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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft knopfförmige Batterien, insbesondere die Abdichtung dieser Batterien.
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Stand der Technik
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Knopfförmige Batterien, auch kurz als „Knopfbatterien“, „Knopfzellen“ oder „Münzzellen“ bezeichnet, werden häufig für die Stromversorgung kleiner elektrischer Geräte und Anlagen verwendet. Es gibt verschiedene Arten von Knopfbatterien, die sich durch unterschiedliche Abmessungen und durch die für die Elektroden und den Elektrolyten verwendeten Materialien unterscheiden. Ein häufig verwendeter Typ für Niederspannungsgeräte wie Armbanduhren o. ä. wird häufig als „CR“-Batterie bezeichnet, wobei sich das C auf die Chemie der Elektroden und das R auf die runde Form der Batterie bezieht. CR-Batterien umfassen eine Anode auf Lithiumbasis und eine Kathode mit Mangandioxid als aktivem Material. Der Elektrolyt kann aus einem festen oder flüssigen organischen Material bestehen. Andere Typen werden als LR-, SR- oder PR-Batterien bezeichnet, die auch als Alkalibatterien, Silberoxidbatterien oder Zink-Luft-Batterien bekannt sind. Die drei letztgenannten Batterietypen besitzen einen Elektrolyt auf Wasserbasis.
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Alle Knopfbatterien umfassen runde Metallanschlüsse, von denen einer gewöhnlich als Becher und der andere als Deckel bezeichnet wird, zwischen denen sich die Elektroden und der Elektrolyt befinden.
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Ein häufiges Problem bei Knopfbatterien, die einen flüssigen Elektrolyt enthalten, ist das Auslaufen des Elektrolyts. Der Elektrolyt läuft aus, wenn die Batterie nicht gut verschlossen ist, so dass der Elektrolyt aus dem Inneren in die Atmosphäre entweichen kann.
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Bei Silberoxidbatterien, Zink-Luft-Batterien und Alkalibatterien ist der Elektrolyt in der Regel eine stark alkalische Lösung, die NaOH und KOH neben anderen Chemikalien enthält. Bei Lithiumbatterien besteht der Elektrolyt in der Regel aus einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln mit darin gelösten Lithiumsalzen. Beide Elektrolyte sind schädlich für die Umwelt und für den Menschen. Die stark alkalische Lösung ist stark ätzend, und schon eine kleine Menge lässt Metalle korrodieren. Wenn sie in die Augen, in den Mund und auf die Haut gelangt oder gar eingeatmet wird, kann sie schwere Schäden an den menschlichen Organen verursachen.
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Derzeit werden Knopfbatterien verschlossen durch Crimpen des Bechers auf eine Kunststoffdichtung, die Becher und Deckel voneinander trennt. Vor allem bei kleinen Knopfbatterien ist die Stärke der Verpressung jedoch oft unzureichend, was das Risiko des Auslaufens von Elektrolyt erhöht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die oben beschriebenen Probleme bereitzustellen. Dieses Ziel wird durch eine Knopfbatterie gemäß den beigefügten Ansprüchen erreicht.
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Erfindungsgemäß ist eine Knopfbatterie vorgesehen, die eine Dichtungsbaugruppe aufweist, umfassend einen der Pole der Batterie, einen elektrisch isolierenden Teil und einen Umfangswandabschnitt. Der isolierende Teil bildet eine hermetisch abgedichtete Verbindung mit dem Pol und mit dem Wandabschnitt, d. h. eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung, erzielt durch Verfahren der Glas-Metall-Technologie. Der isolierende Teil kann zum Beispiel ein Glasteil sein. Die Dichtungsbaugruppe ist gefäßförmig, und eine oder mehrere Komponenten der Batterie, wie die Anode, die Trennlage und die Kathode, können vor dem Zusammenbau der Batterie in die Gefäßform eingesetzt sein. Der Umfangswandabschnitt der Dichtungsbaugruppe bildet einen Teil des zweiten Pols und ist mit dem Rest des zweiten Pols durch eine elektrisch leitende und hermetisch geschlossene Verbindung wie eine umlaufende Schweißnaht verbunden. Die Pole können aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Metall hergestellt sein.
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Eine erfindungsgemäße Batterie kann hergestellt sein, indem eine oder mehrere Komponenten der Batterie in die gefäßförmige Dichtungsanordnung eingesetzt sind und der Wandabschnitt dieser Anordnung mit dem Rest oder dem Übrigen des zweiten Pols verbunden ist, beispielsweise durch Schweißen.
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Die Erfindung ermöglicht den Einsatz der Glas-Metall-Technologie für den Aufbau von Knopfbatterien in verschiedenen Formen und Größen, einschließlich kleiner Batterien, bei denen die derzeitige Dichtung ein Risiko des Auslaufens von Elektrolyt darstellt. Dieses Risiko wird durch die höhere Qualität der Metall-Glas-Dichtungen, die in einer erfindungsgemäßen Batterie enthalten sind, verringert oder im Wesentlichen beseitigt.
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Figurenliste
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- - 1a und 1b zeigen eine Front- und eine Draufsichtschnittansicht einer Knopfbatterie, wie derzeit im Stand der Technik bekannt.
- - 2a und 2b zeigen eine Front- und eine Draufsichtschnittansicht einer Knopfbatterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- - 3a bis 3d zeigen Schritte des Aufbaus einer Batterie gemäß der in den 2a und 2b dargestellten Ausführungsform.
- - 4a bis 4d zeigen Schritte des Aufbaus einer Batterie gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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Zunächst wird eine Knopfbatterie nach dem Stand der Technik beschrieben, um ihre verschiedenen Bestandteile zu definieren, bevor die charakteristischen Elemente einer erfindungsgemäßen Batterie beschrieben werden. Die 1a und 1b zeigen eine Knopfbatterie 1, wie derzeit im Stand der Technik bekannt. Die Batterie weist einen Metallbecher 2, in der Regel aus rostfreiem Stahl, auf, der den positiven Pol der Batterie bildet. Die Kathode 3 befindet sich im Inneren des Bechers 2. Die in 1a dargestellte Kathode ist als Tablette geformt, die durch Einpressen eines Kathodenpulvers in eine Metallfassung 4 erhältlich ist, die die Form eines Rings mit einem Bodenabschnitt 5 und einer Seitenwand 6 hat. Alternativ kann das Kathodenpulver auch in ein Metallgitter gepresst werden. Die Fassung 4 oder das Gitter sollen die mechanische Stabilität des verdichteten Kathodenpulvers erhöhen.
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Wie in 1a zu sehen ist, befindet sich das verdichtete Kathodenmaterial 3 auf gleicher Höhe mit der Unterseite des ringförmigen Abschnitts 5, und diese beiden Elemente stehen in physischem Kontakt mit dem Boden des Bechers 2. Oberhalb der Tablette 3 befindet sich eine Trennlage 7, die die Kathodentablette 3 von der Anode 8 der Batterie trennt, die sich auf der Trennlage 7 befindet. Die Anode 8 wird von einem Metalldeckel 9 abgedeckt, der den Minuspol der Batterie 1 bildet und in der Regel ebenfalls aus rostfreiem Stahl besteht. Der Minuspol 9 umfasst eine runde, ebene Kontaktfläche 11 und einen aufrechten, von der Kontaktfläche 11 weggerichteten Wandabschnitt 12. Ebenso umfasst der Pluspol 2 eine runde, ebene Kontaktfläche 13 und einen von der Kontaktfläche 13 weggerichteten Wandabschnitt 14. Die Kontaktflächen 11 und 13 sind so gestaltet, dass sie eine elektrische Verbindung zu den jeweiligen Kontakten eines von der Batterie gespeisten Geräts herstellen.
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Der Separator 7 kann eine auf die Kathode 3 auflaminierte Schicht aus Festelektrolyt sein, wobei die Kathode 3 auch den mit dem aktiven Material vermischten Festelektrolyt enthält. Alternativ kann die Batterie 1 auch einen flüssigen Elektrolyten enthalten. In diesem Fall ist die Kathode 3 mit diesem flüssigen Elektrolyten getränkt, und der Separator 7 kann eine poröse Polymerfolie sein, die selbst elektrisch isolierend ist, aber den flüssigen Elektrolyten absorbieren kann, um Ionen von der Anode 8 zur Kathode 3 zu leiten.
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Zwischen den äußeren Rändern des Bechers 2 und dem Deckel 9 ist eine elektrisch isolierende Dichtung 10 eingesetzt, die den Plus- und Minuspol trennt und das Innere der Batterie 1 von der Außenatmosphäre abschließt. Wie in der Einleitung ausgeführt, wird die Seitenwand 14 des Bechers 2 auf die Dichtung 10 aufgecrimpt, wobei aber diese Art der Abdichtung der Batterie zu einem Risiko des Auslaufens des Elektrolyten führt, wenn ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird, was insbesondere für Batterien kleinerer Größe der Fall ist.
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Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem sie eine Möglichkeit zur Anwendung einer Glas-Metall-Dichtung in einer Knopfbatterie bietet. Da die Erfindung nicht auf die Verwendung von Glas als Dichtungsmaterial beschränkt ist, wird diese Art der Abdichtung im Folgenden als „Isolator-Metall“-Dichtung bezeichnet. Dieser Begriff bezieht sich jedoch auf die bekannte Technologie, bei der ein elektrisch isolierendes Material, z. B. Glas, chemisch mit einem Metall verbunden wird, um eine hermetische Abdichtung zwischen dem Isolator im festen Zustand und dem Metall zu bilden, und bei der die Ausdehnungskoeffizienten des Metalls und des Isolators so aufeinander abgestimmt sind, dass die Abdichtung innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs aufrechterhalten wird. Diese Technologie ist aus Anwendungen im Bauwesen, in der Automobilindustrie, in der Optik und vielen anderen Bereichen bekannt.
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2a und 2b zeigen ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Knopfbatterie. Ein Teil der oben beschriebenen Komponenten ist wiedererkennbar und mit den gleichen Bezugsziffern versehen: der Becher 2 mit seiner Kontaktfläche 13 und seiner Seitenwand 14, die Kathode 3, die Trennlage 7, die Anode 8, der Minuspol 9 mit seiner Kontaktfläche 11 und seiner Seitenwand 12. Die Kathode 3 kann in diesem Fall eine gepresste Tablette sein, die nicht in eine ringförmige Fassung, sondern in ein (in der Zeichnung nicht sichtbares, aber als solches bekanntes) Gitter gepresst ist. Bei Silberoxidbatterien kann die Kathodentablette z. B. direkt in den Becher 2 gepresst werden.
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Außerdem ist zu sehen, dass der Becher 2 mit einem Metallring 15 verschweißt ist, der teilweise in den Becher 2 eingesetzt und durch eine Schweißnaht 16 mit dem Becher 2 verschweißt ist.
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Ein elektrisch isolierender Abschnitt 17 befindet sich zwischen der aufrechten Wand 12 des Minuspols 9 und dem Metallring 15. Die Verbindung zwischen dem isolierenden Abschnitt 17 und dem Anschluss 9 einerseits und dem Metallring 15 andererseits ist vom Typ Isolator-Metall, wie oben definiert, d. h. der Ring 15, der isolierende Abschnitt 17, beispielsweise ein Glasteil, und der Minuspol 9 bilden eine Einheit aus fest verbundenen Materialien, wobei der isolierende Abschnitt 17 fest mit dem Minuspol 9 und dem Metallring 15 verbunden ist und wobei die Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Abschnitts 17 und der Metallteile innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs aufeinander abgestimmt sind. Diese Anordnung von fest verbundenen Materialien wird in den beigefügten Ansprüchen als „Dichtungsbaugruppe“ bezeichnet.
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Bei der in 2 dargestellten zusammengebauten Batterie wird der Pluspol nun durch den Becher 2 und den Metallring 15 gebildet. Der Metallring 15 bildet nun zusammen mit der Schweißnaht 16 und der aufrechten Wand des Bechers 2 die aufrechte Wand des Pluspols. Der Isolator 17 bildet eine elektrische Isolierung zwischen den beiden Polen 9 und 2+15 und dichtet gleichzeitig das Innere der Batterie gegenüber der Atmosphäre ab. Die hermetische Abdichtung, die durch die Isolator-MetallVerbindungen erreicht wird, ist von wesentlich höherer Qualität als die in den 1a und 1b gezeigte Abdichtungsdichtung. Durch diese hermetische Abdichtung und durch die Schweißnaht 16, die eine ebenso hermetische, aber elektrisch leitende Verbindung bildet, wird die Batterie zuverlässig gegen die Atmosphäre abgeschlossen, so dass kein Elektrolyt austreten kann.
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3a bis 3d zeigen einzelne wesentliche Schritte, die für die Ausführungsform der Batterie nach 2 erforderlich sind. Die aus dem Minuspol 9, dem Isolator 17 und dem Metallring 15 gebildete Dichtungsbaugruppe ist in 3a dargestellt. Diese Baugruppe kann mit Hilfe von Techniken hergestellt werden, die aus der Isolator-Metall-Verbindungstechnik bekannt sind.
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Je nach den verwendeten Materialien kann es erforderlich sein, die Metalloberflächen, die mit dem Isolator verbunden werden sollen, einer Vorbehandlung zu unterziehen, z. B. einem Reinigungsschritt, einem Oxidationsschritt oder dem Auftragen einer reaktiven Schicht auf die Metalloberfläche, die mit dem Isolator verbunden werden soll.
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Wie in 3b dargestellt, wird dann die Anode 8 in die Dichtungsbaugruppe eingesetzt. Bei der Anode 8 kann es sich um ein festes Stück Anodenmaterial handeln, z. B. Lithium im Falle einer CR-Batterie, oder um eine Aufschlämmung der negativen aktiven Materialteilchen, wie bei einer Silberoxidbatterie, bei der eine Zinkaufschlämmung für die Anode verwendet wird. Im letzteren Fall füllt das Anodenmaterial das innere Volumen der Dichtungsbaugruppe aus (d. h. es gibt keinen Spalt zwischen der Seitenwand 12 des Minuspols und der Anode 8).
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Wie in 3c dargestellt, sind die Kathodentablette 3 und die Trennlage 7 im Inneren des Bechers 2 platziert. Wenn ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird, ist dieser flüssige Elektrolyt dann in den Becher 2 eingegeben, so dass die Flüssigkeit von der Kathode 3 und der Trennlage 7 absorbierbar ist. Wie in 3d dargestellt, ist dann die Dichtungsbaugruppe mit der Anode 8 in die aufrechte Wand 14 des Bechers 2 eingeführt, derart, dass die Anode 8 die Trennlage 7 berührt. Die Höhe der aufrechten Wand 14 und des Metallrings 15 sind so gestaltet, dass sich diese Wand 14 und der Metallring 15 an dieser Stelle überlappen. Mittels der Schweißnaht 16, die durch ein geeignetes Schweißverfahren anbringbar ist, wird die in den 2a und 2b gezeigte vollständig verschlossene Batterie erhalten.
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Die Erfindung ist nicht auf eine Batterie mit der in den 2 und 3 dargestellten Geometrie beschränkt. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass eine vormontierte Dichtungsbaugruppe für die Batterie vorgesehen ist. Die beiden Anschlüsse der zusammengebauten Batterie haben die Form einer Aufnahme, die eine ebene, runde Kontaktfläche und eine aufrechte, von der Kontaktfläche abgewandte Seitenwand aufweist. Die Dichtungsbaugruppe umfasst einen der Anschlüsse der Batterie, einen isolierenden Abschnitt und einen umfänglichen Wandabschnitt, der Teil des anderen Anschlusses in der zusammengebauten Batterie ist. Die Anschlüsse der Dichtungsbaugruppe sind durch das Isoliermaterial, das fest mit diesen Teilen verbunden ist, elektrisch voneinander isoliert, wodurch eine hermetische Abdichtung zwischen dem Isoliermaterial und den jeweiligen Teilen gegeben ist. Der Wandabschnitt der Dichtungsbaugruppe ist mit dem Übrigen/Rest der anderen Elektrode durch einen elektrisch leitenden und geschlossenen Kontakt, wie z. B. eine umlaufende Schweißnaht, verbunden.
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In der Ausführungsform der 2 und 3 umfasst die Dichtungsbaugruppe den Minuspol 9, das Isolierteil 17 und den Metallring 15. Der Metallring stellt den oben genannten umfänglichen Wandabschnitt dar, der in diesem Fall Teil des Pluspols ist. Der Pluspol wird durch den Becher 2 und den Metallring 15 gebildet, die durch die Umfangsschweißnaht 16 miteinander verschweißt sind.
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Zur Herstellung einer Batterie sind im Allgemeinen die folgenden Schritte vorgesehen:
- - Herstellung einer Dichtungsbaugruppe wie oben beschrieben. Diese Baugruppe besteht aus einem gefäßförmigen Anschluss und einem umfänglichen Wandabschnitt. Die Baugruppe selbst ist also ebenfalls gefäßförmig.
- - Einsetzen eines oder mehrerer Bestandteile der Batterie in die durch die Dichtungsbaugruppe gebildeten Aufnahme und/oder in die durch das Übrige des anderen Anschlusses gebildeten Aufnahme, wenn dieses Übrige die Form eines Gefäßes hat, wobei die Bestandteile eine Kathode, eine Anode und eine Trennlage umfassen.
- - Wenn ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird, wird dieser flüssige Elektrolyt in die durch die Dichtungsbaugruppe gebildete Aufnahme oder in die durch das Übrige des anderen Anschlusses gebildete Aufahme gegeben, wenn dieses Übrige als Gefäß ausgebildet ist. Der flüssige Elektrolyt wird in eine Aufnahme gegeben, das Elektrodenmaterial enthält, das den Elektrolyt aufnehmen kann. Dabei kann es sich um die Dichtungsbaugruppe handeln, die einen Anodenschlamm, z. B. einen Zinkschlamm im Falle einer Silberoxidbatterie, enthält, oder um den Becher 2 in der in 3c gezeigten Ausführung, in dem der Elektrolyt von der Kathodentablette 3 absorbiert wird, oder um die Dichtungsbaugruppe, die Anode, Kathode und Separator umfasst, wie in der in 4b gezeigten Ausführung. Der Flüssigelektrolyt kann in mehreren Schritten zugegeben werden, z. B. vor und nach dem Einbringen der Trennlage 7 in eine der Aufnahmen. Der flüssige Elektrolyt wird nur einem der Aufnahmen zugesetzt, da sonst beim Zusammenbau der Gefäße flüssiger Elektrolyt austreten würde.
- - Zusammenbau der Dichtungsbaugruppe mit dem Übrigen der anderen Elektrode. Wenn ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird, bedeutet dies, dass eine Aufnahme mit dem flüssigen Elektrolyt (dies kann die Dichtungsbaugruppe oder das Übrige der anderen Elektrode sein) so positioniert wird, dass die Aufnahme nach oben zeigt, woraufhin das andere Teil auf die Aufnahme gesetzt wird.
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Bei der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform ist die Anode 8 in die Dichtungseinheit 9, 17, 15 eingesetzt, während die Kathode 3 und die Trennlage 7 in den Becher 2 eingesetzt sind, bevor diese Teile zum Zusammenbauen der kompletten Batterie zusammengefügt werden.
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4a bis 4d zeigen eine weitere Ausführungsform der Schritte zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie, die nach diesen Schritten hergestellt ist. Die Dichtungsbaugruppe ist in 4a dargestellt und umfasst wiederum den Minuspol 9 der Batterie mit seiner Kontaktfläche 11 und seiner Seitenwand 12, dem Isolierteil 17 und einem umfänglichen Wandabschnitt 15. Die aufrecht stehende Wand 12 des Minuspols 9 ist gegenüber der Kontaktfläche 11 des Pols abgeschrägt, und der Wandabschnitt 15 umfasst einen abgeschrägten Abschnitt 15a, der ungefähr parallel zur Wand 12 des Minuspols verläuft, und einen geraden Abschnitt 15b. Diese Dichtungsbaugruppe 9, 17, 15 bildet ein Gefäß, das alle drei Hauptbestandteile der Batterie aufnehmen kann, wie in 4b dargestellt: die Anode 8, die Trennlage 7 und die Kathode 3. Ein flüssiger Elektrolyt kann an dieser Stelle oder zwischen dem Einsetzen des Separators 7 und der Kathode 3 hinzugefügt werden, wobei eine zweite Zugabe von flüssigem Elektrolyt nach dem Einsetzen der Kathode 3 möglich ist. Anschließend wird, wie in 4c dargestellt, ein runder Metallplattenteil 2' mit einem Außendurchmesser, der dem Außendurchmesser des Wandabschnitts 15 der Dichtungsbaugruppe entspricht, an diesem Wandteil 15 angebracht und mit diesem durch eine Umfangsschweißnaht 16 hermetisch verbunden, was zu der in 4d dargestellten kompletten Batterie führt. In dieser Ausführungsform bildet der Wandabschnitt 15 der Dichtungsbaugruppe also die gesamte Seitenwand des Pluspols 2'+15 in der zusammengebauten Batterie. Die Form dieser Batterie, die durch die abgeschrägten Seitenwände gekennzeichnet ist, entspricht der Standardform, die für bestimmte Batterietypen wie CR-Batterien und Silberoxidbatterien verwendet wird.
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Weitere Varianten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Zum Beispiel Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Dichtungsbaugruppe den Pluspol anstelle des Minuspols aufweist. Beispielsweise könnte die Dichtungsbaugruppe den Becher 2 aufweisen, der mit einem isolierenden Teil und mit mindestens einem Teil der Seitenwand des Minuspols verbunden ist.
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Ebenso kann die Lage der Elektroden 3 und 8 im Vergleich zu den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen umgekehrt werden. Zum Beispiel wird bei der Ausführungsform der 2a und 2b die Baugruppe 2+15 dann zum Minuspol und der Deckel 9 zum Pluspol. Die obige Beschreibung gilt in diesem Fall sinngemäß.
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In der Ausführungsform der 2a und 2b können die Wandabschnitte 14 und 15 aneinanderstoßen, anstatt sich entlang des Umfangs der Batterie zu überlappen. Viele andere Konfigurationen sind im Rahmen der Erfindung möglich, und die gezeigten Ausführungsformen dienen nur als Beispiele.
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Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung detailliert dargestellt und beschrieben ist, sind diese Darstellungen und Beschreibungen als illustrativ oder beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen. Andere Variationen der offengelegten Ausführungsformen können von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung anhand der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen genannt werden, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft sein kann. Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs ausgelegt werden.
