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Es werden eine Energiespeicherzelle und ein Energiespeicher angegeben.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Energiespeicherzelle anzugeben, die besonders gut überprüfbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Energiespeicherzelle des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Bei der Energiespeicherzelle handelt es sich beispielsweise um einen Akkumulator. Jede Energiespeicherzelle ist damit beispielsweise ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement für elektrische Energie.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Energiespeicherzelle eine Arbeitselektrode. Die Arbeitselektrode ist beispielsweise eine Anodenkontaktelektrode der Energiespeicherzelle.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Energiespeicherzelle eine Gegenelektrode. Die Gegenelektrode weist insbesondere eine zur Arbeitselektrode umgekehrte Polarität auf. Ist die Arbeitselektrode die Anodenkontaktelektrode, ist die Gegenelektrode eine Kathodenkontaktelektrode der Energiespeicherzelle.
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Alternativ ist die Arbeitselektrode beispielsweise eine Kathodenkontaktelektrode und die Gegenelektrode beispielsweise eine Anodenkontaktelektrode der Energiespeicherzelle.
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Die Anodenkontaktelektrode und die Kathodenkontaktelektrode sind insbesondere elektrisch leitend ausgebildet. Die Anodenkontaktelektrode und die Kathodenkontaktelektrode sind zum Beispiel elektrisch voneinander isoliert. Über die Anodenkontaktelektrode und die Kathodenkontaktelektrode kann die Energiespeicherzelle kontaktiert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Energiespeicherzelle zumindest eine Elektrodenanordnung, die zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung umfasst beispielsweise zumindest einen funktionellen Schichtenstapel, wobei die Elektrodenanordnung dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zu speichern und abzugeben. Beispielsweise ist die Elektrodenanordnung durch die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode elektrisch leitend kontaktiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Energiespeicherzelle eine Referenzelektrode, die zumindest teilweise in der Elektrodenanordnung angeordnet ist. Beispielsweise ist die Referenzelektrode zwischen Schichten des funktionellen Schichtenstapels angeordnet. Die Referenzelektrode ist insbesondere mit einem elektrisch leitenden Material gebildet. Bei der Referenzelektrode handelt es sich beispielsweise um einen Draht, der zwischen Schichten des funktionellen Schichtenstapels angeordnet ist.
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Bei der Energiespeicherzelle handelt es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen (Li-Ion) Batteriezelle. Die Energiespeicherzelle ist beispielsweise in ein Fahrzeug integriert. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie zum Beispiel einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Transporter und/oder ein Motorrad. Alternativ kann das Fahrzeug ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Batterie-Elektrofahrzeug (kurz „BEV“) oder um ein Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeug (kurz „PHEV“), wobei die Energiespeicherzelle beispielsweise Teil der Batterie des Fahrzeugs ist.
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In der Regel umfassen Energiespeicherzellen ausschließlich eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode. Damit ist ein Zellenpotential zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode bestimmbar.
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Eine Idee ist, unter anderem, eine Referenzelektrode in die Elektrodenanordnung einzubringen um zwei weitere Potentiale, insbesondere Potentialdifferenzen, bestimmen zu können. Vorteilhafterweise kann mittels der Referenzelektrode zusätzlich ein erstes Elektrodenpotential zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode sowie ein zweites Elektrodenpotential zwischen der Gegenelektrode und der Referenzelektrode bestimmbar sein. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Elektrodenpotential um ein Anodenkontaktelektrodenpotential der Energiespeicherzelle und bei dem zweiten Elektrodenpotential um ein Kathodenkontaktelektrodenpotential der Energiespeicherzelle.
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Durch ein derartiges erstes Elektrodenpotential und ein derartiges zweites Elektrodenpotential, können Betriebsgrenzen und mögliche Alterungsmechanismen der Energiespeicherzelle besonders gut ermittelbar sein. Weiterhin kann ein Schnellladeprofil vom der Energiespeicherzelle mittels dem ersten Elektrodenpotential und dem zweiten Elektrodenpotential vorteilhafterweise validiert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Elektrodenanordnung der Energiespeicherzelle zumindest eine erste Separatorschicht, zumindest eine erste Elektrodenschicht, zumindest eine zweite Separatorschicht und zumindest eine zweite Elektrodenschicht. Die erste Separatorschicht, die erste Elektrodenschicht, die zweite Separatorschicht und die zweite Elektrodenschicht sind beispielsweise übereinander gestapelt angeordnet, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge. Direkt benachbarte Schichten stehen beispielsweise in direktem Kontakt miteinander.
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Die erste Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem ersten aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die erste Elektrodenschicht mit einem aktiven Anodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der ersten Elektrodenschicht um eine Anodenschicht der Energiespeicherzelle.
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Die zweite Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem zweiten aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die zweite Elektrodenschicht mit einem aktiven Kathodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der zweiten Elektrodenschicht um eine Kathodenschicht der Energiespeicherzelle.
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Alternativ handelt es sich bei der ersten Elektrodenschicht um eine Kathodenschicht der Energiespeicherzelle und bei der zweiten Elektrodenschicht um eine Anodenschicht der Energiespeicherzelle.
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Die erste Separatorschicht und die zweite Separatorschicht sind beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder sind daraus geformt. Insbesondere isolieren die erste Separatorschicht und die zweite Separatorschicht die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht elektrisch voneinander. Die erste Separatorschicht und die zweite Separatorschicht weisen beispielsweise ein Separatormaterial auf, das für Lithium Ionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Insbesondere ist eine Lithiumionen-Durchlässigkeit im Vergleich zu einer Elektronendurchlässigkeit der ersten Separatorschicht und der zweiten Separatorschicht um ein Vielfaches größer.
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Beispielsweise steht die erste Elektrodenschicht mit der Arbeitselektrode in direktem elektrisch leitendem Kontakt und die zweite Elektrodenschicht steht mit der Gegenelektrode in direktem elektrisch leitendem Kontakt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist die Referenzelektrode zwischen einer weiteren Separatorschicht und der ersten Separatorschicht oder der zweiten Separatorschicht angeordnet. Die weitere Separatorschicht ist beispielsweise dazu ausgebildet, die Referenzelektrode elektrisch von der ersten Elektrodenschicht und/oder von der zweiten Elektrodenschicht zu isolieren.
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Die weitere Separatorschicht ist mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet, das beispielsweise gleich dem elektrisch isolierenden Material der ersten Separatorschicht und der zweiten Separatorschicht ist. Alternativ ist das elektrisch isolierende Material der weiteren Separatorschicht verschieden von dem elektrisch isolierenden Material der ersten Separatorschicht und/oder der zweiten Separatorschicht. Die weitere Separatorschicht weist insbesondere eine erhöhte Lithiumionen-Durchlässigkeit auf.
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Die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht weisen jeweils beispielsweise eine Dicke von mindestens 1 µm bis höchstens 500 µm auf. Die erste Separatorschicht, die zweite Separatorschicht und die weitere Separatorschicht weisen beispielsweise jeweils eine Dicke von mindestens 1 µm und höchstens 400 µm auf. Die Dicken der Separatorschichten können verschieden groß ausgebildet sein.
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Zum Beispiel weist die Referenzelektrode eine Dicke von mindestens 1 µm und höchstens 1 mm, beispielsweise in etwa 100 µm, auf. Die Dicke der Referenzelektrode, die insbesondere als Draht ausgebildet ist, entspricht einen Durchmesser der Referenzelektrode.
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Die Referenzelektrode weist beispielsweise einen ersten Endbereich auf, wobei der erste Endbereich in der Elektrodenanordnung angeordnet ist. Insbesondere ist der erste Endbereich der Referenzelektrode zwischen einer weiteren Separatorschicht und der ersten Separatorschicht oder der zweiten Separatorschicht zumindest teilweise angeordnet. Die weitere Separatorschicht kann eine kleinere Fläche aufweisen wie die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht. Das heißt, die weitere Separatorschicht kann eine kleinere Breite und/oder eine kleinere Länge als die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist eine Mantelfläche der Referenzelektrode von einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt. Beispielsweise umfasst die Referenzelektrode eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche, wobei die erste Stirnfläche in einem ersten Endbereich der Referenzelektrode angeordnet ist und die zweite Stirnfläche in einem zweiten Endbereich der Referenzelektrode. Die erste Stirnfläche und die zweite Stirnfläche werden durch die Mantelfläche miteinander verbunden. Die Mantelfläche erstreckt sich insbesondere zwischen der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche.
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Beispielsweise ist die Mantelfläche vollständig von der elektrisch isolierenden Schicht bedeckt. Zum Beispiel weist die elektrisch isolierende Schicht eine Dicke von mindestens 100 nm und höchstens 50 µm, beispielsweise in etwa 3 µm, auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist eine Stirnfläche der Referenzelektrode frei von der elektrisch isolierenden Schicht. Insbesondere ist die erste Stirnfläche im Bereich der weiteren Separatorschicht der Referenzelektrode frei von der elektrisch isolierenden Schicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Energiespeicherzelle ein Gehäuse und einen Deckel, die die Elektrodenanordnung umgeben. Das Gehäuse und der Deckel bilden beispielsweise eine Kavität für die Elektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung ist beispielsweise vollständig, insbesondere dreidimensional, von dem Gehäuse und dem Deckel umgeben.
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Das Gehäuse erstreckt sich beispielsweise entlang einer Haupterstreckungsrichtung, die gleich eine Haupterstreckungsrichtung der Energiespeicherzelle ist. Beispielsweise bildet das Gehäuse die Arbeitselektrode und der Decke bildet die Gegenelektrode.
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Eine Querschnittsfläche des Gehäuses senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung ist beispielsweise rund, oval oder vieleckig ausgebildet.
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Das Gehäuse formt beispielsweise eine erste Grundfläche der Energiespeicherzelle und zumindest eine Seitenfläche der Energiespeicherzelle. Die erste Grundfläche erstreckt sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung und die Seitenfläche erstreckt sich parallel zur Haupterstreckungsrichtung. Das Gehäuse weist beispielsweise eine Öffnung auf. Die Öffnung ist beispielsweise rund, oval oder vieleckig ausgebildet und erstreckt sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung.
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Der Deckel formt beispielsweise eine der ersten Grundfläche gegenüberliegende zweite Grundfläche der Energiespeicherzelle. Der Deckel ist beispielsweise in der Öffnung angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ragt die Referenzelektrode aus dem Gehäuse heraus. Beispielsweise ist der erste Endbereich der Referenzelektrode innerhalb der Energiespeicherzelle und damit innerhalb des Gehäuses und des Deckels, insbesondere der Kavität, angeordnet. Der zweite Endbereich der Referenzelektrode ist außerhalb der Kavität angeordnet. Der zweite Endbereich der Referenzelektrode ist insbesondere dazu ausgebildet von extern elektrisch leitend kontaktiert zu sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle sind die Referenzelektrode, das Gehäuse und der Deckel voneinander elektrisch isoliert. Damit sind vorteilhafterweise elektrische Potentialdifferenzen zwischen der Referenzelektrode, dem Gehäuse und dem Deckel bestimmbar.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle umfasst das Gehäuse oder der Deckel eine Ausnehmung, durch die die Referenzelektrode geführt ist. Die Ausnehmung ist beispielsweise in dem Gehäuse in der ersten Grundfläche angeordnet oder die Ausnehmung ist beispielsweise in dem Deckel in der zweiten Grundfläche angeordnet. Alternativ ist die Ausnehmung in der Seitenfläche des Gehäuses angeordnet. Die Ausnehmung durchbricht das Gehäuse oder den Deckel insbesondere vollständig.
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Eine Querschnittsfläche der Ausnehmung der Energiespeicherzelle, die quer zu der Referenzelektrode verläuft, ist beispielsweise größer als eine Querschnittsfläche der Referenzelektrode. Insbesondere ist ein Durchmesser der Ausnehmung größer als der Durchmesser der Referenzelektrode, sodass die Referenzelektrode durch die Ausnehmung aus der Kavität hinausführbar ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist die Ausnehmung mittels eines Dichtmaterials hermetisch dicht verschlossen. Beispielsweise ist das Dichtmaterial vollständig zwischen der Referenzelektrode und einer die Ausnehmung begrenzenden Seitenfläche der Ausnehmung angeordnet.
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Das Dichtmaterial ist beispielsweise dazu ausgebildet einen Stoffaustausch zwischen der Kavität und einer die Energiespeicherzelle umgebenden Umgebung zu verhindern. Vorteilhafterweise ist die in der Kavität angeordnete Elektrodenanordnung so besonders gut gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle umfasst die Elektrodenanordnung eine Elektrodenfolie. Die Elektrodenfolie umfasst insbesondere eine einzelne erste Separatorschicht, eine einzelne erste Elektrodenschicht, eine einzelne zweite Separatorschicht und eine einzelne zweite Elektrodenschicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist die Elektrodenfolie um eine Wickelachse gewickelt. Insbesondere ist die Wickelachse parallel zu der Haupterstreckungsrichtung der Energiespeicherzelle orientiert. Die Elektrodenfolie ist beispielsweise zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt, wobei der Elektrodenwickel die Elektrodenanordnung bildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist die Referenzelektrode zwischen zwei äußersten aufgewickelten Lagen der Elektrodenfolie angeordnet. Der Elektrodenwickel ist beispielsweise startend von einem ersten Endbereich der Elektrodenfolie bis zu einem zweiten Endbereich der Elektrodenfolie aufgewickelt. Der erste Endbereich ist beispielsweise direkt an der Wickelachse angeordnet und der zweite Endbereich an einer Außenfläche des Elektrodenwickels. Beispielsweise umfasst der Energiewickel von der Wickelachse bis zu der Außenfläche in Abhängigkeit einer Wicklungszahl mehrere Lagen. Die Wicklungszahl gibt hierbei an, wie oft die Elektrodenfolie um die Wickelachse gewickelt ist.
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Beispielsweise ist der erste Endbereich der Referenzelektrode zwischen der äußersten Lage des Elektrodenwickels und der direkt daran angrenzenden Lage angeordnet. Ein Innenbereich des Elektrodenwickels, insbesondere ein Bereich von der an die äußerste Lage angrenzenden Lage bis zu der Wickelachse, ist frei von der Referenzelektrode.
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Insbesondere ist der erste Endbereich der Referenzelektrode im zweiten Endbereich der Elektrodenfolie angeordnet.
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Der zweite Endbereich der Elektrodenfolie erstreckt sich beispielsweise höchstens 5 cm, insbesondere höchstens 1 cm oder höchstens 0,5 cm, im nicht aufgewickelten Zustand, in Richtung des ersten Endbereichs der Elektrodenfolie. Beispielsweise ist die weitere Separatorschicht ausschließlich im zweiten Endbereich der Elektrodenfolie zumindest teilweise angeordnet. Insbesondere erstreckt sich die weitere Separatorschicht im zweiten Endbereich nicht über eine gesamte Breite, also von Seitenfläche zu Seitenfläche der Elektrodenfolie, des Elektrodenwickels.
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Die Referenzelektrode ist weiterhin an der Außenfläche des Elektrodenwickels angeordnet, wo die Referenzelektrode zu der ersten Grundfläche, der zweiten Grundfläche oder der Seitenfläche der Energiespeicherzelle geführt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle umfasst die Elektrodenanordnung mehr als ein Stapel, die übereinander gestapelt angeordnet sind. Jeder Stapel umfasst eine Vielzahl der ersten Separatorschichten, eine Vielzahl der ersten Elektrodenschichten, eine Vielzahl der zweiten Separatorschichten und eine Vielzahl der zweiten Elektrodenschichten. Diese Vielzahl an Schichten sind in folgender Reihenfolge alternierend entlang der Haupterstreckungsrichtung der Energiespeicherzelle übereinander gestapelt angeordnet: erste Separatorschicht, erste Elektrodenschicht, zweite Separatorschicht und zweite Elektrodenschicht.
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Die Referenzelektrode ist beispielsweise zwischen einer der ersten Separatorschichten oder einer der zweiten Separatorschichten und der weiteren Separatorschicht angeordnet. Die weitere Separatorschicht ist in diesem Fall auf einer der ersten Elektrodenschichten oder auf einer der zweiten Elektrodenschichten angeordnet.
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Es ist möglich, dass eine Anfangssequenz der ersten drei Schichten von einem der Stapel und eine Endsequenz der letzten drei Schichten von einem der Stapel gleich sind. Die Anfangssequenz und die Endsequenz umfassen in diesem Fall eine der ersten Separatorschichten, einer der ersten Elektrodenschichten und einer der zweiten Separatorschichten, insbesondere in angegebener Reihenfolge.
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Insbesondere stehen alle Elemente, also die Separatorschichten, die Elektrodenschichten und die Referenzelektrode, mit den jeweiligen direkt benachbarten Elementen in direktem und unmittelbarem Kontakt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle ist die Referenzelektrode zwischen einem zusätzlichen Stapel und einem der Stapel angeordnet. Insbesondere ist der zusätzliche Stapel zwischen zumindest zwei der Stapel angeordnet, wobei der zusätzliche Stapel die weitere Separatorschicht und die erste Elektrodenschicht oder die zweite Elektrodenschicht umfasst. Beispielsweise bedeckt die weitere Separatorschicht die erste Elektrodenschicht oder die zweite Elektrodenschicht des zusätzlichen Stapels vollständig.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle umfasst die Referenzelektrode einen Metalldraht. Der Metalldraht umfasst oder besteht beispielsweise aus Gold .
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle umfasst die elektrisch isolierende Schicht einen Kunststoff. Bei dem Kunststoff handelt es sich beispielsweise um ein Polyimid.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Energiespeicherzelle umfasst das Dichtmaterial ein Epoxidharz. Beispielsweise umfasst das Dichtmaterial eine Epoxidharz-Metallverbindung.
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Des Weiteren wird ein Energiespeicher angegeben, der zumindest eine der hier beschriebenen Energiespeicherzellen umfasst. Demzufolge sind die Merkmale in Verbindung mit dem Energiespeicher auch in Verbindung mit der Energiespeicherzelle beschrieben und umgekehrt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Energiespeicher eine Vielzahl der Energiespeicherzellen. Die Energiespeicherzellen sind beispielsweise an Gitterpunkten eines zweidimensionalen, 2D, Bravaisgitters angeordnet. Bei dem Gitter handelt es sich beispielsweise um ein quadratisches Gitter oder um ein hexagonales Gitter.
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Jede Energiespeicherzelle weist zum Beispiel eine Haupterstreckungsrichtung auf. Beispielsweise sind die Haupterstreckungsrichtungen aller Energiespeicherzellen parallel zueinander angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Energiespeichers sind die Potentiale der Arbeitselektroden zu den jeweiligen Referenzelektroden und die Potentiale der Gegenelektroden zu den jeweiligen Referenzelektroden individuell bestimmbar. Insbesondere sind die Potentiale von allen Arbeitselektroden zu den jeweiligen Referenzelektroden und die Potentiale von allen Gegenelektroden zu den jeweiligen Referenzelektroden individuell bestimmbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Energiespeicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 und 3 eine Energiespeicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel
- 4 und 5 jeweils ein beispielhaftes Diagramm der Potentiale einer Energiespeicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel gegenüber einer Zeit,
- 6 ein beispielhaftes Diagramm von Anodenpotentialen gegenüber einer Kapazität einer Energiespeicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Energiespeicherzelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 umfasst eine Arbeitselektrode 2 und eine Gegenelektrode 3. Die Arbeitselektrode 2 formt ein Gehäuse 13 der Energiespeicherzelle 1 und die Gegenelektrode 3 formt einen Deckel 14 der Energiespeicherzelle. Das Gehäuse 13 und der Deckel 14 schließen eine Kavität ein, in der eine Elektrodenanordnung 4 angeordnet ist.
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Die Elektrodenanordnung 4 gemäß der 1 umfasst zwei Stapel 17, die übereinander gestapelt angeordnet sind. Insbesondere sind die Stapel 17 entlang einer Haupterstreckungsrichtung der Energiespeicherzelle 1 übereinander angeordnet. Jeder der Stapel 17 umfasst eine Vielzahl von Schichten, nämlich eine Vielzahl von ersten Separatorschichten 6, eine Vielzahl von ersten Elektrodenschichten 7, eine Vielzahl von zweiten Separatorschichten 8 und eine Vielzahl von zweiten Elektrodenschichten 9. Diese Schichten sind alternierend übereinander angeordnet, wobei eine Periode der Stapel folgende Schichten in angegebener Reihenfolge umfasst: erste Separatorschicht 6, erste Elektrodenschicht 7, zweite Separatorschicht 8 und zweite Elektrodenschicht 9.
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Die ersten drei Schichten und die letzten drei Schichten von jedem der Stapel 17 sind gleich und umfassen folgende Reihenfolge: erste Separatorschicht 6, erste Elektrodenschicht 7, zweite Separatorschicht 8.
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Die Reihenfolge ist hier von einer ersten Grundfläche der Energiespeicherzelle 1 zu einer zweiten Grundfläche der Energiespeicherzelle 1 definiert. Die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche erstrecken sich senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung. Weiterhin ist die erste Grundfläche mit dem Gehäuse 13 geformt und die zweite Grundfläche mit dem Deckel 14.
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Die Energiespeicherzelle 1 umfasst weiterhin eine Referenzelektrode 5, die zumindest teilweise in der Elektrodenanordnung 4 angeordnet ist. Ein erster Endbereich der Referenzelektrode 5 ist zwischen einer letzten Schicht des ersten Stapels 17, insbesondere der zweiten Separatorschicht 8, und der weiteren Separatorschicht 10 angeordnet. Die zweite Separatorschicht 8 und die weitere Separatorschicht 10 sind dazu ausgebildet die Referenzelektrode 5 von der ersten Elektrodenschicht 7 und der zweiten Elektrodenschicht 9 elektrisch leitend zu isolieren.
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Die Referenzelektrode 5 umfasst ein elektrisch leitendes Material, insbesondere ein elektrisch leitendes Metall, wie zum Beispiel Gold. Eine Mantelfläche 11 der Referenzelektrode 5 ist beispielsweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht, die insbesondere einen Kunststoff umfasst, bedeckt. Eine Stirnfläche 12 der Referenzelektrode 5 ist frei von der elektrisch isolierenden Schicht.
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Die weitere Separatorschicht 10 gemäß 1 ist Teil eines zusätzlichen Stapels 18, wobei der zusätzliche Stapel zwischen der Referenzelektrode 5 und dem zweiten der Stapel 17 angeordnet ist. Der zusätzliche Stapel 18 umfasst die weitere Separatorschicht 10, die der Referenzelektrode 5 zugewandt ist, und die zweite Elektrodenschicht 9, die der Referenzelektrode 5 abgewandt ist.
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Die Energiespeicherzelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 umfasst eine Elektrodenanordnung 4, die mit einer Elektrodenfolie gebildet ist. Die Elektrodenfolie ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel um eine Wickelachse zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Die Elektrodenfolie ist entlang ihrer Breite, die einer minimalen Ausdehnung der Elektrodenfolie in z-Richtung gemäß 2 entspricht, um die Wickelachse aufgewickelt.
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Durch die Wicklung umfasst der Elektrodenwickel in radialer Richtung, beispielsweise in x-Richtung und/oder in y-Richtung gemäß 3, ausgehend von der Wickelachse im Zentrum des Elektrodenwickels zu einer Außenfläche des Elektrodenwickels mehrere Lagen. Innere Lagen des Elektrodenwickels sind im Bereich der Wickelachse angeordnet und äußere Lagen des Elektrodenwickels sind im Bereich der Außenfläche des Elektrodenwickels angeordnet.
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Insbesondere ist die Anzahl der Lagen direkt proportional abhängig von einer Wicklungszahl der Elektrodenfolie um die Wickelachse.
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Die Referenzelektrode 5 und die weitere Separatorschicht 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der äußersten Lage des Elektrodenwickels und der direkt daran angrenzenden Lage angeordnet. Das heißt, die Referenzelektrode 5 und die weitere Separatorschicht 10 sind zwischen den äußersten beiden Lagen des Elektrodenwickels angeordnet. Die als gestrichelt dargestellten Kreise in 2 und 3 markieren jeweils den gleichen Bereich des Elektrodenwickels.
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Von der Außenfläche des Elektrodenwickels zur Wickelachse umfasst eine einzelne Lage des Elektrodenwickels beispielsweise die erste Separatorschicht 6, die erste Elektrodenschicht 7, die zweite Separatorschicht 8 und die zweite Elektrodenschicht 9. In diesem Fall ist die zweite Elektrodenschicht 9 der äußersten Lage der ersten Separatorschicht 6 der direkt daran angrenzenden Lage zugewandt. Die weitere Separatorschicht 10 ist auf der zweiten Elektrodenschicht 9 der äußersten Lage im Bereich der freiliegenden Stirnfläche 12 der Referenzelektrode 5 angeordnet. Damit ergibt sich entlang der y-Richtung, von der Außenfläche des Elektrodenwickels zur Wickelachse, folgende Schichtreihenfolge für die äußersten beiden Lagen: erste Separatorschicht 6, erste Elektrodenschicht 7, zweite Separatorschicht 6 und zweite Elektrodenschicht 9 der äußersten Lage - weitere Separatorschicht 10 und Referenzelektrode 5 - und erste Separatorschicht 6, erste Elektrodenschicht 7, zweite Separatorschicht 8 und zweite Elektrodenschicht 9 der an die äußerste Lage direkt angrenzenden Lage.
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Die Referenzelektrode 5 wird an der Außenfläche des Elektrodenwickels zu dem Deckel 14 geführt. Die Referenzelektrode 5 ist beispielsweise um den Elektrodenwickel herumgewickelt. Der Deckel 14 weist eine Ausnehmung 15 auf, durch die die Referenzelektrode 5 geführt ist.
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In der Ausnehmung 15 ist um die Referenzelektrode 5 ein Dichtmaterial 16 angeordnet. Das Dichtmaterial 16 ist dazu ausgebildet die Ausnehmung 15 und insbesondere die Kavität, die mit Deckel 14 und Gehäuse 13 gebildet ist, hermetisch dicht zu verschließen.
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Auf den y-Achsen der Diagramme der 4, 5 und 6 ist jeweils ein Potential, insbesondere eine Potentialdifferenz, gegenüber einer Zeit t in [s] aufgeführt.
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Die Messkurve, dargestellt als gestrichelt gepunktete Linie, entspricht einer Potentialdifferenz zwischen der Arbeitselektrode 2 und der Gegenelektrode 3. Die durchgezogen dargestellte Messkurve entspricht einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 5 und der Gegenelektrode 3. Die gepunktet dargestellte Messkurve entspricht einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 5 und der Arbeitselektrode 2.
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Gemäß 4 sind drei Ladevorgänge und drei Entladevorgänge einer hier beschriebenen Energiespeicherzelle 1 gemäß einer der 1 oder 2 dargestellt. Gemäß 5 sind acht Ladevorgänge und acht Entladevorgänge einer hier beschriebenen Energiespeicherzelle 1 gemäß einer der 1 oder 2 dargestellt.
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Das Potential, insbesondere die Potentialdifferenz, auf der y-Achse der 6 ist zwischen der Referenzelektrode 5 und der Arbeitselektrode 2 angegeben. Auf der x-Achse ist eine Energiespeicherzellenkapazität C in [Ah] aufgeführt. Jede der Kurven entspricht einem Ladevorgang und einem Endladevorgang gemäß dem Diagramm der 5.
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Referenzzeichenliste
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- 1
- Energiespeicherzelle
- 2
- Arbeitselektrode
- 3
- Gegenelektrode
- 4
- Elektrodenanordnung
- 5
- Referenzelektrode
- 6
- erste Separatorschicht,
- 7
- erste Elektrodenschicht,
- 8
- zweite Separatorschicht
- 9
- zweite Elektrodenschicht
- 10
- weitere Separatorschicht
- 11
- Mantelfläche
- 12
- Stirnfläche
- 13
- Gehäuse
- 14
- Deckel
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Dichtmaterial
- 17
- Stapel
- 18
- zusätzlicher Stapel
