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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, für insbesondere ein Hochvolt-Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die in einem eine Hochvolt-Batteriesystem verbauten Lithium-Ionen-Batteriezellen können sich je nach Strombelastung, Umgebungstemperatur, Bestromungsdauer und Ladezustand so stark erwärmen, dass die für die jeweilige Batteriezelle geltende Höchsttemperatur überschritten wird. Insbesondere beim Schnellladen, bei starker Beschleunigung und hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs treten hohe Strombelastungen auf, die die Batteriezellen stark erwärmen.
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Eine gattungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, in dem ein Aktivmaterial angeordnet ist, das aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorlagen sowie einem Elektrolyt ausgebildet ist. Bei einer solchen Batteriezelle kommt es aufgrund von Wärmeentwicklung beim Laden und Entladen zu Alterungseffekten. Damit diese Alterungseffekte minimiert werden und damit die Batteriezelle in einem idealen Betriebstemperatur-Bereich mit optimalem Wirkungsgrad betreibbar ist, wird im Stand der Technik die jeweilige Batteriezelle von außen gekühlt. Hierzu werden die Batteriezellen im Hochvolt-Batteriesystem oder im Batteriemodul mit einem Kühlmedium umspült. Die Kühlung der Batteriezellen erfolgt somit von außen.
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Dies bedeutet den Einsatz weiterer Materialien und damit verbunden auch eine Reduzierung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte sowie die Notwendigkeit eines externen Regelkreislaufes mit entsprechender Steuerung. Zudem ist im Stand der Technik die den Batteriezellen zuführbare Kühlleistung technisch limitiert und oftmals nicht ausreichend. Folglich muss im Stand der Technik die Strombelastung reduziert werden, um ein Überhitzen der Batteriezellen zu vermeiden. Die Kühlung der Zellen von außen wird durch Umspülen der Zellen mit Luft oder einem flüssigen Kühlmedium durchgeführt. Für die Applikation einen äußeren Kühlmediums wird zusätzlicher Bauraum benötigt, was eine Verringerung der volumetrischen Energiedichte bedingt. Durch den Einsatz von Kühlflüssigkeit wird zusätzlich die gravimetrische Energiedichte verringert. Für die Regulation des Kühlmediums wird zudem ein externer Regelkreislauf mit entsprechenden Sensoren und Aktoren (etwa eine Kühlmittelpumpe) benötigt.
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Aus der
EP 1 774 608 B1 ist ein Batteriesystem mit Phasenänderungsmaterialien bekannt. Aus der
WO 2016/126817 A1 ist ein System zum Thermomanagement einer Batteriezelle bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle bereitzustellen, mit der im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise eine möglichst homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle und/oder ein Halten der Batteriezellen-Betriebstemperatur in einem vordefinierten Temperaturbereich ermöglicht ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von insbesondere einer Lithium-lonen-Batteriezelle aus, die für ein Hochvolt-Batteriesystem geeignet ist. Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, in dem ein Aktivmaterial angeordnet ist. Das Aktivmaterial besteht aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorlagen sowie bevorzugt aus einem Elektrolyt. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist zumindest eine Gehäusewand des Zellgehäuses, insbesondere das gesamte Zellgehäuse, als ein Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial ausgebildet, mit dem latente Wärme speicherbar ist.
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Die Temperierung über das Zellgehäuse wird somit mittels des Phasenwechselmaterials (PCM) realisiert, welches Teil des Batteriezellgehäuses ist oder das gesamt Zellgehäuse darstellt. Je nach eingesetztem Material kann eine Temperatur (zum Beispiel 55°C) als eine Maximaltemperatur für die Batteriezelle ausgewählt werden. Beim Lade- oder Entladevorgang nimmt das Phasenwechselmaterial die entstehende Wärme auf oder gibt das Phasenwechselmaterial Wärme ab.
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Nach dem Laden wird der Batteriezelle aktiv keine Wärme mehr zugeführt. Vielmehr kann die vom Phasenwechselmaterial gespeicherte Wärme wieder abgegeben werden. Der Vorteil dieser freiwerdenden Wärme ist eine weiterführende Temperierung der Zelle, so dass ein Kaltstart vermieden wird und die Zelle nicht oder weniger zusätzlich geheizt werden muss.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann das gesamte, zum Beispiel prismatische Zellgehäuse aus dem Phasenwechselmaterial gefertigt sein. Wichtig ist hierbei, dass es sich um ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial handelt, so dass bei Änderung der Phase keine Änderung des Aggregatzustands und somit der strukturellen Integrität stattfindet.
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In einer zweiten Ausführungsvariante kann das Zellgehäuse aus einem Verbundwerkstoff gefertigt sein. Das Zellgehäuse kann im speziellen aus einer Doppelwandstruktur aus phasenbeständigem Material und einem darin enthaltenen latenten Wärmespeicher (das heißt Phasenwechselmaterial) gebildet sein. Hierbei sollen im besonderen Zellgehäuse für Rundzellen und prismatische Zellen betrachtet werden. Eine Außenlage der Einfassung kann dabei aus einem phasenbeständigen, thermisch stabilen Kunststoff bestehen, etwa PTFE, PEEK, oder aus einem Metall, wie Al, hochfesten Stahl oder dergleichen. Hierbei sollen die Wandstärken möglichst klein sein. Der latente Wärmespeicher wird sandwichartig zwischen der Innenwandung und der Außenwandung der Doppelwandstruktur eingebracht. Im einfachsten Falle könnte dies Paraffin sein. Entsteht in der Zelle Wärme, so wird diese vom Phasenwechselmaterial aufgenommen, welches die Phase wechselt (fest zu flüssig) und dabei Wärme konsumiert. Sollte nach erfolgtem Phasenwechsel Wärme in der Zelle benötigt werden, kann diese bei einem Phasen-Rückwechsel abgegeben werden.
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Bei der Ausführung mit einem latenten Wärmespeicher, der einen polymorphen Phasenwechsel vollzieht, also von fest nach fest, kann die Außenwandung wegfallen, da keine Gefahr besteht, dass das Phasenwechselmaterial seine strukturelle Integrität verliert und wegfließt. Beispiele hierfür sind stark abhängig vom gewünschten Temperaturanwendungsbereich. Es können dabei verschiedene Mechanismen genutzt werden, solange gewährleistet ist, dass nach Wegfall der Außenwandung das Phasenwechselmaterial eine genügend hohe mechanische Festigkeit aufweist. Rein beispielhaft sind die folgenden Mechanismen erwähnt: magnetische Phasenumwandlung bei Curie-Temperatur, spinodale Phasenentmischungen, kristallografische Umwandlungen (Ferrit zu Austenit bei Stahl), Strichphasen-Bildung.
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In einer Pouch-Folien-Struktur kann ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial benutzt werden.
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Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Batteriezelle bei einem vordefinierten Betriebstemperatur-Bereich (zum Beispiel zwischen 30°C und 50°C) optimal arbeiten. Die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials kann in diesem Betriebstemperatur-Bereich liegen. Bevorzugt kann das Phasenwechselmaterial aus einem Materialgemisch bestehen, das Einzelkomponenten mit unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen aufweist. In diesem Fall können sämtliche Phasenwechseltemperaturen im Betriebstemperatur-Bereich der Batteriezelle liegen.
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Erfindungsgemäß können beliebige Phasenwechselmaterialien zum Einsatz kommen. Beispielhaft kann das Phasenwechselmaterial ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial sein, bei dem ein polymorpher Phasenwechsel erfolgt, das heißt ein Fest-Fest-Phasenwechsel. Alternativ dazu kann das Phasenwechselmaterial ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial sein, bei dem ein Phasenwechsel zwischen Fest- und Flüssigphasen erfolgt.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann die Gehäusewand des Zellgehäuses komplett aus dem Phasenwechselmaterial gebildet sein. In diesem Fall kann die Gehäusewand ausschließlich aus einem Fest-Fest-Phasenwechselmaterial ohne eine Metallschicht als Diffusionsbarriere bestehen. Diese Ausführung ist im Besonderen für die Anwendung einer Festkörper-Batterie/ Batteriezelle mit Festkörperelektrolyt zu nutzen.
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Alternativ dazu kann die Gehäusewand zumindest zweilagig aufgebaut sein, und zwar mit einer Innenlage und einer Außenlage. Die Außenlage kann aus dem Phasenwechselmaterial gebildet sein, während die Innenlage eine Metallschicht ist. In diesem Fall kann die Metallschicht eine Diffusion des Flüssigelektrolyts nach außen verhindern und/oder eine Reaktion des Phasenwechselmaterials mit dem Flüssigelektrolyt oder einem anderen Material im Zellgehäuse vermeiden. Es ist jedoch hervorzuheben, dass die Erfindung nicht nur auf eine Batteriezelle mit Flüssigelektrolyt anwendbar ist, sondern auch auf eine Batteriezelle mit Festelektrolyt.
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Alternativ dazu kann die Außenlage eine Metallschicht sein und die Innenlage aus dem Phasenwechselmaterial gebildet sein. In diesem Fall wirkt das Phasenwechselmaterial als ein elektrischer Isolator zwischen der die Außenlage bildenden Metallschicht und dem Aktivmaterial im Zellgehäuseinneren.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Gehäusewand dreilagig aufgebaut sein, und zwar aus einer Metallschicht als Innenlage sowie einer weiteren Metallschicht als Außenlage und einer Zwischenlage, die aus dem Phasenwechselmaterial gebildet sein kann. Bevorzugt kann die Gehäusewand eine Doppelwandstruktur mit einer Innenwand und einer Außenwand sowie einem dazwischen befindlichen Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial aufweisen. In diesem Fall können die Innen- und/oder Außenwände aus einem phasenbeständigen, thermisch stabilen Kunststoff gefertigt sein, etwa PTFE oder PEEK. Alternativ dazu können die Innen- und/oder Außenwände aus einem Metall, zum Beispiel Aluminium oder Edelstahl oder dergleichen, gebildet sein.
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Erfindungsgemäß kann durch eine gezielte Auswahl geeigneter Phasenwechselmaterialien der Schmelzpunkt (das heißt der Umwandlungspunkt) des Phasenwechselmaterials so eingestellt werden, dass die Batteriezelle innerhalb eines idealen Temperaturfensters gehalten werden kann. Nach einem Ladevorgang kühlt sich die Batteriezelle wieder ab. Beim Abkühlen der Batteriezelle kann das Phasenwechselmaterial Wärme freisetzen. Hierdurch kann gegebenenfalls auf eine Vorkonditionierung der Hochvoltbatterie für einen erneuten Ladevorgang verzichtet werden, wodurch die Effizienz und die Reichweite des Fahrzeugs gesteigert werden kann.
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Während der Phasenumwandlung bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials zwar konstant. Jedoch wird während der Phasenumwandlung wesentlich mehr Wärme pro Masseneinheit absorbiert als bei Verwendung eines herkömmlichen Kühlmittels, da die Wärmeaufnahmekapazität des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung um ein Vielfaches größer ist als die Wärmeaufnahmekapazität eines herkömmlichen Kühlmittels. Die hohe Wärmeaufnahmekapazität des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung begünstigt daher ein langes Heizen der aktuellen Batteriezellen-Temperatur im idealen Betriebstemperatur-Bereich. Ein Großteil der dem Phasenwechselmaterial zugeführten thermischen Energie wird in Form von latenter Wärme gespeichert, und zwar für eine Phasenumwandlung (zum Beispiel von fest zu fest oder von fest zu flüssig oder von flüssig zu gasförmig). Während der Phasenumwandlung bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials konstant. Bis Erreichen der Phasenumwandlungstemperatur wird die zugeführte thermische Energie in Form von fühlbarer Wärme im Phasenwechselmaterial gespeichert, bei der die Temperatur des Phasenwechselmaterials zunimmt. Nach Abschluss der Phasenumwandlung wird die thermische Energie ebenfalls in Form von fühlbarer Wärme im Phasenwechselmaterial gespeichert.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine prismatische Batteriezelle;
- 2 bis 5 jeweils Ansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele, anhand derer der Materialaufbau des Zellgehäuses der Batteriezelle veranschaulicht ist;
- 6 in Schnittdarstellung eine Pouchzelle;
- 7 eine Ansicht, anhand der ein Materialaufbau des Zellgehäuses der Pouchzelle veranschaulicht ist.
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In der 1 ist eine prismatische Batteriezelle gezeigt, die nachfolgend insoweit beschrieben ist, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Die Batteriezelle weist ein formstabiles Metall-Zellgehäuse auf, das aus einem Zellbecher 1 und einer Deckwandbaugruppe 3 ausgebildet ist. Der Zellbecher 1 weist einen Gehäuseboden sowie davon hochgezogene Flachseitenwände 5 und Schmalseitenwände 7 auf. Die Oberseite des Zellbechers 1 bildet eine Bestückungsöffnung, über die die Deckwandbaugruppe 3 in den Zellbecher 1 einsetzbar ist. In der 1 ist die Deckwandbaugruppe 3 aus einer Deckwand 9 und einer Aktivmaterial-Flachwicklung 11 ausgebildet. In der Aktivmaterial-Flachwicklung 11 sind Elektroden- und Separatorlagen übereinander geschichtet. In der Deckwand 9 sind Zellterminals 13, 14 angeordnet, die elektrisch leitend mit jeweils der Kathoden-Lage und der Anoden-Lage der Aktivmaterial-Flachwicklung 11 verbunden sind. Im Batteriebetrieb kann die Batteriezelle in einem vordefinierten Betriebstemperatur-Bereich optimal arbeiten, der zum Beispiel zwischen 30° C und 60° C liegen kann. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf die in der 1 gezeigte Aktivmaterial-Flachwicklung 11 beschränkt ist. Anstelle einer solchen Flachwicklung kann das Aktivmaterial auch als Stapel bereitgestellt werden.
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Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass das gesamte Zellgehäuse entweder komplett oder zumindest teilweise als ein Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial ausgebildet ist, mit dem latente Wärme speicherbar ist. Hierzu liegt die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials in dem Betriebstemperatur-Bereich. Bevorzugt kann das Phasenwechselmaterial ein Materialgemisch aus Einzelkomponenten mit unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen sein. Diese können bevorzugt allesamt im Betriebstemperatur-Bereich der Batteriezelle liegen.
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In den 2 bis 4 sind Ansichten gezeigt, anhand derer unterschiedliche Materialaufbauten des Zellgehäuses veranschaulicht sind. In der 2 ist die dargestellte Gehäusewand des Zellgehäuses zweilagig mit einer Innenlage 15 und einer Außenlage 17 aufgebaut. Die Außenlage 17 ist aus dem Phasenwechselmaterial gebildet, während die Innenlage 15 als dünne Metallschicht realisiert ist. Diese verhindert eine Diffusion des im Zellgehäuseinneren befindlichen Elektrolyts nach außen. Zudem verhindert die Metallschicht eine Reaktion des Phasenwechselmaterials mit dem Elektrolyt oder einem anderen Material im Zellgehäuseinneren.
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Alternativ zur 2 ist in der 3 die Außenlage 17 als dünne Metallschicht realisiert, während die Innenlage 15 aus dem Phasenwechselmaterial gebildet ist.
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Gemäß der 4 ist die dargestellte Gehäusewand nicht mehr zweilagig, sondern dreilagig aufgebaut, und zwar mit einer zusätzlichen Zwischenlage 19, die zwischen der Innenlage 15 und der Außenlage 17 angeordnet ist. Sowohl die Innenlage 15 als auch die Außenlage 17 sind als dünne Metallschichten realisiert, während die Zwischenlage 19 aus dem Phasenwechselmaterial gebildet ist.
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In den 2 und 3 ist das Phasenwechselmaterial bevorzugt ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial, bei dem ein polymorpher Phasenwechsel erfolgt, das heißt ein Fest-Fest-Phasenwechsel, um auch nach erfolgtem Phasenwechsel eine Strukturintegrität des Zellgehäuses aufrechtzuerhalten. Demgegenüber ist in der 4 das Phasenwechselmaterial als Zwischenlage 19 realisiert, die sich zwischen der Metall-Innenlage 15 und der Metall-Außenlage 17 befindet. In diesem Fall kann das Phasenwechselmaterial als ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial realisiert sein, bei dem ein Phasenwechsel zwischen Fest- und Flüssigphasen und/oder zwischen Flüssig- und Gasphasen erfolgt.
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In dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel müssen die Metall-Innenlage 15 und die Metall-Außenlage 17 ausreichend formstabil sein, da die Gefahr besteht, dass das zwischengeordnete Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial seine strukturelle Integrität verliert und wegfließt. Von daher bietet es sich bei dünnen (das heißt weniger formstabilen) Metalllagen 15, 17 an, ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial als Zwischenlage 19 zu verwenden.
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Die Ausführungsbeispiele der 2 bis 4 sind speziell für Batteriezellen mit einem Flüssigelektrolyt anwendbar, da im Materialaufbau des Zellgehäuses eine Metallschicht integriert ist, die eine Diffusion des Flüssigelektrolyts nach außen verhindert. Demgegenüber ist in dem in der 5 angedeuteten Materialaufbau des Zellgehäuses eine solche Metallschicht weggelassen.
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In der 5 ist die Gehäusewand des Zellgehäuses als eine Doppelwandstruktur 20 mit einer formstabilen Innenwand 21 sowie einer formstabilen Außenwand 23 gebildet. Dazwischen befindet sich als Zwischenlage 19 das Phasenwechselmaterial. Die Innen- und Außenwände 21, 23 sind beispielhaft aus phasenbeständigem, thermisch stabilem Kunststoff gebildet, während das Phasenwechselmaterial als ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial realisiert sein kann.
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In der 6 ist die Batteriezelle als eine Pouchzelle ausgeführt, deren Zellgehäuse aus einem Folienmaterial gebildet ist. Dessen Eigensteifigkeit ist im Gegensatz zum prismatischen Zellgehäuse stark reduziert.
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Wie aus der 6 hervorgeht, weist das Zellgehäuse der Pouchzelle Flachseitenwände 5 auf. Das Zellgehäuse ist zum Beispiel aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folienmaterial-Zuschnitt gefertigt, bei dem die beiden gegenüberliegenden Flachseitenwände 5 an einer Faltkante materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen. Die beiden Flachseitenwände 5 sind an ihren Beschnittkanten jeweils zum Beispiel durch ein Siegelverfahren in Flanschverbindung gebracht, und zwar unter Bildung einer umlaufenden Schweißnaht 27 an den Gehäuseflanschen. Innerhalb des Zellgehäuses ist das Aktivmaterial angeordnet, das aus übereinander geschichteten Anoden-, Kathoden und Separator-Lagen aufgebaut ist. Das Aktivmaterial ist über Ableiterfähnchen 29 mit Stromableiter 31 verbunden, die jeweils an gegenüberliegenden Zellgehäuse-Seiten aus dem Zellgehäuse geführt sind.
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Das Folienmaterial des Zellgehäuses der Pouchzelle ist als ein Schichtsystem 32 realisiert, das in der 7 beispielhaft dargestellt ist. Demzufolge weist das Folienmaterial insgesamt acht Einzellagen auf, und zwar eine äußere Schicht 33, zum Beispiel aus Nylon oder PP, die über eine Klebeschicht 34 und eine Vermittlerschicht 35 an einer Aluminium-Schicht 36 angebunden ist. Die Aluminium-Schicht 36 wirkt als Diffusionssperre für den Elektrolyt. An der Innenseite der Aluminium-Schicht 36 ist eine Phasenwechselmaterial-Schicht 38 über eine Vermittlerschicht 37 angebunden. Die Phasenwechselmaterial-Schicht 38 ist unter Zwischenschaltung einer Klebeschicht 39 mit einer inneren Siegelschicht 40 nach gehäuseinnen versiegelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellbecher
- 3
- Deckwandbaugruppe
- 5
- Flachseitenwände
- 7
- Schmalseitenwände
- 9
- Deckwand
- 11
- Aktivmaterial-Flachwicklung
- 13, 14
- Zellterminals
- 15
- Innenlage
- 17
- Außenlage
- 19
- Zwischenlage
- 20
- Doppelwandstruktur
- 21
- Innenwand
- 23
- Außenwand
- 27
- Schweißnaht
- 29
- Ableiterfähnchen
- 31
- Stromableiter
- 33
- äußere Schicht
- 34
- äußere Klebeschicht
- 35
- äußere Vermittlerschicht
- 36
- Aluminiumschicht
- 37
- innere Vermittlerschicht
- 38
- Phasenwechselmaterial-Schicht
- 39
- innere Klebeschicht
- 40
- innere Siegelschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1774608 B1 [0005]
- WO 2016126817 A1 [0005]
