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Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft eine Knopfzelle, die ein einen Innenraum einschließendes, aus zwei metallischen Gehäuseteilen zusammengesetztes Gehäuse mit zwei kreisförmigen, voneinander beabstandeten und zueinander parallelen Gehäuseböden sowie einem die Gehäuseböden verbindenden ringförmigen Gehäusemantel umfasst, wobei in dem Innenraum ein Wickel-Verbundkörper angeordnet ist, der aus mindestens zwei spiralförmig um eine Wickelachse gewickelten Elektrodenbändern und mindestens einem um die Wickelachse herum spiralförmig gewickelten Separatorband gebildet ist.
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Knopfzellen weisen meist ein zylindrisches Gehäuse auf, dessen Höhe gleich seinem Durchmesser oder kleiner als dieser ist. In dem Gehäuse können sehr unterschiedliche elektrochemische Systeme enthalten sein. Sehr verbreitet sind Zellen auf Basis von Zink/Luft, Zink/MnO2 und Nickel/Zink. Auch sekundäre (wiederaufladbare) Systeme sind sehr verbreitet. Beispiele hierfür sind Nickel/Metallhydrid-Zellen, Nickel/Cadmium-Zellen und Lithium-Ionen-Zellen.
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Das Gehäuse von Knopfzellen besteht klassisch in aller Regel aus zwei festen, meist metallischen Gehäuseteilen, zwischen denen eine elektrisch isolierende Dichtung angeordnet ist. Eines der Gehäuseteile steht in elektrischer Verbindung mit der positiven Elektrode und ist entsprechend positiv gepolt. Das andere steht in elektrischer Verbindung mit der negativen Elektrode und ist entsprechend negativ gepolt. Die Dichtung soll einen elektrischen Kontakt zwischen den entgegengesetzt gepolten Gehäuseteilen unterbinden. Darüber hinaus soll sie einem Entweichen und auch einem Eindringen von Flüssigkeit, Feuchtigkeit oder Gasen aus dem oder in das Gehäuse entgegenwirken.
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Lithium-Ionen-Zellen können sehr hohe Energiedichten erreichen. Zellen auf Lithium-Ionen-Basis enthalten in einigen Fällen einen Verbundkörper in Form eines Zellenstapels (stack), der aus mehreren Einzelzellen besteht. Meist enthalten die Zellen aber einen gewickelten Verbundkörper (kurz: Wickel-Verbundkörper), bei dem es sich in der Regel um eine Einzelzelle in gewickelter Form handelt.
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Knopfzellen mit Wickel-Verbundkörpern auf Lithium-Ionen-Basis sind beispielsweise in der
WO 2010/146154 A2 und in der
WO 2010/089152 A1 beschrieben. Wickel-Verbundkörper werden üblicherweise durch spiralförmiges Aufwickeln von bandförmigen Elektroden (kurz: Elektrodenbänder) und mindestens einem bandförmigen Separator (kurz: Separatorband) gefertigt. Die Elektrodenbänder und der mindestens eine bandförmige Separator liegen in dem Wickel-Verbundkörper flach aufeinander. Gegebenenfalls sind sie beispielsweise durch Lamination oder durch Verklebung miteinander verbunden.
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In der Regel umfasst ein Wickel-Verbundkörper die Sequenz positive Elektrode / Separator / negative Elektrode. Häufig werden Wickel-Verbundkörper als sogenannte Bizellen mit den möglichen Sequenzen negative Elektrode / Separator / positive Elektrode / Separator / negative Elektrode oder positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator / positive Elektrode hergestellt.
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Die Elektroden in Wickel-Verbundkörpern umfassen üblicherweise jeweils einen metallischen Stromkollektor sowie elektrochemisch aktive Komponenten (oft auch als Aktivmaterialien bezeichnet) und elektrochemisch inaktive Komponenten.
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Die Stromkollektoren dienen dazu, die elektrochemisch aktiven Komponenten möglichst großflächig elektrisch zu kontaktieren. Sie bestehen üblicherweise aus bandförmigen, flächigen Metallsubstraten, beispielsweise aus Metallfolien oder aus einem Metallschaum oder aus einem metallisierten Vlies.
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Als Aktivmaterialien kommen für sekundäre Lithium-Ionen-Systeme sämtliche Materialien in Frage, die Lithium-Ionen aufnehmen und wieder abgeben können. Stand der Technik sind diesbezüglich für die negative Elektrode sekundärer Lithium-Ionen-Systeme insbesondere Materialien auf Kohlenstoffbasis wie graphitischer Kohlenstoff oder zur Interkalation von Lithium befähigte nichtgraphitische Kohlenstoffmaterialien. Für die positive Elektrode sekundärer Lithium-Ionen-Systeme kommen beispielsweise Lithium-Metalloxid-Verbindungen und Lithium-Metallphosphat-Verbindungen wie LiCoO2 und LiFePO4 in Frage.
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Als elektrochemisch inaktive Komponenten sind an erster Stelle Elektrodenbinder und Leitmittel zu nennen. Die Elektrodenbinder gewährleisten die mechanische Stabilität der Elektroden und sorgen für die Kontaktierung der Partikel aus elektrochemisch aktivem Material untereinander sowie zum Stromkollektor. Leitmittel wie Ruß dienen dazu, die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden zu erhöhen.
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Als Separatoren kommen für die genannten Verbundkörper insbesondere Bänder aus porösen Kunststofffolien in Frage, beispielsweise aus einem Polyolefin oder aus einem Polyetherketon. Auch Vliese und Gewebe aus diesen Materialien können zum Einsatz kommen.
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Zur Herstellung von positiven und negativen Elektroden für Wickel-Verbundkörper werden üblicherweise Pasten umfassend die jeweiligen Aktivmaterialien sowie einen Elektrodenbinder und gegebenenfalls ein Leitmittel in Form dünner Schichten auf die bandförmigen Stromkollektoren aufgebracht, getrocknet und in die gewünschte Form gebracht. Üblicherweise werden die Schichten nach dem Trocknen gewalzt und gepresst. Bei intermittierendem Auftrag werden die Stromkollektoren nur abschnittweise beschichtet. Es resultieren dann bandförmige Stromkollektoren, die in Längsrichtung in mit Elektrodenmaterial bedeckte Masseabschnitte und dazwischen angeordnete, nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten Abschnitte unterteilt sind. Zur Bildung von einzelnen Elektrodenbändern können die nur abschnittweise beschichteten Stromkollektoren beispielsweise mittels eines Schneid- oder Stanzwerkzeugs im Bereich der nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten Abschnitte zertrennt werden.
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Es ist grundsätzlich möglich, in einem ersten Schritt so gebildete positive und negative Elektrodenbänder miteinander sowie mit einem oder mehreren Separatorbändern zu einer bandförmigen Einzelzelle zu kombinieren, beispielsweise indem die Elektroden auf gegenüberliegende Seiten eines Separatorbands laminiert werden, und anschließend in einem zweiten Schritt die bandförmige Einzelzelle durch Wickeln zu einem Wickel-Verbundkörper zu verarbeiten.
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Häufig ist es allerdings vorteilhafter, die nur abschnittweise beschichteten Stromkollektoren zusammen mit einem oder mehreren Separatorbändern einer Wickelvorrichtung zuzuführen und in dieser in einem Schritt den Wickel-Verbundkörper unmittelbar aus den einzelnen Bändern herzustellen. Hierzu werden die Bänder üblicherweise auf einen Wickeldorn oder einen Wickelkern aufgewickelt, wobei darauf zu achten ist, dass innerhalb des Wickels mit Elektrodenmaterial bedeckte Masseabschnitte überlappen. Der Wickelvorgang wird jeweils abgebrochen, wenn ein nicht mit Elektrodenmaterial bedeckter Abschnitt erreicht wird. Dieser wird dann durchtrennt, wodurch der gebildete Wickel-Verbundkörper von nachfolgenden, noch nicht gewickelten Abschnitten des intermittierend beschichteten Stromkollektors abgeschnitten wird. Im Ergebnis resultiert ein Wickel-Verbundkörper mit gewickelten Elektrodenbändern, von denen jedes mindestens einen nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten, endständigen Kontaktabschnitt aufweist.
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Die endständigen Kontaktabschnitte dienen dazu, einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und den erwähnten Gehäuseteilen herzustellen. Positive Elektrodenbänder sind mit einem der eingangs erwähnten zwei Gehäuseteile einer Knopfzelle elektrisch zu verbinden, negative Elektrodenbänder mit dem anderen der zwei Gehäuseteile. Die Gehäuseteile einer Knopfzelle weisen in der Regel jeweils einen kreisrunden Boden auf. In den meisten Fällen ist es bevorzugt, die Kontaktabschnitte mit diesen kreisrunden Böden zu kontaktieren.
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Aus der
WO 2010/146154 A2 ist es bekannt, an einen massefreien Kontaktabschnitt einer Elektrode eines Wickel-Verbundkörpers einen axial in einem Winkel von 90° zur Wickelrichtung ausgerichteten Ableiter anzuschweißen und durch Umklappen flach auf einer Stirnseite des Wickel-Verbundkörpers abzulegen. Entsprechende Vorgehensweisen sind in den
2A bis
2C sowie 3A und 3B der
WO 2010/146154 A2 beschrieben. Der Ableiter kann dann mit einem Boden eines Gehäuseteils verschweißt werden, etwa wie es in
1A und
1B der
WO 2010/146154 A2 dargestellt ist.
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Nachteilhaft ist bei dieser Vorgehensweise insbesondere der erhöhte Aufwand für das Anschweißen des Ableiters an den massefreien Kontaktabschnitt.
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Aus der
US 9564654 B2 ist es bekannt, als Ableiter dienende Fahnen aus einem Stromkollektorband auszustanzen oder mittels Laser auszuschneiden. Es resultieren in einem Winkel von 90° zur Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Stromkollektorbands ausgerichtete Ableiterfahnen, wie in
10 (Bezugszeichen
7 und
13) der
US 9564654 B2 dargestellt. Diese Ableiterfahnen können durch Umklappen ebenfalls auf einer Stirnseite eines Wickel-Verbundkörpers abgelegt werden. In
1 der
US 9564654 B2 ist eine Verschweißung der Ableiterfahne mit dem Bezugszeichen
13 mit dem Boden des Gehäuseteils
1 dargestellt. Gegebenenfalls können die Ableiterfahnen vor dem Umklappen entlang einer in einem Winkel von 90° zur Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Stromkollektors ausgerichteten Faltlinie umgefaltet werden (siehe ebenfalls
10). Die verwendeten Stromkollektoren sind sehr dünn. Durch das Umfalten werden die Ableiterfahnen in einen doppellagigen Zustand überführt, der etwa beim Verschweißen der Ableiterfahne
13 mit dem Boden des Gehäuseteils
1 vorteilhaft sein kann.
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Nachteilhaft sind bei dieser Vorgehensweise insbesondere der erhöhte Aufwand für das Ausschneiden der Ableiterfahnen und der dabei in nicht unerheblicher Menge anfallende Schnittabfall.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lösung zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenbänder eines in einem Knopfzellengehäuse angeordneten Wickel-Verbundkörpers der oben beschriebenen Art bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Knopfzelle mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Knopfzelle weist wie die eingangs beschriebenen Knopfzellen ein Gehäuse und einen darin angeordneten Wickel-Verbundkörper auf. Sie zeichnet sich durch die folgenden Merkmale aus:
- - Sie umfasst ein einen Innenraum einschließendes, aus zwei metallischen Gehäuseteilen zusammengesetztes Gehäuse mit zwei kreisförmigen, voneinander beabstandeten und zueinander parallelen Gehäuseböden sowie einem die Gehäuseböden verbindenden ringförmigen Gehäusemantel.
- - Sie umfasst einen in dem Innenraum angeordneten Wickel-Verbundkörper, der aus mindestens zwei spiralförmig um eine Wickelachse herum gewickelten Elektrodenbändern und mindestens einem um die Wickelachse herum spiralförmig gewickelten Separatorband gebildet ist.
- - Der Wickel-Verbundkörper weist eine durch eine erste kreisförmig umlaufende Kante begrenzte erste Stirnseite, eine durch eine zweite kreisförmig umlaufende Kante begrenzte zweite Stirnseite sowie einen durch die erste und die zweite Kante begrenzten umlaufenden Mantel auf.
- - Die Stirnseiten werden von Längsrändern des mindestens einen Separatorbands gebildet und weisen in Richtung der kreisrunden und zueinander parallelen Gehäuseböden, so dass die Wickelachse senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Gehäuseböden ausgerichtet ist.
- - Mindestens eines der Elektrodenbänder ist eine positive Elektrode, die einen ersten bandförmigen Stromkollektor umfasst.
- - Mindestens eines der Elektrodenbänder ist eine negative Elektrode, die einen zweiten bandförmigen Stromkollektor umfasst.
- - Der erste und/oder der zweite bandförmige Stromkollektor sind in Längsrichtung unterteilt in einen - bevorzugt beidseitig - mit Elektrodenmaterial bedeckten Masseabschnitt und mindestens einen nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten, endständigen Kontaktabschnitt.
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Das Gehäuse und die Gehäuseteile der erfindungsgemäßen Knopfzelle können beispielsweise wie die der in den
4 und
5 der
WO 2010/146154 A2 dargestellten Knopfzellen und deren Gehäuseteile ausgebildet sein.
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Die Gehäuseteile sind bevorzugt becherförmig ausgebildet. Neben den erwähnten Böden weisen sie bevorzugt jeweils noch einen hohlzylindrischen Mantelbereich auf.
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Zwischen den zwei metallischen Gehäuseteilen ist üblicherweise eine ringförmige Dichtung aus Kunststoff angeordnet, welche die Gehäuseteile elektrisch gegeneinander isoliert. Darüber hinaus soll die Dichtung einen flüssigkeitsdichten Verschluss der Zellen gewährleisten.
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Die Gehäusehalbteile können beispielsweise aus vernickeltem Stahl oder Blech bestehen. Weiterhin kommt als metallischer Werkstoff auch Trimetall in Frage, beispielsweise mit der Abfolge Nickel, Stahl (oder Edelstahl) und Kupfer. Es ist auch denkbar, dass ein Gehäuseteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist während das andere aus Stahl oder aus Trimetall besteht.
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Der in dem Innenraum angeordnete Wickel-Verbundkörper unterscheidet sich in seinem Grundaufbau nicht von aus dem Stand der Technik bekannten Wickelkörpern. Er besteht wie die eingangs beschriebenen Wickel-Verbundkörper aus Elektrodenbändern und mindestens einem bandförmigen Separator und kann eine zylindrische oder hohlzylindrische Geometrie wie etwa der in den
3a und
3b der
WO 2010/146154 A2 dargestellte Wickel-Verbundkörper oder eine Geometrie wie der in
8 der
US 9564654 B2 dargestellte Wickel-Verbundkörper, dessen Höhe an einer Stirnseite in Richtung des Zentrums des Wickels ansteigt, aufweisen.
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Die Herstellung des Wickel-Verbundkörpers kann gemäß der eingangs beschriebenen Vorgehensweise erfolgen. Während des Wickelvorgangs definieren in diesem Fall der erwähnte Wickeldorn oder der Wickelkern die Wickelachse, um die herum die Elektrodenbänder und das mindestens eine Separatorband spiralförmig gewickelt werden.
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Innerhalb des Wickel-Verbundkörpers kann sich ein axial ausgerichteter Hohlraum befinden. Der Hohlraum kann sich beispielsweise aus dem Abziehen des Wickels von dem Wickeldorn ergeben. Gegebenenfalls ist er mit einem Wickelkern befüllt.
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Bevorzugt weist das bei der Herstellung des Wickel-Verbundkörpers verwendete mindestens eine Separatorband eine größere Breite als die verwendeten Elektrodenbänder auf. Die Elektrodenbänder und das mindestens eine Separatorband werden bevorzugt derart miteinander kombiniert, dass die Längsränder des mindestens einen Separatorbands nach dem Wickelvorgang axial aus dem gebildeten Wickel herausstehen und so die Stirnseiten des Wickel-Verbundkörpers bilden können.
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Innerhalb des Gehäuses der erfindungsgemäßen Knopfzelle können eine der Stirnseiten des Wickel-Verbundkörpers oder auch beide an die Gehäuseböden der zwei metallischen Gehäuseteile stoßen. Die eine oder beide Stirnseiten sind dann parallel zu den Gehäuseböden ausgerichtet.
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Bevorzugt ist zwischen den Gehäuseböden und den Stirnseiten jeweils ein Isolierelement, beispielsweise in Form von auf die Gehäuseböden geklebten Kunststofffolien, angeordnet. Dieses soll einer elektrischen Verbindung entgegengesetzt polarisierter Elektroden über die metallischen Gehäuseböden vorbeugen. Bei zu geringem stirnseitigen Überstand der Längsränder des mindestens einen Separatorbands ist diese Gefahr durchaus gegeben.
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Als Separatorband wird vorzugsweise das eingangs erwähnte Band aus einer poröse Kunststofffolie oder einem Vlies oder einem Gewebe verwendet, beispielsweise aus einem der eingangs erwähnten Kunststoffmaterialien.
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Bevorzugt ist mindestens eine der den Wickel-Verbundkörper bildenden Elektroden eine Lithium interkalierende Elektrode. Mit anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle handelt es sich bevorzugt um eine Lithium-Ionen-Knopfzelle.
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Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Knopfzelle eine positive Elektrode, die eine Metallverbindung umfasst, die Lithium in Form von Ionen reversibel ein- und auszulagern vermag. Als Metallverbindung kommen für die positive Elektrode beispielsweise die eingangs erwähnten, für sekundäre Lithium-Ionen-Systeme bekannten Lithium-Metalloxid-Verbindungen und Lithium-Metallphosphat-Verbindungen in Frage.
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Die negative Elektrode einer erfindungsgemäßen Knopfzelle enthält in aller Regel eine Kohlenstoffverbindung und/oder ein Metall, welches mit Lithium legierbar ist, und/oder ein Halbmetall, welches mit Lithium legierbar ist. Auch Komposite aus der Kohlenstoffverbindung und dem Metall und/oder Halbmetall können zum Einsatz kommen.
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Die Elektroden einer erfindungsgemäßen Knopfzelle sind in der Regel mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt. Im Falle einer Lithium-Ionen-Knopfzelle handelt es sich hierbei um mindestens ein Lithium-Salz. Hierfür kommt im Grunde jedes Lithium-Salz in Frage, das aus dem Stand der Technik für Lithium-Ionen-Zellen bekannt ist. Ein prominentes Beispiel hierfür ist Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6). Gelöst ist das Salz in der Regel in einer Mischung aus organischen Carbonaten.
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Bei den Stromkollektoren handelt es sich bevorzugt um bandförmige Folien, Netze, Gitter, Schäume, Vliese oder sonstige textile Gebilde aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Der erste bandförmige Stromkollektor besteht, wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle um eine Lithium-Ionen-Knopfzelle handelt, bevorzugt aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Der zweite bandförmige Stromkollektor besteht, wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle um eine Lithium-Ionen-Knopfzelle handelt, bevorzugt aus Nickel oder Kupfer oder aus einer Legierung eines dieser Metalle.
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Die Unterteilung des ersten und/oder des zweiten bandförmigen Stromkollektors in Längsrichtung in den mit Elektrodenmaterial bedeckten Masseabschnitt und den mindestens einen nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten, endständigen Kontaktabschnitt ist bevorzugt Ergebnis eines intermittierenden Auftrags von Elektrodenmaterial auf den jeweiligen Stromkollektor oder die Stromkollektoren. In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind sowohl der erste als auch der zweite bandförmige Stromkollektor in Längsrichtung in den mit Elektrodenmaterial bedeckten Masseabschnitt und den mindestens einen nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten, endständigen Kontaktabschnitt unterteilt. In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen umfassen der erste und/oder der zweite Stromkollektor jeweils zwei endständige, nicht mit Elektrodenmaterial bedeckte Kontaktabschnitte, zwischen denen dann jeweils ein mit Elektrodenmaterial bedeckter Masseabschnitt angeordnet ist.
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Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Knopfzellen zeichnet sich die erfindungsgemäße Knopfzelle durch eine Kombination der folgenden Merkmale aus:
- - Mindestens einer der endständigen Kontaktabschnitte ist durch eine Faltung entlang einer in einem Winkel von 10° bis 80° zur Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Stromkollektors ausgerichteten Faltlinie in einen umgefalteten, streifenförmigen Teilabschnitt und einen nicht umgefalteten Teilabschnitt unterteilt,
- - der umgefaltete streifenförmige Teilabschnitt ist über die erste oder die zweite Kante gebogen und umfasst einen umgebogenen Bereich, der flach auf der von dieser Kante begrenzten Stirnseite aufliegt, und
- - der umgebogene Bereich ist direkt oder indirekt mit einem der Gehäuseböden elektrisch verbunden.
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Die Faltung ermöglicht in Kombination mit der Biegung auf einfache und elegante Weise, dass der Kontaktabschnitt unmittelbar zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einem der Gehäuseböden verwendet werden kann, ohne dass es der Anschweißung eines separaten Ableiters bedarf, wie es aus der
WO 2010/146154 A2 bekannt ist. Auch das Ausschneiden von in einem Winkel von 90° zur Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Stromkollektorbands ausgerichteten Ableiterfahnen aus einem Stromkollektorband gemäß der
US 9564654 B2 ist nicht erforderlich.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist die Ausrichtung der Faltlinie derart gewählt, dass der umgebogene Bereich des umgefalteten streifenförmigen Teilabschnitts das Zentrum der Stirnseite, auf der der umgebogene Bereich aufliegt, überdeckt. Dies kann vorteilhaft sein, da sich hier die elektrische Verbindung zu einem der Gehäuseböden besonders gut realisieren lässt. Der erforderliche Winkel, in dem die Faltlinie zur Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Stromkollektors auszurichten ist, hängt vom Verhältnis der Höhe des Wickel-Verbundkörpers zu seinem Durchmesser ab.
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Idealerweise ist die Faltlinie derart ausgerichtet, dass für den umgefalteten streifenförmigen Teilabschnitt eine Haupterstreckungsrichtung parallel zu der Wickelachse resultiert. Dies ist dann der Fall, wenn die Faltung entlang einer in einem Winkel von 45° zur Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Stromkollektors ausgerichteten Faltlinie vorgenommen wird.
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Bevorzugt liegt der Winkel, in dem die Faltlinie zur Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Strom kollektors ausgerichtet ist, im Bereich von 30° bis 60°.
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Zur Klarstellung: Unter der Haupterstreckungsrichtung des bandförmigen Stromkollektors und des umgefalteten streifenförmigen Teilabschnitts ist jeweils die Richtung zu verstehen, in der der Stromkollektor und der Teilabschnitt im flach ausgebreiteten Zustand (d. h. vor der Faltung des Stromkollektors und vor der Biegung des streifenförmigen Teilabschnitts über die erste oder die zweite Kante) seine größte Ausdehnung besitzt.
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In bevorzugten Ausführungsformen bildet der nicht umgefaltete Teilabschnitt des Kontaktbereichs eine außenliegende Windung oder zumindest einen Teilabschnitt einer außenliegenden Windung des Wickel-Verbundkörpers.
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Aus der Faltung resultiert in aller Regel ein Überlappungsbereich, insbesondere ein dreieckiger Überlappungsbereich, in dem der umgefaltete, streifenförmige Teilabschnitt mit dem nicht umgefalteten Teilabschnitt überlappt. In bevorzugten Ausführungsformen können der umgefaltete und der nicht umgefaltete Teilabschnitt in diesem Bereich durch Verschweißung miteinander verbunden sein.
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Eine direkte elektrische Verbindung des umgebogenen Bereichs mit einem der Gehäuseböden lässt sich durch unmittelbare Verschweißung des umgebogenen Bereichs mit dem Gehäuseboden realisieren, beispielsweise mittels eines Lasers oder mittels Widerstandsschweißung. In einigen Fällen kann es allerdings vorteilhaft sein, den umgebogenen Bereich nicht unmittelbar mit dem Gehäuseboden zu verschweißen sondern beispielsweise mit einer metallischen Ableiterscheibe, die dann mit dem Gehäuseboden verschweißt wird.
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Grundsätzlich ist es möglich, in einigen Fällen sogar bevorzugt, nach dem Falten des endständigen Kontaktabschnitts die Kontur des umgefalteten Abschnitts nachträglich zu beeinflussen, beispielsweise mittels Laserschnitt. Zur Bildung des Abschnitts ist ein Konturschnitt aber nicht erforderlich.
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Der umgefaltete streifenförmige Teilabschnitt des endständigen Kontaktabschnitts weist zwei Flachseiten auf, von denen einen nach dem Biegen über die erste oder die zweite Kante auf der von dieser Kante begrenzten Stirnseite flach zum Liegen kommt. In bevorzugten Ausführungsformen wird ein Isolierelement zwischen dieser Stirnseite und dem umgebogenen Bereich angeordnet, um einem Kurzschluss entgegengesetzt polarisierter Elektroden über den umgebogenen Bereich vorzubeugen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine elektrisch isolierende Folie auf die betroffene Flachseite aufgeklebt werden. Auch diese Folie kann einem nachträglichen Konturschnitt unterzogen werden.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Zusammenfassung, deren beider Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 eine Vorgehensweise zur Faltung und Nachbearbeitung des Kontaktabschnitts bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Knopfzelle;
- 2 eine Ausführungsform eines gemäß der in 1 dargestellten Vorgehensweise herstellbaren Kontaktabschnitts;
- 3 eine Draufsicht auf einen Wickel-Verbundkörper mit dem in 2 dargestellten Kontaktabschnitt; und
- 4 eine erfindungsgemäße Knopfzelle mit einem Wickel-Verbundkörper mit einem gemäß der in
- 1 dargestellten Vorgehensweise gefalteten und nachbearbeiteten Kontaktabschnitt, wie er in 3 dargestellt ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In 1A ist der bandförmige Stromkollektor 110 dargestellt, der intermittierend mit einem Elektrodenmaterial beschichtet wurde. Er weist in Längsrichtung x (entspricht seiner Haupterstreckungsrichtung) die mit negativem Elektrodenmaterial bedeckten Masseabschnitte 111 und 112 sowie einen nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten Kontaktabschnitt 113 auf. Durch Abtrennen des Masseabschnitts 112 durch einen Schnitt entlang der Schnittlinie 114 wird das negative Elektrodenband 109 gebildet, das den Stromkollektor 110, nunmehr mit dem Kontaktabschnitt 113 als endständigem Kontaktabschnitt, umfasst.
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Faltet man den endständigen Kontaktabschnitt 113 des Stromkollektors entlang der in einem Winkel Θ von 45° zur Haupterstreckungsrichtung x ausgerichteten Faltlinie 115, so resultiert - wie in 1B dargestellt - ein umgefalteter, streifenförmiger Teilabschnitt 113b und ein nicht umgefalteter Teilabschnitt 113a. Der umgefaltete Teilabschnitt 113b und der nicht umgefaltete Teilabschnitt 113a überlappen im Bereich 113c. In dem Überlappungsbereich 113c sind die beiden Teilabschnitte über den Schweißpunkt 116 miteinander verbunden. Als Resultat der dargestellten Ausrichtung der Faltlinie 115 weist der umgefaltete streifenförmige Teilabschnitt 113b eine Haupterstreckungsrichtung y senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung x des bandförmigen Stromkollektors 110 auf.
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Die Form des umgefalteten Teilabschnitts 113b lässt sich durch einen nachträglichen Konturschnitt entlang der Schnittlinie 117, beispielsweise mittels eines Lasers, beeinflussen. Es resultiert der in 1C dargestellte optimierte Kontaktabschnitt.
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An der Biegelinie 118 lässt sich der umgefaltete Teilabschnitt 113b biegen, etwa um einen Winkel von 90°. So kann der Bereich 113d flach auf der Stirnseite eines unter Verwendung der Elektrodenbandes 109 hergestellten spiralförmig gewickelten Wickel-Verbundkörpers 106 abgelegt werden.
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In 2 ist ein gemäß der in 1 beschriebenen Vorgehensweise gefalteter und nachbearbeiteter Kontaktabschnitt mit dem Teilabschnitt 113a und den Bereichen 113c und 113d dargestellt. Allerdings ist eine Flachseite der Bereiche 113b und 113c und teilweise auch des Teilabschnitts 113a mit einer Isolierfolie 119 beklebt. Dies dient dem Zweck, einem ungewünschten elektrischen Kontakt entgegengesetzt polarisierter Elektroden über den Bereich 113d vorzubeugen.
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Ersichtlich wird dies anhand von 3. Hier ist der an der Biegelinie 118 umgebogene Bereich 113d dargestellt, der flach auf der von der umlaufenden Kante 106d begrenzten Stirnseite 106a des Wickel-Verbundkörpers 106 aufliegt. Die Isolierfolie 119 ist zwischen dem Teilabschnitt 113d und der Stirnseite 106a angeordnet.
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In 4 ist eine erfindungsgemäße Knopfzelle 100 in teilgeschnittener Darstellung abgebildet. Die Knopfzelle 100 enthält den Wickel-Verbundkörper 106, wie er in 3 dargestellt ist (Schnitt durch Schnittlinie s). Dieser weist einen gemäß der in den 1 und 2 dargestellten Vorgehensweise gefalteten und nachbearbeiteten Kontaktabschnitt auf.
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Die Knopfzelle 100 umfasst als Gehäuseteile den Zellendeckel 101 und den Zellenbecher 102, die durch die Dichtung 103 voneinander getrennt sind. Das von den Gehäuseteilen 101 und 102 gebildete Gehäuse schließt den Innenraum 104 ein, in dem der Wickel-Verbundkörper 106 angeordnet ist. Das Gehäuse umfasst die Gehäuseböden 101a und 102a sowie einen die Gehäuseböden verbindenden ringförmigen Gehäusemantel 105.
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Der in dem Innenraum 104 angeordnete Wickel-Verbundkörper 106 ist aus dem positiven Elektrodenband 107, dem Separatorband 108 und dem negativen Elektrodenband 109 gebildet. Der Wickel-Verbundkörper 106 weist die durch die erste kreisförmig umlaufende Kante 106c begrenzte erste Stirnseite 106a und die durch die zweite kreisförmig umlaufende Kante 106d begrenzte zweite Stirnseite 106b auf. Die Stirnseiten 106a und 106b werden hierbei von den Längsrändern 108a und 108b des Separatorbands 108 gebildet, die axial aus dem Wickel-Verbundkörper 106 herausstehen. Die Stirnseiten 106a und 106b weisen in Richtung der kreisrunden und zueinander parallelen Gehäuseböden 101a und 102a, wobei die Wickelachse z senkrecht zu den Gehäuseböden 101a und 102a ausgerichtet ist.
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Wie aus 1 hervorgeht, umfasst das negative Elektrodenband 109 den bandförmigen Stromkollektor 110 einschließlich des gefalteten und über die Kante 106c gebogenen Kontaktabschnitts 113. Letzterer bildet hier zumindest einen Teilabschnitt einer außenliegenden Windung des Wickel-Verbundkörpers 106. An den Überlappungsbereich 113c schließt sich der über die Kante 106c gebogene Bereich 113d an. Dieser ist durch die Isolierfolie 119 von der Stirnseite 106a des Wickel-Verbundkörpers 106 getrennt. Mit dem Gehäuseboden 102a ist der umgebogene Bereich 113d durch Verschweißung verbunden.
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Das positive Elektrodenband 107 ist über den Ableiter 120 mit dem Gehäuseboden 101a elektrisch verbunden, vorzugsweise ebenfalls durch Verschweißung. Die Stirnseite 106b des Wickel-Verbundkörpers 106 ist durch das Isolierelement 121 vom Gehäuseboden 101a getrennt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/146154 A2 [0005, 0016, 0023, 0027, 0041]
- WO 2010/089152 A1 [0005]
- US 9564654 B2 [0018, 0027, 0041]
