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Technisches Gebiet
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Bei dieser Erfindung geht es um die Elektrodenstruktur eines Lithiumakkumulators, wobei die Struktur durch das Abdecken und die indirekte Penetration verwirklicht wird, sodass sich ein guter Abdichtungseffekt erreichen lässt.
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Technischer Hintergrund
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Durch den materialtechnischen Durchbruch finden Lithiumakkumulatoren (z. B. der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator) zunehmend Anwendungen bei der Stromversorgung mit großem Energiebedarf, um beispielsweise Elektroräder oder Elektrorollstühle, welche viel Energiebedarf haben, betreiben zu können. Solche Hochleistungsakkumulatoren mit nicht-wässerigem Elektrolyten weisen größere Ladungskapazitäten und Dauerentladeströme im Vergleich zu den herkömmlichen Akkumulatoren auf. Der oben genannte Akkumulator wird durch einen metallischen Behälter gebildet. Normalerweise sind solche Behälter aus Aluminium oder rostfreiem Edelstahl und deren Öffnungen sind entweder zylinder- oder recheckförmig. Nachdem die Anode und Kathode zuzüglich des Separators eingebaut sind, werden verschiedene Technologien eingesetzt, um den Behälter richtig wasser- und luftdicht zu verschließen und abzudichten, sodass das Innere über lange Zeit stabil bleibt.
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Beim jetzigen Stand des Lithiumakkumulators sind die Elektrodenanschlüsse, die nach außen geführt werden sollen, auf dem Deckel vorgesehen. Die zwei Anschlüsse werden durch Scheiben aus Isolierstoff getrennt. Der Anodenanschluss wird fest am Deckel befestigt, indem durch den Deckel, den Anodenanschluss und die Isolierscheibe ein Niet durchgezogen wird. Unter dem Deckel sind auch Isolierscheiben vorzufinden, um den Deckel und den Niet zu isolieren. Die Kontaktierung an der Anode wird mit dem Niet unter dem Deckel zusammengeschweißt. Diese Anodenkontaktierung wird dann an die Anode in dem Metallbehälter geklemmt (Das Gleiche gilt für die Kathode).
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Zylindrische Batterien weisen formgegossene oder geschweißte Kontaktstellen auf.
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Bemerkenswert ist, dass bislang in fast allen Lithiumakkumulatoren die Anschlüsse durch den Deckel hindurch müssen, um ins Innere des Metallbehälters zu gelangen. Dazu werden robuste Nieten oder Bolzen aus Stahl als Elektroden benutzt. Dieses Penetrieren durch den Deckel und das Verwenden stählerner Materialien bringen folgende Nachteile mit sich.
- 1. Zwar wird bei dieser Penetrationsstruktur der Elektroden durch das Verschließen und Abdichten durch Isolierscheiben gute Ergebnisse erreicht, aber nach längerem Gebrauch bilden sich wegen Alterung der Gummischeiben Lücken aus. Ab diesem Zeitpunkt halten die Scheiben nicht mehr dicht, und Feuchte und Luft dringen ins Innere des Behälters ein, was auch eine kürzere Lebensdauer der Akkus zur Folge hat.
- 2. Wenn mehr als zwei Lithiumzellen durch die Anschlüsse in Reihe bzw. parallel geschaltet werden sollen, und die Verbindungskomponenten aus Stahlmaterial bestehen, dann droht im Falle eines Elektrorades oder eines Elektrorollstuhls, wo ständig Erschütterungen herrschen, die Gefahr, dass die Elektroden wegen der Rüttelkräfte des Stahlmaterials beschädigt und deformiert werden und es nicht mehr dichthält. Es gelangen danach ebenfalls Luft und Feuchte ins Innere des Metallbehälters und die Lebensdauer der Akkus verringert sich.
- 3. Die Querschnittsfläche der Nieten und Bolzen, die den Deckel penetrieren und an die Anoden und Kathoden angeschlossen werden, ist im Grunde nicht groß. Dieses Aufbauprinzip kann man sich genau so vorstellen, wie eine breite Straße, an die sich eine schmale Brücke anschließt. Wenn starker Verkehr herrscht, kommt es auf der Auffahrt der Brücke bestimmt zu Staus oder stockendem Verkehr. Aus demselben Grund wird, wenn eine Riesenmenge von Elektronen durch die Anschlüsse hindurch müssen, wegen der Impedanz am Anschluss durch den Deckel Wärme umgesetzt, und die Temperatur erhöht sich. Der Temperaturanstieg bewirkt auch noch eine Erhöhung des Übergangswiderstandes. Somit entsteht ein Teufelskreis. Und die Sicherheit ist danach nicht immer gewährleistet. Des weiteren erniedrigt sich, wenn eine große Menge von Ladung unter Spannung durch einen Widerstand hindurch geführt wird, die Leitfähigkeit der Elektroden und dementsprechend auch die Effizienz beim Auf- und Entladen.
- 4. Die gängigen Lösungen bei der Elektrodenstruktur benötigen Isolierscheiben zur Abdichtung. Um eine hohe Abdichtungsqualität zu erreichen, sind der Schwierigkeitsgrad im Herstellungsprozess und die Kosten hoch.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Erfindung bietet zur Beseitigung oben erwähnter Nachteile eine auf indirekter Penetration beruhende Methode für den Aufbau der Elektrodenstruktur der Lithiumakkumulatoren. Eine Elektrodenstruktur gemäß dieser Methode lässt keine Feuchte oder Luft hindurch, und es lässt sich am leitfähigen Teil der Elektroden eine hohe Abdichtungsqualität mit geringem Aufwand erreichen.
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Die zweite Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, dass durch die elastische Kontaktierung der durch den Deckel geführten Elektroden diese sich selbst bei starker Erschütterung nicht leicht beschädigen oder verformen lassen, und dass die Lebensdauer der Akkus erhöht wird.
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Die Erfindung hat auch zum Zweck, durch die Vergrößerung der Querschnittsfläche der Kontaktierung die Akkus für größere Entladeströme auszulegen, wodurch sich die Widerstände der Elektroden verringern und die Sicherheit bei großen Entladeströmen gewährleistet ist und die Effizienz gesteigert wird.
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Die Erfindung bezweckt außerdem eine Vereinfachung der Abdichtungsstruktur der Elektroden und des Deckels und eine Aufwandreduzierung bezüglich der Kosten und der Technologie im Herstellungsprozess.
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Um die oben erwähnten Aufgaben zu erfüllen, wird eine Elektrodenstruktur bereit gestellt, mit deren Hilfe die Anode und Kathode des Akkumulators nach außen zur Kontaktierung geführt werden. Die Elektrodenstruktur verfügt über einen Deckel, der aus wasserbeständigem Material durch Spritzgießen einstückig geformt wird. Es wird außerdem eine metallische Elektrode bereit gestellt, wobei die Mitte der Elektrode ein verdeckter Abschnitt ist, der in dem Deckel angeordnet ist. Weiterhin besteht am einen Ende des verdeckten Abschnitts eine erste Biegung, deren Verlängerung der Kontaktierung an die Anode bzw. Kathode dient und die aus der Unterseite des Deckels ragt. An dem anderen Ende des verdeckten Abschnitts befindet sich eine zweite Biegung, deren Verlängerung den Ausgangsabschnitt darstellt, der aus der Oberseite des Deckels zur elektrischen Kontaktierung an die äußere Schaltung hervorragt.
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Dieser Ausgangsabschnitt stellt die dritte Biegung dar, wobei durch die Verlängerung dieser Biegung ein Kontaktabschnitt entsteht.
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An der Oberfläche ist mindestens eine Befestigungskomponente vorgesehen, wobei sich diese Befestigungskomponente so einstellen lässt, dass sie mit der verdeckten Elektrode entweder in oder außer Kontakt bleibt.
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Die Vorteile dieser Erfindung lassen sich nachstehend beschreiben. Der verdeckte Abschnitt der Elektrode zuzüglich der ersten und zweiten Biegung verlängert zusätzlich, abgesehen vom Abdichtungseffekt, den Laufweg durchdringender Feuchte und Luft im Falle einer Undichtigkeit und verhindert, dass die Feuchte und Luft infolge des Kapillareffektes ins Innere des Behälters eindringen. Außerdem sind die Elektroden scheibenförmig und durch die Verlängerung der dritten Biegung entsteht somit der Kontaktabschnitt. Einerseits vergrößert sich die Kontaktfläche. Dies hat, falls eine große Menge an Elektronen die Elektroden durchstömen, eine Verringerung des Widerstandes der Elektroden und eine Erhöhung der Entladeeffizienz zur Folge. Andererseits erhöht sich die Schlag- und Erschütterungsbeständigkeit und als Folge verringert sich Bruch und Dehnung der Elektroden wegen relativer mechanischer Spannungen des Stahlmaterials, und die Lebensdauer des Lithiumakkumulators nimmt zu.
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Die Elektrodenstruktur vereinfacht sich aufgrund der Abweichung von dem bekannten Direktpenetrationsverfahren. Auch die zusätzliche Abdichtungskomponenten bleiben somit erspart und dementsprechend erniedrigt sich auch der Fertigungsaufwand.
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Abbildungsverzeichnis
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1 zeigt eine drei-dimensionale schematische Darstellung der ersten Ausführungsform;
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2 zeigt eine Querschnittansicht der ersten Ausführungsform;
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3 zeigt eine zweite schematische Darstellung der ersten Ausführungsform;
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4 zeigt eine drei-dimensionale schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform;
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5 zeigt eine Querschnittansicht der zweiten Ausführungsform;
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6 zeigt eine zweite schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform.
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Bezugszeichenliste
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- 100 500
- Deckel
- 101 501
- Unterseite
- 102 502
- Oberfläche
- 200 600
- Elektroden
- 201 601
- erste Biegung
- 202 602
- zweite Biegung
- 203 603
- dritte Biegung
- 210 610
- verdeckter Abschnitt
- 220 620
- Verbindungsabschnitt
- 230 630
- Ausgangsabschnitt
- 240 640
- Kontaktabschnitt
- 300 700
- Behälter
- 400 800
- Befestigungskomponenten
- 401 801
- Verankerung
- 402 802
- Befestigungsabschnitt
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Technische Ausführung
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Die ausführlichen Inhalte und technischen Erklärungen werden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es sei aber zu beachten, dass es sich hierbei nur um ein Beipiel handelt, und die Erfindung soll sich nicht lediglich auf diese Ausführungsform beschränken.
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Die 1 und 2 sind jeweils eine 3-dimensionale Ansicht und Querschnittansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung. Betrachtet wird beispielsweise ein rechteckiger Lithiumakkumulator. Die Anode und Kathode müssen aus dem Behälter 300 herausgeführt werden, um galvanische Verbindungen zu ermöglichen. Normalerweise weist der Deckel 100 an sich zwei scheibenförmige metallische Elektroden 200 zum Anschließen an die Anoden und Kathoden nicht in den Abbildungen gekennzeichnet auf. Jede Elektrode beinhaltet einen verdeckten Abschnitt 210, der im Deckel 100 innen angeordnet ist. Auf der einen Seite des verdeckten Abschnitts liegt die erste Biegung 201 vor, wobei durch die Verlängerung der ersten Biegung ein Verbindungsabschnitt zustandekommt, der aus der Unterseite des Deckels herausragt und an die Anode bzw. Kathode geklemmt werden soll. Auf der anderen Seite des verdeckten Abschnitts liegt die zweite Biegung 202, deren Verlängerung sich als ein Ausgangsabschnitt 230 darstellt, der oben aus der Oberseite 102 des Deckels 100 herausragt und dieser Ausgangsabschnitt 230 bietet einen Anschluss nach außen. Auf der Außenseite des Ausgangsabschnitts befindet sich die dritte Biegung 203, deren Verlängerung wiederum die Funktion eines Kontaktabschnitts 240 zur Kontaktierung an die äußere Schaltung übernimmt.
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Hinsichtlich der Realisierung wird der Deckel 100 aus wasserbeständigem Material durch Spritzgießen hergestellt, wobei dieses Verfahren sich auf herkömmliche Materialien, wie beispielsweise Plastik, anwenden lässt.
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Um zu verhindern, dass Licht durch den Deckel in den Behälter eindringt und die chemischen Verbindungen der Materialien zerstört, finden bereits bekannte Techniken Verwendung. So wird z. B. Metallblech in den Deckel zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und der Lichtbeständigkeit eingesetzt oder es wird auf den Deckel 100 lichtbeständiges Material geklebt oder gestrichen.
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Als Elektroden kommen alle bekannten leitfähigen metallischen Materialien, wie z. B. Kupfer oder Aluminium zum Einsatz. Der verdeckte Abschnitt 210 der Elektroden 200 einschließlich der ersten und zweiten Biegung bleibt im Deckel 100 drin. Abgesehen von dem somit entstandenen Abdichtungseffekt, ragen die Elektroden durch die erste und zweite Biegung in Form einer indirekten Penetration nach außen bzw. ins Innere des Behälters, und die erste und zweite Biegung verlängern außerdem den Weg, den die Luft und Feuchte im Falle einer Undichtigkeit zurücklegen muss, um ins Innere des Behälters zu gelangen, sodass Luft und Feuchte nicht aufgrund des Kapillareffekts in den Behälter 300 eindringen können.
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Des Weiteren wird durch die Fortsetzung der dritten Biegung 203 der Kontaktabschnitt 240 gebildet. Einerseits bietet der Kontaktabschnitt eine große Kontaktfläche, falls eine große Menge an Elektronen durch die Elektroden 200 hindurch muss, wobei der Widerstand der Elektroden entsprechend abnimmt und der Entladevorgang des Akkumulators effizienter wird. Ferner besitzt die dritte Biegung aufgrund der scheibenförmigen, metallischen Eigenschaft des Materials im begrenzten Umfang auch Elastizität. Zusätzlich ist die dritte Biegung 203 auch ein Stützpunkt und der Kontaktabschnitt 240 kann somit die Erschütterungen und Vibrationen in vertikaler Richtung abfangen. Der Kontaktabschnitt besitzt somit eine erschütterungsfeste Kontaktstelle, und die destruktive Deformation der Elektroden wegen der bekannten relativen mechanischen Spannung des Materials wird auch abgemildert, so dass sich infolgedessen auch eine längere Lebensdauer des Lithiumakkumulators ergibt.
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Um in der Praxis, wie z. B. bei einer Parallel- oder Reihenschaltung zweier oder mehrerer Akkumulatorzellen diese durch Verbindungskomponenten gut zu befestigen, bietet sich die Möglichkeit, an der Oberseite des Deckels Verbindungskomponenten vorzusehen. In der Praxis lässt sich die Verankerung 401 der Befestigungskomponenten 400 bei der Fertigung des Deckels direkt in den Deckel einfügen. Durch den Deckel und die aus der Oberseite des Deckels herausragenden Befestigungsabschnitt 402, eignen sich die Akkumulatorzellen besser für die Reihen- bzw. Parallelschaltung. Bei der technischen Realisierung befindet sich die Befestigungskomponente direkt unter dem Kontaktabschnitt. Je nach Dicke des Deckels, kann bei der Fertigung die Verankerung 401 der Befestigungskomponente 400 entweder in oder außer Kontakt mit dem verdeckten Abschnitt 210 hergestellt werden.
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Somit wird das herkömmliche Verfahren zur Kontaktierung ersetzt, und im Falle eines Elektrorades oder Elektrorollstuhls, wo große Erschütterungen herrschen, wird die Verbindung zwischen Elektroden 200 und Deckel 100 nicht auf Grund der Befestigung beschädigt.
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Wie in den 4 und 5 zu sehen, handelt es sich hierbei um die 3-dimensionale Ansicht und Querschnittansicht der zweiten Ausführungsform. Es wird ein zylindrische Lithiumakkumulator zur Verdeutlichung als Beispiel genommen. Bei der zylindrischen Bauweise befinden sich die Anode und Kathode jeweils an den beiden Enden des Zylinders. Deshalb besitzt der Deckel 500 nur eine streifenförmige Elektrode 600 aus Metall zur galvanischen Verbindung mit der Anode und die Kathode des Behälters 700 ist nicht in den Figuren gezeigt. In der Mitte der Elektrode befindet sich der verdeckte Abschnitt 610, der im Deckel 500 innen angeordnet ist. An den beiden Enden des versteckten Abschnitts sitzen jeweils die erste und zweite Biegung 601, 602. Die Verlängerung der ersten Biegung stellt den Verbindungsabschnitt 620 dar, ist unterhalb der Unterseite 501 des Deckels 500 sichtbar und stellt der Anode bzw. der Kathode im Behälter 700 einen Anschluss zur Verfügung. Der verlängerte Abschnitt der zweiten Biegung 602 übernimmt die Funktion eines Ausgangsabschnitts 630 und ist oberhalb der Oberseite 502 des Deckels 700 sichtbar, und dient dem Anschluss an die äußere Schaltung. Darüber hinaus besitzt der Ausgangsabschnitt 630 noch eine dritte Biegung 603, deren Verlängerung direkt für die Kontaktierung an die äußere Schaltung zur Verfügung steht.
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Genauso wie bei der ersten Ausführungsform, wird der Deckel 500 aus wasserbeständigem Material durch Spritzgießen gebildet. All die bekannten Materialien und Methoden lassen sich auch dort verwenden. Um vor Lichtstrahlung zu schützen, lassen sich beispielsweise Metallbleche einsetzen, die zur Stärkung der mechanischen Festigkeit und der Lichtbeständigkeit dienen. Eine andere Möglichkeit wäre, auf den Deckel 500 lichtbeständiges Material zu kleben bzw. zu streichen.
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Die Elektroden an sich werden genau so wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt. Die bekannten leitfähigen Metalle wie Kupfer und Aluminium kommen dort zum Einsatz.
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Es sei an dieser Stelle auf die verwiesen. Falls mehr als zwei Akkumulatorzellen in Reihe bzw. Parallelschaltung zu verschalten sind, muss auf die Oberseite 502 des Deckels 500 eine Befestigungskomponente 800 montiert werden. Die Verankerung 801 der Befestigungskomponente 800 ist im Deckel 500 angeordnet, und der Befestigungsabschnitt 802 ragt aus der Oberseite 502 des Deckels 500 heraus. Die Verankerung 801 lässt sich bei der Fertigung entweder in oder außer Kontakt mit dem versdeckten Abschnitt 610 ausbilden. Normalerweise liegt die Befestigungskomponente 800 genau im Mittepunkt auf der Oberseite 502 des Deckels 500 und unter dem Kontaktabschnitt 640. Dadurch vereinfacht sich die Reihen- bzw. Parallelschaltung mehrerer Lithiumakkumulatorzellen.
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All das oben Erwähnte sind nur gute Ausführungsbeispiele, auf welche sich die Erfindung nicht beschränken soll. Alle beanspruchten Geltungsbereiche mitsamt den einfachen Abwandlungen dieser Erfindung gelten als geschütztes geistiges Eigentum.
