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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Speicher nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Batteriezellen werden seit langem als elektrochemische Speicher für elektrische Energie genutzt, wobei unter Batteriezellen im Sinne der Erfindung sowohl Batterien als auch Akkumulatoren verstanden werden. Mit steigender Elektrifizierungsrate kommt leistungsfähigen Energiespeichern eine steigende Bedeutung zu, so stellen insbesondere Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte, einer konstanten Spannung bei geringer Selbstentladung, der thermischen Stabilität und dem fehlenden sogenannten Memory-Effekt eine weitgehend akzeptierte Technologie dar. Allgemein ist eine Batteriezelle aus Elektroden (Kathode, Anode), Separator, um die Elektroden zur Kurzschlussvermeidung zu trennen, Elektrolyt und einem Gehäuse als Träger der Chemikalien und zur Fixierung der Elektroden aufgebaut.
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Batteriezellen und insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen werden beispielsweise als Flachzellen hergestellt, wobei das Kathoden- und Anodenmaterial, Kollektoren (auch als Stromsammler oder Ableiter bezeichnet) und Separatoren in Form von dünnen Folien auf geeignete Weise aufeinandergelegt (gestapelt) und in einer Hülle verpackt werden. Die Kathode und/oder die Anode werden insbesondere als Verbund aus aktivem Elektrodenfilm, d. h. als eine auf einem Elektrodenträger, bzw. einem Kollektor, ein- oder beidseitig aufgebrachte aktive Masse gebildet. Für die positive Elektrode wird ein Aluminium-Kollektor und für die negative Elektrode ein Kupfer-Kollektor eingesetzt, wobei die Kollektoren an einer Kante der Zelle hervorragen und stromführend kontaktiert werden können, beispielsweise mittels Ableiterfahnen. Die Ableiterfahnen eines derartigen Elektrodenstapels werden miteinander verbunden, z. B. geheftet und wiederum mittels eines Ableitertabs mit den Polen einer Zelle verbunden, um eine Stromleitung bzw. Stromausleitung zu ermöglichen. Ein weiteres Konstruktionsprinzip einer Batteriezelle ist die „Jelly-Roll”, wobei ein Folienpaket, bestehend aus Kathode, Separator und Anode aufgerollt ist, und angeschweißte Kollektoren den Kontakt zu Terminals von Batteriezellen herstellen.
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Die elektrische und mechanische Kontaktierung der Ableitertabs zu den Ableiterfahnen bzw. Elektroden erfolgt mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, die prozesstechnisch z. B. in einem Schweißprozess, z. B. Widerstandpunktschweißen, Ultraschall-Schweißen, Laserschweißen hergestellt werden kann oder mittels kraftschlüssiger Anbindung, beispielsweise Nietung oder über eine formschlüssige Verbindung. Insbesondere ein Schweißprozess birgt die Gefahr einer Kontamination der Zelle durch dabei entstehende leitfähige Partikel.
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Aus
US 2009/0136839 A1 ist eine Batterie bekannt, umfassend gestapelte Batteriezellen mit einem Substrat, und an dem Substrat angeordnete Kathoden-Anoden-Kollektor-Einheiten. Zur Kontaktierung einer ersten und einer zweiten Batteriezelle sind an den Batteriezellen Kontaktelemente bzw. Ableiterfahnen an den Kollektoren in Bereichen des Substrats vorgesehen, welche in der Stapelanordnung übereinander zu liegen kommen. Die Kontaktelemente umfassen Durchgangslöcher, welche sich jeweils von der Oberseite zur Unterseite des Substrats erstrecken und in der Stapelanordnung übereinander ausgerichtet sind. Durch die Durchgangslöcher erstrecken sich elektrisch leitende Elemente, wobei das Element den elektrischen Kontakt zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle herstellt. Das elektrisch leitende Element kann durch Befüllung der Durchgangslöcher mit einem elektrisch leitfähigen Metall oder einem elektrisch leitfähigen Klebstoff erzeugt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein elektrochemischer Speicher vorgeschlagen, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Der elektrochemische Speicher umfasst wechselweise aufeinander angeordnete positive und negative Elektroden, welche jeweils durch einen Separator voneinander getrennt sind, wobei jeweils mindestens zwei Durchgangslöcher in einem Bereich der negativen Elektrode, in einem Bereich der positiven Elektrode und in einem Bereich des Separators eingebracht sind, wobei sich zumindest die mindestens zwei Durchgangslöcher der positiven Elektrode und der negativen Elektrode hinsichtlich der Größe der Durchmesser unterscheiden.
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Vorteilhaft sind die negative Elektrode, die positive Elektrode und der Separator zu einem Folienstapel übereinander angeordnet, sodass die Durchgangslöcher unter Ausbildung mindestens zweier Durchgangsöffnungen übereinanderliegen.
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Insbesondere sind in einem Bereich der jeweiligen Elektrode mindestens ein Durchgangsloch mit einem kleinen Durchmesser und mindestens ein Durchgangsloch mit einem im Vergleich dazu größeren Durchmesser vorgesehen, wobei das Durchgangsloch mit kleinem Durchmesser letztlich eine elektrische Kontaktierung zur Verfügung stellt. Die jeweiligen Durchgangslöcher sind in einem geeigneten Bereich eingebracht, wobei dieser nicht zwingend in einem Bereich der Ableiterfahnen liegt.
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Insbesondere wird unter einem elektrochemischen Speicher eine Lithium-Ionen-Zelle verstanden, die als eine Rahmenflachzelle, eine Rundzelle, eine prismatische Hardcase-Zelle oder eine Pouch-Zelle ausgebildet sein kann. Kennzeichnend ist, dass eine positive Elektrode und eine negative Elektrode sowie ein Separator, der die Elektroden entgegengesetzter Polarität voneinander trennt, als Folien ausgeführt sind. Im allgemeinen sind die Elektroden bzw. die Anoden- und Kathodenlagen zumindest an einem Rand unbeschichtet und ragen aus dem erzeugten Elektrodenstapel wie Fähnchen heraus, wo sie zu Ableiterfahnen zusammengeführt sind, welche wiederum mit den Polen der Zellen verbunden sind, um die Stromleitung und -ausleitung zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß sind die positiven und die negativen Elektroden und die Separatorfolien jeweils mit mindestens zwei Durchgangslöchern versehen, wobei die einen Durchgangslöcher insbesondere in mit Aktivmaterial beschichteten Bereichen oder im Bereich der Ableiterfahnen erzeugt sind. Alternativ sind mehrere Durchgangslöcher jeweils vorgesehen, um mehrere elektrische Anschlüsse zu ermöglichen.
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Die Durchgangslöcher sind beispielsweise mittels Stanzen, Stempeln und/oder Laserschneiden in die positiven und die negativen Elektroden und die Separatorfolien eingebracht, beispielsweise mittels mit einer Spitze versehenen Stiften. An jeder Elektrodenfolie ist mindestens ein Durchgangsloch kleinen Durchmessers und ein Durchgangsloch großen Durchmessers eingebracht. Die Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität unterscheiden sich hinsichtlich der Position des Durchgangslochs kleinen Durchmessers und der Position des Durchgangslochs großen Durchmessers, wobei jeweils ein Durchgangsloch kleinen Durchmessers einer Elektrodenfolie mit einem Durchgangsloch großen Durchmessers in einer Elektrodenfolie entgegengesetzter Polarität kombinierbar ist.
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Die Folien, d. h. Anode, Kathode und Separator sind mehrfach übereinander gestapelt, wobei beispielsweise die Anode eine Kupferfolie umfasst, welche ein- oder beidseitig mit einem aktiven Material, d. h. mit einer anodischen Beschichtung belegt ist und die Kathode eine Aluminiumfolie umfasst, welche ein- oder beidseitig mit einer kathodischen Beschichtung versehen ist. In der gestapelten Anordnung kommen im Falle einer einseitigen Beschichtung jeweils zwei Anoden- bzw. zwei Kathodenschichten rückseitig mit ihren unbeschichteten Seiten aufeinander zu liegen, wobei Anoden- und Kathodenschicht durch eine Separatorfolie getrennt ist. Vorzugsweise sind Anode und Kathode ein Verbund eines beidseitig auf entsprechenden Kollektorfolien aufgebrachten aktiven Materials.
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Der elektrochemische Speicher umfasst beispielsweise gewickelte Elektrodenanordnungen, wobei positive und negative Elektroden und der zwischen den positiven und den negativen Elektroden angeordnete Separator jeweils schichtförmig ausgebildet und aufeinandergestapelt und zur Bildung des elektrischen Speicherelements zu einer Rolle aufgewickelt sind. In einer alternativen Ausführungsform bilden die positive und die negative Elektrode und der dazwischen befindliche Separator einen Stapel, wobei auch sogenannte Z- oder W-Anordnungen möglich sind. Die gewickelte oder gestapelte Anordnung des Verbunds der Funktionsfolien erfolgt lagegenau, d. h. die jeweils erzeugten Durchgangslöcher kommen derart übereinander zu liegen, dass jeweils ein Durchgangsloch großen Durchmessers und ein Durchgangsloch kleinen Durchmessers abwechselnd übereinanderliegen. Die Elektroden unterschiedlicher Polarität liegen übereinander und werden nun beispielsweise miteinander zumindest teilweise im Bereich der Durchgangslöcher verpresst.
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Die Durchgangsöffnungen sind beispielsweise zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material verfüllt, wobei das elektrisch isolierende Material aus den Durchgangsöffnungen beispielsweise derart entfernt ist, dass entweder die negative Elektrode oder die positive Elektrode elektrisch kontaktierbar ist, während die Elektrode entgegengesetzter Polarität elektrisch isoliert ist.
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Die übereinander liegenden Durchgangslöcher, welche jeweils eine gemeinsame Durchgangsöffnung bilden, sind mit einem Material zumindest teilweise verfüllt, wobei das Material ein elektrisch isolierendes Material ist, vorzugsweise ein Epoxid, Epoxidharz, sowie allgemein fluide, aushärtbare, elektrisch nicht leitende Kunststoffe, z. B. PVDF, PTFE, CMC/SBR, PE, PP. Durch die Verfüllung mit dem elektrisch isolierenden Material ist zumindest im Randbereich der Durchgangsöffnung eine isolierende Schutzschicht erzeugt.
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Die mit dem elektrisch isolierenden Material verfüllten Durchgangsöffnungen werden wieder soweit geöffnet, dass Durchgangslöcher gleicher Polarität frei von elektrisch isolierendem Material sind, während in den Durchgangslöchern der entgegengesetzten Polarität zumindest ein elektrisch isolierender Ring verbleibt, d. h. letztere elektrisch nicht kontaktierbar sind.
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Zur elektrischen Kontaktierung einer Batteriezelle sind jeweils mindestens ein Anschluss der Anode und mindestens ein Anschluss der Kathode vorgesehen. Die Kontaktierung der Elektrode einer Polarität erfolgt demnach über die Durchgangslöcher mit kleinerem Durchmesser, welche nach dem Verfüllen mit elektrisch isolierendem Material freigelegt sind. So wird vorgesehen, dass in einem Bereich einer Elektrode einer Polarität mindestens ein Durchgangsloch kleinen Durchmessers und in einem anderen Bereich der Elektrode mindestens ein Durchgangsloch größeren Durchmessers gefertigt ist, so dass einerseits eine elektrische Kontaktierung dieser Elektrode möglich ist und andererseits diese Elektrode elektrisch isoliert ist.
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In einer Ausführungsvariante ist der elektrochemische Speicher als Pouchzelle ausgebildet, wobei der Folienstapel von einer Polymerfolie umschlossen ist, welche die Elektroden und den Separator luftdicht einschließt und aus der entsprechende Bereiche zur elektrischen Kontaktierung herausgeführt sind.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist der elektrochemische Speicher als Hardcase ausgebildet, wobei der Folienstapel in einem Gehäuse untergebracht ist, welches ausgebildet ist den elektrochemischen Speicher aufzunehmen und mittels entsprechender Durchtrittöffnungen z. B. für die Ableiterfahnen einen Anschluss des elektrochemischen Speichers an einen Stromkreis zuzulassen.
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Um die Elektroden der Batteriezellen elektrisch zu kontaktieren, ist in die zumindest teilweise geöffneten Durchgangsöffnungen ein Verbindungselement eingeführt. Im Falle der Kathode kann das Verbindungselement aus Aluminium und im Falle der Anode aus Kupfer sein. Vorzugsweise ist das Verbindungselement als Niet ausgebildet. Das jeweilige Verbindungselement wird durch die als weiche oder harte ausgebildete Umhüllung bzw. Zellverpackung in die entsprechende Durchgangsöffnung geführt, wobei eine Abdichtung und Isolation in Form von Unterlegscheiben und/oder durch Verschweißen erreicht wird. Das als Niet ausgebildete Verbindungselement fungiert gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung zu einem Stromkreis.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrochemische Speicher ist beispielsweise ohne einen Schweißschritt herstellbar, was vorteilhaft ist, da so keine Verschmutzung durch elektrisch leitfähige Partikel, welche beim Schweißvorgang entstehen können, auftreten.
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Des Weiteren sind zur Kontaktierung einer Batteriezelle keine separaten Ableiterfahnen und/oder Ableitertabs notwendig, was zu einer Gewichts- und Volumenreduktion auf Zellebene führt. Darüber hinaus ist es möglich, kompaktere Gehäuse zur Aufnahme entsprechender elektrochemischer Speicher einzusetzen. Durch den erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicher erfolgt eine deutliche Gewichtsreduzierung.
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Ferner kann die Zellsicherheit erhöht werden, da es nicht zu einer ungeschützten Berührung von Elektroden unterschiedlicher Polarität kommt.
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Die Kontaktierung mittels Nieten stellt sich als äußerst zuverlässig und als universell einsetzbar dar, da insbesondere Übergangswiderstände vermieden werden. Die für die Nieten verwendeten Materialien Kupfer als auch Aluminium zeichnen sich durch eine gute elektrische Leitfähigkeit aus, wobei anstelle der reinen Materialien jeweils eine geeignete Legierung verwendet werden kann.
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Die Anschlusskontaktierung der Elektroden eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Speichers erweist sich ebenfalls als mechanisch stabil gegenüber höheren Stromstärken. Innovativ ist die direkte Anschlusskontaktierung ohne den Einsatz separater Ableiterfahnen und/oder Ableitertabs. Demnach wird eine volumetrische und gravimetrische Einsparung erreicht und so die Energiedichte erhöht.
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Die durch den erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicher erzielte Kontaktierung der Elektroden ist universell einsetzbar, insbesondere hinsichtlich der Zellformate, z. B. quadratische, rechteckige oder polygonale, runde oder ovale Formen. Die Zellen können einfacher zu Modulen und Packs zusammengefasst und verbaut werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Ansicht eines beispielhaft dargestellten Folienstapels eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Speichers mit einer Kontaktierung einer positiven Elektrode;
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2 eine Schnittansicht einer Nietverbindung zur Kontaktierung einer Elektrode eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Speichers;
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3 eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Kontaktierung einer Elektrode eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Speichers.
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Ausführungsformen
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In 1 ist eine Ansicht eines beispielhaften Elektrodenstapels 10 eines elektrochemischen Speichers dargestellt mit einer Anode 12, umfassend einen Kollektor 14 mit einer beidseitigen Beschichtung mit Aktivmaterial 16. Ferner ist beidseitig der Anode 12 eine Kathode 18 dargestellt, umfassend einen Kollektor 20 mit einer beidseitig aufgebrachten Beschichtung aus entsprechendem Aktivmaterial 22. Zwischen Anode 12 und Kathode 18 ist ein Separator 24 angedeutet. An der Anode 12, der Kathode 18 und dem Separator 24 sind jeweils Durchgangslöcher 26, 28, 30 gefertigt, wobei ein in der Anode 12 gefertigtes Durchgangsloch 26 einen größeren Durchmesser hat als ein Durchgangsloch 28, welches in der Kathode 18 gefertigt ist. In dem Separator 24 ist ein Durchgangsloch 30 mit einem dem größeren Durchmesser entsprechenden Durchmesser gefertigt. Wie in 1 ersichtlich, bilden die Anode 12, die Kathode 18 und der dazwischen liegende Separator 24 einen Folienstapel 32, in welchem die Durchgangslöcher 26, 28 und 30 derart übereinanderliegen, dass diese zusammen eine Durchgangsöffnung 34 bilden, d. h. Durchgangslöcher 26, 28, 30 kleinen Durchmessers wechseln sich mit Durchgangslöchern 26, 28, 30 großen Durchmessers ab.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Verbindungselements 36, ausgebildet als Niet, welches an einer Umhüllung 38 des Folienstapels 32 angeordnet ist. Das Verbindungselement 36 stellt einen Kontakt zu einem Stromkreis dar, um eine Stromleitung und eine Stromausleitung eines den Folienstapel 32 umfassenden elektrochemischen Speichers zu ermöglichen. Im Falle einer Kontaktierung der Kathode 18 ist das Verbindungselement 36 aus Aluminium oder einer entsprechenden Legierung und im Falle einer Kontaktierung der Anode 12 ist das Verbindungselement 36 aus Kupfer oder einer entsprechenden Legierung gefertigt. Das Verbindungselement 36 wird durch eine an der Umhüllung 38 gefertigte Öffnung 40 geführt, welche einen Durchmesser hat, der demjenigen des Durchgangslochs 26, 28 der nicht zu kontaktierenden Elektrode 12, 18 in etwa entspricht. Zur Abdichtung bzw. Isolierung ist eine Verschweißung des Verbindungselements 36 mit der Umhüllung 38 möglich, bzw. kann eine Scheibe 42 derart an der Öffnung 40 angeordnet sein, dass bei Vernietung des Verbindungselements 36 die Öffnung 40 verschlossen wird.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 100 zur Herstellung einer Kontaktierung einer Elektrode eines elektrochemischen Speichers. Der elektrochemische Speicher umfasst eine positive Elektrode (Kathode) 18 aus Aluminium und eine negative Elektrode (Anode) 12 aus Kupfer und einem zwischen Kathode 18 und Anode 12 angeordneten Separator 24. An der Kathode 18, der Anode 12 und dem Separator 24 werden jeweils Durchgangslöcher 26, 28, 30 in einem ersten Schritt 102 gefertigt. Die Durchgangslöcher 26, 28, 30 werden in einem Bereich der jeweiligen Lage gefertigt, welcher mit Aktivmaterial 16, 22 beschichtet ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Durchgangsloch 28 der Kathode 18 mit einem kleineren Durchmesser als derjenige Durchmesser des Durchgangsloch 26 der Anode 12 gefertigt wird. Ferner umfasst die Kathode 18 noch über mindestens ein Durchgangsloch 28 mit einem großen Durchmesser. Vergleichbares trifft für die Anode 12 zu. Der Separator 24 verfügt über eine entsprechende Anzahl von Durchgangslöchern 30. In einem Schritt 104 werden die einzelnen Funktionsfolien 12, 18, 24 zu einer Anordnung in dem Folienstapel 32 derart übereinandergelegt, dass die Durchgangslöcher 26, 28, 30 von Kathode 18, Anode 12 und Separator 24 deckungsgenau übereinanderliegen und zusammen jeweils eine entsprechende Durchgangsöffnung 34 bilden. In einem Schritt 106 wird zumindest in dem Bereich der Durchgangsöffnungen 34 der Folienstapel 32 miteinander verpresst. In einem nachfolgenden Schritt 108 werden die Durchgangöffnungen 34 mit einem elektrisch isolierenden Material zumindest teilweise verfüllt, wobei zumindest die Randbereiche der Durchgangsöffnungen 34 umhüllt sind. In einem weiteren Schritt 110 wird das in den Durchgangsöffnungen 34 verfüllte und eventuell verfestigte elektrisch isolierende Material teilweise entfernt, wobei beispielsweise die Durchgangsöffnungen 34 soweit aufgebohrt werden, dass das in der Kathode 18 gefertigte mindestens eine Durchgangsloch 28 kleineren Durchmessers freigelegt wird, während in dem mindestens einen Durchgangloch 28 größeren Durchmessers der Anode 12 ein Ring aus elektrisch isolierendem Material verbleibt. Mit 112 wird ein Schritt gekennzeichnet, in dem der Folienstapel 32 oder Folienwickel mit der Umhüllung 38 versehen wird, wobei unter Umhüllung 38 verstanden wird, dass der Folienstapel 32 vor unerwünschten Wechselwirkungen mit der Umgebung geschützt ist. Die Umhüllung 38 kann folienartig ausgebildet sein. In einem nachfolgenden Schritt 114 wird das Verbindungselement 36 in die derart ausgebildeten Durchgangsöffnungen 34 eingeführt, wobei eine elektrische Kontaktierung einer der Elektroden 12, 18 und somit der elektrische Anschluss einer Zelle getrennt erfolgt. Das Material des Verbindungselements 36 wird entsprechend der Polarität der zu Kontaktierung ausgebildeten Durchgangsöffnung 34 ausgewählt. Beispielsweise zur Kontaktierung der Kathode 18 aus Aluminium und im Falle der Anode 12 aus Kupfer. Das vorzugsweise als Niet ausgebildete Verbindungselement 36 wird durch die Umhüllung 38 hindurch geführt, wobei an einer Außenseite der Umhüllung 38 eine Abdichtung und Isolation vorgesehen wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0136839 A1 [0005]
