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Die Erfindung betrifft eine Elektrode und ein Elektrodenpaar sowie eine Batteriezelle.
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Eine Elektrode umfasst regelmäßig eine auf einem elektrisch leitfähigen Substrat aufgetragene Beschichtung aus einem Beschichtungsmaterial. Das Beschichtungsmaterial kann verschiedene Materialien, z. B. Leitkohlenstoff und ein Bindermaterial sowie ein Aktivmaterial aufweisen.
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Unter dem Begriff „Leitkohlenstoff“ wird insbesondere elektrisch leitfähiger Kohlenstoff, insbesondere Ruß, oder Mischungen verschiedener Kohlenstoffformen, verstanden. Dieser weist bevorzugt eine Oberfläche von mehr als 200 m2/g auf.
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Unter dem Begriff „Binder“ wird insbesondere ein einzelner Binder oder eine Mischung verschiedener Binder als Binderkomponenten verstanden. Insbesondere weist der Binder verschiedene Binderkomponenten und gegebenenfalls weitere Additive auf.
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Das Aktivmaterial ist insbesondere ein lonenspeichermedium, wobei bevorzugt für die eine Elektrode ein Material basierend auf natürlichen und/ oder synthetischen Kohlenstoffen mit oder ohne Lithium-Ionen legierendes Metall und/oder für die andere Elektrode bevorzugt ein Material basierend auf mindestens einem Übergangsmetalloxid, zum Beispiel einem Lithium-Metalloxid, insbesondere einer Kombination verschiedener Übergangsmetalloxide, insbesondere einer Kombination verschiedener Lithium-Metalloxide, oder LFP (Lithium-Eisenphosphat), eingesetzt wird.
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Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. In einer Batteriezelle sind Elektroden, also Anoden und Kathoden als Elektrodenpaar aufeinander zumindest gestapelt (ggf. zusätzlich gewickelt) angeordnet, wobei unterschiedliche Elektroden durch jeweils einen Separator oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektroden sind in einem Elektrolyt angeordnet.
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Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt.
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Ein Batteriemodul umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet und in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Auch einzelne Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Eine Batterie umfasst ein Batteriemodul oder eine Mehrzahl von Batteriemodulen.
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Jede Batteriezelle weist ein, in Abhängigkeit von einem in ihr gespeicherten Energieinhalt bestimmtes Volumen auf, das sich zwischen einem, bei einem geringen Energieinhalt bzw. geringem SOC („State-Of-Charge“; also Ladezustand), geringen Volumen und einem, bei einem hohen Energieinhalt bzw. hohem SOC, großen Volumen verändert. Die Volumenänderung findet insbesondere im Wesentlichen im Bereich der mindestens einen Anode der Zellen statt. Die Anode, z. B. bestehend aus Graphit oder einem Metall, bzw. bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator aus metallischem Lithium, verändert ihr Volumen durch die Abscheidung von reinem metallischem Lithium.
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Dicke Elektroden für Lithium-Ionen-Batteriezellen lassen sich häufig nicht in der Anwendung realisieren, da die Durchdringung mit Elektrolyt und damit eine vollständige Nutzung des Aktivmaterials bei einer hohen Zielverdichtung (ZV) der Beschichtung nicht realisiert werden kann. Weiterhin ist ein hohes Flächengewicht (FG), also eine große Menge an Aktivmaterial pro Flächeneinheit, gewünscht, damit eine hohe Energiedichte der Batteriezelle erreicht werden kann.
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Die „Zielverdichtung“ bezeichnet die für den Betrieb der Batteriezelle vorgesehene Dichte der Beschichtung. Dabei werden die Beschichtungsmaterialien, aber nicht der Elektrolyt, berücksichtigt. Das Flächengewicht bezeichnet das Gewicht der Beschichtung pro Flächenanteil der beschichteten Fläche der Elektrode. Zielverdichtung bzw. Dichte und Flächengewicht verhalten sich bei konstanter Schichtdicke zueinander proportional.
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Ist die Dichte der Beschichtung zu hoch, kann der Elektrolyt nicht mehr das gesamte Aktivmaterial der Beschichtung in ausreichendem Maße kontaktieren, so dass eine Effektivität der Batteriezelle abnimmt. Mit einer Erhöhung des Flächengewichts der Elektroden kann mit einer geringeren Anzahl von Elektroden eine geforderte Energiekapazität bereitgestellt werden.
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Insbesondere können so zusätzliche Komponenten wie Separatoren, Ableiter, leitfähige Substrate etc. eingespart und damit bei vorgegebenem Bauraum eine höhere Kapazität der Batteriezelle erreicht werden.
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Ein so genanntes Lithium-Plating kann zu einer frühzeitigen Alterung einer Batteriezelle führen. Das bei einer Lithium-Ionen Batteriezelle auftretende Lithium-Plating umfasst, dass sich beim Laden der Batteriezelle an der negativen Elektrode, die üblicherweise aus Graphit gebildet ist, metallisches Lithium abscheidet, anstatt dass das erwünschte Einlagern von Lithium-Ionen in die Schichtstruktur des Graphits erfolgt.
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Aus der
DE 10 2018 001 300 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Batteriezelle bekannt, bei dem eine Beschichtung einer Ableiterfolie mit Aktivmaterial bezogen auf wenigstens eine Erstreckungsrichtung eine inhomogene Verteilung der Energiedichte aufweist.
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Aus der
DE 10 2017 207 439 A1 ist auf eine Elektrode gerichtet, bei der eine Beschichtung in räumlich voneinander getrennten Bereichen unterschiedliche Zusammensetzungen des Beschichtungsmaterials aufweist. Dabei kann in den unterschiedlichen Bereichen auch eine unterschiedliche Dichte vorliegen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Elektrode bereitgestellt werden, mit der ein Lithium-Plating zumindest verringert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Elektrode mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, ein Elektrodenpaar mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 sowie eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird eine Elektrode vorgeschlagen, zumindest umfassend eine auf einem elektrisch leitfähigen Substrat aufgetragene Beschichtung aus einem Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtung in räumlich voneinander getrennten Bereichen der Beschichtung ein voneinander unterschiedliches Flächengewicht sowie eine voneinander unterschiedliche Zielverdichtung aufweist.
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Die Elektrode ist insbesondere eine Anode oder eine Kathode einer Lithium-Ionen Batteriezelle. Die Elektrode umfasst insbesondere ein elektrisch leitfähiges Substrat, z. B. eine metallische Folie, z. B. aus einem Kupfer- oder einem Aluminiumwerkstoff. Auf dem Substrat ist insbesondere, zumindest auf einer Seite, ggf. auf beiden Seiten, eine Beschichtung aufgetragen. Das Substrat weist eine Fläche auf, über die hinweg sich die Beschichtung erstreckt. Die Beschichtung ist üblicherweise auf einer größten Seitenfläche des Substrats angeordnet. Das Substrat ist üblicherweise als Folie, also mit zwei deutlich größeren Seitenflächen und vier sehr kleinen Seitenflächen, ausgeführt.
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Insbesondere sind Bereiche der Beschichtung räumlich voneinander getrennt bzw. die Beschichtung umfasst separate bzw. als getrennt identifizierbare Bereiche, wobei in jedem Bereich unterschiedliche (Mittel-)Werte für die genannten Parameter Zielverdichtung und Flächengewicht vorliegen. Insbesondere ist in einem Bereich ein Maximum der Werte dieser Parameter und in einem anderen Bereich ein Minimum der Werte dieser Parameter angeordnet.
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Insbesondere beträgt der Wert eines Minimums höchstens 80 % des Werts eines Maximums.
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Bevorzugt verändern sich entlang einer Geraden zwischen diesem Maximum und dem Minimum die genannten Parameter bzw. deren Werte in der Beschichtung graduell, also insbesondere kontinuierlich wachsend oder fallend.
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Insbesondere weist das Substrat, insbesondere jeweils auf den größten Seitenflächen, eine Fläche auf, auf der die Beschichtung angeordnet ist. Die Fläche kann in einen Zentralbereich und in Randbereiche unterteilt werden. Die Randbereiche erstrecken sich bis hin zu einem Rand der Fläche. Der Zentralbereich ist benachbart zu den Randbereichen und beabstandet von Rändern der Fläche angeordnet. Ggf. kann sich der Zentralbereich bis hin zu den Rändern erstrecken, wenn er dabei auf zumindest zwei Seiten von Rändern beabstandet angeordnet ist.
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Das Flächengewicht und die Zielverdichtung weisen zumindest in einem Zentralbereich der Fläche ein Maximum oder ein Minimum auf. Ausgehend von dem Zentralbereich und hin zu zwei, die Fläche begrenzenden Randbereichen der Fläche, wobei der Zentralbereich zwischen den Randbereichen angeordnet ist, verändern sich das Flächengewicht und die Zielverdichtung graduell oder in Stufen (ausgehend von dem Maximum) hin zu einem Minimum oder (ausgehend von dem Minimum) hin zu einem Maximum.
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Die Fläche kann also z. B. rechteckig ausgeführt sein. In der Mitte des Rechtecks, also zwischen zwei Seitenflächen, kann der Zentralbereich angeordnet sein. Der Zentralbereich kann sich bis hin zu einander gegenüberliegenden Rändern erstrecken. Der Zentralbereich ist von den anderen einander gegenüber liegenden Rändern durch jeweils einen Randbereich beabstandet angeordnet.
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Insbesondere verändert sich ausgehend von dem Zentralbereich und hin zu allen, den Zentralbereich umgebenden Randbereichen der Fläche, das Flächengewicht und die Zielverdichtung graduell oder in Stufen (ausgehend von dem Maximum) hin zu einem Minimum oder (ausgehend von dem Minimum) hin zu einem Maximum.
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Die Fläche kann also z. B. rechteckig ausgeführt sein. In der Mitte des Rechtecks, also zwischen allen Rändern der vier Seitenflächen, kann der Zentralbereich angeordnet sein. Der Zentralbereich ist von jedem Rand durch einen Randbereich beabstandet angeordnet.
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Insbesondere weisen das Flächengewicht und die Zielverdichtung in dem Zentralbereich ein Maximum und/ oder in den Randbereichen jeweils ein Minimum auf.
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Insbesondere wird die Elektrode so gestaltet, dass an den Rändern bzw. an zumindest zwei, einander gegenüberliegenden Rändern jeweils ein Minimum der Parameter vorliegt. Im Zentralbereich ist dagegen bevorzugt ein Maximum der Parameter vorgesehen.
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Auch komplexere Geometrien bzw. Verteilungen der Werte der Parameter über der Fläche können helfen, um der Ausbildung thermischer und elektrochemischer Gradienten beim Betrieb der Elektrode, z. B. in einer Batteriezelle, entgegenzuwirken und somit im Endergebnis eine wirklich homogen arbeitende Batteriezelle zu erreichen.
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Insbesondere weist die Beschichtung ausgehend von dem Substrat eine konstante Dicke auf. Insbesondere variiert die Dicke der Beschichtung über die Fläche hinweg um höchstens 5 %, bevorzugt um höchstens 2 %.
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Es wird weiter ein Elektrodenpaar vorgeschlagen, zumindest umfassend eine als Kathode und eine als Anode ausgeführte Elektrode sowie einen Separator, durch den die Elektroden voneinander getrennt angeordnet sind. Jede Elektrode ist als die beschriebene Elektrode ausgeführt, wobei die Minima und Maxima jeder Beschichtung nur durch den Separator voneinander getrennt, einander gegenüberliegend angeordnet sind.
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Die Elektroden sind aufeinander gestapelt angeordnet. Ggf. können die gestapelten Elektroden auch miteinander gewickelt angeordnet sein.
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Die Minima und Maxima der beiden Elektroden des Elektrodenpaars sind auf der Fläche also insbesondere in gleicher Weise verteilt angeordnet. Insbesondere liegen jeweils die Minima und jeweils die Maxima einander gegenüber.
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Infolge der Aufteilung der Parameter Zielverdichtung und Flächengewicht kann insbesondere an den typischen Bereichen bspw. bei der Anode ein Lithium-Plating verhindert werden. Weiterhin kann eine höhere Energiedichte der gesamten Batteriezelle realisiert werden, weil ein höherer Anteil Aktivmaterialanteil als auch höhere Dicken der Beschichtung möglich sind.
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Zudem kann ein lokaler Gradient der Parameter Flächengewicht und Zielverdichtung eingesetzt werden, wenn es nur an bestimmten Orten der Elektroden zu Lithium-Plating kommt (z.B. beeinflusst durch Zelltechnologie, interne Temperaturunterschiede, Aktivmaterial, Prozessführung etc.). Je nach Batteriezelle können so besondere Eigenschaften, Toleranzen oder Probleme in Einzelprojekten ausgeglichen werden.
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Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens ein beschriebenes Elektrodenpaar. Die mindestens eine Kathode ist mit einem ersten Anschluss am Gehäuse und die mindestens eine Anode mit einem zweiten Anschluss am Gehäuse verbunden.
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Insbesondere sind die Anschlüsse an jeweils einem Randbereich der jeweiligen Elektrode angeordnet. Insbesondere ist benachbart zu dem Anschluss zunächst ein Randbereich angeordnet. Der jeweilige Anschluss ist also insbesondere durch einen Randbereich beabstandet zu dem Zentralbereich angeordnet. Der jeweilige Anschluss ist insbesondere über einen unbeschichteten Teil (Ableiterfähnchen) des Substrats mit der jeweiligen Elektrode elektrisch leitend verbunden.
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Die Ausführungen zu der Elektrode gelten insbesondere in gleicher Weise für das Elektrodenpaar und die Batteriezelle und umgekehrt.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine erste Ausführungsvariante einer Batteriezelle in einer Seitenansicht sowie ein Diagramm;
- 2: ein Elektrodenpaar der Batteriezelle nach 1 in einer Seitenansicht;
- 3: eine Elektrode des Elektrodenpaars nach 2 in einer Draufsicht;
- 4: eine zweite Ausführungsvariante einer Elektrode in einer Draufsicht; und
- 5: eine dritte Ausführungsvariante einer Elektrode in einer Draufsicht.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Batteriezelle 15 in einer Seitenansicht sowie ein Diagramm. 2 zeigt ein Elektrodenpaar 13 der Batteriezelle 15 nach 1 in einer Seitenansicht. 3 zeigt eine Elektrode 1 des Elektrodenpaars 13 nach 2 in einer Draufsicht. Die 1 bis 3 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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In 1 ist oben ein Diagramm dargestellt. Auf der vertikalen Achse ist ein Verhältnis 20 zwischen einem aktuellen Wert der Parameter Flächengewicht und Zielverdichtung und einem Minimum 10 dieser Parameter in dieser Beschichtung 3 aufgetragen. Auf der horizontalen Achse ist die Position 21 aufgetragen, an der der jeweilige Wert bestimmt wird. Das Minimum 10 ist hier mit einem Wert „1“, also normiert, dargestellt. Ein Maximum 9 der Werte der Parameter liegt zwischen zwei Minima 10 vor.
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In 1 ist unterhalb des Diagramms eine Batteriezelle 15 dargestellt. Die Batteriezelle 15 umfasst ein Gehäuse 16 und darin angeordnet zwei Elektrodenpaare 13. Die als eine Kathode ausgeführten Elektroden 1 sind mit einem ersten Anschluss 17 am Gehäuse 16 und die als eine Anode ausgeführten Elektroden 1 mit einem zweiten Anschluss 18 am Gehäuse 16 verbunden.
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Jedes Elektrodenpaar 13 umfasst eine als Kathode und eine als Anode ausgeführte Elektrode 1 sowie einen Separator 14, durch den die Elektroden 1 voneinander getrennt angeordnet sind. Jede Elektrode 1 ist als die beschriebene Elektrode 1 ausgeführt, wobei die Minima 10 und Maxima 9 jeder Beschichtung 3 nur durch den Separator 14 voneinander getrennt, einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Elektroden 1 sind aufeinander gestapelt angeordnet.
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Jede Elektrode umfasst eine auf einem elektrisch leitfähigen Substrat 2 aufgetragene Beschichtung 3 aus einem Beschichtungsmaterial 4, wobei die Beschichtung 3 in räumlich voneinander getrennten Bereichen 5, 6 der Beschichtung 3 ein voneinander unterschiedliches Flächengewicht sowie eine voneinander unterschiedliche Zielverdichtung aufweist.
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Die Anschlüsse 17, 18 sind an jeweils einem Randbereich 11 der jeweiligen Elektrode 1 angeordnet. Benachbart zu jedem Anschluss 17, 18 ist zunächst ein Randbereich 11 angeordnet. Der jeweilige Anschluss 17, 18 ist also durch einen Randbereich 11 beabstandet zu dem Zentralbereich 8 angeordnet. Der jeweilige Anschluss 17, 18 ist über einen unbeschichteten Teil 19 (Ableiterfähnchen) des Substrats 2 mit der jeweiligen Elektrode 1 elektrisch leitend verbunden.
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Das Substrat 2 weist eine Fläche 7 auf, über die hinweg sich die Beschichtung 3 erstreckt. Die Bereiche 5, 6 sind räumlich voneinander getrennt, wobei in jedem Bereich 5, 6 unterschiedliche (Mittel-)Werte für die genannten Parameter Zielverdichtung und Flächengewicht vorliegen. In einem ersten Bereich 5 ist ein Maximum 9 der Werte dieser Parameter und in den mehreren zweiten Bereichen 6 jeweils ein Minimum 10 der Werte dieser Parameter angeordnet.
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Zwischen diesem Maximum 9 und dem jeweiligen Minimum 10 verändern sich die genannten Parameter in der Beschichtung 3 graduell.
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Das Flächengewicht und die Zielverdichtung weisen in dem Zentralbereich 8 der Fläche 7 ein Maximum 9 auf. Ausgehend von dem Zentralbereich 8 und hin zu zwei, die Fläche 7 begrenzenden Randbereichen 11 der Fläche 7, wobei der Zentralbereich 8 zwischen den Randbereichen 11 angeordnet ist, verändern sich das Flächengewicht und die Zielverdichtung graduell ausgehend von dem Maximum 9 hin zu jeweils einem Minimum 10.
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Die Fläche 7 ist rechteckig ausgeführt. In der Mitte des Rechtecks, also zwischen zwei Seitenflächen, ist der Zentralbereich 8 angeordnet. Der Zentralbereich 8 mit dem Maximum 9 erstreckt sich bis hin zu einander gegenüberliegenden Rändern der Fläche 7. Der Zentralbereich 8 ist von den anderen einander gegenüber liegenden Rändern der Fläche 7 durch jeweils einen Randbereich 11 beabstandet angeordnet.
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Die Beschichtung 3 weist ausgehend von dem Substrat 2 eine konstante Dicke 12 auf.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Elektrode 1 in einer Draufsicht. Auf die Ausführungen zu 1 bis 3 wird verwiesen.
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Die Fläche 7 ist rechteckig ausgeführt. In der Mitte des Rechtecks, also zwischen zwei Seitenflächen, ist der Zentralbereich 8 angeordnet. Der Zentralbereich 8 mit dem Maximum 9 ist von allen Rändern der Fläche 7 durch jeweils einen Randbereich 11 beabstandet angeordnet.
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Ausgehend von dem Zentralbereich 8 und hin zu allen, den Zentralbereich 8 umgebenden Randbereichen 11 der Fläche 7, nimmt das Flächengewicht und die Zielverdichtung graduell ausgehend von dem Maximum 9 hin zu den Minima 10 ab. Die Zonen gleicher Werte erstrecken sich kreisförmig um das Maximum 9.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Elektrode 1 in einer Draufsicht. Auf die Ausführungen zu 4 wird verwiesen.
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Im Unterschied zu 4 erstrecken sich die Zonen gleicher Werte rechteckig um das Maximum 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrode
- 2
- Substrat
- 3
- Beschichtung
- 4
- Beschichtungsmaterial
- 5
- erster Bereich
- 6
- zweiter Bereich
- 7
- Fläche
- 8
- Zentralbereich
- 9
- Maximum
- 10
- Minimum
- 11
- Randbereich
- 12
- Dicke
- 13
- Elektrodenpaar
- 14
- Separator
- 15
- Batteriezelle
- 16
- Gehäuse
- 17
- erster Anschluss
- 18
- zweiter Anschluss
- 19
- Teil
- 20
- Verhältnis
- 21
- Position
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018001300 A1 [0015]
- DE 102017207439 A1 [0016]
