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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle und insbesondere die Herstellung einer elektrochemischen Zelle, die eine gleiche oder eine verbesserte elektrische und thermische Leistungsfähigkeit bei reduzierten Herstellungskosten bereitstellt.
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HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
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Um eine zylindrische elektrochemische Hochleistungszelle mit einer niedrigen elektrischen Impedanz herzustellen, benötigen aktuelle Herstellungstechnologien mehrere elektrisch leitfähige Anschlüsse, die normalerweise durch Verschweißen mit der Substratfolie der Elektrode an mehreren Punkten entlang der Elektrodenlänge angebracht werden. Um die Zellenimpedanz zu verringern, wird die Anzahl an Anschlüssen dementsprechend verringert.
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Mehrere konventionelle Verfahren zum separaten Anbringen von Anschlüssen werden aktuell in der Herstellung von elektrochemischen Speicherzellen (storage cells), elektrochemischen Kondensatoren, Elektrolytkondensatoren, Trockenfilmkondensatoren und ähnlichen elektrischen Vorrichtungen eingesetzt. Konventionelle Verfahren zum separaten Anbringen von Anschlüssen umfassen das Entfernen einer Beschichtung in Abschnitten an beiden Seiten einer beschichteten Elektrode und das Verschweißen der Anschlüsse mit den freigelegten unbeschichteten Abschnitten sowie ein anschließendes Anbringen einer isolierenden Deckschicht über dem verschweißten Anschluss und der freigelegten Folie an der gegenüberliegenden Seite von dem Anschluss der Elektrode. Im Hinblick auf andere konventionelle Verfahren kann der Schritt des Entfernens der Beschichtung durch teilweises Beschichten der Elektrodenoberflächen vermieden werden, indem unbeschichtete bzw. beschichtungsfreie Kanten der Elektrodenfolien freigelassen werden. Darüber hinaus können Anschlüsse an unbeschichtete Elektrodenabschnitte angehaftet werden oder alternativ von unbeschichteten Elektrodenabschnitten ausgeschnitten und daraus ausgeformt werden. Isolationsband kann anschließend aufgetragen werden, damit die Anschlüsse bedeckt werden, um einen elektrischen Kurzschluss an den Kanten der Anschlüsse zu verhindern. Konventionelle Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung der Elektroden mit der gewickelten Elektrodenbaugruppe ohne separate Anschlüsse umfassen verborgene, an eine Platte durchgeschweißte unbeschichtete Folienkanten. Eine elektrische Verbindung kann ebenfalls durch Halten einer Platte gegen die unbeschichteten Folienkanten der Elektrode in Form von mechanischem Drücken vorgesehen werden.
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Die Erfinder haben potentielle Herausforderungen im Hinblick auf die oben dargelegten Ansätze erkannt. Der elektrische Strom kann nämlich durch die Verwendung von separaten Anschlüssen innerhalb kleiner Bereiche der Anschlüsse an diskreten Punkten entlang der Elektrode kanalisiert werden, wodurch Bereiche erzeugt werden, die bei signifikant höherer Temperatur als der Rest der Elektrode aufgrund von hoher lokaler ohmscher Erhitzung betrieben werden. Des Weiteren wird die Kapazität der Zelle in Ampere-Stunden (Ah) aufgrund der unbeschichteten Abschnitte zum Anbringen der Anschlüsse gesamtheitlich verringert, wodurch ferner lokale Unterschiede in dem Kapazitätsverhältnis von Anode zu Kathode in den unbeschichteten Abschnitten eine lokale Lithium-Beschichtung im Falle der auf einer Lithium-Ionen-Zellenchemie basierenden Batterie verursachen können. Da sich ferner die Komplexität der Zellenherstellung immer weiter erhöht und sich die Herstellungsgeschwindigkeit verringert, werden zusätzliche Funktionen benötigt, um das Entfernen der Beschichtung, das Verschweißen der Anschlüsse und die Vorgänge des Anbringens des Isolationsbands durchzuführen und es werden größere finanzielle Investitionen benötigt, um die Produktion hochfahren zu können. Im Falle einer verborgenen Durchschweißverbindung an den Kanten der Folie kann die Ablagerung von losen Metallpartikeln, die sich während des Schweißprozesses lösen, in sensible Bereiche der gewickelten elektrochemischen Speicherzellen-Baugruppe (z. B. „Bisquitrollenstruktur”) den Verlust des Herstellungsertrags vergrößern und kann ebenfalls elektrische Kurzschlüsse während des Betriebs der Zelle verursachen. Es kann sich ebenfalls als schwierig darstellen, die Qualität der Schweißverbindungen nach deren Ausbildung zu überprüfen und nachzuweisen. Im Falle des mechanischen Zusammendrückens kann sich die elektrische Verbindung aufgrund von: zeitlich bedingter Oxidation oder Passivierung der Schnittstellenoberflächen, Verlust der Kontaktkraft aufgrund von Stößen und Vibration sowie thermischer Ausdehnung und Verformung von Komponenten aufgrund von inneren Drücken verschlechtern. Darüber hinaus kann die Kontaktkraft infolge des Zusammendrückens, die benötigt wird, um einen adäquaten Kontaktwiderstand zu gewährleisten, lokal die Streckgrenze der Folien übersteigen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Verbindung beschränkt wird.
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Ein Ansatz, der zumindest teilweise die oben angesprochenen Herausforderungen adressiert, umfasst eine elektrochemische Speicherzelle, aufweisend: erste und zweite Elektrodenfolien, die um einen zylindrischen Kern gewickelt sind, um eine Bisquitrollenstruktur auszubilden, wobei die ersten und zweiten Elektrodenfolien jeweils unbeschichtete leitfähige, zu Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur parallele, Kanten sowie beschichtete gegenüberliegende Oberflächen zwischen den unbeschichteten leitfähigen Kanten aufweisen; wobei erste und zweite Trennfolien die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Elektrodenfolien mechanisch und elektrisch trennen sowie den zylindrischen Kern und die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Elektrodenfolie mechanisch und elektrisch trennen; sowie aus den unbeschichteten leitfähigen Kanten ausgesparte Ausschnitte, wobei die ausgesparten Ausschnitte bezogen auf den zylindrischen Kern nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur winklig zueinander ausgerichtet sind.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren für eine elektrochemische Speicherzelle: ein Wickeln von ersten und zweiten Elektrodenfolien um einen zylindrischen Kern, um eine Bisquitrollenstruktur auszubilden, wobei die ersten und zweiten Elektrodenfolien jeweils unbeschichtete leitfähige, zu Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur parallele, Kanten sowie beschichtete gegenüberliegende Oberflächen zwischen den unbeschichteten leitfähigen Kanten aufweisen; ein Wickeln von ersten und zweiten Trennfolien um den zylindrischen Kern zwischen die ersten und zweiten Elektrodenfolien, um die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Elektrodenfolien mechanisch und elektrisch zu trennen sowie um den zylindrischen Kern und die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen mechanisch und elektrisch zu trennen; und ein Ausschneiden von Aussparungen von den unbeschichteten leitfähigen Kanten der ersten und zweiten Elektrodenfolien, um ausgesparte Ausschnitte auszuformen, wobei die ausgesparten Ausschnitte bezogen auf den zylindrischen Kern nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur winklig zueinander ausgerichtet sind.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren für eine zylindrische elektrochemische Zelle: ein Ausbilden einer ersten und zweiten Elektrode; ein Montieren der ersten und zweiten Elektroden auf einen zylindrischen Kern; ein Wickeln der ersten und zweiten Elektroden auf den zylindrischen Kern; und ein Vereinen der ersten und zweiten Elektroden, um die ersten und zweiten Elektroden mit ersten und zweiten Polen der elektrochemischen Speicherzelle elektrisch zu verbinden.
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Es versteht sich von selbst, dass die obige Zusammenfassung dazu dient, in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die weiter unten in der detaillierten Beschreibung beschrieben werden. Es soll nicht derart verstanden werden, essentielle Merkmale bzw. Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Schutzumfang einzig durch die Ansprüche definiert ist, die aus der detaillierten Beschreibung hervorgehen. Im Übrigen ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Anwendungen beschränkt, die irgendwelche der oben bzw. in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Nachteile lösen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Speicherzelle;
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2A, 2B zeigen jeweils schematisch eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer beschichteten Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle;
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3A, 3B zeigen jeweils schematisch eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer beschichteten Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle;
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4A zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Wicklungskerns einer elektrochemischen Speicherzelle;
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4B zeigt schematisch eine Ansicht einer Stirnseite eines Wicklungskerns mit teilweise umwickelten ersten und zweiten Trennfolien sowie teilweise umwickelten ersten und zweiten Elektroden einer elektrochemischen Speicherzelle;
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5A zeigt schematisch eine Ansicht einer Stirnseite einer elektrochemischen Speicherzelle;
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5B zeigt schematisch eine perspektivische Seitenansicht einer elektrochemischen Speicherzelle;
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6A und 6B zeigen schematisch perspektivische Ansichten eines Schrittes des Zusammenbaus einer elektrochemischen Speicherzelle;
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7–9 zeigen schematisch perspektivische Ansichten von Schritten des Zusammenbaus einer elektrochemischen Speicherzelle;
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10 zeigt schematisch eine vergrößerte perspektivische Teilansicht einer Stirnseite einer elektrochemischen Speicherzelle;
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11 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Wicklungskerns für eine elektrochemische Speicherzelle;
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12 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Speicherzelle; und
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13–14 illustrieren Flussdiagramme für ein beispielhaftes Verfahren des Zusammenbaus einer elektrochemischen Speicherzelle.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Aspekte dieser Offenbarung werden nun beispielhaft und mit Bezug zu den gezeigten Ausführungsbeispielen, die oben aufgelistet sind, beschrieben. Komponenten, Verfahrensschritte, und andere Elemente, die in einem oder in mehreren Ausführungsbeispielen im Wesentlichen gleich sein können, sind entsprechend gleich gekennzeichnet und werden mit minimaler Wiederholung beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, dass gleich gekennzeichnete Elemente ebenfalls zu einem gewissen Grad voneinander abweichen können. Es wird ferner angemerkt, sofern dies nicht ausdrücklich anderweitig angegeben ist, dass die in dieser Offenbarung enthaltenen Figuren schematisch dargestellt und im Allgemeinen nicht maßstabsgetreu sind. Vielmehr können die verschiedenen Zeichnungsmaßstäbe, Seitenverhältnisse und Komponentenanzahlen, die in den Figuren gezeigt sind, bewusst verzerrt sein, damit gewisse Merkmale oder Beziehungen einfacher zu erkennen sind. Jedoch sind 1 und 4–12 maßstabsgetreu gezeigt, obwohl andere relative Dimensionen verwendet sein können.
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Die vorliegende Beschreibung betrifft eine zylindrische elektrochemische Speicherzelle und ein Herstellungsverfahren dafür, welche eine äquivalente oder eine verbesserte elektrische und thermische Leistungsfähigkeit sowie reduzierte Herstellungskosten verglichen mit konventionellen zylindrischen, elektrochemischen Speicherzellen und konventionellen Herstellungsverfahren dafür ermöglichen. Ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle ist in 1 gezeigt. 2A, 2B, 3A und 3B zeigen Schritte des Ausbildens der ersten und zweiten Elektrodenfolien-Schichten. Ein Ausführungsbeispiel eines zylindrischen Wicklungskerns einer elektrochemischen Speicherzelle ist in 4A dargestellt und eine Ansicht einer Stirnseite eines Ausführungsbeispiels eines zylindrischen Wicklungskerns mit teilweise umwickelten ersten und zweiten Trennfolien und teilweise umwickelten ersten und zweiten Elektroden einer elektrochemischen Speicherzelle ist in 4B auf gezeigt. 5A und 5B zeigen jeweils schematisch eine Ansicht einer Stirnseite einer elektrochemischen Speicherzelle und eine perspektivische Seitenansicht einer elektrochemischen Speicherzelle nach einem Vereinigungsschritt ausgeschnittener Folien. 6A, 6B und 7–9 zeigen schematisch perspektivische Ansichten einer elektrochemischen Speicherzelle nachdem mehrere Schritte des Zusammenbaus der elektrochemischen Speicherzelle durchgeführt worden sind. 10 zeigt schematisch eine vergrößerte perspektivische Teilansicht einer Stirnseite einer elektrochemischen Speicherzelle. 11 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Wicklungskerns für eine elektrochemische Speicherzelle. 12 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Speicherzelle. 13–14 illustrieren Flussdiagramme für ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens des Zusammenbaus einer elektrochemischen Speicherzelle.
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Mehrere konventionelle Verfahren zum separaten Anbringen von Anschlüssen sind aktuell in der Herstellung von elektrochemischen Speicherzellen, elektrochemischen Kondensatoren, Elektrolyt-Kondensatoren, Trockenfilm-Kondensatoren und ähnlichen elektrischen Vorrichtungen im Einsatz. Die Beschichtung einer Elektrode wird unterbrochen oder wird über der Breite der Elektrode an beiden Seiten entfernt, wodurch die darunter liegende metallische Substratfolie freigelegt wird. Ein Anschluss wird sodann an diesen Abschnitt der freigelegten Folie geschweißt. Eine isolierende Deckschicht, wie ein Klebeband, wird danach über dem geschweißten Abschnitt des Anschlusses und der freigelegten Folie an der gegenüberliegenden Seite der Elektrode angebracht. Die Elektrodenbeschichtung wird an beiden Seiten von einem dünnen rechteckigen Abschnitt nahe der Kante der Elektrode entfernt, wodurch die darunter liegende Folie auf beiden Seiten freigelegt wird. Ein Anschluss wird anschließend in dem zuvor freigelegten rechteckigen Abschnitt an die freigelegte Folie geschweißt. Isolationsband oder Ähnliches wird an beide Seiten des verschweißten Abschnitts des Anschlusses angebracht. Elektroden werden mit einer beschichtungsfreien Zone eines Kantenabschnitts der freigelegten Folie beschichtet, die auf beiden Seiten unbeschichtet ist. Anschlüsse werden an diesen freigelegten Folienabschnitt geschweißt und können mit Band isoliert werden, um elektrische Kurzschlüsse an den scharfen Kanten des Anschlusses zu verhindern. Die Elektroden werden mit einer breiten beschichtungsfreien Zone eines Kantenabschnitts der freigelegten Folie beschichtet, die auf beiden Seiten umgeschichtet ist, wobei die Breite der beschichtungsfreien Zone zu dem längsten Anschluss gleich ist, der für den Zusammenbau der Zelle benötigt wird. Separate Anschlüsse werden ausgehend von dieser freilegen Folienkante durch Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder mechanischem Stanzen ausgeschnitten.
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Die elektrische Verbindung mit der gewickelten Elektrodenbaugruppe ohne die Verwendung von einzelnen Anschlüssen wird aktuell durch verschiedene Verfahren umgesetzt. Verborgene Durchschweißverbindungen von beschichtungsfreien Kanten der Elektrodenfolien an eine flache Platte oder eine Platte mit erhöhten Bereichen werden verwendet, um den physischen Kontakt zwischen Folienkanten und Schweißplatte zu erhöhen, wodurch die Platte gegen die freigelegten unbeschichteten Folienkanten der Elektrode gedrückt gehalten ist. Die Folienkanten können ebenfalls gebogen sein, um einen 90°-Winkel bezogen auf den Hauptkörper der Folie auszubilden, um die potentielle Fläche zum Verschweißen und für die stromführende Querschnittsfläche zu erhöhen. Durch Aufrechterhalten einer zusammendrückenden Kraft zwischen einer flachen Platte mit oder ohne erhöht ausgeformte Bereiche, wodurch ein Zusammendrücken genutzt wird, um einen geringen Kontaktwiderstand zwischen der flachen Platte und den freigelegten Folienkanten aufrechtzuerhalten. Die Folienkanten können ebenfalls gebogen sein, um einen 90°-Winkel bezogen auf den Hauptkörper der Folie bilden, um die potentielle Fläche zum Verschweißen und die stromführende Querschnittsfläche zu erhöhen.
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Die Verwendung von separaten Anschlüssen kann insofern nachteilig sein, dass elektrischer Strom innerhalb eines kleinen Bereichs der Anschlüsse an diskreten Punkten entlang der Elektrode kanalisiert wird, wodurch Bereiche erzeugt werden, die bei signifikant höherer Temperatur als der Rest der Elektrode aufgrund von hoher lokaler ohmscher Erhitzung betrieben werden, insbesondere wenn die Zelle in einem hohen elektrischen Lastbereich betrieben wird. Des Weiteren wird die Zellkapazität in Ah gesamtheitlich aufgrund der Abschnitte mit entfernter Beschichtung, die für das Anbringen der Anschlüsse benötigt werden, reduziert. Lokale Unterschiede in dem Elektroden-Kapazitätsverhältnis (z. B. Anode zu Kathode) in den freigelegten Abschnitten können Lithium-beschichtete Bereiche im Falle einer auf einer Lithium-Ionen-Zellenchemie basierenden Batterie verursachen. Des Weiteren kann die Breite der einstückigen separaten Anschlüssen, die aus den unbeschichteten Kanten der Elektrodenfolie ausgeschnitten werden, sehr breit sein, wodurch sich die Effizienz des Beschichtungs- und Kalandrierprozesses reduziert und sich somit die Herstellungskosten der Zelle erhöhen. Außerdem ist das Equipment zur Zellen-Herstellung komplexer, da zusätzliche Funktionen zum Durchführen der Beschichtungsentfernung, des Anschlussschweißens und des Band-Anbringens sowie größere finanzielle Investitionen zum Hochfahren der Produktion benötigt werden. Im Übrigen wird die Geschwindigkeit des Zellenherstellungsprozesses reduziert, da die Beschichtungsentfernung, das Anschlussschweißen und Band-Anbringen an die Anschlüsse durchzuführen sind, wodurch die Zellenherstellungskosten ansteigen.
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Die mit der verborgenen Durchschweißverbindung mit den Kanten der Folie verbundenen Nachteile umfassen einen erhöhten Verlust des Produktionsertrags aufgrund das Ablagerns und Freisetzens von losen Metallpartikeln während des Schweißprozesses in sensible Bereiche der Bisquitrollenstruktur der elektrochemischen Speicherzellen-Baugruppe. Diese losen Metallpartikel können während der Lebensdauer der elektrochemischen Speicherzelle elektrische Kurzschlüsse durch Herstellen eines Kontakts beider Elektroden verursachen. Des Weiteren können, je nach hinsichtlich der Folien und der Kollektorplatte verwendete Arten von Metall, ein loser Metallpartikel an der elektrochemischen Umgebung der Zelle korrodieren oder sich ablösen und sich dann erneut daran ablagern, wodurch eine dendritische Ablagerung ausgebildet wird und ein innerer Kurzschluss nach einer gewissen Zeit erzeugt wird. Es kann sich ebenfalls als schwierig herausstellen, die Qualität der Schweißverbindungen zu untersuchen und zu überprüfen, wodurch eine Herstellungsfehlerrate erhöht wird.
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Die mit dem mechanischen Zusammendrücken verbundenen Nachteile umfassen den Anstieg des Kontakt-Widerstands in über die Zeit aufgrund von Oxidation oder Passivierung der Schnittstellenoberflächen. Außerdem kann der Verlust der Kontaktkraft oder des Kontaktdrucks aufgrund von einer Verschiebung der Folien unter Einwirkung von Stößen und Vibrationen auftreten, welchen durch die elektrochemische Speicherzelle während ihres Gebrauches Stand gehalten wird. Darüber hinaus kann die notwendige zusammendrückende Kontaktkraft, um einen adäquaten Kontaktwiderstand aufrechtzuerhalten, lokal die Streckgrenze der Folien übersteigen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Verbindung begrenzt wird. Im Übrigen kann der Kontaktwiderstand aufgrund von thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Komponentenverformung infolge des inneren Drucks ansteigen.
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Im Hinblick auf 1 zeigt diese ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle 100, die eine spiralförmig gewickelte zylindrische Architektur (z. B. Bisquitrollenstruktur), die eine äquivalente oder verbesserte elektrische und thermische Leistungsfähigkeit bei reduzierten Herstellungskosten gegenüber konventionellen Verfahren und konventionellen elektrochemischen Speicherzellen bietet. Die Bisquitrollenstruktur der elektrochemischen Zelle kann beschichtete erste und zweite Elektrodenfolien und erste und zweite Trennfolien (im Allgemeinen in 1 bezeichnet als 110) aufweisen, welche um einen zylindrischen Kern 120 gewickelt sind, um eine Verbindung niedrigen elektrischen Widerstands mit den Polen des Gehäuses ohne an die einzelnen Elektroden separat geschweißte Anschlüsse auszubilden. Wie ebenfalls in 1 gezeigt ist, kann der zylindrische Kern 120 ein formschlüssiges mittiges Mitnahmeprofil, wie ein hexagonales Mitnahmeprofil, aufweisen, das dazu beitragen kann, das Montieren und Demontieren des zylindrischen Kerns auf einen Wicklungsdorn zu vereinfachen und ferner das Drehen des Kerns während des Wicklungsvorgangs, wie weiter unten beschrieben ist, unterstützen kann. Die elektrochemische Speicherzelle 100 umfasst ebenfalls freigelegte Folienkanten 130 an beiden axialen Enden der Zelle, in denen ausgesparte Ausschnitte 136 ausgeformt sein können, wobei sich die ausgesparten Ausschnitte 136 radial durch die gewickelten Elektrodenfolienschichten in der Bisquitrollenstruktur von der äußeren radialen Oberfläche der spiralförmig gewickelten Zellen-Bisquitrollenstruktur bis zu der Oberfläche des zylindrischen Kerns erstrecken (und Öffnungen ausbilden). In einem Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt ist, kann die elektrochemische Speicherzelle 100 zwei Gruppen von zueinander ausgerichteten ausgesparten Ausschnitten 136 aufweisen. Die Gruppen von zueinander ausgerichteten ausgesparten Ausschnitten 136 können derart einander entsprechende Gruppen sein, dass jeder ausgesparte Ausschnitt in jeder Gruppe dieselbe winklige Bogenlänge entlang jeder gewickelten Elektrodenschicht in der Bisquitrollenstruktur umfassen kann. Weiterhin können die Paare der Gruppen der zueinander ausgerichteten ausgesparten Ausschnitte 136 ungefähr diametral ausgebildet sein, zum Beispiel innerhalb weniger Grad exakt diametral oder exakt diametral um den Kern 120 zueinander gegenüberliegend. Ferner können die Gruppen von Ausschnitten 136 an jedem axialen Ende der elektrochemischen Speicherzelle 100 winklig ausgerichtet sein, wie in 1 gezeigt. Die Gruppen von Ausschnitten 136 können anhand eines spezifischen Musters bezogen auf den Wicklungsdrehwinkel ausgeschnitten werden, wodurch eine Serie von zueinander ausgerichteten Folienbereichen 138 erzeugt werden. Es ist zu beachten, dass die Form des Ausschnitts eine Nut oder andere solcher Formen sein kann und diese insbesondere nicht auf Merkmale beschränkt ist, welche durch physisches Ausschneiden von Material ausgeformt werden.
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Im Hinblick auf 2A und 2B zeigen diese einen Schritt in einem Verfahren zum Ausbilden einer ersten Elektrodenfolie 200. In einem Ausführungsbeispiel kann die erste Elektrode eine Anode umfassen. Jedoch kann die erste Elektrode stattdessen eine Kathode, eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode umfassen. Im Falle einer Anode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Speicherzelle kann die erste Elektrode ein elektroaktives Lithium-Zwischenschicht-Material oder eine metallische Lithiumbeschichtung aufweisen, die auf beide Seiten eines metallischen Foliensubstrats in einem kontinuierlichen Beschichtungsprozess beschichtet wird. Die Beschichtung kann mit spezifischen Breiten 230 aufgetragen werden, wodurch unbeschichtete Kantenabschnitte 224 der Folie zwischen den beschichteten Abschnitten freigelassen werden. Nach dem Auftragen der Beschichtung kann die Elektrode mit den beschichteten Oberflächen getrocknet und kalandert werden. Das beschichtete Folienmaterial kann anschließend entlang sich abwechselnder Kanten 220 der beschichteten Abschnitte abgetrennt werden, damit ein kontinuierliches Elektrodenmaterial mit freigelegten unbeschichteten Folienkantenabschnitten 224 entsteht, das sich mit einer spezifischen Breite 230 des beschichteten Abschnitts 210 an einer Kante der Elektrodenfolie 200 erstreckt. Die erste Elektrodenfolie 200 weist ebenfalls eine Breite 240 der unbeschichteten Kantenabschnitte 224 der Folie auf.
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Im Hinblick auf 3A und 3B zeigen diese einen Schritt in einem Verfahren zum Ausbilden einer zweiten Elektrodenfolie 300. In einem Ausführungsbeispiel kann die zweite Elektrode eine Kathode umfassen. Jedoch kann die zweite Elektrode stattdessen eine Anode, eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode umfassen. Im Falle einer Kathode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Speicherzelle kann die zweite Elektrode eine Mischung aus einem speziell präparierten lithiierten Eisen-Pohsphat-Pulver, einem leitfähigen Kohlenstoff und einem polymeren Bindemittel umfassen. Die Mischung kann auf beide Seiten eines metallischen Foliensubstrats in einem kontinuierlichen Beschichtungsprozess aufgetragen werden, um die zweite Elektrode 300 auszubilden. Die Beschichtung kann mit spezifischen Breiten 330 aufgetragen werden, wodurch unbeschichtete Kantenabschnitte 324 der Folie zwischen den beschichteten Abschnitten freigelassen werden. Nach dem Auftragen der Beschichtung kann die Elektrode mit den beschichteten Oberflächen getrocknet und kalandert werden. Das beschichtete Folienmaterial kann anschließend entlang sich abwechselnder Kanten 320 der beschichteten Abschnitte abgetrennt werden, wodurch ein kontinuierliches Elektrodenmaterial mit freigelegten unbeschichteten Folienkantenabschnitten 324 entsteht, das sich mit einer spezifische Breite 330 des beschichteten Abschnitts 310 an einer Kante der Elektrodenfolie 300 erstreckt. Die zweite Elektrodenfolie 300 umfasst ebenfalls eine Breite 340 der unbeschichteten Kantenabschnitte 324 der Folie.
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Im Hinblick auf 4A zeigt dieses ein Ausführungsbeispiel eines zylindrischen Wicklungskerns 400 einer elektrochemischen Speicherzelle. Der zylindrische Wicklungskern 400 kann einen hohlen zentralen Kern 410 entlang einer zylindrischen Wicklungsachse 470 umfassen. Die Enden des zylindrischen Wicklungskerns 400 können formschlüssig, z. B. Hex-formschlüssig, wie in 4A illustriert ist, um das Wickeln, Montieren und Demontieren des zylindrischen Wicklungskerns auf eine Wicklungsvorrichtung zu vereinfachen und um Kerneinsätze, wie weiter unten beschrieben wird, zu montieren. Eine Länge des zylindrischen Wicklungskerns kann kleiner als eine Breite der ersten und zweiten Elektrodenfolien sein, so dass die Kanten der Elektrodenfolien über die Enden des zylindrischen Wickelungskerns 400, wie in 1 gezeigt, hinaus ragen. Der zylindrische Wicklungskern 400 kann aus einem Metall oder einem Kunststoff ausgebildet sein.
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Im Hinblick auf 4B zeigt diese eine Draufsicht eines zylindrischen Wicklungskerns 400 mit teilweise umwickelten Elektrodenfolien und Trennfolien. Wie bereits oben beschrieben, kann der zylindrische Wicklungskern 400 einen hohlen zentralen Kern 410 und ebenfalls formschlüssige Enden 416 aufweisen. Wie in 4B illustriert ist, können eine erste Trennfolie 450, eine erste Elektrodenfolie 452, eine zweite Trennfolie 454 und eine zweite Elektrodenfolie 456 in dieser Reihenfolge um den zylindrischen Wicklungskern 400 gewickelt werden. Teilweise umwickelte Schichten 460 der Elektrodenfolien und Trennfolien bilden einen umwickelten Durchmesser 480 der Zelle aus. Die ersten und zweiten Trennfolien 450, 454 können nicht leitfähige poröse Materialien wie: Olefin-Polymere, Fluorpolymere, Glasfasern, Keramikfasern, Zellulosematerialien und Kombinationen davon, wie beispielsweise: keramisch beschichtetes Polymer, keramisch gefülltes Polymer und Glas gefülltes Polymer, umfassen.
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Um die Zelle mit Bisquitrollenstruktur zusammenzufügen, kann ein hohler zylindrischer Wicklungskern 400 aus Kunststoff oder Metall auf die Welle einer Wicklungsmaschine montiert oder angeordnet werden. Dabei können die quer ausgerichteten Kanten der ersten und zweiten Trennfolien 450 und 454 entlang einer axialen Länge des Kerns zentriert und durch Verwenden von Klebeband an den Kern befestigt werden. Der zylindrische Wicklungskern 400 kann anschließend wenigstens um eine Umdrehung gedreht werden. Die quer ausgerichtete Kante der ersten Elektrode kann parallel zu der Achse 470 des zylindrischen Wicklungskerns zwischen den ersten und zweiten Trennfolien positioniert werden. Der Wicklungskern kann anschließend um eine Umdrehung gedreht werden, wodurch die erste Elektrodenfolie 452 zwischen die ersten und zweiten Trennfolien 450, 454 hineingezogen und befestigt wird. Danach kann die zweite Elektrodenfolie 456 parallel zu der Achse 470 des zylindrischen Wicklungskerns zwischen der zweiten Trennfolie 454 und der bereits auf den Kern gewickelten ersten Trennfolie 450 positioniert werden. Der zylindrische Wicklungskern kann anschließend kontinuierlich gedreht werden, bis die gewünschten Längen der ersten und zweiten Elektrodenfolien gemäß der Bisquitrollenstruktur gewickelt worden sind, und/oder der gewünschte Gesamtwicklungsdurchmesser 480 erreicht ist. 4B illustriert ferner jeweils die ersten und zweiten Trennfolien 450 und 454 und jeweils die ersten und zweiten Elektrodenfolien 452 und 456, die in Schichten um den zylindrischen Wicklungskern 400 gewickelt sind.
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Die Breiten der ersten und zweiten Elektroden können beide größer als die Breiten der ersten und zweiten Trennfolien sein, allerdings können beide beschichtete Breiten umfassen, die kleiner als oder gleich der Breite der ersten und zweiten Trennfolien sind. Darüber hinaus kann die zweite Elektrode eine beschichtete Breite aufweisen, die geringfügig schmaler als die beschichtete Breite der ersten Elektrode sein kann. Dadurch können die Trennfolien die beschichteten Oberflächen der ersten und zweiten Elektroden, die um den zylindrischen Wicklungskern gewickelt sind, mechanisch und elektrisch trennen. Ferner kann, für den Fall, dass die erste Elektrode die negative Elektrode und die zweite Elektrode die positive Elektrode ist, wobei die zweite Elektrode eine schmalere beschichtete Breite als die beschichtete Breite der ersten Elektrode aufweist, die Ablagerung von metallischem Lithium auf den freigelegten ausgesparten Kanten und der freigelegten Metall-Substratfolie der ersten Elektrode vermieden werden. Die Ablagerung von metallischem Lithium kann sowohl die Menge an nutzbarer gespeicherter elektrischer Energie verringern als auch das Risiko der Verschlechterung und der Widerstandsfähigkeit der elektrochemischen Zelle, wenn diese thermischer, elektrischer und/oder mechanischer Belastung ausgesetzt ist, erhöhen.
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Während des Wicklungsvorgangs können schmale ausgesparte Ausschnitte 136 in die freigelegten Kanten 130 der Elektrodenfolie in einem spezifischen Muster bezogen auf den Wicklungs-Drehwinkel geschnitten werden, wodurch eine Reihe an zueinander ausgerichteten, mechanisch freistehenden Folienbereichen 138 erzeugt werden, welche später in einem Vereinigungsschritt gegen den zentralen Kern gedrückt werden und für das Verschweißen vereinigt werden. Der Schritt des Vereinigens und Verschweißens kann dazu dienen, um die gewickelten Schichten der ersten Elektrodenfolie miteinander elektrisch zu verbinden, um die gewickelten Schichten der zweiten Elektrodenfolie elektrisch miteinander zu verbinden und um die gewickelten Schichten der ersten Elektrodenfolie und der zweiten Elektrodenfolie mit den Polen der elektrochemischen Speicherzelle, die durch leitfähige Kerneinsätze 710, 720 ausgebildet sind, elektrisch zu verbinden.
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Der Aussscheideprozess der Aussparung kann bezogen auf den Drehwinkel des Wicklungsdorns durchgeführt werden. Dadurch können die Aussparungen in jeder Schicht derart radial und winklig zueinander ausgerichtet werden, dass die Aussparungen in aufeinanderfolgenden Schichten der ersten und zweiten Elektroden eine Öffnung in der Bisquitrollenstruktur ausbilden, die sich von der äußeren Oberfläche der Zelle hindurch bis zu der äußeren Oberfläche des zylindrischen Wicklungskerns erstreckt.
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Die Länge der ausgeschnittenen Aussparung kann so eingestellt werden, um eine freie Bogenlänge zu erzeugen, die einen eingeschlossenen Winkel in jeder Schicht des Elektrodenmaterials in der Bisquitrollenstruktur von 45° (π/4 Radianten) bis größer als oder gleich 115° (ca. 2 Radianten), aber weniger als 180° (z. B. weniger als π Radianten) umfasst. Die bevorzugte Bogenlänge der ausgeschnittenen Aussparung kann von dem radialen Abstand von dem Außendurchmesser der Bisquitrolle zu der Oberfläche des Kern abhängig sein und kann von der Form der Oberfläche des Kerns abhängig sein, welche konvex, konkav oder flach ist. Die Bogenlänge der ausgeschnittenen Aussparung und die winklige Position davon können bezogen auf den Gesamtdrehwinkel des Wicklungsdorns eingestellt werden oder sie können anhand eines oder mehrerer der Parameter: Wicklungswinkel, Materialdicke und Wicklungsdurchmesser (oder Radius) der Bisquitrollenstruktur eingestellt werden.
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Hinsichtlich 6A und 6B zeigen diese perspektivische Ansichten einer teilweise zusammengefügten elektrochemischen Speicherzelle 600 während des Wickelns der ersten und zweiten Elektrodenfolien sowie der ersten und zweiten Trennfolien auf einem zylindrischen Wicklungskern 630. 6B ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der teilweise zusammengefügten elektrochemischen Speicherzelle 600 eines Bereichs 66 in 6A. Die teilweise zusammengefügte elektrochemische Speicherzelle 600 umfasst eine beschichtete Breite 610 einer Elektrodenfolie (z. B. eine erste Elektrodenfolie oder eine zweite Elektrodenfolie), einen unbeschichteten Kantenabschnitt 640 der Elektrodenfolie und eine Trennfolie 620 (z. B. die erste oder zweite Trennfolie), jeweils gewickelt, um eine teilweise Bisquitrollenstruktur 650 auszubilden. Obwohl nicht explizit in 6A und 6B dargestellt, kann die teilweise zusammengefügte elektrochemische Speicherzelle 600 sowohl die beiden ersten und zweiten Elektrodenfolien als auch die beiden ersten und zweiten Trennfolien aufweisen, die teilweise gewickelt sind, um die teilweise Bisquitrollenstruktur 650 auszubilden. Die beschichtete Breite 610 kann kleiner als oder gleich der Breite der Trennfolie 620 sein, um sicherzustellen, dass die Trennfolie 620 sowohl elektrisch als auch mechanisch die erste Elektrodenfolie von der zweiten Elektrodenfolie trennt.
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Die unbeschichteten Kantenabschnitte 640 können eine Mehrzahl an ausgesparten Ausschnitten 670 umfassen. Die ausgesparten Ausschnitte 670 können vor dem Wickeln ausgeformt werden oder wenn die Elektrodenfolie auf den zylindrischen Wicklungskern 630 gewickelt wird. Wie in 6B gezeigt, ist eine Form der ausgesparten Ausschnitte 670 im Allgemeinen oval, länglich und schmal. Im Übrigen erhöht sich eine Länge 690 der ausgesparten Ausschnitte 670 (und ein Abstand 694 zwischen den ausgesparten Ausschnitten 670 vergrößert sich), da sich eine Elektrodenfolienlänge, die auf den zylindrischen Kern gewickelt ist, erhöht, so dass nach dem Wickeln der Elektrodenfolie auf den zylindrischen Wicklungskern 630 die ausgesparten Ausschnitte 670 winklig zueinander bezogen auf den zylindrischen Wicklungskern 630 ausgerichtet sind. Wie oben beschrieben, kann die Länge der ausgesparten Ausschnitte einer Bogenlänge entsprechen, die einen eingeschlossenen Winkel nach dem Wickeln der Elektrodenfolie auf den zylindrischen Wicklungskern 630 von gleich oder größer als 45°, aber weniger als 180°, umfasst. Des Weiteren können die Mittellinien 696 von aufeinanderfolgenden ausgesparten Ausschnitten 670 der Länge nach derart beabstandet sein, so dass sie um 180° entgegengesetzt sind, wenn sie auf den zylindrischen Wicklungskern 630 gewickelt sind und Öffnungen 636 in der Bisquitrollenstruktur ausbilden, die sich radial von der äußeren Oberfläche der elektrochemischen Speicherzelle hindurch zu der äußeren Oberfläche des zylindrischen Wicklungskerns 630 erstrecken.
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Der Ausschneidevorgang der Aussparungen kann durch ein Steuerlogik basiertes Laserschneiden, Hochdruck-Wasserstrahlschneiden, mechanisches Stanzen oder durch andere allgemein bekannte industrielle Trenn- oder Stanzprozesse durchgeführt werden. Der Wicklungsvorgang wird so lange fortgesetzt, bis eine endgültige Länge der ersten und zweiten Elektrodenfolien gewickelt ist und/oder ein endgültiger Wicklungs-Durchmesser gewickelt ist. Die Bisquitrollenstruktur kann anschließend noch um eine oder mehrere zusätzliche Umdrehungen gedreht werden, um die äußere Schicht der Bisquitrollenstruktur in ihrer Gesamtheit mit den ersten und/oder zweiten Trennfolien zu bedecken und um die äußere Schicht der Bisquitrollenstruktur mittels einer oder mehreren Schichten eines Klebebands befestigen zu können. Das Band kann dieselbe Dicke als die ersten und/oder zweiten Trennfolien aufweisen oder geringfügig breiter sein. Die resultierende Bisquitrollen-Baugruppe und der Wicklungskern werden von dem Dorn der Wicklungsmaschine entnommen.
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Im Hinblick auf 7 zeigt diese eine vollständig gewickelte Bisquitrollenstruktur 700 einer elektrochemischen Speicherzelle. Ein zentraler Bereich der äußeren Oberfläche der Bisquitrollenstruktur kann eine isolierende Trennfolie 620 mit benachbarten Kantenabschnitten 640 umfassen, die Öffnungen 636 umfasst, welche von winklig zueinander ausgerichteten ausgesparten Ausschnitten 670 ausgebildet werden, die an jedem Ende 652, 654 der Bisquitrolle freigelegt sind. Leitfähige Kerneinsätze 710 und 720 können anhand der Achse 770 ausgerichtet werden und an den Enden 654 und 652 des zylindrischen Wicklungskerns 630 jeweils eingesetzt werden. Dadurch können die leitfähigen Kerneinsätze 710 und 720 positive und negative (oder negative und positive) Pole der elektrochemischen Speicherzelle ausbilden. 8 zeigt eine vollständig gewickelte Bisquitrollenstruktur 700 einer elektrochemischen Speicherzelle, welche die eingesetzten leitfähigen Kerneinsätze 710 und 720 (710 ist nicht gezeigt) aufweisen.
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Im Hinblick auf 9 zeigt diese die Bereiche 940, 944 der freigelegten Kantenabschnitte 640, benachbart zu den ausgesparten Ausschnitten 670 der gewickelten Schichten der ersten und zweiten Elektrodenfolien, die vereinigt werden können, indem diese in einem zentralen Bereich mit der Oberfläche der leitfähigen Kerneinsätze 710 und 720 auf beiden Seiten der Bisquitrolle in zusammengedrücktem und elektrischem Kontakt stehen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Zusammendrücken durch Montieren der Bisquitrollenstruktur innerhalb einer Befestigungsvorrichtung mit einem oder mehreren beweglichen Schnittwerkzeugen durchgeführt werden, wobei die Schnittwerkzeuge so geformt sind, damit sie der Länge der Bereiche der freigelegten Kantenabschnitte 640 der Folie, benachbart zu den winklig zueinander ausgerichteten ausgesparten Ausschnitten 670, entsprechen. Die zusammendrückten Bereiche 940, 944 können durch geeignete Mittel mit den Seiten des zentralen Kerneinsatzes verschweißt werden, wodurch eine Verbindung niedrigen elektrischen und thermischen Widerstands der ersten und zweiten Elektroden mit dem Metallkern erzeugt wird. Das Verschweißen kann durch Ultraschall-Vibrationsschweißen, elektrisches Widerstandsschweißen oder durch Schmelzschweißen, wie ein Laser- oder ein Elektronenstrahlschweißen, durchgeführt werden.
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Die Form der ausgesparten Ausschnitte 670 kann modifiziert werden, um verschiedene Charakteristika zu erreichen. Beispielsweise können die ausgesparten Ausschnitte 670 große runde (z. B. gekrümmt, abgerundet) Endbereiche 950 aufweisen, um die Spannungen an den Folienkanten an den Endbereichen zu reduzieren und um ein Risiko des Reißens der Elektrodenfolien zu reduzieren, welches das Reduzieren eines Risiko des Reißens der Elektrodenfolien während dem Zusammendrücken und Verformen der Bereiche der Elektrodenfolien benachbart zu den ausgesparten Ausschnitten 670 umfasst, wenn die Elektrodenfolien mit den leitfähigen Kerneinsätzen elektrisch verbunden werden. Bezüglich eines anderen Ausführungsbeispiels kann eine Breite der ausgesparten Ausschnitte 670 reduziert werden, um den ohmschen Widerstand der unbeschichteten Folienschichten (z. B. unbeschichtete Kantenabschnitte 640) zu verringern, wenn die Elektrodenfolie auf den zylindrischen Wicklungskern 630 gewickelt wird. Außerdem kann eine Breite der ausgesparten Ausschnitte 670 kleiner als eine Breite der unbeschichteten Kantenabschnitte 640 sein, so dass nach dem Vereinen und/oder Zusammendrücken der Bereiche 940, 944 ein Abstand 1030 der Aussparungen, welcher die Breite der ausgesparten Ausschnitte 670 aufweist, zwischen den zusammengedrückten Bereichen 940, 944 und dem Hauptkörper der Bisquitrollenstruktur, wie in 10 gezeigt ist, ausgeformt werden kann.
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Wie in 6B gezeigt ist, kann der die ausgesparten Ausschnitte 670 aufweisende unbeschichtete Kantenabschnitt 640 axial über den zylindrischen Wicklungskern 630 hinausragen, wenn dieser gewickelt wird, um die Bisquitrollenstruktur auszubilden. Eine axiale Länge des zylindrischen Wicklungskerns 630 kann kleiner als eine Breite der ersten und zweiten Elektrodenfolien sein, so dass die unbeschichteten Kantenabschnitte 640 der Elektrodenfolien über die Enden des zylindrischen Wicklungskerns 630 hinausragen. Dadurch können die zu den ausgesparten Ausschnitten 670 benachbarten Bereiche der Elektrodenfolien gegen den zylindrischen Wicklungskern 630 verformt und zusammengedrückt werden, um die ersten und zweiten Elektrodenfolien mit den leitfähigen Kerneinsätzen an den ersten und zweiten Enden 652, 654 der Bisquitrollenstruktur elektrisch zu verbinden. Des Weiteren können die unbeschichteten Kantenabschnitte der ersten und zweiten Elektrodenfolien über die Enden des zylindrischen Wicklungskerns jeweils an den ersten und zweiten Enden 652, 654 hinaus ragen, um eine erste Elektrodenfolie mit einem ersten leitfähigen Kerneinsatz und eine zweite Elektrodenfolie mit einem zweiten leitfähigen Kerneinsatz elektrisch zu verbinden. Dadurch kann eine erste Elektrodenfolie ferner mit einem ersten Pol der elektrochemischen Speicherzelle elektrisch verbunden werden und eine zweite Elektrodenfolie kann weiter mit einem zweiten Pol der elektrochemischen Speicherzelle elektrisch verbunden werden.
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Im Hinblick auf 5A und 5B zeigen diese eine Draufsicht und eine perspektivische Seitenansicht einer Bisquitrollenstruktur 500 einer elektrochemischen Speicherzelle nachdem die Elektrodenfolien 510 und Trennfolien vollständig auf einen zylindrischen Wicklungskern 530 gewickelt worden sind und nachdem die Bereiche 560 der unbeschichteten Kantenabschnitten benachbart zu den ausgesparten Ausschnitten an die Oberfläche des zylindrischen Wicklungskerns 530 gedrückt worden sind. 5A und 5B zeigen ebenfalls Seiten 562 der Bereiche 560, die verdichtete, zusammengedrückte Schichten der unbeschichteten Kantenabschnitte der Elektrodenfolien umfassen. Der zylindrische Wicklungskern hat einen Radius R1 und die Bisquitrollenstruktur weist einen Radius R2 gewickelter Elektrodenfolien auf. Dementsprechend bilden die gewickelten Elektrodenfolien und die gewickelten Trennfolien innerhalb der Bisquitrollenstruktur zwischen einem Radius R1 und einem Radius R2 Schichten aus. Eine Bogenlänge von jedem Bereich der Schichten kann durch das Produkt des Winkelabstands Omega (Ω) und dem Radius R berechnet werden. Demzufolge kann eine Bogenlänge an der Oberfläche des zylindrischen Kerns als ΩR1 ausgedrückt werden und eine Bogenlänge an der Oberfläche der gewickelten Bisquitrollenstruktur 500 kann als ΩR2 ausgedrückt werden. Dadurch können eine Länge der ausgesparten Ausschnitte und ein Abstand zwischen den ausgesparten Ausschnitten entsprechend dem zylindrischen Kernradius, einer Dicke der zu wickelnden Elektrodenfolien und Trennfolien sowie einer Länge der zu wickelden Elektrodenfolien und Trennfolien (oder ein endgültiger Radius der gewickelten Bisquitrollenstruktur) vorherbestimmt werden.
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Im Hinblick auf 11 zeigt diese ein alternatives Ausführungsbeispiel 1100, welches den zylindrischen Wicklungskern 1150 und den leitfähigen Kerneinsatz 1110, der abgeflachte Seiten 1112 und einen abgeflachten ovalen Querschnitt 1130 aufweist, umfasst. Dadurch können die leitfähigen Kerneinsätze derart modifiziert werden, dass die zu verschweißenden Flächen eher flach als gekrümmt sind, wodurch sich die Konstruktion des Folienkern-Schweißwerkzeugs und der Schweißvorgang vereinfachen. Die abgeflachten Schweißoberflächen können insbesondere vorteilhaft für den Fall des Ultraschall-Vibrationsschweißens sein. Des Weiteren können die abgeflachten Seiten 1112 eine vergrößerte zusammendrückende Kraft und eine vergrößerte elektrische Verbindung bereitstellen, wenn die Bereiche 940 zusammengedrückt und vereint werden, um die erste Elektrodenfolie und die zweite Elektrodenfolie mit den leitfähigen Kerneinsätzen elektrisch zu verbinden. Die Enden des leitfähigen Kerneinsatzes 1110 können ebenfalls eine Lippe 1120 umfassen. 12 zeigt die gewickelte Bisquitrollenstruktur 1200, die einen leitfähigen Kerneinsatz mit abgeflachten Seiten 1112 aufweist und einen zylindrischen Wicklungskern 1150. Wie in 12 gezeigt ist, kann sich die Lippe 1120 über einen Bereich der zusammengedrückten/vereinten Bereiche 940 erstrecken sowie diese bedecken, wodurch diese mechanisch geschützt werden und ebenfalls eine oberflächliche Fläche zur elektrischen Verbindung mit den Elektrodenfolien (z. B. nach dem Verschweißen) vergrößert wird.
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Die zusammengefügte und verschweißte Bisquitrollenstruktur 1200 kann in ein zylindrisches Zellengehäuse eingesetzt werden. Die elektrische Verbindung mit dem zylindrischen Zellengehäuse von dem Kerneinsatz kann mittels Durchschweißen mit einem isolierten Pol des Gehäuses einer ersten Polarität und mittels Durchschweißen mit dem Gehäuse an dem gegenüberliegenden Ende durchgeführt werden, um den Pol einer zweiten Polarität zu verbinden. Alternativ können Anschlüsse zwischen den Kerneinsätzen und den Polen des Gehäuses vor dem Verschließen des Gehäuses verschweißt werden.
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Somit kann eine elektrochemische Speicherzelle umfassen: erste und zweite Elektrodenfolien, welche um einen zylindrischen Kern gewickelt sind, um eine Bisquitrollenstruktur auszubilden; wobei die ersten und zweiten Elektrodenfolien jeweils unbeschichtete leitfähige, zu Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur parallele, Kanten und beschichtete gegenüberliegende Oberflächen zwischen den unbeschichteten leitfähigen Kanten aufweisen; wobei erste und zweite Trennfolien die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Elektrodenfolien mechanisch und elektrisch trennen sowie den zylindrischen Kern und die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Elektrodenfolie mechanisch und elektrisch trennen; und ausgesparte Ausschnitte aus den unbeschichteten leitfähigen Kanten; wobei die ausgesparten Ausschnitte winklig zueinander bezogen auf den zylindrischen Kern nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur ausgerichtet sind. Die elektrochemische Speicherzelle kann ferner umfassen: zusammengedrückte, winklig zueinander ausgerichtete Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten; wobei die zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche elektrisch miteinander verbunden sind; und wobei die zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche benachbart zu den ausgesparten Ausschnitten angeordnet sind. Der zylindrische Kern kann ein Paar flacher gegenüberliegender Seiten umfassen, wobei das Paar flacher gegenüberliegender Seiten einen abgeflachten ovalen Querschnitt ausbildet und die zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche können mit dem zylindrischen Kern an den abgeflachten gegenüberliegenden Seiten elektrisch verbunden sein. Eine Länge der ausgesparten Ausschnitte entspricht einer Bogenlänge, die einem Winkel von weniger als 180° nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur entspricht, und wobei eine Länge der ausgesparten Ausschnitte einer Bogenlänge entsprechen kann, die einem Winkel größer als 2 Radianten nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur entspricht. Weiterhin können längs ausgerichtete Enden des ausgesparten Ausschnitts eine abgerundete Form aufweisen und die ausgesparten Ausschnitte können eine erste und zweite Gruppe von ausgesparten Ausschnitten aufweisen, wobei sich die erste und zweite Gruppe ausgesparter Ausschnitte winklig um 180° bezogen auf den zylindrischen Kern gegenüberliegen.
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Die elektrochemische Zelle kann ferner umfassen: erste und zweite leitfähige Kerneinsätze; wobei die ersten und zweiten leitfähigen Kerneinsätze in die Enden des zylindrischen Kerns eingesetzt sind, um Pole der elektrochemischen Speicherzelle auszubilden; wobei der erste leitfähige Kerneinsatz mit den zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereichen der unbeschichteten leitfähigen Kanten der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist; und wobei der zweite leitfähige Kerneinsatz mit den zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereichen der unbeschichteten leitfähigen Kanten der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist. Eine zu einer Achse des zylindrischen Kerns der ersten und zweiten Elektroden parallele Breite kann größer als eine zu einer Achse des zylindrischen Kerns parallele Breite der ersten und zweiten Trennfolien sein. Eine Breite der beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen kann kleiner als oder gleich der Breite der ersten und zweiten Trennfolien sein und eine Breite der beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der zweiten Elektrode kann kleiner als eine Breite der beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Elektrode sein.
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Im Hinblick auf 13 zeigt diese ein beispielhaftes Verfahren 1300 für eine elektrochemische Speicherzelle. Das Verfahren 1300 beginnt mit dem Ausbilden der Elektrodenfolien bei dem übergeordneten Schritt 1310. Das Ausbilden der Elektrodenfolien bei Schritt 1312 kann ein Beschichten beider Seiten eines metallischen Foliensubstrats mit spezifischen Breiten umfassen, wobei unbeschichtete Abschnitte zwischen den beschichteten Abschnitten der spezifischen Breiten freigelassen werden. Bei Schritt 1314 des Verfahrens 1300 können die beschichteten Foliensubstrate getrocknet und kalandriert werden, um die beschichteten Substrate zu härten und/oder zu glätten sowie abzuflachen. Anschließend werden durch das Verfahren 1300 die beschichteten Folien entlang sich abwechselnder Kanten der beschichteten Abschnitte abgetrennt, wodurch die Elektroden ausgebildet werden. Die Zusammensetzung der Beschichtung kann von den Einsatzbedingungen der Elektrode abhängen. Zum Beispiel kann eine Anode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Speicherzelle ein elektroaktives Lithium-Einlagerungs-Material oder eine metallische Lithiumbeschichtung aufweisen, die auf beiden Seiten eines metallischen Foliensubstrates in einem kontinuierlichen Beschichtungsprozess aufgetragen wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Kathode für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Speicherzelle eine Mischung aus lithiiertem Eisenphosphatpulver, leitfähigem Kohlenstoff und polymeren Bindemittel umfassen. Das Verfahren 1300 kann ebenfalls für andere Arten von elektrochemischen Speicherzellen verwendet werden und ist nicht auf elektrochemische Lithium-Ionen-Speicherzellen beschränkt.
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Bei Schritt 1318 des Verfahrens 1300 wird ermittelt, ob eine weitere Elektrode ausgebildet werden soll. Falls eine weitere Elektrode ausgebildet werden soll, kehrt das Verfahren 1300 zu Schritt 1312 zurück; ansonsten wird das Verfahren 1300 bei dem übergeordneten Schritt 1320 fortgeführt, in welchem die Elektrodenfolien montiert werden. Bei Schritt 1322 des Verfahrens 1300 wird ein Wicklungskern ausgewählt und der Wicklungskern auf eine Wicklungsmaschine montiert. Ein Ausführungsbeispiel eines Wicklungskerns kann einen hohlzylindrischen Wicklungskern, wie z. B. den zylindrischen Wicklungskern 530 mit einem kreisförmigen Querschnitt, umfassen. Andere Wicklungskerne mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann ein zylindrischer Wicklungskern mit einem abgeflachten ovalen Querschnitt 1130 verwendet werden. Eine Innenseite des Wicklungskerns kann, wie in 4A und 4B gezeigt ist, formschlüssig sein, um die Montage des Wicklungskerns auf einen Wicklungsdorn einer Wicklungsmaschine zu vereinfachen und um das Wickeln des Wicklungskerns zu vereinfachen.
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Das Verfahren 1300 wird bei Schritt 1324 fortgeführt, bei welchem eine erste und zweite Trennfolie an die äußere gekrümmte Oberfläche des Wicklungskerns befestigt wird und der Wicklungskern anschließend um wenigstens eine Umdrehung gedreht wird, um die ersten und zweiten Trennfolien auf den Wicklungskern zu wickeln. Die Kanten in Querrichtung der ersten und zweiten Trennfolie können parallel zu der Mittelachse des zylindrischen Kerns ausgerichtet sein, so dass aufeinanderfolgende Schichten der ersten und zweiten Trennfolien gleichmäßig parallel um den Wicklungskern gewickelt werden. Darüber hinaus kann die erste Elektrodenfolie derart positioniert werden, dass die unbeschichteten Kantenabschnitte bereits gewickelter Schichten über ein erstes Ende des Wicklungskerns hinausragen.
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Bei Schritt 1326 wird die erste Elektrodenfolie zwischen ungewickelten Enden der ersten und zweiten Trennfolien benachbart zu dem Wicklungskern positioniert und der Wicklungskern danach um wenigstens eine Umdrehung gedreht, um die erste Elektrodenfolie auf den Wicklungskern zu wickeln. Die Kante der ersten Elektrodenfolie kann in Querrichtung parallel zu der Mittelachse des zylindrischen Kerns positioniert werden, so dass aufeinanderfolgende Schichten der ersten Elektrodenfolie gleichmäßig parallel um den Wicklungskern gewickelt werden. Bei Schritt 1328 wird die zweite Elektrodenfolie auf der Oberfläche der zweiten Trennfolie positioniert und der Wicklungskern wird zumindest um eine Umdrehung gedreht, um die zweite Elektrodenfolie auf den Wicklungskern zu wickeln. Dadurch trennen die ersten und zweiten Trennfolien die beschichteten Breiten der ersten und zweiten Elektrodenfolien sowohl elektrisch als auch mechanisch. Die Kante der zweiten Elektrodenfolie kann in Querrichtung parallel zu der Mittelachse des zylindrischen Kerns positioniert werden, so dass aufeinanderfolgende Schichten der zweiten Elektrodenfolie gleichmäßig parallel um den Wicklungskern gewickelt werden. Außerdem kann die zweite Elektrodenfolie derart positioniert werden, dass die unbeschichteten Kantenabschnitte bereits gewickelter Schichten über ein zweites Ende des Wicklungskerns hinausragen können.
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Im Hinblick auf 14 wird das Verfahren 1300 durch das Verfahren 1400 weitergeführt, welches das Wickeln und das Vereinen der elektrischen Verbindungen umfasst. Bei dem übergeordneten Schritt 1410, wird der Wicklungsprozess durchgeführt. Beispielsweise kann der Wicklungsprozess 1410 mittels einer kontinuierlichen Wicklungsmaschiene durchgeführt werden und kann durch eine computerbasierte Steuerungsvorrichtung gesteuert werden. Bei Schritt 1412 wird der Wicklungskern gedreht, um die Elektrodenfolien und Trennfolien kontinuierlich zu wickeln, damit die Bisquitrollenstruktur der elektrochemischen Speicherzelle ausgebildet wird. Während der Wicklungskern gedreht wird, können die ausgesparten Ausschnitte ausgehend von den unbeschichteten Kantenabschnitten der Elektrodenfolien ausgeschnitten werden. Wie bereits oben beschrieben ist, können die Länge der ausgesparten Ausschnitte und die Abstände dazwischen gemäß dem zylindrischen Kernradius, gemäß einer Dicke der Elektrodenfolien und der Trennfolien sowie gemäß einer Länge der Elektrodenfolien und der Trennfolien, die jeweils gewickelt werden (oder gemäß einem endgültigen Radius der gewickelten Bisquitrollenstruktur), vorherbestimmt werden. Außerdem kann eine Länge der ausgesparten Ausschnitte auf einem Winkel eines Wicklungsdorns basieren und sie kann ferner einer Bogenlänge entsprechen, die einen eingeschlossenen Winkel von gleich oder größer als 2 Radianten (und weniger als 180°) nach dem Wickeln der Elektrodenfolien auf den zylindrischen Wicklungskern 630 umfasst. Darüber hinaus können die längsgerichteten Mittellinien 696 von aufeinanderfolgenden ausgesparten Ausschnitten 670 derart beabstandet sein, so dass sie um 180° gegenüberliegend versetzt sind, wenn sie auf den zylindrischen Wicklungskern 630 gewickelt werden und Öffnungen 636 innerhalb der Bisquitrollenstruktur ausbilden, die sich radial von der äußeren Oberfläche der elektrochemischen Speicherzelle hindurch bis zu der äußeren Oberfläche des zylindrischen Wicklungskerns 630 erstrecken.
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Ferner kann die Winkelgeschwindigkeit des Wickelns einer Geschwindigkeit des Ausschneidens der ausgesparten Ausschnitte entsprechen, wobei der Ausschneideprozess durch ein Steuerlogik basiertes Laserschneiden, ein Hochdruck-Wasserstrahlschneiden, ein mechanisches Stanzen oder durch andere allgemein bekannte industrielle Trenn- und/oder Stanzprozesse durchgeführt wird. Das Verfahren 1400 wird bei Schritt 1416 fortgesetzt, bei welchem ermittelt wird, ob ein endgültiger Durchmesser der Bisquitrollenstruktur (z. B. der Elektrodendurchmesser der elektrochemischen Speicherzelle) erreicht worden ist. Alternativ kann das Verfahren 1400 bei Schritt 1416 ermitteln, ob eine endgültige Länge der gewickelten Elektrodenfolien erreicht worden ist. Falls dies nicht der Fall ist, kehrt Verfahren 1400 zu Schritt 1412 zurück, bei welchem die Drehung des Wicklungskerns fortgesetzt wird.
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Falls bei Schritt 1416 der endgültige Durchmesser der Bisquitrollenstruktur erreicht worden ist, wird das Verfahren 1400 bei Schritt 1418 fortgesetzt, bei welchem eine endgültige Drehung des Wicklungskerns vollendet wird, um die äußere Oberfläche der elektrochemischen Speicherzelle mit einer der Trennfolien zu umschließen. Bei Schritt 1420 wird die äußere Schicht der elektrochemischen Speicherzelle, welche die Trennfolie umfasst, mit Klebeband befestigt und bei Schritt 1426 der Wicklungskern mit den daran entlang gewickelten Elektrodenfolien der elektrochemischen Speicherzelle wird von der Wicklungsmaschine entnommen.
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Das Verfahren 1400 wird bei Schritt 1430 fortgesetzt, bei welchem die Vereinigung der elektrischen Verbindungen durchgeführt wird. Bei Schritt 1434 des Verfahrens 1400 werden die leitfähigen Kerneinsätze an beiden Enden des Wicklungskerns eingesetzt und die Bereiche der zu den ausgesparten Ausschnitten benachbarten unbeschichteten Kantenabschnitte werden vereinigt und gegen den Wicklungskern und gegen die äußere Oberfläche der leitfähigen Kerneinsätze gedrückt. Die Bereiche der unbeschichteten Kantenabschnitte benachbart zu den ausgesparten Ausschnitten umfassen einen, bezogen auf einen axialen Mittelpunkt der elektrochemischen Speicherzelle, entfernten Bereich der zu den ausgeschnittenen Ausschnitten benachbarten unbeschichteten Kantenabschnitte. Beispielsweise bildet das Vereinigen und Zusammendrücken Bereiche 560 von vereinigten und elektrisch verbundenen Schichten der Elektrodenfolien entlang der Seiten 562 der Bereiche 560 aus, die verdichtete zusammengedrückte Schichten der unbeschichteten Kantenabschnitte der Elektrodenfolien umfassen. Bei Schritt 1438 werden die Bereiche (z. B. Bereiche 560) verschweißt, damit die vereinigten Elektrodenfolien mit der Oberfläche der leitfähigen Kerneinsätze elektrisch verbunden werden.
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Die unbeschichteten Kantenabschnitte der ersten und zweiten Elektrodenfolien können jeweils über die Enden des zylindrischen Wicklungskerns an den ersten und zweiten Enden 652, 654 hinausragen, um eine erste Elektrodenfolie mit einem ersten leitfähigen Kerneinsatz und eine zweite Elektrodenfolie mit einem zweiten leitfähigen Kerneinsatz nach dem Vereinigen der elektrischen Verbindungen 1430 (z. B. 1434, 1438) elektrisch zu verbinden. Dadurch kann eine erste Elektrodenfolie mit einem ersten Pol der elektrochemischen Speicherzelle elektrisch verbunden werden und eine zweite Elektrodenfolie kann mit einem zweiten Pol der elektrochemischen Speicherzelle elektrisch verbunden werden. Dadurch bilden die leitfähigen Kerneinsätze die positiven und negativen Pole der elektrochemischen Speicherzelle aus.
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Die zusammengefügte und verschweißte Bisquitrollenstruktur kann in ein zylindrisches Gehäuse einer elektrochemischen Speicherzelle eingesetzt werden. Die elektrische Verbindung von dem Kerneinsatz mit dem Zellengehäuse kann mittels einer Durchschweißverbindung sowohl mit einem isolierten Pol des Gehäuses einer ersten Polarität als auch mit dem Gehäuse an dem gegenüberliegenden Ende durchgeführt werden, um den Pol der zweiten Polarität zu verbinden. Alternativ können Anschlüsse zwischen den Kerneinsätzen und den Polen des Gehäuses vor dem Verschluss des Gehäuses geschweißt werden.
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Auf diese Weise kann ein Verfahren für eine elektrochemische Speicherzelle umfassen: ein Wickeln von ersten und zweiten Elektrodenfolien um einen zylindrischen Kern, um eine Bisquitrollenstruktur auszubilden, wobei die ersten und zweiten Elektrodenfolien jeweils unbeschichtete, zu Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur parallele, leitfähige Kanten und beschichtete gegenüberliegende Oberflächen zwischen den unbeschichteten leitfähigen Kanten aufweisen; ein Wickeln von ersten und zweiten Trennfolien um den zylindrischen Kern zwischen die ersten und zweiten Elektrodenfolien, um die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Elektrodenfolien mechanisch und elektrisch zu trennen und um den zylindrischen Kern und die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen mechanisch und elektrisch zu trennen; und ein Ausschneiden von Aussparungen aus den unbeschichteten leitfähigen Kanten der ersten und zweiten Elektrodenfolien, um ausgesparte Ausschnitte auszuformen, wobei die ausgesparten Ausschnitte bezogen auf den zylindrischen Kern nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur winklig zueinander ausgerichtet sind. Das Verfahren kann ferner umfassen: Drücken von winklig zueinander ausgerichteter Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten an Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur gegen den zylindrischen Kern, um die unbeschichteten leitfähigen Kanten elektrisch miteinander zu verbinden, wobei die winklig zueinander ausgerichteten Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten zu den ausgesparten Ausschnitten benachbart angeordnet sind. Das Verfahren kann ferner umfassen: ein Einsetzen von ersten und zweiten leitfähigen Kerneinsätzen in jedes Ende des zylindrischen Kerns; und ein Drücken von winklig zueinander ausgerichteter Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten an Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur gegen den zylindrischen Kern, um die unbeschichteten leitfähigen Kanten der ersten Elektrode mit dem ersten leitfähigen Kerneinsatz elektrisch zu verbinden und um die leitfähigen unbeschichteten Kanten der zweiten Elektrode mit dem zweiten leitfähigen Kerneinsatz elektrisch zu verbinden. Das Verfahren kann ferner umfassen: ein Verschweißen der zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten mit dem zylindrischen Kern. Die ersten und zweiten Elektroden können mit dem zylindrischen Kern ohne das Verschweißen von leitfähigen Anschlüssen mit der ersten und zweiten Elektrode elektrisch verbunden sein.
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Insofern kann ein Verfahren für eine zylindrische elektrochemische Zelle umfassen: ein Ausbilden einer ersten und zweiten Elektrode; ein Montieren der ersten und zweiten Elektroden auf einem zylindrischen Kern; ein Wickeln der ersten und zweiten Elektroden auf den zylindrischen Kern; und ein Vereinigen der ersten und zweiten Elektroden, um die ersten und zweiten Elektroden mit den ersten und zweiten Polen der elektrochemischen Speicherzelle elektrisch zu verbinden. Das Vereinigen der ersten und zweiten Elektroden kann ohne ein Verschweißen von leitfähigen Anschlüssen mit der ersten und zweiten Elektrode durchgeführt werden.
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Wie bereits hierin beschrieben ist, kann in einem Ausführungsbeispiel eine elektrochemische Speicherzelle bereitgestellt werden, die umfasst: erste und zweite Elektrodenfolien, die um einen zylindrischen Kern gewickelt sind, um eine Bisquitrollenstruktur auszubilden, wobei die ersten und zweiten Elektrodenfolien jeweils unbeschichtete, zu Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur parallele, leitfähige Kanten und beschichtete gegenüberliegende Oberflächen zwischen den unbeschichteten leitfähigen Kanten aufweisen; erste und zweite Trennfolien, welche die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Elektrodenfolien mechanisch und elektrisch trennen und welche den zylindrischen Kern und die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Elektrodenfolie mechanisch und elektrisch trennen; und aus den unbeschichteten leitfähigen Kanten ausgesparte Ausschnitte, wobei die ausgesparten Ausschnitte winklig zueinander bezogen auf den zylindrischen Kern nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur ausgerichtet sind. Die elektrochemische Speicherzelle kann ferner zusammengedrückte, winklig zueinander ausgerichtete Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten aufweisen; wobei die zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche elektrisch miteinander verbunden sind; und wobei die zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche benachbart zu den ausgesparten Ausschnitten angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ kann der zylindrische Kern ein Paar flacher gegenüberliegender Seiten aufweisen, wobei das Paar flacher gegenüberliegender Seiten einen abgeflachten ovalen Querschnitt ausbildet. Die zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche können mit dem zylindrischen Kern an den abgeflachten gegenüberliegenden Seiten elektrisch verbunden werden. Eine Länge der ausgesparten Ausschnitte kann einer Bogenlänge entsprechen, die einem Winkel von weniger als 180° nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur entspricht. Eine Länge der ausgesparten Ausschnitte kann ferner einer Bogenlänge entsprechen, die einem Winkel von größer als 2 Radianten nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur entsprechen kann. Ferner können die längs ausgerichteten Enden des ausgesparten Ausschnitts eine abgerundete Form aufweisen, wobei die ausgesparten Ausschnitte eine erste und zweite Gruppe von ausgesparten Ausschnitten umfassen, wobei die erste und zweite Gruppe der ausgesparten Ausschnitte winklig um 180° bezogen auf den zylindrischen Kern gegenüberliegenden.
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Die elektrochemische Zelle kann ferner umfassen: erste und zweite leitfähige Kerneinsätze, wobei die ersten und zweiten leitfähigen Kerneinsätze in die Enden des zylindrischen Kerns eingesetzt sind, um Pole der elektrochemischen Speicherzelle auszubilden, wobei der erste leitfähige Kerneinsatz mit den zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereichen der unbeschichteten leitfähigen Kanten der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist und der zweite leitfähige Kerneinsatz mit den zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereichen der unbeschichteten leitfähigen Kanten der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist. Eine Breite der ersten und zweiten Elektroden, die parallel zu einer Achse des zylindrischen Kerns ist, kann größer als eine Breite der ersten und zweiten Trennfolien sein, die parallel zu einer Achse des zylindrischen Kerns ist. Eine Breite der beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen kann kleiner als oder gleich der Breite der ersten und zweiten Trennfolien sein. Eine Breite der beschichteten, gegenüberliegenden Oberflächen der zweiten Elektrode kann kleiner als eine Breite der beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Elektrode sein.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren für eine elektrochemische Speicherzelle umfassen: ein Wickeln von ersten und zweiten Elektrodenfolien um einen zylindrischen Kern, um eine Bisquitrollenstruktur auszubilden, wobei die ersten und zweiten Elektrodenfolien jeweils unbeschichtete leitfähige, zu Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur parallele, Kanten und beschichtete gegenüberliegende Oberflächen zwischen den unbeschichteten leitfähigen Kanten aufweisen; ein Wickeln von ersten und zweiten Trennfolien um den zylindrischen Kern zwischen die ersten und zweiten Elektrodenfolien, um die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Elektrodenfolien mechanisch und elektrisch zu trennen und um den zylindrischen Kern und die beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen mechanisch und elektrisch zu trennen; und ein Ausschneiden von Ausschnitten aus den unbeschichteten leitfähigen Kanten der ersten und zweiten Elektrodenfolien, um ausgesparte Ausschnitte auszuformen, wobei die ausgesparten Ausschnitte bezogen auf den zylindrischen Kern nach Ausbilden der Bisquitrollenstruktur winklig zueinander ausgerichtet sind.
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Das Verfahren kann ferner umfassen: ein Drücken von winklig zueinander ausgerichteten Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten an Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur gegen den zylindrischen Kern, um die unbeschichteten leitfähigen Kanten miteinander elektrisch zu verbinden, wobei die winklig zueinander ausgerichteten Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten benachbart zu den ausgesparten Ausschnitten angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren ferner umfassen: ein Einsetzen von ersten und zweiten leitfähigen Kerneinsätzen in jedes Ende des zylindrischen Kerns; und ein Drücken von winklig zueinander ausgerichteten Bereichen der unbeschichteten leitfähigen Kanten an Stirnseiten der Bisquitrollenstruktur gegen den zylindrischen Kern, um die unbeschichteten leitfähigen Kanten der ersten Elektrode mit dem ersten leitfähigen Kerneinsatz elektrisch zu verbinden und um die unbeschichteten leitfähigen Kanten der zweiten Elektrode mit dem zweiten leitfähigen Kerneinsatz elektrisch zu verbinden. Das Verfahren kann ferner ein Verschweißen der zusammengedrückten, winklig zueinander ausgerichteten Bereiche der unbeschichteten leitfähigen Kanten mit dem zylindrischen Kern umfassen. Die ersten und zweiten Elektroden können mit dem zylindrischen Kern ohne ein Verschweißen von leitfähigen Anschlüssen mit der ersten und zweiten Elektrode elektrisch verbunden sein.
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In einem andern Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren für eine zylindrische elektrochemische Zelle: ein Ausbilden einer ersten und zweiten Elektrode, ein Montieren der ersten und zweiten Elektroden auf einem zylindrischen Kern; ein Wickeln der ersten und zweiten Elektroden auf den zylindrischen Kern; und ein Vereinen der ersten und zweiten Elektroden, um die ersten und zweiten Elektroden mit ersten und zweiten Polen der elektrochemischen Speicherzelle elektrisch zu verbinden. Das Vereinigen der ersten und zweiten Elektroden kann ohne ein Verschweißen von leitfähigen Anschlüssen mit der ersten und zweiten Elektrode durchgeführt werden.
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Die offenbarte elektrochemische Speicherzelle bietet viele Vorteile hinsichtlich der Herstellung und Leistungsfähigkeit verglichen mit konventionellen elektrochemischen Speicherzellen. Erstens wird; durch Ausschneiden von Aussparungen in den freigelegten unbeschichteten Kantenabschnitten der Folie und durch Vereinigen der Elektrodenfolien an dem Innendurchmesser der Bisquitrollenstruktur-Wicklung in der zu der Mittelachse der Zelle normalen Ebene, um Elektroden mit den leitfähigen Kerneinsätzen elektrisch zu verbinden; ein Präparieren der Elektroden zum Anschweißen von separaten Anschlüssen vermieden, wodurch die Kosten des Wicklungsvorgangs und des damit verbundenen Equipments reduziert werden. Zweitens wird die Teileanzahl der Zellenbaugruppe reduziert, weil separate Anschlüsse und Isolationsband für die Elektrodenfolien nicht benötigt werden, wodurch weiter Kosten reduziert werden. Drittens wird der elektrische Widerstand der Zelle reduziert, wodurch sich der Wirkungsgrad der elektrochemischen Speicherzelle erhöht. Viertens kann eine Breite der unbeschichteten Folienabschnitte verglichen zu konventionellen Herstellungsverfahren, welche das Verschweißen von ausgeschnittenen Anschlüssen an die Elektrodenfolien aufweisen, reduziert werden. Fünftens werden die Herstellungskosten durch das Ermöglichen eines automatisierten Hochgeschwindigkeits-Zusammenbaus reduziert, mit Wicklungsgeschwindigkeiten, die der Geschwindigkeit einer laserbasierten Schneidevorrichtung zum Ausschneiden der ausgesparten Ausschnitte entspricht, anstatt den Elektroden-Wicklungsvorgang während dem Verschweißen der ausgeschnittenen Anschlüsse mit den Elektrodenfolien zu unterbrechen. Sechstens kann die Zuverlässigkeit der Zelle erhöht werden, indem die Anzahl an separaten Schweißverbindungen, welche für das Herstellen einer Zelle mit niedriger Impedanz benötigt wird, reduziert wird.
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Obwohl zahlreiche Vorteile bezüglich kontinuierlicher, z. B. Rolle-zu-Rolle-, Verarbeitungsprozessen von Elektrodenmaterialien zum Gebrauch in elektrochemischen Speicherzellen existieren, steht diese Offenbarung ebenfalls im Einklang mit Batch-Verarbeitungsprozessen. Obwohl ferner Ausführungsbeispiele von elektrochemischen Lithium-Ionen-Speicherzellen beschrieben sind, haben ferner die hierein beschriebene elektrochemische Speicherzelle sowie Verfahren und Systeme dafür auch für andere Arten von elektrochemischen Speicherzellen ihre Gültigkeit.
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Abschließend versteht es sich von selbst, dass die hierin beschriebenen, obigen Artikel, Systeme und Verfahren Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung sind; nicht beschränkende Beispiele also, für die zahlreiche Variationen und Erweiterungen ebenfalls in Erwägung gezogen werden. Demzufolge umfasst diese Offenbarung alle neuen und nicht nahegelegten Kombinationen und Unterkombinationen der hierin offenbarten Artikel, Systeme und Verfahren sowie jegliche und alle Äquivalente davon.
