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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
US 10,608,287 B2 beschrieben, Verfahren zur Herstellung von Energiespeicherzellen, Energiespeicherzellen, ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug bekannt. Zur Herstellung einer Energiespeicherzelle wird ein Gehäuse verwendet, das elastisch verformbar ist. Es wird mindestens ein Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel und ein Elektrolyt in das Gehäuse eingebracht. Das Gehäuse wird mit Gas befüllt, so dass ein Überdruck im Gehäuse erzeugt wird, durch welchen mindestens eine Gehäusewand des Gehäuses nach außen gewölbt wird. Das Gehäuse wird gasdicht versiegelt, so dass der Überdruck im Gehäuse und die Wölbung der mindestens einen Gehäusewand aufrechterhalten bleiben und das Gehäuse in einer Richtung senkrecht zu der mindestens einen gekrümmten Gehäusewand elastisch verformbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einzelzelle für eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine Einzelzelle für eine Batterie weist ein elastisches Zellgehäuse auf. In diesem Zellgehäuse ist insbesondere ein Elektrodenfolienstapel oder Elektrodenfolienwickel sowie insbesondere ein Elektrolyt angeordnet. Der Elektrodenfolienstapel oder Elektrodenfolienwickel weist abwechselnd angeordnete Anodenfolien und Kathodenfolien auf, zwischen denen jeweils eine Separatorfolie angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist das Zellgehäuse aus einem Elastomer ausgebildet und weist mindestens ein vom Elastomer umschlossenes, insbesondere umspritztes, Dehnfasergitter auf.
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Die Einzelzelle ist insbesondere eine elektrochemische Einzelzelle, d. h. ein elektrochemischer Energiespeicher. Die Batterie, für welche die Einzelzelle vorgesehen ist, ist insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug. Sie ist somit insbesondere zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines elektrischen Antriebsmotors zum Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen. Eine solche Batterie weist eine Mehrzahl solcher Einzelzellen auf, die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
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Durch die Elastizität des Zellgehäuses ändert sich eine Flächenpressung zwischen den Elektrodenfolien in Abhängigkeit eines Zellwachstums deutlich weniger als bei aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen. Daher kann die erfindungsgemäße Einzelzelle eine konstantere Leistung abgeben. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Einzelzelle aufgrund eines geringeren Innenwiderstandes einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem ist eine Selbstentladung der erfindungsgemäßen Einzelzelle geringer, da keine Feinschlüsse durch die Separatorfolien hindurch auftreten.
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Im Gegensatz dazu führt bei aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen mit steifen Zellgehäusen diese Steifigkeit des Zellgehäuses dazu, dass eine im Elektrodenfolienstapel oder Elektrodenfolienwickel herrschende Pressung sehr stark von einem Volumen des Elektrodenfolienstapels oder Elektrodenfolienwickels abhängt.
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Während eines Betriebs der Einzelzelle tritt ein teilweise reversibles Zellwachstum auf, d. h. eine Dicke der Elektrodenfolien variiert. Dies führt dazu, dass die Pressung zwischen den Elektrodenfolien ebenfalls variiert.
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Bei nicht ausreichender Pressung zwischen den Elektrodenfolien besteht an Übergangsstellen kein ausreichender Kontakt, wodurch ein lonenaustausch zwischen den Elektrodenfolien zum Erliegen kommt. Dadurch ist eine Funktionsfähigkeit der Batterie nicht mehr gegeben.
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Bei zu großer Pressung zwischen den Elektrodenfolien werden Poren im Aktivmaterial stark komprimiert, wodurch der lonenfluss behindert wird. Dies führt zu einem erhöhten Innenwiderstand der Einzelzelle. Sie weist dadurch einen geringen Wirkungsgrad auf und erwärmt sich stark im Betrieb.
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Bei viel zu großer Pressung zwischen den Elektrodenfolien entstehen Feinschlüsse zwischen den Anodenfolien und Kathodenfolien durch die Separatorfolien hindurch. Dies führt zur Selbstentladung der Einzelzelle, zu deren Erwärmung und zu einem sehr niedrigen Wirkungsgrad.
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Der schwankende Innenwiderstand führt dazu, dass eine mögliche Leistungsabgabe der Einzelzelle in Abhängigkeit des Zelldickenwachstums variiert.
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Diese Probleme der aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen werden durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden, wie oben erläutert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch eine Ausführungsform einer Einzelzelle,
- 3 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Einzelzelle,
- 4 schematisch eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene IV-IV in 3,
- 5 schematisch eine Horizontalschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Einzelzelle, und
- 6 schematisch eine Ausschnittvergrößerung eines Verbindungsbereichs zweier miteinander verbundener Gehäusewände der Einzelzelle aus 5.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Einzelzelle 1 für eine Batterie. Dabei zeigt 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform und die 2 bis 6 zeigen gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ausführungsformen der Einzelzelle 1.
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Die Einzelzelle 1 ist insbesondere eine elektrochemische Einzelzelle 1, d. h. ein elektrochemischer Energiespeicher. Die Batterie, für welche die Einzelzelle 1 vorgesehen ist, ist insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug. Sie ist somit insbesondere zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines elektrischen Antriebsmotors zum Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen. Eine solche Batterie weist eine Mehrzahl solcher Einzelzellen 1 auf, die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
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Die Einzelzelle 1 weist in allen dargestellten und hier beschriebenen Ausführungsformen ein Zellgehäuse 2 auf, in welchem ein elektrochemisch aktiver Inhalt, auch als Aktivmaterial bezeichnet, angeordnet ist. In den hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen sind im Zellgehäuse 2 ein Elektrodenfolienstapel 3 und ein, insbesondere flüssiger, Elektrolyt 4 angeordnet, d. h. ein freier Innenraum des Zellgehäuses 2 ist teilweise mit diesem flüssigen Elektrolyt 4 gefüllt. Zur Verdeutlichung der Anordnung von Elektrodenfolien im Elektrodenfolienstapel 3 sind sie leicht zueinander versetzt dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann alternativ zum Elektrodenfolienstapel 3 ein Elektrodenfolienwickel vorgesehen sein. Der Elektrodenfolienstapel 3 oder Elektrodenfolienwickel weist als Elektrodenfolien abwechselnd angeordnete Anodenfolien 5, d. h. negative Elektrodenfolien, und Kathodenfolien 6, d. h. positive Elektrodenfolien, auf, zwischen denen jeweils eine Separatorfolie angeordnet ist.
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In den dargestellten und hier beschriebenen Ausführungsformen sind Zellpole 7, 8 der Einzelzelle 1 an einer Oberseite des Zellgehäuses 2 angeordnet. Diese Zellpole 7, 8 sind in den hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen jeweils als ein Kontaktniet ausgebildet. Im Bereich des jeweiligen Zellpols 7, 8 ist in den dargestellten und hier beschriebenen Ausführungsformen an jeder Elektrodenfolie ein Ableiter 9, 10 angeordnet. Die Ableiter 9, 10 sind in den hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen jeweils rechteckig ausgebildet. Des Weiteren sind diese Ableiter 9, 10 in den hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen jeweils einstückig an die jeweilige Elektrodenfolie angeformt, insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet. In den dargestellten und hier beschriebenen Ausführungsformen sind die jeweiligen Ableiter 9, 10 jeweils mittels einer elektrischen Leitung 11, 12 mit dem jeweiligen gleichpoligen Zellpol 7, 8 elektrisch leitfähig verbunden.
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In den hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen ist das Zellgehäuse 2 als ein prismatisches Gehäuse ausgebildet. Es weist somit zwei gegenüberliegende großflächige Gehäusewände 13 auf, die durch links, rechts, oben und unten angeordnete schmale Gehäuseseitenwände 14 miteinander verbunden sind. Insbesondere wenn das Zellgehäuse 2 elektrisch leitfähig ausgebildet ist, ist der Elektrodenfolienstapel 3 mittels einer zwischen dem Elektrodenfolienstapel 3 und dem Zellgehäuse 2 angeordneten Isolierfolie 15 vom Zellgehäuse 2 elektrisch getrennt. Alternativ zur Isolierfolie 15 können auch andere elektrische Isolationsmaßnahmen vorgesehen sein.
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Alternativ zu derartigen Einzelzellen 1 mit einem als prismatisches Gehäuse ausgebildeten Zellgehäuse 2 sind aus dem Stand der Technik auch Einzelzellen 1 mit einem als ein zylindrisches Gehäuse oder als ein beutelförmiges Gehäuse ausgebildeten Zellgehäuse 2 bekannt. Die Einzelzellen 1 mit dem als zylindrisches Gehäuse ausgebildeten Zellgehäuse 2 werden auch als Rundzellen bezeichnet. Die Einzelzellen 1 mit dem als beutelförmiges Gehäuse ausgebildeten Zellgehäuse 2 werden auch als Pouchzellen bezeichnet.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen 1 mit einem als prismatisches Gehäuse oder zylindrisches Gehäuse ausgebildeten Zellgehäuse 2 sind als so genannte Hardcasezellen ausgebildet, d. h. sie weisen ein sehr starres Zellgehäuse 2 auf. Das als beutelförmiges Gehäuse ausgebildete Zellgehäuse 2 ist zwar biegeschlaff, jedoch sehr dehnungssteif. Ein solches beutelförmiges Gehäuse, insbesondere wenn es unter Druck steht, stellt daher auch ein starres Zellgehäuse 2 dar.
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Damit der Elektrodenfolienstapel 3 bzw. der Elektrodenfolienwickel als elektrochemischer Energiespeicher funktionieren kann, muss zwischen dessen Folienoberflächen eine definierte Flächenpressung herrschen. Hierzu werden die Folien bei den als Einzelzellen 1 mit als prismatisches oder zylindrisches Gehäuse ausgebildetem Zellgehäuse 2 bei einer Zellmontage in das Zellgehäuse 2 eingepresst. In den Einzelzellen 1 mit als beutelförmiges Gehäuse ausgebildetem Zellgehäuse 2 wird vor einem Verschließen des Zellgehäuses 2 ein Vakuum oder zumindest Unterdruck im Zellgehäuse 2 erzeugt. Bei allen diesen aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen 1 drücken dadurch die Gehäusewände 13,14 des Zellgehäuses 2 mit einer Vorspannung auf die darin befindlichen Folien des Elektrodenfolienstapels 3 bzw. Elektrodenfolienwickels und erzeugen auf diese Weise eine Flächenpressung zwischen den Folienoberflächen. Die Steifigkeit der Zellgehäuse 2 der aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen 1 führt dazu, dass die im Elektrodenfolienstapel 3 bzw. Elektrodenfolienwickel herrschende Pressung sehr stark von einem Volumen des Elektrodenfolienstapels 3 bzw. des Elektrodenfolienwickels abhängt.
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Problematisch dabei ist, dass während eines Betriebs der Einzelzelle 1 ein teilweise reversibles Zellwachstum auftritt, d. h. eine Dicke der Folien, insbesondere der Elektrodenfolien, variiert. Dies führt dazu, dass die Pressung zwischen den Folien ebenfalls variiert.
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Bei nicht ausreichender Pressung zwischen den Folien besteht an Übergangsstellen kein ausreichender Kontakt, wodurch ein lonenaustausch zwischen den Elektrodenfolien zum Erliegen kommt, so dass die Batterie nicht mehr funktionsfähig ist.
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Bei zu großer Pressung werden Poren im Aktivmaterial stark komprimiert, wodurch ein lonenfluss behindert ist. Dies führt zu einem erhöhten Innenwiderstand der Einzelzelle 1. Sie weist dadurch einen geringen Wirkungsgrad auf und erwärmt sich im Betrieb stark.
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Bei viel zu großer Pressung entstehen Feinschlüsse zwischen den Anodenfolien 5 und Kathodenfolien 6 durch die Separatorfolien hindurch. Dies führt zur Selbstentladung der Einzelzelle 1, zu deren Erwärmung und zu einem sehr niedrigen Wirkungsgrad.
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Der schwankende Innenwiderstand führt dazu, dass eine mögliche Leistungsabgabe der Einzelzelle 1 in Abhängigkeit vom Zelldickenwachstum variiert.
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Die Lösung dieser Probleme ist anhand verschiedener möglicher Ausführungsformen in den 2 bis 6 dargestellt und wird im Folgenden beschrieben. Zur Lösung der genannten Probleme ist vorgesehen, dass das Zellgehäuse 2 elastisch ausgebildet, d. h. die gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Ausführungsformen der Einzelzelle 1, beispielhaft dargestellt in den 2 bis 6, weisen jeweils ein elastisches Zellgehäuse 2 auf. Abgesehen davon sind diese gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Ausführungsformen und die aus dem Stand der Technik beschriebenen Ausführungsformen grundsätzlich gleich ausgebildet, wie oben bereits beschrieben.
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Zur elastischen Ausbildung des Zellgehäuses 2 kann beispielsweise vorgesehen sein, - dass das Zellgehäuse 2 aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere aus einem Elastomer, insbesondere aus Butylkautschuk, ausgebildet ist,
- - dass der Werkstoff, aus dem das Zellgehäuse 2 ausgebildet ist, Verstärkungsfasern und/oder Dehnfasern und/oder mindestens ein Fasergitter, insbesondere Dehnfasergitter, enthält,
- - dass in die Gehäusewände 13, 14 oder zumindest in eine oder mehrere der Gehäusewände 13, 14 Verstärkungsbleche 16 integriert sind oder an diesen Gehäusewänden 13, 14 angeordnet sind, oder
- - dass die Gehäusewände 13, 14 mittels Elastokedern 17, d. h. mittels Kedern aus einem elastischen Werkstoff, miteinander verbunden sind.
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Auch Kombinationen dieser möglichen Ausgestaltungen des Zellgehäuses 2 sind möglich, insbesondere die Ausbildung des Zellgehäuses 2 aus einem elastischen Werkstoff mit darin angeordneten Verstärkungsfasern und/oder Dehnfasern und/oder mindestens einem Fasergitter, insbesondere Dehnfasergitter.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das elastische Zellgehäuse 2 aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet, insbesondere aus einem Elastomer, aufgrund einer geringen Gasdiffusivität und guter elektrischer Isolationseigenschaften beispielsweise aus einem, insbesondere tieftemperaturelastischen, Butylkautschuk. Im dargestellten Beispiel weist dieses Zellgehäuse 2 eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten metallischen Zellgehäusen 2 erhöhte Wandstärke auf, um dadurch eine im Vergleich zu metallischen Werkstoffen geringere Festigkeit zu kompensieren.
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In einer möglichen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass dieses aus dem elastischen Werkstoff, insbesondere Elastomer, ausgebildete Zellgehäuse 2 zusätzlich mindestens ein von diesem elastischen Werkstoff, insbesondere Elastomer, umschlossenes, insbesondere umspritztes, Fasergitter, insbesondere Dehnfasergitter, aufweist. Dieses eingebettete Fasergitter, insbesondere Dehnfasergitter, ermöglicht eine Längenänderung des Trägermaterials, d. h. des elastischen Werkstoffs, insbesondere des Elastomers, um beispielsweise 5% durch Dehnung. Bei einer stärkeren Dehnungsbelastung gelangen Einzelfasern des Fasergitters in ihre Strecklage und reagieren daher auf äußere Belastung sehr zugsteif. Das Zellgehäuse 2 kann daher auch hohen Innendrücken widerstehen. Bei dieser Ausführungsform ist somit das Zellgehäuse 2 als ein faserverstärktes elastisches Zellgehäuse 2, insbesondere Elastomerzellgehäuse, ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist das Zellgehäuse 2 ebenfalls aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet, insbesondere aus einem Elastomer, beispielsweise aus Butylkautschuk, wobei zusätzlich vorgesehen ist, dass zumindest in einige der Gehäusewände 13, 14 Verstärkungsbleche 16 integriert sind oder an diesen Gehäusewänden 13, 14 angeordnet sind. Das Zellgehäuse 2 ist in dieser Ausführungsform somit ein blechverstärktes elastisches Zellgehäuse 2, insbesondere ein blechverstärktes Elastomerzellgehäuse.
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Durch diese Verstärkungsbleche 16 erhält das aus elastischem Werkstoff, insbesondere aus Elastomer, ausgebildete Zellgehäuse 2 eine große Formstabilität. Im dargestellten Beispiel sind die Verstärkungsbleche 16, wie in 4 gezeigt, innen an den beiden größten Hauptseitenflächen des Zellgehäuses 2, d. h. jeweils an der Innenseite der beiden gegenüberliegenden großflächigen Gehäusewände 13, befestigt, insbesondere anvulkanisiert. Die Verstärkungsbleche 16 sind insbesondere aus Stahl ausgebildet. Dadurch sind sie besonders formstabil und es wird dadurch sichergestellt, dass die Gehäusewände 13, 14, an denen die Verstärkungsbleche 16 befestigt sind, auch bei wechselnden Innendrücken im Zellgehäuse 2 stets eben bleiben.
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Zur chemischen Anbindung, insbesondere Anvulkanisation, der Verstärkungsbleche 16 an den elastischen Werkstoff, insbesondere Elastomer, des Zellgehäuses 2 sind die Verstärkungsbleche 16 vor dem Verbinden mit dem elastischen Werkstoff beispielsweise einseitig aufgeraut, zum Beispiel durch Sandstrahlen oder auf andere Weise. Dies betrifft die Seite der Verstärkungsbleche 16, die zum Verbinden mit dem elastischen Werkstoff vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass diese Seite der Verstärkungsbleche 16 mit einem Haftmittel versehen ist.
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Die Verstärkungsbleche 16 an der Innenseite der beiden gegenüberliegenden großflächigen Gehäusewände 13 des elastischen, insbesondere aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere Elastomer, ausgebildeten Zellgehäuses 2 stellen sicher, dass der Elektrodenfolienstapel 3 auf seiner gesamten Oberfläche gleichmäßig mit Druck beaufschlagt wird. Insbesondere werden Kantenträger an Ecken des Elektrodenfolienstapels 3 vermieden. Ein solcher Kantenträger und eine daraus resultierende lokal erhöhte Pressung könnte zu einem inneren Kurzschluss des Elektrodenfolienstapels 3 führen.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die Gehäusewände 13, 14 des Zellgehäuses 2 als starre, plane, metallische Einzelplatten ausgebildet. Auch dieses Zellgehäuse 2 ist als ein elastisches Zellgehäuse 2 ausgebildet, denn diese Gehäusewände 13, 14 sind an ihren Ecken und Kanten mittels anvulkanisierter Elastokeder 17, d. h. mittels Kedern aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere aus Kautschuk, miteinander verbunden. 6 zeigt dies in einer Ausschnittvergrößerung eines Verbindungsbereichs zweier miteinander verbundener Gehäusewände 13, 14. Das Zellgehäuse 2 ist bei dieser Ausführungsform somit als ein elastisches Plattengehäuse ausgebildet.
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Durch die Elastizität des Zellgehäuses 2 der gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Ausführungsformen der Einzelzelle 1 ändert sich die Flächenpressung zwischen den Elektrodenfolien in Abhängigkeit des Zellwachstums deutlich weniger als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen 1. Dadurch wird eine konstantere Leistungsabgabe dieser verbesserten Ausführungsformen der Einzelzelle 1 ermöglicht. Des Weiteren weisen diese gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Ausführungsformen der Einzelzelle 1 aufgrund des geringeren Innenwiderstandes einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem ist die Selbstentladung geringer, da keine Feinschlüsse durch die Separatorfolien hindurch auftreten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Zellgehäuse
- 3
- Elektrodenfolienstapel
- 4
- Elektrolyt
- 5
- Anodenfolie
- 6
- Kathodenfolie
- 7, 8
- Zellpol
- 9, 10
- Ableiter
- 11, 12
- Leitung
- 13
- großflächigen Gehäusewand
- 14
- schmale Gehäuseseitenwand
- 15
- Isolierfolie
- 16
- Verstärkungsblech
- 17
- Elastokeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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