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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, eine elektrochemische Speicherzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente einer elektrochemischen Speicherzelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Nutzung eines Bruttovolumens einer elektrochemischen Speicherzelle sowie eine verbesserte Wärmeabfuhr aus einer elektrochemischen Speicherzelle.
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Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Ein derzeit weit verbreitet verfolgtes Konzept besteht darin, elektrochemische Rundzellen zu Verbünden zusammenzufassen, welche als Traktionsenergiespeicher verwendet werden. Insbesondere bei der Aufnahme und Abgabe hoher elektrischer Leistungen erwärmen sich die elektrochemischen Rundzellen mitunter erheblich. Dies kann die Betriebssicherheit und/oder die Lebensdauer des Traktionsenergiespeichers mindern, wenn keine geeigneten Gegenmaßnahmen bzw. Entwärmungskonzepte vorgesehen werden.
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Im Stand der Technik werden die elektrochemischen Rundzellen üblicherweise achsparallel in Gehäuse eingesetzt und gegebenenfalls miteinander verklebt/ verschäumt. Dies kann die Wärmeabfuhr über die Mantelfläche behindern, wenn keine Kühlkanäle zwischen den Rundzellen vorgesehen sind. In jedem Fall ist eine Wärmeabfuhr über die Stirnseiten der Rundzellen zu begrüßen, da hier ohnehin für die elektrische Kontaktierung der Peripherie Anschlussleitungen und/oder Stromschienen vorgesehen sind.
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Die stirnseitige Wärmeabgabe der Rundzellen wird durch üblicherweise vergleichsweise niedrigflächige positive Anschlüsse (Pluspole) beschränkt. Auch die Schweißfläche ist im Stirnseitenbereich sehr klein. Dies verringert die für den Wärmeaustausch wirksame stirnseitige Fläche. Zudem sind mitunter komplexe Strukturen im Bereich der Stirnseite vorgesehen, welche die Nutzung des Bruttovolumens der Rundzelle für die Speicherung elektrochemischer Energie erschwert.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu lindern.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente einer elektrochemischen Speicherzelle gelöst.
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Es ist ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung, die stirnseitige Wärmeabfuhr durch Vergrößerung des Schweißnahtbereiches im Bereich der Stirnseite zu vergrößern. Mit anderen Worten wird die Anlagefläche zwischen der Jellyroll und dem Pluspol vergrößert, sodass die Windungen der Jellyroll annähernd identisch thermische Energie an den Pluspol bzw. den positiven Stromsammler abgeben können. Insbesondere wird der positive Stromsammler unmittelbar als stirnseitiger Deckel der elektrochemischen Speicherzelle verwendet. Mit anderen Worten wird ein Blech stirnseitig in die elektrochemische Speicherzelle eingelassen, welches unmittelbar mit der positiven Elektrode der Jellyroll verschweißt wird.
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Anders ausgedrückt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente einer elektrochemischen Speicherzelle vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte aufweist. In einem ersten Schritt wird eine Jellyroll mit zwei Elektroden bereitgestellt. Dies kann eine Aufwicklung zweier Elektroden umfassen, wobei sich zwischen den beiden Elektroden insbesondere eine Separator-Schicht befinden kann. Die elektrochemische Speicherzelle kann für die Speicherung elektrochemischer Energie als Traktionsenergie für das Fortbewegungsmittel vorgesehen sein. Anschließend wird eine erste Blechscheibe auf eine erste Stirnseite der Jellyroll zur Verbindung mit einer ersten der Elektroden geschweißt. Die erste Elektrode kann hierzu in Richtung der ersten Stirnseite aus der Jellyroll hervorstehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Anschlussfahne in Richtung der ersten Stirnseite aus der Jellyroll hervorstehen, welche mit der ersten Blechscheibe verschweißt wird. Es können sich weitere Schritte anschließen, bis in einem nächsten Schritt die Jellyroll in einen Mantel oder eine vollständige Dose (Englisch „Can“) eingeführt wird. Die erste Blechscheibe fügt sich hierbei derart in das Gehäuse der Speicherzelle ein, dass zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen der ersten Blechscheibe und dem Mantel des Gehäuses angeordnet werden kann. Dieser Schritt kann auch vor dem Einführen der Jellyroll in den Mantel und alternativ oder zusätzlich zeitgleich mit diesem Schritt ausgeführt werden. Wichtig ist lediglich, dass die erste Blechscheibe derart vor einem galvanischen Kontakt mit dem Mantel geschützt wird, dass eine elektrische Verbindung auch nach einem anschließenden Crimpvorgang nicht versehentlich zustande kommt. Auf diese Weise bleibt die erste Blechscheibe auf dem elektrischen Potential der ersten Elektrode der Jellyroll, während die Gehäusebestandteile „Mantel“ und eine zweite, der ersten Blechscheibe bezüglich der Jellyroll gegenüberliegende, Blechscheibe floaten können bzw. sich auf einem unbestimmten oder gar negativen elektrischen Potential befinden können. Die Vercrimpung des Mantels zur Sicherung der ersten Blechscheibe kann beispielsweise oberhalb der ersten Blechscheibe derart erfolgen, dass die erste Blechscheibe durch die Vercrimpung des Mantels im Wesentlichen gegen ein Entfernen der ersten Blechscheibe aus dem Gehäuse gesichert wird. Zusätzlich kann eine weitere Crimpung vorgenommen werden, welche die erste Blechscheibe davon abhält, zu tief in das Gehäuse einzudringen. Beispielsweise kann eine umlaufende Nut in der Außenseite im Bereich der Stirnseite eine Art Sims auf der Innenseite der Mantelfläche ausbilden, auf welchem die Isolation aufliegt und ihrerseits die erste Blechscheibe trägt. Insbesondere durch eine elastische Isolation kann die erste Blechscheibe auch im Gehäuse festgeklemmt bzw. zentriert werden. Dadurch, dass die gesamte erste Blechscheibe das positive Potential der Jellyroll aufweist, kann nun einerseits eine weniger akkurat platzierte Schweißung einer Leitung/Stromschiene erfolgreich erfolgen und andererseits eine erhöhte Wärmeabfuhr über die Stirnseite gewährleistet werden. Dies ist insbesondere der Tatsache geschuldet, dass es sich bei der ersten Blechscheibe um eine annähernd den gesamten Durchmesser der elektrochemischen Speicherzelle bemessendes Element handelt, welches als metallische Komponente sehr gute Wärmeleitungseigenschaften aufweist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt kann eine zweite Stirnseite der Jellyroll, welche insbesondere elektrische Kontakte einer zweiten Elektrode der Elektroden aufweist, mit dem Gehäuse und/oder dem Mantel der elektrochemischen Speicherzelle verbunden werden. Die zweite Stirnseite liegt der ersten Stirnseite bezüglich der Jellyroll gegenüber. Die zweite Stirnseite kann durch den Boden einer tiefgezogenen Can gebildet werden. Alternativ kann die zweite Stirnseite als zweite Blechscheibe ausgestaltet sein, welche ihrerseits mit dem Mantel des Gehäuses vercrimpt wird. Auch hier kann eine Dichtung/Isolation in Form einer Einlage zwischen der zweiten Blechscheibe und dem Mantel vorgesehen sein. Die zweite Blechscheibe kann auch zusätzlich zu einem geschlossenen Boden des Gehäuses vorgesehen werden. Dies hat den Vorteil, dass bereits vor dem Einführen der Jellyroll in das Gehäuse bzw. dessen Mantel eine Verschweißung der bodenseitigen Anschlussfahnen der Jellyroll mit der zweiten Blechscheibe erfolgen kann. Eine erfolgreiche Verschweißung der zweiten Blechscheibe mit dem Boden des Zellbechers kann nun besonders prozesssicher erfolgen.
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Bevorzugt wird das Gehäuse mittels der Vercrimpung im Wesentlichen hermetisch, insbesondere flüssigkeitsdicht, verschlossen. Hierbei fungiert die elektrische Isolation zumindest im Bereich der ersten Stirnseite bzw. der ersten Blechscheibe auch als Dichtung. Sie kann als Ringdichtung und/oder zylindrische Dichtung vorgesehen sein. Die Dichtung kann ein Gummi, ein Polymer, ein Elastomer o.ä. aufweisen.
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Die erste Blechscheibe kann ein elektrisches Anschlussterminal für eine elektrische Peripherie darstellen oder aufweisen. Beispielsweise kann die erste Blechscheibe eine tiefgezogene Struktur aufweisen, eine Lasche, eine Öse, eine Anschlussfahne o.ä. umfassen oder anderweitig eingerichtet sein, einfach und prozesssicher mit einer elektrischen Peripherie der elektrochemischen Speicherzelle verbunden zu werden. Die Struktur kann auch aufgeschweißt sein, um die Fertigung der ersten Blechscheibe möglichst einfach vornehmen zu können.
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Die Blechscheibe kann über die elektrische Isolation nach dem Vercrimpen vom Mantel elektrisch isoliert sein. Mit anderen Worten verformt sich die elektrische Isolation bevorzugt durch den Crimp-Vorgang derart, dass der Rand der Blechscheibe vollständig galvanisch vom Mantel getrennt festgelegt wird. Bevorzugt kann die erste Blechscheibe hierbei entgratet werden, um die elektrische Isolation während des Crimp-Vorgangs nicht zu beschädigen. Durch das Vercrimpen der elektrischen Isolation ist diese auch gegen ein Verrutschen gesichert und muss nicht beispielsweise durch Adhesiva zusätzlich gesichert werden.
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Bevor die elektrochemische Speicherzelle fertiggestellt wird, muss das Elektrolyt in das Gehäuse eingefüllt werden. Insbesondere kann dies erfolgen, bevor die erste Blechscheibe in das Gehäuse eingefügt wird. Insbesondere erfolgt das Befüllen des Gehäuses mit dem Elektrolyten, bevor die erste Blechscheibe im Gehäuse festgelegt wird (vercrimpt wird).
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Die erste Blechscheibe kann Kupfer aufweisen bzw. insbesondere aus Kupfer bestehen. Die erste Blechscheibe kann eine Wandstärke von 0,05 mm bis 0,7 mm aufweisen, insbesondere zwischen 0,1 mm und 0,5 mm stark sein. Entsprechende Maße können für die zweite Blechscheibe gelten. Die zweite Blechscheibe kann insbesondere Aluminium aufweisen oder aus Aluminium bestehen. Bevorzugt weist der Mantel eine hohlzylindrische Form auf. Er kann Eisen umfassen oder aus einer Eisenlegierung (z.B. Eisen-Kupfer-Legierung) bestehen. Er kann eine Wandstärke von 0,2 mm bis 0,7 mm, insbesondere zwischen 0,3 mm und 0,6 mm aufweisen. Die oben genannten Materialien und Wandstärken haben sich in den Versuchen als vorteilhaft für die elektrische und mechanische Stabilität der elektrischen Speicherzelle herausgestellt.
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Die zweite Blechscheibe kann zwischen der zweiten Stirnseite der Jellyroll und einer nächstgelegenen Stirnseite des Gehäuses (bzw. des Zellbecherbodens) angeordnet sein. Insbesondere ist auch die zweite Blechscheibe mit der Jellyroll (insbesondere ihrer zweiten Elektrode) verschweißt. Sofern der Zellbecher negatives Potential aufweisen soll, kann die zweite Blechscheibe mit dem Zellbecher verschweißt werden. Sofern eine alternative Kontaktierung der zweiten Elektrode der Jellyroll vorgesehen ist, muss eine elektrische Isolation zwischen der zweiten Blechscheibe und dem Zellbecher sichergestellt werden. Beispielsweise kann eine elektrisch isolierende Schicht zwischen der zweiten Blechscheibe und der zweiten Stirnseite des Gehäuses vorgesehen sein.
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Die elektrochemische Speicherzelle kann eine Rundzelle sein. Rundzellen haben sich als besonders langlebig und einfach herzustellen herausgestellt. Bei Rundzellen werden die elektrischen Potentiale üblicherweise auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten abgegriffen.
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Wenn im Rahmen der obigen Beschreibung von einer konkreten Zuordnung eines positiven Potentials bzw. eines negativen Potentials die Rede ist, versteht der Fachmann ohne Weiteres, dass dies lediglich beispielhaft zu verstehen ist und eine umgekehrte Orientierung der elektrischen Potentiale innerhalb der elektrochemischen Speicherzelle ebenso möglich und damit hier offenbart ist.
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Sowohl die erste Blechscheibe als auch die zweite Blechscheibe können bereits vor der Einführung der Jellyroll in den Mantel mit der Jellyroll verschweißt werden. Alternativ kann zumindest eine, bevorzugt beide Blechscheiben nach Einführen der Jellyroll in den Mantel mit der Jellyroll verschweißt werden. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrochemische Speicherzelle vorgeschlagen, welche durch ein Herstellungsverfahren erhältlich ist, wie es oben beschrieben worden ist. Die elektrochemische Speicherzelle weist eine Jellyroll mit zwei Elektroden auf, welche durch eine Separatorschicht getrennt sein können. Eine erste Blechscheibe ist auf eine erste Stirnseite der Jellyroll geschweißt. Der Mantel des Gehäuses ist aus Metall und wird durch eine elektrische Isolation gegenüber der ersten Blechscheibe elektrisch isoliert. Im Ergebnis ergibt sich eine vergleichsweise große und unmittelbar mit der äußeren Stirnseite verbundene Jellyroll. Dies hat Vorteile bezüglich des genutzten Bruttovolumens der elektrochemischen Speicherzelle sowie bezüglich der Entwärmungscharakteristiken zur Folge.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches zumindest eine elektrochemische Speicherzelle gemäß dem erstgenannten Erfindungsobjekt aufweist. Die elektrochemische Speicherzelle kann insbesondere in einem Verbund mit mehreren entsprechenden elektrochemischen Speicherzellen vorgesehen sein, wobei der Verbund den Traktionsenergiespeicher darstellt, welcher die elektrische Traktionsmaschine des Fortbewegungsmittels mit Traktionsenergie versorgt.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine Bildsequenz veranschaulichend einzelne Schritte des Herstellungsverfahrens eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle;
- 2 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers (Rundzelle) gemäß dem Stand der Technik;
- 3 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle;
- 4 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle; und
- 5 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Komponente einer elektrochemischen Speicherzelle.
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1 zeigt eine Sequenz schematischer Darstellungen von Schritten bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle. In Teilfigur a) wird eine Jellyroll 3 bereitgestellt, welche zwei Elektroden aufweist. Eine erste Elektrode weist eine erste Anschlussfahne 10 auf, welche die obere (erste) Stirnseite 7 der Jellyroll 3 ausbildet. Eine zweite Elektrode weist eine zweite Anschlussfahne 11 auf, welche eine zweite, der ersten Stirnseite 7 bezüglich der Jellyroll 3 gegenüberliegende Stirnseite 8 ausbildet. In Teilfigur b) sind die Anschlussfahnen 10, 11 kompaktiert worden, sodass sich eine schweißbare Oberfläche bildet, welche weniger Lufteinschlüsse aufweist und somit auch bezüglich der Wärmeleitfähigkeit Vorteile aufweist. In c) werden eine erste Blechscheibe 4 auf der ersten Stirnseite 7 und eine zweite Blechscheibe 9 auf der zweiten Stirnseite 8 verschweißt. Schweißelektroden 12 werden hierzu verwendet, um elektrische Energie durch die Blechscheiben 4, 9 und die kompaktierten Anschlussfahnen 10, 11 zu leiten und gleichzeitig Druck auf die Blechscheiben 4, 9 auszuüben. In d) wurde die in c) gezeigte Anordnung in ein Gehäuse 5 eingefügt. Das Gehäuse weist einen (nicht dargestellten) Gehäuseboden auf, wodurch sich das Gehäuse als Zellbecher qualifiziert. In Teilfigur e) wird die zweite Blechscheibe 9 mit dem Boden des Zellbechers durch erneute Aufbringung von Schweißelektroden 12 verschweißt. Mit anderen Worten ist die zweite Blechscheibe 9 nun mit dem Boden des Zellbechers verschweißt. In Teilfigur f) wird nun eine Isolation 6 in Form eines Rings um die bereits mit der kompaktierten oberen Anschlussfahne 10 verschweißte erste Blechscheibe 4 gelegt, um diese gegenüber dem Gehäuse 5 zu isolieren und nach der Vercrimpung des Gehäuses abzudichten. In Teilfigur g) wird eine umlaufende Nut 13 in die stirnseitige Mantelfläche eingearbeitet. Durch die Nut 13 ist die erste Blechscheibe 4 gegen ein zu weites Eindringen in das Volumen des Gehäuses 5 geschützt. Anders ausgedrückt ergibt sich ein Sims, auf welchem die erste Blechscheibe 4 vermittelt durch die Isolation 6 aufliegt. Die Teilfiguren h), i) und j) zeigen unterschiedliche Phasen beim Crimpvorgang und die Anordnung der Isolation 6 währenddessen. Die Isolation wird in Teilfigur h) über den stirnseitigen Rand des Mantels gestülpt und ragt in das Volumen des Gehäuses 5 hinein. In i) wird die stirnseitige Nut 13 eingearbeitet und in Teilfigur j) eine randseitige Crimpung vorgesehen, durch welche die erste Blechscheibe 4 von außen umschlossen wird. In Teilfigur k) erfolgt eine Einbringung des Elektrolyten (durch ein nicht dargestelltes Ventil) und in I) der finale Verschluss des Gehäuses 5 der elektrochemischen Speicherzelle.
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2 zeigt eine geschnittene Darstellung einer gemäß dem Stand der Technik aufgebauten elektrochemischen Rundzelle. In einem der zweiten Stirnseite 8 zugewandten Bodenbereich ist eine doppelte Blechstruktur erkennbar, in deren Zentrum eine Ventilstruktur 15 zur Befüllung des Gehäuses 5 mit Elektrolyt vorgesehen ist. Durch die Doppelung der Blechstruktur geht wertvolles Volumen für die Speicherung elektrochemischer Energie verloren. Zudem ist die Wärmezufuhr gestört. Das Bruttovolumen der elektrochemischen Speicherzelle 2 wird daher nicht optimal genutzt. Im Bereich der ersten Stirnseite 7 ist eine einzelne Lage des Gehäuses 5 vorgesehen, da das Gehäuse 5 als Zellbecher vorgesehen ist. Zentral ist ein Schweißbereich 16 vorgesehen, in welchem die Kathode mit dem elektrisch gegenüber dem Zellbecher isolierten Kathodenanschluss verschweißt ist.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle 2, welche anders als die in 2 dargestellte elektrochemische Speicherzelle im Bereich des positiven Anschlusses mittels einer ersten Blechscheibe 4 verschlossen ist. Die erste Blechscheibe 4 ist über eine (nicht dargestellte) Isolation gegenüber dem Zellbecher elektrisch isoliert. Die positive Elektrode der Jellyroll 3 ist mit der ersten Blechscheibe 4 verschweißt. Die negative Elektrode der Jellyroll 3 ist mit einer zweiten Blechscheibe 9 verschweißt, welche wiederum mit dem Boden des Zellbechers verschweißt ist (siehe Punktschweißelektroden 12). Im Bereich der oberen Stirnseite 7 ist die erste Blechscheibe 4 durch eine umlaufende Nut 13 und eine die Oberseite der ersten Blechscheibe 4 umschließende Crimpung 14 beiderseits festgelegt.
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In 4 ist gegenüber der in 3 gezeigten Darstellung die erste Blechscheibe 4 im Bereich der ersten Stirnseite lediglich durch eine Crimpung 14 von außen umschlossen. Die erste Blechscheibe 4 wird allein durch die Jellyroll 3 dagegen gehindert, in Richtung des Gehäusevolumens zu wandern. Dies kann bedingen, dass eine Presspassung zwischen der (nicht dargestellten) Isolation 6 vorgesehen ist, um das Gehäuse 5 fluiddicht zu verschließen.
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5 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Komponente einer elektrochemischen Speicherzelle. In Schritt 100 wird eine Jellyroll umfassend zwei Elektroden bereitgestellt. Die Elektroden sind mit einer Zwischenlage (Separator) auf einen Kern gewickelt. In Schritt 200 wird eine erste Blechscheibe auf eine erste Stirnseite der Jellyroll zur Verbindung mit einer ersten der Elektroden geschweißt. Hierzu sind die Elektroden in axialer Richtung versetzt zueinander aufgewickelt, um eine elektrische Verbindung der ersten Blechscheibe mit der zweiten Elektrode zu vermeiden. In Schritt 300 wird eine zweite Blechscheibe zwischen der zweiten Stirnseite der Jellyroll und einer nächstgelegenen Stirnseite des Gehäuses angeordnet. Sie kann bereits zu diesem Zeitpunkt mit der zweiten Stirnseite der Jellyroll verschweißt werden. In Schritt 400 wird die Jellyroll in einen Mantel eines Gehäuses für die Speicherzelle eingeführt. Der Mantel kann eine hohlzylindrische Form aufweisen. In Schritt 500 wird eine elektrische Isolation zwischen der ersten Blechscheibe und dem Mantel angeordnet. Mit anderen Worten wird eine ringförmige bzw. schlauchstutzenförmige elektrische Isolation über die erste Blechscheibe gepresst, um die erste Blechscheibe elektrisch gegenüber dem Mantel zu isolieren. In Schritt 600 wird die zweite Blechscheibe mit dem Mantel verschweißt. Auf diese Weise erhält der Mantel dasjenige elektrische Potential, welches die zweite Elektrode aufweist. In Schritt 700 wird Elektrolyt in das Gehäuse eingefüllt und somit die elektrochemische Zelle aktiviert. Anschließend wird in einem letzten Schritt 800 der Mantel zur Sicherung der ersten Blechscheibe vercrimpt. Beispielsweise wird eine umlaufende Nut stirnseitig in den Mantel eingebracht, durch welche sich auf der Innenseite des Mantels ein Sims ergibt. Auf diesem liegt die elektrische Isolation, welche wiederum die erste Blechscheibe trägt.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Komponente
- 2
- elektrochemische Speicherzelle
- 3
- Jellyroll
- 4
- erste Blechscheibe
- 5
- Gehäuse
- 6
- Isolation
- 7
- erste Stirnseite
- 8
- zweite Stirnseite
- 9
- zweite Blechscheibe
- 10, 11
- Anschlussfahne
- 12
- Schweißelektroden
- 13
- Nut
- 14
- Crimpung
- 15
- Ventil
- 16
- Schweißbereich
- 100-800
- Verfahrensschritte