitern verbunden ist. Die Anodenstromableiter sind beispielsweise an die Stromableiterscheibe geschweißt. Die Stromableiterscheibe fungiert als gemeinsamer elektrischer Kontakt der Anodenschichten und kann beispielsweise eine dünne Scheibe aus Kupfer sein.
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Die Batteriezelle umfasst ein Batteriezellgehäuse, das einen Gehäuseboden aufweist. Bei der Batteriezelle sind die Kathodenstromableiter jeweils direkt mit dem Gehäuseboden verbunden. Die Kathodenstromableiter sind im Gegensatz zu den Anodenstromableitern insbesondere nicht mit einer Stromableiterscheibe verbunden.
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Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Auf eine Stromableiterscheibe für die Kathodenstromableiter kann bei der hier vorgeschlagenen Batteriezelle vorteilhaft verzichtet werden, weil die Kathodenstromableiter direkt mit dem Gehäuseboden verbunden werden. Somit entfällt diese Komponente und der damit verbundene Kosten- und Herstellungsaufwand. Es ist insbesondere nicht notwendig, eine Stromableiterscheibe für die Kathodenstromableiter mit dem Gehäuseboden zu verschweißen. Diese Schweißstelle kann bei herkömmlichen Batteriezellgehäusen die Wärmeableitung beeinträchtigen. Durch die direkte Verbindung der Kathodenstromableiter mit dem Gehäuseboden wird eine besonders gute Wärmeableitung erzielt. Dies ermöglicht die Herstellung von Batteriezellen in Größen, die herkömmlicherweise aufgrund des Problems der Wärmeableitung nicht ohne weiteres realisiert werden können. Gleichzeitig reduziert sich durch den Wegfall der Stromableiterscheibe der Kathodenstromableiter das Gewicht der Batteriezelle im Vergleich zu einer Ausführung mit der Stromableiterscheibe.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Batteriezellgehäuse Aluminium auf oder besteht daraus. Insbesondere der Gehäuseboden, mit dem die Kathodenstromableiter direkt verbunden sind, weist Aluminium auf oder besteht daraus. Die Kathodenstromableiter, die aus elektrochemischen Gründen in der Regel aus Aluminium gefertigt werden, können in diesem Fall ohne dass ein Materialübergang entsteht direkt mit dem Gehäuseboden verbunden werden, beispielsweise durch Laserschweißen. Aluminium zeichnet sich weiterhin durch eine gute Wärmeleitung und eine geringe Dichte aus. Das Gewicht des Batteriezellgehäuses kann dadurch im Vergleich zu beispielsweise Stahl vermindert werden.
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Das Batteriezellgehäuse bildet insbesondere den positiven Pol der Batteriezelle aus. Das Batteriezellegehäuse unterscheidet sich dadurch von Batteriezellgehäusen, bei denen die Anodenstromableiter indirekt über eine Stromableiterscheibe mit dem Batteriezellgehäuse verbunden sind und somit das Batteriezellgehäuse den negativen Pol der Batteriezelle ausbildet.
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Der negative Pol der Batteriezelle kann an dem Gehäusedeckel des Batteriezellgehäuses angeordnet sein, beispielsweise zentral im Gehäusedeckel. Der negative Pol ist insbesondere vom Batteriezellgehäuse elektrisch isoliert und mit der Stromableiterscheibe der Anodenstromableiter elektrisch leitend verbunden. Die Stromableiterscheibe der Anodenstromableiter ist beispielsweise eine Kupferscheibe, die mit dem negativen Pol, der beispielsweise Aluminium aufweisen kann, verbunden ist. Alternativ kann die Stromableiterscheibe Nickel oder mit Nickel beschichtetes Kupfer aufweisen.
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Das Batteriezellgehäuse weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf. Die Batteriezelle ist in diesem Fall eine sogenannte Rundzelle. Zylindrische Batteriezellgehäuse zeichnen sich durch eine hohe Stabilität und eine gute Wärmeableitung aus.
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Das Batteriezellgehäuse weist vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 30 mm auf. Beispielsweise kann der Durchmesser des Batteriezellgehäuses zwischen einschließlich 30 mm und einschließlich 70 mm betragen.
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Die Höhe des Batteriezellgehäuses kann beispielsweise mindestens 75 mm betragen. Bei bevorzugten Ausgestaltungen beträgt die Höhe mindestens 90 mm, bevorzugt mindestens 100 mm oder sogar mindestens 110 mm. Die gute Wärmeableitung über den Gehäusebodenboden, die über die direkte Verbindung der Kathodenstromableiter mit dem Gehäuseboden erzielt wird, ermöglicht vorteilhaft derart große insbesondere zylindrische Batteriezellgehäuse, ohne dass dadurch thermische Probleme entstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Gehäuseboden eine Dicke von einschließlich 0,2 mm bis einschließlich 2,5 mm auf. Bevorzugt beträgt die Dicke des Gehäusebodens von einschließlich 0,2 mm bis einschließlich 0,6 mm. Auf diese Weise kann eine gute Stabilität bei gleichzeitig guter Wärmeableitung über den Gehäuseboden erzielt werden, insbesondere wenn der Gehäuseboden Aluminium aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die äußerste Elektrodenschicht der Elektrodeneinheit, die dem Batteriezellgehäuse zugewandt ist, eine Kathodenschicht, d.h. eine positive Elektrodenschicht. Auf diese Weise wird das Risiko eines Kurzschlusses zwischen der Elektrodeneinheit und dem Batteriezellgehäuse vermindert. In einer Variante wird der Kathodenstromableiter in der äußersten Wicklung der Elektrodeneinheit nur auf der Innenseite, d.h. auf der vom Batteriezellgehäuse abgewandten Seite, mit einer Kathodenschicht beschichtet. Die Außenseite des äußersten Kathodenstromableiters ist also unbeschichtet. So wird kein zusätzliches teures Kathodenaktivmaterial verschwendet wird und es wird das Risiko vermindert, dass überschüssiges Lithium während eines Ladevorgangs aus der äußeren Elektrodenschicht austritt und zur ungewollten Abscheidung von metallischem Lithium (Lithium-Plating) in der Batteriezelle führt.
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Alternativ ist es möglich, dass die äußerste Schicht der Elektrodeneinheit eine Anodenschicht ist, d.h. eine negative Elektrodenschicht. In diesem Fall ist die Elektrodeneinheit vorteilhaft von einer elektrisch isolierenden Schicht umhüllt, um einen elektrischen Kontakt zwischen der äußersten Elektrodenschicht und dem Batteriezellgehäuse zu vermeiden.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung der Lithiumionen-Batteriezelle werden die Kathodenstromableiter mittels Laserschweißen durch den Gehäuseboden mit dem Gehäuseboden verbunden. In diesem Fall kann die Elektrodeneinheit in ein vorgefertigtes Gehäuseteil eingefügt werden, dass den Gehäuseboden und die Gehäusewandung umfasst. Insbesondere muss der Gehäuseboden nicht erst nach dem Verbinden mit den Kathodenstromableitern mit der Gehäusewandung verbunden werden. Die im Zusammenhang mit der Lithiumionen-Batteriezelle beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen gelten auch für das Verfahren.
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Es wird weiterhin eine Lithiumionen-Batterie vorgeschlagen, die mindestens eine zuvor beschriebene Lithiumionen-Batteriezelle umfasst. Die Lithiumionen-Batterie kann beispielsweise nur eine einzelne Batteriezelle umfassen oder alternativ ein oder mehrere Module mit mehreren Batteriezellen umfassen, wobei die Batteriezellen in Serie und/oder parallel geschaltet sein können.
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Die erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug oder in einem tragbaren Gerät vorgesehen sein. Das tragbare Gerät kann insbesondere ein Smartphone, ein Elektrowerkzeug bzw. Powertool, ein Tablet oder ein Wearable sein. Alternativ kann die Lithiumionen-Batterie auch in einem stationären Energiespeicher eingesetzt werden.
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Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
- 1 eine Darstellung einer Lithiumionen-Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel und
- 2 eine Detaildarstellung des Bereichs einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht der Lithiumionen-Batteriezelle.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Lithiumionen-Batteriezelle 20 ist eine sogenannte Rundzelle, die ein zylindrisches Batteriezellgehäuse 10 aufweist. Die Lithiumionen-Batteriezelle 20 weist eine Elektrodeneinheit 1 auf, die als Elektrodenwickel ausgeführt ist. Die Elektrodenschichten der Elektrodeneinheit 1, die eine Vielzahl von Anodenschichten und Kathodenschichten aufweisen, können um einen Kern, beispielsweise einen Rundstab 2, gewickelt sein. Der Kern 2 kann nach der Herstellung in der Elektrodeneinheit 1 verbleiben oder nachträglich entfernt werden.
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Der Bereich einer Anodenschicht 4 und einer Kathodenschicht 6 der Lithiumionen-Batteriezelle ist schematisch in 2 dargestellt. Die Anodenschichten 4 sind jeweils auf einem Anodenstromableiter 3 und die Kathodenschichten 6 jeweils auf einem Kathodenstromableiter 7 angeordnet. Die Anodenschichten 4 und die Kathodenschichten 6 sind jeweils durch einen Separator 5 voneinander getrennt.
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Die Anodenschichten 4 weisen jeweils ein Anodenaktivmaterial auf, das ausgewählt sein kann aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen und Mischungen davon. Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichtetem Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen und Mischungen davon.
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Die Kathodenschichten 6 weisen jeweils ein Kathodenaktivmaterial auf, das ausgewählt sein kann aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Nickel-Kobalt-ManganVerbindungen (unter der Abkürzung NCM bzw. NMC bekannt), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Eisenphosphat und andere Olivinverbindungen sowie Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMO). Auch sogenannte Over-Lithiated Layered Oxides (OLO) können eingesetzt werden.
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Die Anodenschichten 4 und/oder die Kathodenschichten 6 können auch Mischungen aus zwei oder mehreren der genannten Verbindungen enthalten. Die Anodenschichten 4 und/oder die Kathodenschichten 6 können weiterhin weitere Additive umfassen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, beispielweise Leitfähigkeitsmodifikatoren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit.
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Die Anodenstromableiter 3 sind vorzugsweise als Kupferfolien ausgeführt und weisen jeweils eine Kontaktfahne 3a auf. Die Kathodenstromableiter 7 sind vorzugsweise als Aluminiumfolien ausgeführt und weisen jeweils eine Kontaktfahne 7a auf. Die Kontaktfahnen 3a der Anodenschichten 3 und die Kontaktfahnen 7a der Kathodenschichten 7 sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Längsenden der Elektrodeneinheit 1 aus dieser herausgeführt.
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Die Elektrodeneinheit 1 ist in einem zylindrischen Batteriezellgehäuse 10 angeordnet. Die Batteriezelle ist somit eine Rundzelle. Das Batteriezellgehäuse 10 weist einen Gehäuseboden 11, einen zylindrischen Gehäusemantel 12 und einen Gehäusedeckel 13 auf.
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Die Anodenstromableiter 3 sind an ihren Kontaktfahnen 3a mit einer Stromableiterscheibe 8 verbunden. Die Stromableiterscheibe 8 ist eine Kupferscheibe. Beispielsweise sind die Kontaktfahnen 3a der Anodenstromableiter 3 mit der Stromableiterscheibe 8 verschweißt. Mittels der Stromableiterscheibe 8 werden die Anodenstromableiter 3 elektrisch miteinander verbunden und gemeinsam an den negativen Pol 21 der Batteriezelle 20 angeschlossen. Die Stromableiterscheibe 8 ist beispielsweise an den negativen Pol 21 geschweißt. Der negative Pol 21 ist am Gehäusedeckel 13 angeordnet, beispielsweise im Zentrum des Gehäusedeckels 13.
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Die Kathodenstromableiter 7 sind bei der hier vorgeschlagenen Batteriezelle 20 direkt mit dem Gehäuseboden 11 verbunden. Insbesondere sind die Kathodenstromableiter 7 an ihren Kontaktfahnen 7a direkt mit dem Gehäuseboden 11 verschweißt. Dadurch wird eine bestmögliche Verbindung für Stromleitung und Kühlung über das Batteriezellgehäuse 10 erreicht. Auf eine Stromableiterscheibe wird bei der Kontaktierung der Kathodenstromableiter 7 verzichtet. Eine Stromableiterscheibe im Bereich des Gehäusebodens 11 als mögliche Engstelle für den Wärmetransport entfällt somit und der Produktionsprozess wird vereinfacht. Durch den auf diese Weise verbesserten Wärmetransport am Gehäuseboden 11 kann eine vergleichsweise große Batteriezelle 20 als Rundzelle realisiert werden. Die Batteriezelle 20 kann insbesondere eine Höhe von mindestens 90 mm, beispielsweise 95 mm aufweisen. Es sind auch Höhen von mindestsens 100 mm oder mindestens 110 mm realisierbar. Der Durchmesser der Batteriezelle 20 beträgt vorzugsweise mindestens 30 mm, weiter bevorzugt mindestens 45 mm.
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Das Gehäuse 10 der Batteriezelle 20 ist vorzugsweise ein Aluminiumgehäuse. Dadurch werden eine besonders gute Wärmeleitung und ein geringes Gewicht erzielt. Weiterhin können die Kathodenstromableiter 7, die vorzugsweise ebenfalls Aluminium aufweisen, auf einfache Weise mit dem Gehäuseboden 11 verschweißt werden. Das Verschweißen der Kathodenstromableiter 7 mit dem Gehäuseboden 11 erfolgt vorzugsweise durch Laserschweißen. Hierbei wird durch den Gehäuseboden 11 hindurch geschweißt. Das Verschweißen kann also nach dem Einfügen der Elektrodeneinheit 1 in das Batteriezellgehäuse 10 erfolgen. Für das Verschweißen der Kathodenstromableiter 7 mit dem Gehäuseboden 11 und zur Erzielung einer guten Wärmeableitung ist es vorteilhaft, wenn der Gehäuseboden 11 eine Dicke von etwa 0,2 mm bis 1,5 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,6 mm, aufweist.
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Dadurch, dass die Kathodenstromableiter 7 über den Gehäuseboden 11 elektrisch leitend mit dem Batteriezellgehäuse 10 verbunden sind, bildet das Batteriezellgehäuse 10 den positiven Pol 22 der Batteriezelle 20 aus. Der positive Pol 22 kann wahlweise im Bereich des Gehäusedeckels 13, beispielsweise in einem äußeren Bereich des Gehäusedeckels 13, oder am Gehäuseboden 11 elektrisch kontaktiert werden. Im Fall der Kontaktierung am Gehäuseboden 11 liegen die elektrischen Anschlusskontakte einander gegenüber.
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Aufgrund der erzielbaren guten Wärmeableitung ist die Batteriezelle 20 insbesondere für den Einsatz bei Anwendungen geeignet, bei denen die Batteriezelle 20 hohe elektrische Leistungen abgibt. Insbesondere ist die Batteriezelle 20 für den Einsatz in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen geeignet.
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Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrodeneinheit
- 2
- Rundstab
- 3
- Anodenstromableiter
- 3a
- Kontaktfahne
- 4
- Anodenschicht
- 5
- Separator
- 6
- Kathodenschicht
- 7
- Kathodenstromableiter
- 7a
- Kontaktfahne
- 8
- Stromableiterscheibe
- 10
- Batteriezellgehäuse
- 11
- Gehäuseboden
- 12
- Gehäusemantel
- 13
- Gehäusedeckel
- 20
- Batteriezelle
- 21
- negativer Pol
- 22
- positiver Pol
