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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betriffft eine zylindrische versiegelte Batterie aufweisend eine mit einem Boden versehene zylindrische Anodenhülle in welcher ein Stromerzeugungselement aufgenommen ist, sowie einen Dichtungsring, der zwischen einer Innenwand an der Öffnung dieser Anodenhülle und einer Kathodenanschlussplatte vorgesehen ist, und kann besonders vorteilhaft auf zylindrische oder trommelförmige Lithium-Batterien angewendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei den in den unten genannten Patentdokumenten 1 und 2 offenbarten zylindrischen versiegelten Batterien ist, wie in 2 dargestellt, ein Öffnungsabschnitt einer Anodenhülse 11', in welcher ein stromerzeugendes Element 20 aufgenommen ist, unter Verwendung einer ringförmigen Dichtung bzw. Versiegelungsdichtung 32' dicht versiegelt, die zwischen der Innenwand des Öffnungsabschnitts der Anodenhülse 11' und einem äußeren umlaufenden Rand einer Kathodenanschlussplatte 27 vorgesehen ist.
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Die Anodenhülse 11' hat die Form eines mit einem Boden versehenen Hohlzylinders, wobei ein höckerförmiger Anodenanschluss12durch Pressformung an der äußeren Bodenfläche des Zylinders ausgebildet ist. In der Anodenhülse 11' sind eine Sicke 13, welche das Dichtungselement 32' von unten stützt, sowie ein Abdichtungsabschnitt (Bördelung) 14', welcher von außen gegen das Dichtungselement 32' drückt, ausgebildet. Als Material für das Dichtungselement 32' wird herkömmlicherweise ein Polyolefin-basiertes Harz verwendet.
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Die exemplarisch dargestellte zylindrische versiegelte Batterie ist eine zylindrische Lithium-Batterie, in welcher Lithium für das als Kathode dienende Material 23 verwendet wird, wobei das als Kathode dienende Material 23 zusammen mit einem Separator 22 und einem als Anode dienenden Material 21 in die Anodenhülse 11' gefüllt und mit einem nichtwässrigen Elektrolyt getränkt wird.
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Die Anodenhülse 11' dient sowohl als Anodenkollektor als auch als Anodenanschluss. Gegen das als Kathode dienende Material 23 ist ein Kathodenkollektor 24 gedrückt, welcher über eine Kathodenkollektorleitung 25 mit einem aus Metall gefertigten Versiegelungsblech 26 verbunden ist. Das Versiegelungsblech26trennt die Kathodenanschlussplatte 27 und die Anodenhülse 11' luftdicht voneinander und der Rand des Versiegelungsblechs 26 ist zwischen die Kathodenanschlussplatte 27 und das Dichtungselement 32' geklemmt.
- Patentdokument 1: JP 2000-315497A
- Patentdokument 2: JP 2003-208906A
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JP 2003 -077 429 A beschreibt eine zylindrische versiegelte Batterie mit einer Anodenhülle, welche die Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders aufweist und in welcher ein Stromerzeugungselement aufgenommen ist. Ein ringförmiges Dichtungselement aus Polypropylen ist zwischen der Innenwand an einem Öffnungsabschnitt der Anodenhülle und einer Kathodenanschlussplatte angeordnet, wobei in der Anodenhülle eine Sicke, welche das Dichtungselement von unten stützt, sowie ein Abdichtungsabschnitt, welcher von außen gegen das Dichtungselement drückt, ausgebildet sind. Ferner ist ein Gemisch aus Asphalt und Mineralöl als Siegelmaterial auf das Dichtungselement aufgetragen.
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US 5 462 820 A beschreibt eine andere zylindrische versiegelte Batterie mit einer Anodenhülle, welche die Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders aufweist und in welcher ein Stromerzeugungselement aufgenommen ist, wobei ein ringförmiges Dichtungselement aus Kunstharz zwischen der Innenwand an einem Öffnungsabschnitt der Anodenhülle und einer Kathodenanschlussplatte angeordnet ist. Dabei sind in der Anodenhülle eine Sicke, welche das Dichtungselement von unten stützt, sowie ein Abdichtungsabschnitt, welcher von außen gegen das Dichtungselement drückt, ausgebildet sind, wobei ein Gemisch aus Asphalt und Mineralöl als Siegelmaterial auf das Dichtungselements aufgetragen ist
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JP 2000-103 918 A beschreibt ein Gemisch, das Kaliumtitanatfaser in Polypropylenharz enthält
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JP H09-027304 A beschreibt eine Batterie mit Edelstahlgehäuse.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Von der Erfindung zu Lösende Probleme
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Als die Erfinder die oben beschriebene zylindrische versiegelte Batterieinsbesondere hinsichtlich ihrer Lebensdauer sowie ihrer Hitzebeständigkeit bei hohen Temperaturen untersucht haben, haben sie folgende Probleme erkannt.
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Wenn die Batterie bei hohen Temperaturen von z.B. 95°C oder darüber aufbewahrt wird, dann wird das Dichtungselement 32'aus Polyolefin-basiertem Harz brüchig bzw. spröde, und Flüssigkeit läuft leicht aus. Ferner bilden sich leicht Spalte zwischen der Anodenhülse 11' und dem Dichtungselement 32', was auch wiederum eine Ursache für Undichtigkeiten darstellt. Das Öffnungsende der Anodenhülse 11' ist zwar derart abgedichtet, dass das Dichtungselement 32' von außen abgedichtet sein sollte, allerdings stellte sich heraus, dass zwischen dem Abdichtungsabschnitt 14' und dem Dichtungselement 32' Spalte entstehen, so dass die Dichtigkeit beeinträchtigt wurde.
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Herkömmlicherweise wurden Dichtungen mit Polybuten enthaltendem Siegelmaterial beschichtet, um die Versiegelungsfunktion von Dichtungen zu verbessern. Allerdings wurde festgestellt, dass auch mit solchem Siegelmaterial unter hohen Temperaturen kein ausreichender Effekt erzielt werden kann. Mit anderen Worten, es war nicht möglich, die Hitzebeständigkeit zu verbessern.
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Andererseits ist es bekannt, dass die Verwendung von Fluor-basierten Harzen, wie z.B. PTEE oder PFA, als Mittel zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit von Dichtungen vorteilhaft ist. Nur sind Fluor-basierte Harze zwar sehr hitzebeständig, haben jedoch das Problem sehr teuer zu sein.
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In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme mit dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, mit Materialien und einer Anordnung, die für eine Kostensenkung geeignet sind, auch ohne die Verwendung eines hochpreisigen Fluor-basierten Harzes als Material für das Dichtungselement eine zylindrische versiegelte Batterie bereitzustellen, welche eine Hitzebeständigkeit aufweist, die für Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist.
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Andere Aufgaben und Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden von der nachfolgenden Beschreibung sowie den beiliegenden Figuren deutlich werden.
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MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
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Die erfindungsgemäßen Mittel sind wie folgt:
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(1) Eine zylindrische versiegelte Batterie mit einer Anodenhülle, welche die Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders aufweist und in welcher ein Stromerzeugungselement aufgenommen ist, und einem ringförmigen Dichtungselement, welches zwischen der Innenwand an einem Öffnungsabschnitt der Anodenhülle und einer Kathodenanschlussplatte angeordnet ist, wobei in der Anodenhülle eine Sicke, welche das Dichtungselement von unten stützt, sowie ein Abdichtungsabschnitt, welcher von außen gegen das Dichtungselement drückt, ausgebildet sind,
wobei als Hauptmaterial des Dichtungselements mit pulverförmigen Kaliumtitanat versetztes Polypropylen verwendet wird, dass ein Siegelmaterial auf den äußeren Umfang und den inneren Umfang des Dichtungselements aufgetragen ist, und dass ein Gemisch aus Asphalt und Mineralöl als Siegelmaterial verwendet wird und wobei als Siegelmaterial ein Siegelmaterial verwendet wird, in welchem auf einen Teil Asphalt im Gewichtsverhältnis 1 bis 3 Teile Mineralöl gemischt sind.
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Bei dem obigen Mittel (1) kann ein noch vorteilhafterer Effekt erzielt werden, wenn zusätzlich die folgenden Mittel eingesetzt werden.
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(2) Zylindrische versiegelte Batterie nach Mittel (1) oder (2), wobei das Material der Anodenhülle Edelstahl SUS 304 ist, ihre Dicke 0,2 bis0,3 mm beträgt, und die Länge des gekrümmten Abschnitts, welcher den Abdichtungsabschnitt bildet, 1,2 bis 1,6 mm beträgt.
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(3) Zylindrische versiegelte Batterie nach einem der Mittel (1) bis (3), wobei die Materialhärte der Anodenhülle 150 HV bis 180 HV beträgt.
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(4) Zylindrische versiegelte Batterie nach einem der Mittel (1) bis (3), wobei ferner ein metallenes Versiegelungsblech vorgesehen ist, welches mit einer Kathodenanschlussleitung des in der Anodenhülle aufgenommenen Stromerzeugungselements leitend verbunden ist und eine Kathodenanschlussplatte von der Anodenhülle trennt, wobei Rand des Versiegelungsblechs zwischen die Kathodenanschlussplatte und das Dichtungselement geklemmt ist.
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EFFEKT DER ERFINDUNG
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Mit Materialien und einer Anordnung, die besonders für eine Kostensenkung geeignet sind, kann auch ohne die Verwendung eines hochpreisigen Fluor-basierten Harzes als Material für das Dichtungselement eine zylindrische versiegelte Batterie bereitgestellt werden, welche eine Hitzebeständigkeit aufweist, die für Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist.
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Die obigen Effekte werden von der nachfolgenden Beschreibung und den beiligenden Figuren deutlich werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Querschnitt durch eine zylindrische versiegelte Batterie nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sowie einen vergrößerten Ausschnitt desselben.
- 2 zeigt einen Querschnitt durch eine herkömmliche zylindrische versiegelte Batterie sowie einen vergrößerten Ausschnitt desselben.
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Bezugszeichenliste
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11 ... Anodenhülse, 12 ... Anodenanschluss, 13 ... Sicke, 14 ... Abdichtungsabschnitt (Bördelung), 20 ... stromerzeugendes Element, 21 ... als Anode dienendes Material, 22 ... Separator, 23 ... als Kathode dienendes Material, 24 ... Kathodenkollektor, 25 ... Kathodenanschlussleitung, 26 ... Versiegelungsblech, 27 ... Kathodenanschlussplatte, 32 ... Dichtungselement, 41 ... Versiegelungsmaterial.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine zylindrische versiegelte Batterie nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sowie einen vergrößerten Ausschnitt desselben. Die Batterie nach der in dieser Figur dargestellten Ausführungsform ist eine zylindrische (oder trommelförmige) Lithium-Batterie, in welcher Lithium für das als Kathode dienende Material 23 verwendet wird. Dieses als Kathode dienende Material 23 ist zusammen mit einem Separator 22 sowie einem als Anode dienendes Material 21 in die Anodenhülse 11 gefüllt und in einem nicht-wässrigen Elektrolyt getränkt, um somit ein stromerzeugendes Element 20 zu bilden.
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Die Anodenhülse 11, welche das stromerzeugende Element 20 aufnimmt, hat die Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders und ist mit einer ringförmigen Dichtung bzw. Versiegelungsdichtung luftdicht versiegelt. Dieses Dichtungselement 32 ist zwischen der Innenwand des Öffnungsabschnitts der Anodenhülse 11 und einem äußeren umlaufenden Rand einer Kathodenanschlussplatte 27 vorgesehen.
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Die Anodenhülse 11 ist durch tief gezogenes Pressformen gebildet, wobei ein höckerförmiger Anodenanschluss 12 einstückig mit der äußeren Bodenwand der Anodenhülse ausgebildet ist. In der Anodenhülse 11 sind eine Sicke 13, welche das Dichtungselement 32 von unten stützt, sowie eine Abdichtungsabschnitt (Bördelung) 14, welche von außen gegen das Dichtungselement 32 drückt, ausgebildet.
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Dabei ist der Abdichtungsabschnitt 14 so gebildet, dass seine Länge Lr vom Öffhungsende der Anodenhülse 11 mithin 1.2 bis 1.6 mm beträgt. Das heißt, die Abdichtung erfolgt so, dass die Länge Lr des durch den Abdichtungsabschnitt 14 gebildeten gebogenen Abschnitts im Bereich von 1.2 bis 1.6 mm liegt.
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Als Material für die Anodenhülse 11 kann Edelstahl SU5304 mit einer Materialhärte von 150 HV bis 180 HV verwendet werden. Ihre Dicke beträgt 0.2 bis 0.3 mm.
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Als Hauptmaterial für das Dichtungselement 32 wird mit Kaliumtitanat versetztes Polypropylen verwendet. Dabei wird pulverförmiges Kaliumtitanat dem Polypropylen bei einem Gewichtsverhältnis von etwa 30% hinzugefügt. Die äußere umlaufende Oberfläche und die innere umlaufende Oberfläche des Dichtungselements 32 ist mit einem Versiegelungsmaterial 41 beschichtet. Als Versiegelungsmaterial 41 wird ein Gemisch aus Asphalt und Mineralöl verwendet, wobei auf einen Teil Asphalt im Gewichtsverhältnis 1 bis 3 Teile Mineralöl gemischt werden.
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Ferner trennt in der dargestellten Ausführungsform das metallene Versiegelungsblech 26 die Kathodenanschlussplatte 27 und das Innere der Anodenhülse 11 luftdicht voneinander. Zu diesem Zwecke ist der Rand des Versiegelungsblechs 26 zwischen die Kathodenanschlussplatte 27 und das Dichtungselement 32 geklemmt. Somit ist das Versiegelungsblechs 26 leitend mit der Kathodenanschlussplatte 27 verbunden.
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Eine Kathodenanschlussleitung 25 ist durch Punktschweißen oder dergleichen mit der Innenwand des Versiegelungsblechs 26 (also der Wand auf der Seite des stromerzeugenden Elements 20) leitend verbunden. Die Kathodenanschlussleitung 25 ist elektrisch leitend mit einem netzförmigen Kathodenkollektor 24 verbunden, der an das als Kathode dienende Material 23 gepresst ist.
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In der oben beschriebenen zylindrischen versiegelten Batterie wird als Hauptmaterial für das Dichtungselement 32 mit Kaliumtitanat versetztes Polypropylen verwendet. Dieses Hauptmaterial ist wesentlich billiger als Fluor-basierte Harze und dergleichen, es wurde jedoch gefunden, dass es als Dichtungselement 32 verwendet auch unter hohen Temperaturen nicht dazu neigt, brüchig bzw. spröde zu werden.
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Ferner wurde gefunden, dass auch das auf die äußere umlaufende Oberfläche und die innere umlaufende Oberfläche des Dichtungselements 32 aufgetragene Versiegelungsmaterial 41 den Effekt hat, zu verhindern, dass das Dichtungselement 32 bei hohen Temperaturen brüchig bzw. spröde wird. Dies liegt daran, dass eine Mischung aus Asphalt und Mineralöl als Versiegelungsmaterial 41 verwendet wird. Als Mineralöl kann vorteilhafterweise Turbinenöl verwendet werden. In dieser Ausführungsform wurde „FBK Turbine 32“ von Nippon Oil Corporation verwendet.
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Durch den synergistischen Effekt des Versiegelungsmaterials 41 und des Hauptmaterials des Dichtungselements 32 konnte die Hitzebeständigkeit der Batterie beträchtlich erhöht werden. Somit kann eine zylindrische versiegelte Batterie bereitgestellt werden, welche bei für eine Kostensenkung geeignetem Material und Konfiguration eine Hitzebeständigkeit aufweist, welche für Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist, und zwar auch ohne ein teures Fluor-basiertes Harz als Material für die Dichtung zu verwenden.
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Ferner haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass bezüglich der Dicke und der Materialhärte der Anodenhülse 11, sowie der Länge Lr des Abdichtungsabschnitts 14 die folgenden besonders optimalen Bedingungen vorliegen.
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Der optimale Bereich für die Dicke der Anodenhülse 11 ist 0.2 bis 0.3 mm. Bei weniger als 0.2 mm tritt das Problem auf, dass die Hülse während der Sickenverarbeitung brechen kann. Ferner ist bei Edelstahl mit einer solchen Dicke (von weniger als 0.2 mm) die Verarbeitung der Anodenhülse durch tief gezogenes Pressformen schwierig. Wenn die Dicke andererseits mehr als 0.3 mm beträgt, dann verringert sich das Innenvolumen der Anodenhülse, das Füllvolumen des Elektrodenmaterials (stromerzeugendes Volumen) sinkt und die Batterieeigenschaften werden beeinträchtigt.
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Der optimale Bereich für die Materialhärte der Anodenhülse 11 ist 150 HV-180 HV. Wenn die Härte weniger als 150 HV beträgt, dann neigt das Öffnungsende der Anodenhülse dazu, beim Abdichtungprozess (Bördelungsprozess) verbogen bzw. verzogen zu werden. Bei einer Härte von mehr als 180 HV tritt dagegen leicht das Problem auf dass die Sicke 13 beim Abdichtungprozess leicht knickt bzw. eingedellt wird.
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Der optimale Bereich für die Länge Lr des Abdichtungsabschnitts 14 beträgt 1,2 bis 1,6 mm. Bei weniger als 1,2 mm kommt es leicht zu Knicken bzw. Eindellungen während des Abdichtungsprozesses und das Problem tritt auf, dass die Dichtung reisst oder bricht oder Spalte zwischen der Dichtung und der Anodenhülse entstehen (siehe 2). Wenn die Länge Lr dagegen 1,6 übersteigt, dann wird die Kraft, die die Dichtung niederdrückt, verteilt und somit zu schwach und Undichtigkeiten können auftreten. Ferner kann das Problem auftreten, dass das Versiegelungsmaterial der Kathodenanschlussplatte oder dergleichen sich bei abnormalen Stößen löst.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Mehrere Proben einer zylindrischen versiegelten Batterie nach der vorliegenden Erfindung sowie einer herkömmlichen Batterie desselben Typs wurden hergestellt. Ein Test wurde durchgeführt, in dem die erfindungsgemäßen Produkte und die herkömmlichen Produkte jeweils bei einer hohen Temperatur von 95°C aufbewahrt wurden, und der Gewichtsverlust über die Anzahl von Tagen ermittelt wurde. Dabei steht der Gewichtsverlust im Zusammenhang mit einem Lecken der elektrolytischen Flüssigkeit und ist bei den Batterien größer, je schwächer ihre Versiegelungskraft ist.
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Bei diesem Test betrug der Gewichtsverlust nach 20 Tagen bei 95°C bei den herkömmlichen Produkten 50 mg und bei den erfindungsgemäßen Produkten 20 mg. Ferner waren unter den herkömmlichen Produkten solche, welche nach 40 Tagen leckten. Auch bei den Produkten, die nicht leckten, erreichte der Gewichtsverlust 100 mg. Dagegen war unter den erfindungsgemäßen Produkten keines, das leckte, und auch der Gewichtsverlust war bei Werten bis zu 45 mg gering.
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Vorstehend wurde die vorliegende Erfindung anhand eines typischen Ausführungsbeispiels erläutert, allerdings sind für die Erfindung auch verschiedene andere Ausführungen als die oben erläuterten möglich. Zum Beispiel ist die Erfindung zwar besonders vorteilhaft, wenn sie auf zylindrische oder trommelförmige Lithiumbatterien angewendet wird, aber sie kann auch vorteilhaft auf zylindrische versiegelte Batterien, die keine Lithiumbatterien sind, angewendet werden.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Mit Materialien und einer Anordnung, die besonders für eine Kostensenkung geeignet sind, kann ohne die Verwendung eines hochpreisigen Fluor-basierten Harzes als Material für das Dichtungselement eine zylindrische versiegelte Batterie bereitgestellt werden, welche eine Hitzebeständigkeit aufweist, die für Aufbewahren und Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist.
