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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Einzelzelle sowie ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle.
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Prismatische Batteriezellen bestehen aus einem Hardcase-Gehäuse, beispielsweise aus Aluminium. In dem Zellgehäuse ist ein Elektrodenstapel oder ein Elektrodenwickel angeordnet. Üblicherweise wird ein Zellbecher verwendet, der beispielsweise durch Tiefziehen oder durch Rückwärts-Napf-Fließpressen hergestellt wird.
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Prismatische Hardcase-Zellen haben üblicherweise gegenüber sogenannten Pouchzellen und Rundzellen einen geringeren volumetrischen Ausnutzungsgrad der Elektrochemie der Zelle. Zusätzlich sind die Kühlanbindung des Elektrodenwickels zum Zellgehäuse und der Strompfad in der Zelle gegenüber großformatigen Rundzellen nachteilig ausgelegt, was zu einer eingeschränkten elektrischen Leistungsfähigkeit der prismatischen Zellen führt.
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Die
DE 10 2016 225 252 A1 offenbart eine elektrochemische Einzelzelle als elektrischen Energiespeicher, der wenigstens zwei flächige Elektroden, von den Elektroden seitlich abragende Kontaktfahnen sowie wenigstens zwei Außenanschlüsse aufweist. Mehrere Elektrodenbereiche sind dabei jeweils zu einem Elektrodenstapel übereinandergestapelt. Mehrere der Kontaktfahnen sind übereinander zu einem Kontaktfahnenstapel angeordnet und jeweils stoffschlüssig miteinander und mit einem zugehörigen der Außenanschlüsse verbunden. Jede Kontaktfahne einer Mehrheit der mit dem zugehörigen Außenanschluss verbundenen Kontaktfahnen eines Kontaktfahnenstapels ist mit einer jeweils benachbarten Kontaktfahne stoffschlüssig in einem Bereich verbunden, in dem die Kontaktfahne sich in einer Richtung geneigt zu der Oberfläche des zugehörigen Außenanschlusses erstreckt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige elektrochemische Einzelzelle mit verbesserten elektrischen und thermischen Eigenschaften zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer kostengünstigen elektrochemischen Einzelzelle mit verbesserten elektrischen und thermischen Eigenschaften anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine elektrochemische Einzelzelle mit einem Zellgehäuse vorgeschlagen, umfassend einen Zellstapel aus wenigstens zwei Elektrodenstapeln, wobei in jedem der wenigstens zwei Elektrodenstapel in einer Stapelrichtung abwechselnd ein erstes Elektrodenblatt einer ersten Polarität mit ersten Kontaktfahnen und ein zweites Elektrodenblatt einer zweiten Polarität mit zweiten Kontaktfahnen, jeweils getrennt durch ein Separatorblatt, aufeinander gestapelt sind, wobei die Elektrodenstapel wenigstens auf einer Seite in Stapelrichtung jeweils von einem Separatorblatt abgeschlossen sind. Die Elektrodenblätter weisen jeweils gegenüberliegende Längsseiten auf. Dabei sind die ersten Kontaktfahnen an einer Längsseite der ersten Elektrodenblätter seitlich überstehend angeordnet und die zweiten Kontaktfahnen sind an der gegenüber liegenden Längsseite der zweiten Elektrodenblätter seitlich überstehend angeordnet. Die wenigstens zwei Elektrodenstapel sind in der Stapelrichtung bezüglich einer Querebene des Zellstapels spiegelbildlich gestapelt. Die ersten und zweiten Kontaktfahnen sind an Stirnseiten des Zellstapels zu der Querebene hin umgebogen. Eine erste Kollektorplatte ist an einer von dem Zellstapel abgewandten Seite der ersten Kontaktfahnen angeordnet und mit den ersten Kontaktfahnen elektrisch verbunden und eine zweite Kollektorplatte ist an einer von dem Zellstapel abgewandten Seite der zweiten Kontaktfahnen angeordnet und mit den zweiten Kontaktfahnen elektrisch verbunden. Das Zellgehäuse weist wenigstens einen elektrischen Anschlusspol auf, welcher gegen das Zellgehäuse elektrisch isoliert ist und mit welchem eine der Kollektorplatten elektrisch verbunden ist.
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Bei der vorgeschlagenen elektrochemischen Einzelzelle wird eine Trägerfolie der beschichteten Elektrodenblätter, welche üblicherweise aus Aluminium bzw. Kupfer besteht, direkt über eine Vielzahl an Kontaktfahnen an eine Kollektorplatte als Stromkollektor großflächig angebunden. Die Trägerfolien weisen einen Überstand, nämlich die Kontaktfahnen, auf, die nach dem Stapelprozess der Elektrodenblätter umgebogen werden, um eine Kontaktfläche, beispielsweise eine Schweißfläche, zur fügetechnischen Anbindung an die Kollektorplatte zu bilden. Die durch Drehung um eine vertikale Achse versetzte Anordnung der beiden Elektrodenstapel ermöglicht es, eine günstige Kontaktierung der Elektrodenblätter zu erreichen, ohne einen seitlichen Überstand der Trägerfolien vorzusehen.
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Alternativ ist auch eine Ausführung ohne Kontaktfahnen, direkt mit einem Überstand der Trägerfolien, möglich, welche dann an Kollektorplatten als Stromkollektoren geschweißt werden.
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Zwischenbereiche zwischen den Kontaktfahnen sind hierbei nicht umgebogen, um im Herstellprozess eine verbesserte Elektrolytverteilung zu ermöglichen und zudem im Fall eines thermischen Ereignisses dem ausströmenden Gas einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen. Dazu können die Kollektorplatten vorteilhaft in diesem Bereich entsprechend ausgespart sein.
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Die Kollektorplatten können über ein Schweißverfahren, beispielsweise Laserschweißen, mit den Kontaktfahnen verbunden werden. Dabei kann eine Kollektorplatte auch direkt als Gehäuseteil dienen. Hierdurch stellt das Gehäuse einen Teil des Strompfads dar, was eine signifikante Vereinfachung der üblichen Struktur der Anschlusspole darstellt. Das Zellgehäuse kann direkt als ein Anschlusspol genutzt werden, ähnlich wie bei Rundzellen. Die andere Kollektorplatte wird isoliert durch das Zellgehäuse nach außen durchgeführt. Der Anschlusspol kann aufgrund der flächigen Anbindung der Kontaktfahnen an den Anschlusspol günstigerweise flexibel positioniert werden.
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Durch den Einsatz dieser sehr großflächigen Elektrodenanbindung ergeben sich, neben einer sehr guten Stromdichteverteilung aufgrund kurzer Strompfade, ein höherer erreichbarer Füllgrad der Elektrochemie der Einzelzelle und eine sehr gute thermische Anbindung, um in der Einzelzelle entstehende Wärme abzuleiten. Weiter ergibt sich eine hohe Flexibilität bezüglich der Anordnung von Anschlusspolen und Entlüftungsöffnungen zum Ablassen eines Überdrucks im Fall eines thermischen Ereignisses in der Einzelzelle. Aufgrund der vereinfachten Struktur und Reduktion der Teileanzahl lassen sich Kostenvorteile bei der Fertigung der Einzelzelle erzielen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle können die ersten Elektrodenblätter an der Längsseite eine Vielzahl von, insbesondere gleichmäßig beabstandeten, ersten Kontaktfahnen aufweisen und die zweiten Elektrodenblätter können an der gegenüber liegenden Längsseite eine Vielzahl von, insbesondere gleichmäßig beabstandeten, zweiten Kontaktfahnen aufweisen. Durch die Verteilung der Kontaktfahnen über die ganze Längsseite der Elektrodenblätter kann der elektrische Strom günstigerweise über die ganze Länge des Elektrodenblatts zu- oder abgeführt werden. Über die dabei entstehenden Zwischenräume kann im fertigen Elektrodenstapel der zugefüllte Elektrolyt zweckmäßig in die Elektrodenschichten eindringen. Im Fall eines thermischen Ereignisses kann entstehendes Gas günstig abgeleitet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle können die ersten Kontaktfahnen entlang der Längsseiten versetzt gegen die zweiten Kontaktfahnen angeordnet sein. Auf diese Weise kann günstigerweise dasselbe Werkzeug für die Herstellung der beiden Elektrodenblätter verwendet werden, da die Kontaktfahnen auf gegenüberliegenden Längsseiten der Elektrodenblätter, also um 180° gedreht, angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle können die Kontaktfahnen der ersten Elektrodenblätter auf der einen Stirnseite des Zellstapels überstehen und die Kontaktfahnen der zweiten Elektrodenblätter auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Zellstapels angeordnet sein. Mit einer solchen Anordnung der Kontaktfahnen kann die Stromableitung aus den Elektrodenstapeln günstigerweise auf gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellstapels erfolgen. Vorteilhaft kann dadurch die Stromableitung aus dem Zellstapel auf einer Stirnseite direkt in den Boden des Zellgehäuses erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die ersten Elektrodenblätter auf der einen Stirnseite des Zellstapels überstehen und die zweiten Elektrodenblätter auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Zellstapels überstehen. Durch ein geringfügiges Hervorstehen der jeweiligen Elektrodenblätter mit den Kontaktfahnen an einer Stirnseite des Elektrodenstapels gegenüber den Elektrodenblättern der anderen Polarität, deren Kontaktfahnen auf der anderen Stirnseite angeordnet sind, kann das Risiko eines Kurzschlusses zwischen verschiedenen Elektrodenblättern reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle können die Kontaktfahnen mit den Kollektorplatten verschweißt sein, insbesondere laserverschweißt sein. Durch Verschweißen der Kontaktfahnen mit den Kollektorplatten kann günstigerweise eine zuverlässige fügetechnische Verbindung hergestellt werden, welche sowohl mechanische als auch elektrische Anforderungen erfüllt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle kann wenigstens eine der Kollektorplatten als ein Teil des Zellgehäuses, insbesondere als ein Deckel oder Boden des Zellgehäuses, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine günstige Ausnutzung des vorhandenen Bauraums in dem Zellgehäuse erreicht werden. Auch der Strompfad kann so direkt über das Zellgehäuse ausgebildet sein. Günstige Querschnitte für den Strompfad können so erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle kann wenigstens eine der Kollektorplatten Öffnungen aufweisen, welche zwischen Anbindungsflächen, insbesondere Schweißflächen, zum elektrischen Verbinden der Kontaktfahnen angeordnet sind. Über die Öffnungen kann im fertigen Zellstapel der durch eine Öffnung im Deckel des Zellgehäuses zugefüllte Elektrolyt zweckmäßig in die Elektrodenschichten der Elektrodenblätter eindringen. Beim Herstellprozess lässt sich so eine verbesserte Elektrolytverteilung erreichen. Im Fall eines thermischen Ereignisses kann entstehendes Gas durch die Öffnungen günstig abgeleitet werden, um dann durch eine Entlüftungsöffnung im Gehäusedeckel aus dem Zellgehäuse austreten zu können. Dabei wird dem ausströmenden Gas ein möglichst geringer Widerstand entgegengesetzt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle kann an wenigstens einer der Kollektorplatten wenigstens eine Stromdurchführung angeordnet sein, welche mit dem wenigstens einen Anschlusspol elektrisch verbunden ist. Insbesondere kann dabei die wenigstens eine Stromdurchführung mit einem elektrischen Isolator umschlossen durch das Zellgehäuse geführt mit dem Anschlusspol elektrisch verbunden sein. Mit einer solchen Anordnung kann ein günstiger Strompfad zwischen dem Anschlusspol und dem Zellstapel dargestellt werden, der eine kosteneffiziente Fertigung der Einzelzelle ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle können die Kontaktfahnen in einer Richtung von den Elektrodenblättern weg einen verjüngenden, insbesondere trapezförmigen, Verlauf aufweisen. Dadurch lassen sich ausreichende Zwischenräume zwischen den Kontaktfahnen erreichen, um das Eindringen des Elektrolyten in die Elektrodenschichten sowie um ein Austreten von entstehendem Gas zu ermöglichen. Ein Überlappen verschiedener Kontaktfahnen zwischen den beiden Elektrodenstapeln kann so günstigerweise vermieden werden, sodass der Strompfad von den Kollektorplatten in die Elektrodenblätter auf vorgesehene Weise erfolgen kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle mit einem Zellgehäuse, umfassend einen Zellstapel aus wenigstens zwei Elektrodenstapeln, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst wenigstens ein Herstellen von ersten Elektrodenblättern einer ersten Polarität mit ersten Kontaktfahnen und von zweiten Elektrodenblättern einer zweiten Polarität mit zweiten Kontaktfahnen, wobei die Elektrodenblätter jeweils gegenüber liegende Längsseiten aufweisen, wobei die ersten Kontaktfahnen an einer Längsseite der ersten Elektrodenblätter seitlich überstehend angeordnet werden und wobei die zweiten Kontaktfahnen an der gegenüber liegenden Längsseite der zweiten Elektrodenblätter seitlich überstehend angeordnet werden.
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Weiter umfasst das Verfahren ein Stapeln des ersten Elektrodenstapels und des zweiten Elektrodenstapels mit in einer Stapelrichtung abwechselnd einem ersten Elektrodenblatt und einem zweiten Elektrodenblatt, jeweils getrennt durch ein Separatorblatt, wobei die Elektrodenstapel wenigstens auf einer Seite in Stapelrichtung jeweils von einem Separatorblatt abgeschlossen werden; ein Stapeln der wenigstens zwei Elektrodenstapel spiegelbildlich zueinander bezüglich einer Querebene in der Stapelrichtung; ein Umbiegen der ersten und zweiten Kontaktfahnen an Stirnseiten des Zellstapels zu der Querebene hin; ein elektrisches Verbinden, insbesondere Verschweißen, einer ersten Kollektorplatte an einer von dem Zellstapel abgewandten Seite der ersten Kontaktfahnen mit den ersten Kontaktfahnen und einer zweiten Kollektorplatte an einer von dem Zellstapel abgewandten Seite der zweiten Kontaktfahnen mit den zweiten Kontaktfahnen; ein Einführen des Zellstapels in das Zellgehäuse; ein Verschließen, insbesondere Verschweißen, des Zellgehäuses mit wenigstens einer der Kollektorplatten; sowie ein elektrisches Verbinden, insbesondere Verschweißen, wenigstens einer der Kollektorplatten mit wenigstens einem elektrischen Anschlusspol, welcher gegen das Zellgehäuse elektrisch isoliert ist.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle wird eine Trägerfolie der beschichteten Elektrodenblätter, welche üblicherweise aus Aluminium bzw. Kupfer besteht, direkt über eine Vielzahl an Kontaktfahnen an eine Kollektorplatte als Stromkollektor großflächig angebunden. Die Trägerfolien weisen einen Überstand, nämlich die Kontaktfahnen, auf, die nach dem Stapelprozess der Elektrodenblätter umgebogen werden, um eine Kontaktfläche, beispielsweise eine Schweißfläche, zur fügetechnischen Anbindung an die Kollektorplatte zu bilden. Die durch Drehung um eine vertikale Achse versetzte Anordnung der beiden Elektrodenstapel ermöglicht es, eine günstige Kontaktierung der Elektrodenblätter zu erreichen, ohne einen seitlichen Überstand der Trägerfolien vorzusehen.
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Zwischenbereiche zwischen den Kontaktfahnen werden hierbei nicht umgebogen, um im Herstellprozess eine verbesserte Elektrolytverteilung zu ermöglichen und zudem im Fall eines thermischen Ereignisses dem ausströmenden Gas einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen. Dazu können die Kollektorplatten vorteilhaft in diesem Bereich entsprechend ausgespart sein.
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Die Kollektorplatten können über ein Schweißverfahren, beispielsweise Laserschweißen, mit den Kontaktfahnen verbunden werden. Dabei kann eine Kollektorplatte auch direkt als Gehäuseteil dienen. Hierdurch stellt das Gehäuse einen Teil des Strompfads dar, was eine signifikante Vereinfachung der üblichen Struktur der Anschlusspole darstellt. Das Zellgehäuse kann direkt als ein Anschlusspol genutzt werden, ähnlich wie bei Rundzellen. Die andere Kollektorplatte wird isoliert durch das Zellgehäuse nach außen durchgeführt. Der Anschlusspol kann aufgrund der flächigen Anbindung der Kontaktfahnen an den Anschlusspol günstigerweise flexibel positioniert werden.
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Durch den Einsatz dieser sehr großflächigen Elektrodenanbindung ergeben sich, neben einer sehr guten Stromdichteverteilung aufgrund kurzer Strompfade, ein höherer erreichbarer Füllgrad der Elektrochemie der Einzelzelle und eine sehr gute thermische Anbindung, um in der Einzelzelle entstehende Wärme abzuleiten. Weiter ergibt sich eine hohe Flexibilität bezüglich der Anordnung von Anschlusspolen und Entlüftungsöffnungen zum Ablassen eines Überdrucks im Fall eines thermischen Ereignisses in der Einzelzelle. Aufgrund der vereinfachten Struktur und Reduktion der Teileanzahl lassen sich Kostenvorteile bei der Fertigung der Einzelzelle erzielen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 in Draufsicht eine Explosionsdarstellung von Elektrodenblättern mit einem Separatorblatt eines Elektrodenstapels nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Zellstapels aus zwei Elektrodenstapeln nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine Draufsicht auf die Stirnseite mit umgebogenen Kontaktfahnen des Zellstapels nach 2;
- 4 einen Querschnitt des um 90° gedrehten Zellstapels nach 3 mit umgebogenen Kontaktfahnen;
- 5 eine Draufsicht auf eine erste Kollektorplatte;
- 6 eine Draufsicht auf eine zweite, der ersten Kollektorplatte nach 5 gegenüberliegenden Kollektorplatte;
- 7 einen Querschnitt eines mit Kollektorplatten verbundenen Zellstapels;
- 8 einen Schritt bei einer Montage des Zellstapels nach 7 in ein Zellgehäuse;
- 9 einen Querschnitt durch eine elektrochemische Einzelzelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit Kollektorplatten nach 5 und 6;
- 10 einen Längsschnitt durch die elektrochemische Einzelzelle nach 9;
- 11 eine Draufsicht auf einen Isolator eines Anschlusspoles;
- 12 eine Draufsicht auf einen Anschlusspol;
- 13 eine Draufsicht auf die elektrochemische Einzelzelle nach 9;
- 14 eine Draufsicht auf eine elektrochemische Einzelzelle nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 15 eine Draufsicht auf eine elektrochemische Einzelzelle nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 16 eine Draufsicht auf eine elektrochemische Einzelzelle nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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In den Figuren sind Bezugszeichen der Übersichtlichkeit halber bei gleichen Komponenten jeweils nur an einer Komponente angebracht.
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1 zeigt in Draufsicht eine Explosionsdarstellung von zwei Elektrodenblättern 10, 12 mit einem Separatorblatt 14 eines Elektrodenstapels 22 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Elektrodenblätter 10, 12 weisen an gegenüberliegenden Längsseiten 17, 19 jeweils eine Vielzahl von Kontaktfahnen 16, 18 auf, welche aus den Trägerfolien der beschichteten Elektrodenblätter 10, 12 gebildet sind. Die Kontaktfahnen 16, 18 eines Elektrodenblatts 10, 12 sind entlang der Längsseite 17, 19 vorzugsweise gleichmäßig beabstandet. Die ersten Kontaktfahnen 16 sind an einer Längsseite 17 der ersten Elektrodenblätter 10 seitlich überstehend angeordnet und die zweiten Kontaktfahnen 16 sind an der dieser gegenüber liegenden Längsseite 19 der zweiten Elektrodenblätter 12 seitlich überstehend angeordnet.
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Die ersten Kontaktfahnen 16 des ersten Elektrodenblatts 10 sind entlang der Längsseiten 17, 19 versetzt gegen die zweiten Kontaktfahnen 18 des zweiten Elektrodenblatts 12 angeordnet. Dies ist nicht notwendigerweise erforderlich, jedoch kann so günstigerweise dasselbe Werkzeug zur Herstellung der Kontaktfahnen 16, 18 verwendet werden, da die beiden Elektrodenblätter 16, 18 in ihrer Form um eine Achse, welche senkrecht zur Bildebene steht, gegeneinander gedreht sind.
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Alternativ ist auch eine Ausführung ohne Kontaktfahnen möglich, bei der ein Überstand der Trägerfolien der jeweiligen Längsseite mit ihren glatten Kanten vorliegt, welche dann an Kollektorplatten als Stromkollektoren geschweißt werden.
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In 2 ist eine Draufsicht auf eine Stirnseite 26 eines Zellstapels 20 aus zwei Elektrodenstapeln 22, 24 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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In jedem der beiden Elektrodenstapel 22, 24 sind in einer Stapelrichtung 50 abwechselnd ein erstes Elektrodenblatt 10 einer ersten Polarität mit ersten Kontaktfahnen 16 und ein zweites Elektrodenblatt 12 einer zweiten Polarität mit zweiten Kontaktfahnen 18, jeweils getrennt durch ein Separatorblatt 14, aufeinandergestapelt. Die Elektrodenstapel 22, 24 sind wenigstens auf einer Seite in Stapelrichtung 50 jeweils von einem Separatorblatt 14 abgeschlossen.
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Die Kontaktfahnen 16 der ersten Elektrodenblätter 10 stehen auf der einen Stirnseite 26 des Zellstapels 20 über und die Kontaktfahnen 18 der zweiten Elektrodenblätter 12 sind auf der gegenüberliegenden Stirnseite 28 des Zellstapels 20 angeordnet.
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Die beiden Elektrodenstapel 22, 24 sind identisch aufgebaut und werden dann in der Stapelrichtung 50 bezüglich einer Querebene 54 des Zellstapels 20 spiegelbildlich gestapelt, also bezüglich einer aus der Bildebene stehenden Achse in 2 um 180° gedreht und dann direkt aneinander angeordnet. Die Vielzahl an Elektrodenblätter 10, 12 der beiden Elektrodenstapel 22, 24 ist in 2 durch die schwarzen Punkte angedeutet.
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An den Stirnseiten 26 der beiden Elektrodenstapel 22, 24, welche den Zellstapel 20 bilden, sind nur die ersten Kontaktfahnen 16 der ersten Elektrodenblätter 10 erkennbar. Da die Kontaktfahnen 16 noch nicht gebogen sind, ragen sie in den Stirnseiten der Elektrodenblätter 10 aus der Bildebene und sind als schwarze Striche erkennbar.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite 26 mit umgebogenen Kontaktfahnen 16 des Zellstapels 20 nach 2. Die ersten und zweiten Kontaktfahnen 16, 18 der beiden Elektrodenstapel 22, 24 sind jeweils an den gegenüberliegenden Stirnseiten 26, 28 des Zellstapels 20 zu der Querebene 54 (2) hin umgebogen. In 3 sind nur die ersten Kontaktfahnen 16 an der einen Stirnseite 26 des Zellstapels 20 erkennbar. Die Kontaktfahnen 28 auf der gegenüber liegenden Stirnseite 28 sind in gleicher Weise umgebogen.
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Die Kontaktfahnen 16, 18 weisen einen in einer Richtung von den Elektrodenblättern 10, 12 weg verjüngenden, insbesondere trapezförmigen, Verlauf auf. Die umgebogenen Kontaktfahnen 16, 18 liegen teilweise übereinander und werden dann jeweils zusammen mit einer Kollektorplatte 32, 34, wie in 7 erkennbar, verschweißt. Durch die versetzte Anordnung der Kontaktfahnen 16, 18 jeweils an einer Stirnseite 26, 28 können die umgebogenen Kontaktfahnen 16, 18 teilweise ineinandergreifen.
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In 4 ist ein Querschnitt des um 90° um seine Stapelachse gedrehten Zellstapels 20 nach 3 mit umgebogenen Kontaktfahnen 16, 18 dargestellt. Dabei ist erkennbar, wie die Kontaktfahnen 16, 18, welche alle dieselbe Länge aufweisen, im umgebogenen Zustand teilweise überlappen. Die umgebogenen Kontaktfahnen 16, 18 bilden dann eine Schweißfläche zur großflächigen Anbindung und elektrischen Kontaktierung an Kollektorplatten 32, 34.
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Die ersten Elektrodenblätter 10, deren Kontaktfahnen 16 an der Stirnseite 26 des Zellstapels 20 angeordnet sind, stehen auf dieser Stirnseite 26 über und die zweiten Elektrodenblätter 12, deren Kontaktfahnen 18 an der gegenüberliegenden Stirnseite 28 des Zellstapels 20 angeordnet sind, stehen auf dieser Stirnseite 28 des Zellstapels 20 über.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Kollektorplatte 32. Die Kollektorplatte 32 kann als ebene metallische Platte, beispielsweise aus Aluminium, oder auch mit Verprägung zur optimierten Schweißung der Kontaktfahnen 16, 18, ausgebildet sein.
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6 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Kollektorplatte 34, wie sie der Kollektorplatte 32 der 5 am Zellstapel 20 gegenüberliegen kann. Die zweite Kollektorplatte 34 kann ebenfalls als ebene metallische Platte, beispielsweise aus Aluminium, und/oder auch mit Verprägung zur optimierten Schweißung der Kontaktfahnen 16, 18, ausgebildet sein.
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Weiter kann die zweite Kollektorplatte 34, wie in 6 dargestellt, Öffnungen 36 aufweisen, welche zwischen Anbindungsflächen 38, insbesondere Schweißflächen 38, zum elektrischen Verbinden der Kontaktfahnen 16, 18 mit der Kollektorplatte 34 angeordnet sind.
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Über die Öffnungen 36 kann im fertigen Zellstapel 20 der durch eine Öffnung im Deckel des Zellgehäuses 30 zugefüllte Elektrolyt zweckmäßig in die Elektrodenschichten der Elektrodenblätter 10, 12 eindringen. Beim Herstellprozess lässt sich so eine verbesserte Elektrolytverteilung erreichen. Im Fall eines thermischen Ereignisses kann entstehendes Gas durch die Öffnungen 36 günstig abgeleitet werden, um dann durch eine Entlüftungsöffnung im Gehäusedeckel aus dem Zellgehäuse 30 austreten zu können. Dabei wird dem ausströmenden Gas ein möglichst geringer Widerstand entgegengesetzt.
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Die Anbindungsflächen 38 weisen einen verjüngenden Verlauf von der Querebene 54 weg nach außen auf. Ein solcher Verlauf, welcher gegensätzlich zu dem verjüngenden Verlauf der Kontaktfahnen 16, 18 zur Querebene 54 hin ist, kann günstig zur Ableitung des Stroms sein, da die höchsten Stromstärken in der Querebene 54 auftreten können, wo die größte Zahl an Kontaktfahnen 16, 18 überlappen können.
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Prinzipiell kann jedoch auch eine rechteckförmige Ausbildung der Anbindungsflächen 38 oder eine Ausbildung mit gegensätzlichem verjüngenden Verlauf sich als günstig erweisen zur Anbindung der Kontaktfahnen 16, 18 an die Kollektorplatte 34, da auf diese Weise die geometrische Form der Kontaktfahnen 16, 18 eher der Form der Anbindungsflächen 38 entspricht und so die Verschweißung erleichtert sein kann.
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An der zweiten Kollektorplatte 34 sind zylinderförmige Stromdurchführungen 42 angeordnet, welche mit einem Anschlusspol 40 (in 10 erkennbar) elektrisch verbunden werden. Die Stromdurchführungen 42 können aufgrund der großen Fläche der Kollektorplatte 34 sehr flexibel auf der Fläche verteilt angeordnet sein.
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In 7 ist ein Querschnitt eines mit Kollektorplatten 32, 34 verbundenen Zellstapels 20 dargestellt.
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Eine erste Kollektorplatte 32 ist an einer von dem Zellstapel 20 abgewandten Seite der ersten Kontaktfahnen 16 angeordnet und mit den ersten Kontaktfahnen 16 elektrisch verbunden und eine zweite Kollektorplatte 34 ist an einer von dem Zellstapel 20 abgewandten Seite der zweiten Kontaktfahnen 18 angeordnet und mit den zweiten Kontaktfahnen 18 elektrisch verbunden.
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Dazu sind die umgebogenen Kontaktfahnen 16, 18 mit den Kollektorplatten 32, 34 stoffschlüssig verbunden. Die Kontaktfahnen 16, 18 können beispielsweise durch Laserschweißung mit den Kollektorplatten 32, 34 verbunden werden, was durch die entsprechenden Laserstrahlen 60 angedeutet ist.
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Auf diese Weise ergibt sich eine gute elektrische Kontaktierung zwischen den Kontaktfahnen 16, 18 und den Kollektorplatten 32, 34 aufgrund der großflächigen Anbindung. Außerdem ermöglicht diese Ausführung eine gute thermische Anbindung, um entstehende Wärme im Zellstapel effektiv abzuführen.
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Die zweite Kollektorplatte 34 weist einen flächig aufgebrachten Isolator 46 auf, welcher zur Isolation bei der Montage in ein Zellgehäuse 30 dient. Die Stromdurchführungen 42 sind durch den Isolator 46 durchgeführt. Der Isolator 46 kann beispielsweise aus Polypropylen (PP) ausgebildet sein. Andere gebräuchliche Isolationsmaterialien können jedoch ebenfalls eingesetzt werden.
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8 zeigt einen Schritt einer Montage des Zellstapels 20 nach 7 in ein Zellgehäuse 30. Dazu wird der mit den Kollektorplatten 32, 34 verschweißte Zellstapel 20 in das beispielsweise tiefgezogene Zellgehäuse 30 in Pfeilrichtung eingeschoben.
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Die erste Kollektorplatte 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Teil des Zellgehäuses 30, nämlich als Boden 31 des Zellgehäuses 30, ausgebildet.
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Nach Montage des Zellstapels 20 im Zellgehäuse 30 wird die erste Kollektorplatte 32, welche den Boden 31 des Zellgehäuses 30 darstellt, auf einem Umfang mit dem Zellgehäuse 30 verschweißt, wie es in 9 mit dem Laserstrahl 60 angedeutet ist.
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In 9 ist ein Querschnitt durch die elektrochemische Einzelzelle 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit einer Kollektorplatte 32 nach 5 und einer Kollektorplatte 34 nach 6, und in 10 ein Längsschnitt dargestellt.
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Die erste Kollektorplatte 32, welche als Boden 31 direkt mit dem Zellgehäuse 30 verschweißt ist, ermöglicht den Stromfluss und damit auch eine elektrische Kontaktierung direkt über das Zellgehäuse 30. Zur Anbindung an übliche Zellverbinder kann es zweckmäßig sein, an dem Zellgehäuse 30 trotzdem einen Anschlusspol 41 vorzusehen, über welchen beispielsweise ein Zellverbinder günstig angeschweißt werden kann. Der elektrische Strom fließt dann von der ersten Kollektorplatte 32 über das Zellgehäuse 30 zu dem ersten Anschlusspol 41, von wo der Strom abgegriffen werden kann.
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Das Zellgehäuse 30 weist einen elektrischen Anschlusspol 40 auf, welcher gegen das Zellgehäuse 30 elektrisch isoliert ist und mit die zweite Kollektorplatte 34 elektrisch verbunden ist. Dazu ist die zweite Kollektorplatte 34 mit dem elektrischen Anschlusspol 40 stoffschlüssig verbunden, beispielsweise ebenfalls durch Verschweißen. Der Anschlusspol 40 kann beispielsweise als ebene Platte mit Aussparungen 48 für die Stromdurchführungen 42 ausgebildet sein, wie in 12 dargestellt ist. Die zylinderförmigen Stromdurchführungen 42 werden durch die Aussparungen 48 durchgesteckt und am Umfang mit dem Anschlusspol 40 verschweißt.
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Zwischen dem Anschlusspol 40 und der zweiten Kollektorplatte 34 ist noch ein Isolator 44 zur Isolation der Stromdurchführungen 42 gegen das Zellgehäuse 30 angeordnet. Ein solcher Isolator ist in 11 dargestellt. Der Isolator 44 weist ebenfalls Aussparungen 48 für die Stromdurchführungen 42 auf. Die Aussparungen 48 können hohlzylinderförmige Auskragungen aufweisen, welche die Stromdurchführungen 42 auf ihrem Umfang umschließen und gegen das Zellgehäuse 30 isolieren.
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13 zeigt eine Draufsicht auf die elektrochemische Einzelzelle 100 nach 9.
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Der Anschlusspol 40 ist mit der zweiten Kollektorplatte 34 über die Stromdurchführungen 42 verschweißt und damit elektrisch kontaktiert. Eine Schweißung kann zweckmäßig durch Laserschweißung von außen erfolgen und ist durch den Laserstrahl 60 dargestellt.
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Unter dem Anschlusspol 40 ist der Isolator 44 erkennbar, mit welchem der Anschlusspol 40 und die Stromdurchführungen gegen das Zellgehäuse 30 elektrisch isoliert sind.
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Weiter ist in der Draufsicht der andere Anschlusspol 41 erkennbar, welcher beispielsweise in das Zellgehäuse 30 eingeprägt sein kann.
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Zwischen den Anschlusspolen 40, 41 ist das Entlüftungsventil 56 erkennbar, welches ebenfalls in das Zellgehäuse 30 eingeprägt sein kann. Alternativ ist auch möglich, dass das Entlüftungsventil 56 durch eine geprägte Berstmembran gebildet wird, welche in eine Öffnung des Zellgehäuses 30 eingeschweißt sein kann.
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In den 14 bis 16 sind verschiedene Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Anschlusspole 40, 41 und des Entlüftungsventils 56 dargestellt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 14 sind die Anschlusspole 40, 41 und das Entlüftungsventil 56 linienförmig über die ganze Länge des Zellgehäuses 30 angeordnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 15 sind die Anschlusspole 40, 41 jeweils doppelt ausgeführt und an beiden Enden der Längsseite des Zellgehäuses 30 angeordnet. Das Entlüftungsventil 56 ist zwischen den Anschlusspolen 40, 41 angeordnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 16 ist das Entlüftungsventil 56 doppelt ausgeführt und an beiden Enden der Längsseite des Zellgehäuses 30 angeordnet. Die Anschlusspole 40, 41 sind dagegen mittig angeordnet.
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Nach dem vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen der elektrochemischen Einzelzelle 100 werden zuerst erste Elektrodenblätter 10 einer ersten Polarität mit ersten Kontaktfahnen 16 und zweite Elektrodenblätter 10 einer zweiten Polarität mit zweiten Kontaktfahnen 16 hergestellt. Die Elektrodenblätter 10, 12 weisen jeweils gegenüberliegende Längsseiten 17, 19 auf, wobei die ersten Kontaktfahnen 16 an einer Längsseite 17 der ersten Elektrodenblätter 10 seitlich überstehend angeordnet werden und wobei die zweiten Kontaktfahnen 16 an der gegenüber liegenden Längsseite 19 der zweiten Elektrodenblätter 12 seitlich überstehend angeordnet werden, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist.
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Ein erster Elektrodenstapel 22 und ein zweiter Elektrodenstapel 24 mit in einer Stapelrichtung 50 abwechselnd einem ersten Elektrodenblatt 10 und einem zweiten Elektrodenblatt 12, jeweils getrennt durch ein Separatorblatt 14, wird gestapelt. Die Elektrodenstapel 22, 24 werden wenigstens auf einer Seite in Stapelrichtung 50 jeweils von einem Separatorblatt 14 abgeschlossen, wie in 2 dargestellt.
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Die beiden Elektrodenstapel 22, 24 werden spiegelbildlich zueinander bezüglich einer Querebene 54 in der Stapelrichtung 50 zu dem Zellstapel 20 aneinandergefügt.
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Danach werden die ersten und zweiten Kontaktfahnen 16, 18 an Stirnseiten 26, 28 des Zellstapels 20 zu der Querebene 54 hin umgebogen, wie in den 3 und 4 dargestellt.
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Eine erste Kollektorplatte 32 wird an einer von dem Zellstapel 20 abgewandten Seite der ersten Kontaktfahnen 16 mit den ersten Kontaktfahnen 16 und eine zweite Kollektorplatte 34 wird an einer von dem Zellstapel 20 abgewandten Seite der zweiten Kontaktfahnen 18 mit den zweiten Kontaktfahnen 18 elektrisch verbunden, beispielsweise verschweißt, wie in 7 dargestellt.
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Der Zellstapel 20 wird, wie in 8 dargestellt, in das Zellgehäuse 30 eingeführt.
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Danach wird das Zellgehäuse 30 mit wenigstens einer der Kollektorplatten 32 verschlossen, insbesondere verschweißt, wie in 9 dargestellt.
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Zum Abschluss wird eine der Kollektorplatten 34 mit wenigstens einem elektrischen Anschlusspol 40, welcher gegen das Zellgehäuse 30 elektrisch isoliert ist, elektrisch verbunden, beispielsweise verschweißt, wie in 13 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Elektrodenblatt
- 12
- zweites Elektrodenblatt
- 14
- Separatorblatt
- 16
- Kontaktfahne
- 17
- Längsseite
- 18
- Kontaktfahne
- 19
- Längsseite
- 20
- Zellstapel
- 22
- erster Elektrodenstapel
- 24
- zweiter Elektrodenstapel
- 26
- Stirnseite
- 28
- Stirnseite
- 30
- Zellgehäuse
- 31
- Boden
- 32
- Kollektorplatte
- 34
- Kollektorplatte
- 36
- Öffnung
- 38
- Anbindungsfläche
- 40
- Anschlusspol
- 41
- Anschlusspol
- 42
- Stromdurchführung
- 44
- Isolator
- 46
- Isolator
- 48
- Aussparung
- 50
- Stapelrichtung
- 56
- Entlüftungsventil
- 60
- Laserstrahl
- 100
- Einzelzelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225252 A1 [0004]
