DE2746428A1 - Verfahren und vorrichtung zum spiralfoermigen aufwickeln der elektrodenplatten und separatoren fuer eine elektrochemische zelle - Google Patents

Description

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Verfahren und Vorrichtung zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle, zur Herstellung einer in ein Zellengefäß einzusetzenden Zellenpackung, bei welchem die Vorderkanten der Elektrodenplatten, neben denen mindestens eine Separatorschicht liegt, jeweils zwischen einen gemeinsamen Dorn und die Antriebsfläche eines für jede Elektrodenplatte separaten Wickelkopfes eingeführt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für die spiralförmige Aufwicklung der Platten und Separatoren elektrochemischer Zellen sind verschiedene Techniken bekannt. Hierzu gehört ein Verfahren mit einem angetriebenen Dorn (US-PS 3 298 871)und ein Verfahren mit angetriebenem Dorn und einer leerlaufenden Andrückrolle (US-PS 1 269 778 und US-PS 3 839 088). Ferner ist die Verwendung eines einzigen endlosen Riemens bekannt, der serpentinenförmig über eine Reihe von Rollen läuft (US-PS 171 346), um eine spiralförmig aufgewickelte Zellenpackung zu erzeugen. Einer der Rollen ist eine durch ein Gewicht belastete Spannvorrichtung zur Erzeugung eines gleichmäßigen Schichtdruckes zwischen den Komponenten der Zellenpackung zugeordnet.

Obwohl die erwähnten Verfahren zur spiralförmigen Aufwicklung der Komponenten von Zellenpackungen bei bestimm-

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ten Anwendungen ihre Vorteile haben, besteht ein grundsätzlicher Nachteil aller dieser Verfahren darin, daß die sich ergebende geometrische Querschnittskonfiguration sich schon bei kleinen Abweichungen der einzelnen Schichtstärken (d.h. der Stärken von Platten und Separator) erheblich verändert. Die hervorstechenden praktischen Schwierigkeiten, die auf die ungleichmäßigen geometrischen Querschnitte der Schichten zurückgehen, bestehen darin, daß der Außendurchmesser der "zylindrischen" Zellenpackung oftmals zu groß ist, so daß die Zellenpäckung nicht in das betreffende Zellengefäß hineinpaßt oder zu klein ist, so daß die Zellenpackung in dem Zellengefäß zu locker sitzt. Demzufolge ist die Ausschußrate für derartige spiralförmig gewickelte Elemente untragbar hoch, oder man muß eine sehr enge Toleranzkontrolle für die angelieferten Komponenten durchführen, was wiederum zu erhöhten Herstellungskosten führt.

Ein weiteres wichtiges Kriterium für spiralförmige Wickel besteht in der Schaffung eines begrenzten Schlupfes zwischen den Platten und den Separatoren während des Wickeins. Da die einzelnen Komponenten um sich selbst herum aufgewickelt werden, sind die außenliegenden Komponenten normalerweise unter Spannung, während die innere Komponente oder Schicht der durch einen kleineren Radius als die äußere Komponente oder Schicht bestimmten Wickelkrümmung folgt. Die innere Komponente wird daher einer Kompression bzw. einer geringeren Spannung ausgesetzt als die äußere Komponente. Insbesondere bei Aufwicklung empfindlicher oder leicht verformbarer Komponenten führt die Unfähigkeit der Komponenten, sich gegeneinander zu verschieben, zu Streckungen oder Stauchungen des Separators, so daß

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entweder am Separator oder an den Platten Falten entstehen. Es ist bekannt, daß die oben beschriebenen Erscheinungen zum frühzeitigen Ausfall der Zelle infolge inneren Kurzschlusses führen können, insbesondere bei wieder-aufladbaren Zellen, bei denen die Platte während der verschiedenen Lade- und Entladezyklen wächst.

Die beschriebenen Schwierigkeiten, die entstehen, wenn ein ungeeigneter relativer Schlupf zwischen den Komponenten vorhanden ist, werden noch verstärkt, wenn die Separatoren aus einem Material bestehen, das extrem zerbrechlich und schwer zu verarbeiten ist, wie ultrafeine Vliese aus Glasfasern oder einem anderen Material mit hoher Benetzungswärme. Das Problem wird insbesondere kritisch bei Verwendung von Platten aus weichen und verformbaren Substraten, auf denen ein klebriges Pastenmaterial angebracht ist, das sich während des Wickelvorganges physikalisch mit den Separatorstreifen verbinden soll, und daher ein relatives Gleiten während des Wickeins verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, um einen Wickel mit sehr gleichmäßiger Querschnittsgeometrie selbst dann zu erhalten, wenn die Stärken der einzelnen Komponenten oder Schichten erheblich variieren. Auf diese Weise soll ein Wickel geschaffen werden, bei dem die Komponenten sich in exakter gegenseitiger Ausrichtung befinden. Die gepasteten Oberflächen der Zellenplatten sollen während des Wickeins nicht beschädigt oder verkratzt werden und nicht aufplatzen oder auf andere Weise beschädigt werden. Bei dem Wickelverfahren sollen die Separatoren und Platten

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relativ zueinander während des Wickeins gleiten können, wobei dennoch der richtige Wickeldruck aufrechterhalten wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wickelköpfe während des Drehens des Dornes und des Antriebs der Elektrodenplatten und Separatoren durch die Antriebsflächen der Wickelköpfe zwangsgesteuert in dem Maße auseinanderbewegt werden,in dem sich der Wickel vergrößert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren zu einer im wesentlichen zylindrischen Zellenpackung, die in eine elektrochemische Zelle eingesetzt wird, besteht aus den folgenden Verfahrensschritten:

1. Anordnen zweier Wickelköpfe, von denen jeder eine flexible Antriebsfläche aufweist, einander gegenüberliegend, zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren;

2. Anordnung eines Dornes zwischen den Wickelköpfen gegenüber den flexiblen Antriebsflächen;

3. Zuführen der Vorderkante einer der Elektrodenplatten, an der mindestens eine Separatorschicht angeordnet ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des ersten Wickelkopfes;

4. Zuführen der Vorderkante der anderen Elektrodenplatten, an der mindestens eine Separatorschicht

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angeordnet ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des zweiten Wickelkopfes;

5. Festhalten der Wickelköpfe in der Wickelposition durch Vorschieben der Wickelköpfe in Richtung gegeneinander und Zusammendrücken der Platten und Separatoren zwischen jeweils einer Antriebsfläche und dem Dorn und;

6. Antreiben mindestens einer der Antriebsflächen bei gleichzeitigem Zurückziehen der Wickelköpfe voneinander, wodurch die spiralförmig gewickelte Zellenpackung gebildet wird.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß Zuführeinrichtungen für die Vorderkanten der positiven Elektrodenplatten und der negativen Elektrodenplatten vorgesehen sind, die die betreffenden Elektrodenplatten zusammen mit einer Lage Separatormaterial an mindestens einer Seite dem Dorn zuführen, und daß mindestens einer der Wickelköpfe eine Antriebsfläche aufweist, die die betreffende Elektrodenplatte zusammen mit dem Separator gegen den Dorn drückt und diesen dreht.

Die Vorrichtung besitzt erste und zweite zurückziehbare Wickelköpfe, die einander gegenüberliegend zu beiden Seiten des Dornes angebracht sind und flexible Antriebsflächen aufweisen; eine Einrichtung zum Vorschieben und Zurückziehen der Wickelköpfe relativ zueinander; einen

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Dorn, der zwischen den flexiblen Antriebsflächen angeordnet ist; eine Einrichtung zum Zuführen der Vorderkante einer der Elektrodenplatten, die an mindestens einer ihrer Seiten von einem Separatormaterial flankiert ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des ersten Wickelkopfes; eine Einrichtung zum Zuführen der Vorderkante der anderen Elektrodenplatte, die an mindestens einer ihrer Seiten von Separatormaterial flankiert ist, zwischen den Dorn und die flexible Antriebsfläche des zweiten Wickelkopfes; und eine Einrichtung zum Antrieb mindestens einer der Antriebsflächen um den Wickelkopf herum zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine spiralförmig gewickelte elektrochemische Zelle mit einer positiven und einer negativen Platte, die jeweils bestimmte Längen und Breiten mit vorgegebenen Toleranzen haben und zwischen denen ein kompressibler Separator, der ebenfalls eine vorgegebene Länge und Stärke mit bestimmten Toleranzen hat, angeordnet ist. Die positiven und negativen Platten und der dazwischen liegende Separator werden gemeinsam spiralförmig aufgewickelt und bilden eine im wesentlichen zylindrische Zellenpackung. Bei dieser Zellenpackung hat der (größte)Außendurchmesser oder ein anderer über die Querschnittsfläche verlaufender Durchmesser im wesentlichen die vorbestimmten Sollabmessungen, unabhängig von der Einzelstärke der Platten und des Separators, unter der Voraussetzung, daß diese Stärken innerhalb der oben angegebenen Toleranzen liegen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen,

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daß der Dorn zwei einander gegenüberliegende Nutzflächen aufweist, die die Vorderkanten der Komponenten der aufzuwickelnden Zellenpackung aufnehmen und an die sich flach ansteigende Flächen, die sich jeweils um einen Teil des Dornumfangs erstrecken, und im wesentlichen spiralförmigen Verlauf haben, anschließen.

Die Erfindung ist generell überall dort anwendbar, wo mehrere Streifen übereinanderliegend angewickelt werden sollen und einer der Streifen leicht kompressibel ist.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles der Wickelvorrichtung beim spiralförmigen Aufwickeln der Zellenkomponenten,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Wickelvorrichtung aus Richtung der Pfeile 2-2 nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Enden der Wickelköpfe, wobei der Kern und die Zellenkomponenten sich in dem Zustand kurz vor Beginn des Wickelvorganges befinden,

Fig. 4 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 3 die Position der Wickelköpfe im weiteren Verlauf des Aufwickeins der Zellenkomponenten,

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht (teilweise aufgeschnitten)

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einer Elektrodenplatte, die mit der erfindungsgemäßen Aufwickelvorrichtung gewickelt wird,

Fig. 6 zeigt eine Teilansicht entlang der Linie 6-6 der Fig. 2,

Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht eines Wickels in Verbindung mit einem aufgeschnitten dargestellten Zellengefäß,

Fig. 8 zeigt einen horizontalen Teilschriitt entlang der Linie 8-8 der Fig. 7 durch den fertiggestellten Platten- und Separatorwickel, der mit der erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung hergestellt worden ist, und

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt des bevorzugten Wickelkernes nach der Erfindung.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel der Herstellung spiralförmig aufgewickelter Zellenpackungen (d.h. Unterbaugruppen) für wideraufladbare Bleiakkumulatoren beschrieben, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 862 861 erläutert sind. Die Erfindung ist jedoch generell auch auf andere Arten spiralförmiger Zellenwickel anwendbar, die in elektrochemischen Zellen anderer Art zum Einsatz kommen.

1. Der Zellenwickel

Der Zellenwickel, der eine Unterbaugruppe der elektrochemischen Zelle darstellt/ sowie seine Bestandteile, sind in den Fig. 7 und 8 generell mit 10 bezeichnet. Der ZeI-

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lenwickel besteht aus einer flexiblen positiven Platte 12, einer negativen Platte 14 und einem dazwischen geschichteten kompressiblen Separator 16. Diese Teile werden mit entsprechender Wickelspannung spiralförmig zu einer Rolle aufgewickelt. Zur Verhinderung des Zurückwickeins und zur Beibehaltung der Spirale im Druckzustand dient ein (in Fig. 7 dargestelltes) Endstück 18, das außen um den Zellenwickel herumgelegt und mit einem Verbindungsstück 20 an sich selbst angeheftet ist. Auf diese Weise wird der Wickel in im wesentlichen zylindrischer Form zusammengehalten. Das Material des Endstückes hat eine größere Festigkeit und ist viel dünner als der benachbarte Separator 16. Das Verbindungs- oder Klebestück 20 kann beispielsweise aus einem Doppelklebeband bestehen.

Die Elektrodenplatten können beide den in Fig. 5 dargestellten Aufbau haben, der aus einem Gittersubstrat 22 in perforierter Form als Streckgitter, Drahtgewebe oder einem ähnlichen Substrat besteht. Auf dem Substrat befindet sich eine gleichmäßige Schicht 24 aus elektrochemisch aktiver Paste, wie beispielsweise Bleioxid. Die Paste bildet die Oberflächenschicht auf beiden Seiten des Gitters und imprägniert gleichzeitig die Zwischenräume im GitterSubstrat.

Die Platte trägt ferner mehrere im Abstand voneinander angeordneter radial ausgerichteter positiver Stromkollektorfahnen 26, 28, 30, 32 und negativer Stromkollektorfahren 26', 28', 30* und 32'. Wie man aus Fig. 7 ersieht, sind bei einer Ausführungsform der Erfindung mindestens drei Anschlußfahnen vorhanden, von denen die innerste postive Anschlußfahne 26 und die radial am weitesten außen

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liegende Anschlußfahne 32 axial über die dazwischen liegenden Anschlußfahnen 28, 30 hinaus nach oben ragen. Diese unterschiedlichen Längen der Anschlußfahnen haben sich als günstig herausgestellt, wenn zum Anschweißen der Anschlußfahnen an ein entsprechendes Anschlußstück beispielsweise das Verfahren und die Vorrichtung nach US-PS 3 873 803 angewandt werden. Bei diesem Verfahren wird ein Ansatz eines (hier nicht dargestellten) Bleipfostens zwischen die Anschlußfahnen 28 und 30 gesetzt und jede der Anschlußfahnen 30 und 32 liegt an einer Seite dieses Bleipfostens. In gleicher Weise sind die Anschlußfahnen 26 und 28 an der anderen Seite des Bleipfostens angeordnet. Die Anschlußfahnen werden dann unter Verwendung der in der genannten US-PS gelehrten Gießpuddeltechnik an den Pfosten angeschweißt. Dadurch, daß die außen liegenden Anschlußfahnen 26, 32 über die innen liegenden Anschlußfahnen 28, 30 hinausragen, enden alle Anschlußfahnen in der Bereitschaftsstellung zum Schweißen im wesentlichen an der gleichen Stelle, wodurch eine verbesserte einheitliche Schweißverbindung sämtlicher Anschlußfahnen mit dem Ansatz des Anschlußpfostens möglich wird und eine Schweißverbindung mit geringer innerer Impedanz entsteht. Der Betrag des Oberstehens der äußeren Anschlußfahnen wird durch die Höhe des Ansatzes des Bleipfostens und durch den seitlichen Abstand zwischen den Anschlußfahnen bestimmt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und bei der Verwendung der Wickelvorrichtung können die Anschlußfahnen generell aber auch jeweils gleiche Höhen haben. Vorzugsweise sind mindestens zwei Anschlußfahnen pro Platte vorhanden, jedoch sind drei oder vier Anschluß-

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fahnen noch besser.

Gemäß Fig. 8 besteht ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Zelle darin, daß der Wickel 10 eine extrem gleichmäßige Querschnittsgeometrie hat. Speziell hat die spiralförmig aufgebaute zylindrische Zellenpackung eine vorbestimmte Abmessung ihres größten Außendurchmessers oder generell eines bestimmten "Durchmessers", beispielsweise des Durchmessers ab oder des Durchmessers cd. Diese vorbestimmte Abmessung wird mit sehr engen Toleranzen, die im allgemeinen um weniger als +/- 1 % von dem Nenndurchmesser abweichen, eingehalten, unabhängig von der individuellen Stärke der positiven und negativen Platten und des Separators, solange diese Dicken innerhalb bestimmter festgelegter Toleranzen bleiben und die Längen der Platten und Separatoren im wesentlichen fest sind. Die erfindungsgemäße Zelle hat eine vorbestimmte geometrische Querschnittsform und einen (innerhalb der oben angegebenen Toleranzgrenzen) konstanten Durchmesser, obwohl die einzelnen positiven und negativen Platten, die mit den jeder Platte zugehörigen Separatoren zusammengenommen werden, eine kombinierte (unkomprimierte) Dicke haben, die bis zu + oder - 3 % von der Nenndicke (unkomprimiert) abweichen kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß das oben gesagte nur dann gilt, wenn der Komparator mindestens in dem Maße, in dem die Platten (bezogen auf das Sollmaß) zu dick sein können, zusammendrückbar ist. Im Vergleich hierzu können die konventionellen Zellenwickel nicht so hergestellt werden, daß sie einen bestimmten Außendurchmesser haben, der um + oder - 1% von dem Nenndurchmesser abweicht, ohne

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daß eine sehr strenge Kontrolle der kombinierten Dicken im unkomprimierten Zustand der positiven und negativen Platten und der beiden zugehörigen Separatoren stattfindet, Die Einhaltung der vorbestimmbaren Querschnittsgeometrie ist durch die Kompressibilität des Separatorelementes möglich, die Veränderungen der Komponenten-starken zu kompensieren vermag, und durch die Art der Wicklung der Zelle. Im folgenden wird ein Verfahren zur Erzielung dieser gewünschten Spiralkonfiguration beschrieben, mit dem wiederholbar gleichmäßig gewickelte Elemente herstellbar sind. Ein offensichtlicher Vorteil der Herstellung von Zellenpackungen mit gleichmäßigen reproduzierbaren Abmessungen besteht darin, daß solche Zellenpackungen passend in das Zellengefäß (von dem bei 34 nur ein Teil dargestellt ist) eingesetzt werden können.

Wie in der US-PS 3 862 861 ausführlicher erläutert ist, kann der spiralförmige Wickel 10, wenn er zur Verwendung in einem Bleiakkumulator bestimmt ist, in ein säurebeständiges Zellengefäß 34 abdichtend eingesetzt werden, das beispielsweise aus Polypropylen besteht, und dann weiter in einen (nicht dargestellten) stoßfesten Metallbehälter eingesetzt werden. Der Anschluß der positiven und negativen Elektrodenanschlußfahnen an ihre zugehörigen Bleipfosten und die Verbindung der Bleipfosten mit den verschiedenpoligen Zellenanschlüssen können auf beliebige Weise erfolgen. Um die Zelle gebrauchsfertig zu machen, wird Säure eingegeben und anschließend die Formierung durchgeführt. Diese Schritte sind bekannt und bilden keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

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2. Wickelvorrichtung

Die Wickelvorrichtung enthält gemäß Fig. 1 und 2 Doppel-Wickelköpfe 36, 38, einen freien drehbaren Kern 40, der zwischen den Wickelköpfen angeordnet ist, eine erste Zuführvorrichtung 42 für Zellenplatten, eine zweite Zuführvorrichtung 44 für Zellenplatten, und einen mechanischen Antriebsmechanismus 46, der an jedem der einander gegenüberliegenden Wickelköpfe 36, 38 angelenkt ist und die Köpfe voneinander fort in die in Fig. 2 in durchgezogenen Linien dargestellte Position zieht, oder die Wickelköpfe aufeinanderzubewegt und in die gestrichelte Position bringt. Der Wickelmechanismus ist an einem Rahmen 9 angebracht, der in Fig. 2 schematisch abgebildet ist. Das mechanische Antriebshebelgestänge 46 ist an der Unterseite des Rahmens montiert. Die Wickelköpfe sind um Naben 48, 50 herum schwenkbar. Die Bewegung der Wickelköpfe erfolgt generell entlang der Mittellinie X-X, die in den Fig. 3 und 4 eingezeichnet ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Mittellinie X-X wegen der Drehbewegung der Wickelköpfe im Uhrzeigersinn gedreht, wenn die Elemente aufgewickelt werden. Alternativ können die Wickelköpfe sich auch auf einer geraden Linie bewegen, die rechtwinklig zur anfänglichen Zuführrichtung der Platten ausgerichtet ist, wenn die Wickelköpfe so angebracht sind, daß sie sich rechtwinklig bewegen können. In jedem Falle geht die Mittellinie ebenfalls durch den zwischen den Wickelköpfen angeordneten Kern 40 hindurch, um den die Zellenteile gewickelt werden.

Der in Fig. 9 dargestellte Kern hat sich zum spiralförmigen Aufwickeln einer Zellenpackung nach der Erfindung als sehr

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günstig erwiesen, da mit diesem Kernquerschnitt Zellenpackungen mit den gewünschten vorherbestimmbaren Abmessungen hergestellt werden können, ohne daß während des Wickeins Falten oder Spannungsstellen erzeugt werden. Auch das Auftreten von "keinen Windungen" wird praktisch ausgeschaltet. Nach Fig. 9 besteht der Dorn 40 aus einem im wesentlichen kreisförmigen Basisschaft 150, der frei drehbar angebracht ist, und einem oberen Wickelbereich, der zwei nach innen abgewinkelte genutete Flächen 39, 41 zur Aufnahme der Anfangskanten der aufzuwickelnden Zellenpackung aufweist. Die genuteten Flächen laufen in einander gegenüberliegende größere Randflächen 152, 154 aus, die im wesentlichen spiralförmig gekrümmt sind. Die Spirale beginnt an dem nach innen gerichteten Ende einer jeden Nutfläche und endet etwa an der Außenkante der gegenüberliegenden Nutfläche. Die Tiefe der Nuten der Nutflächen können etwa im Bereich von der halben (wie dargestellt) bis zur vollen Stärke der kombinierten Schichten aus Platte und zugehöriger Separatorlage betragen.

Die Wickelköpfe enthalten jeweils eine obere Platte 52, 52' und eine untere Platte 53, 53', die an den Naben befestigt sind. Zwischen der oberen und der unteren Platte und dem Wickelende eines jeden Kopfes befindet sich ein Paar frei drehender Drückrollen 54, 56 und 58, 60, die zu beiden Seiten der Mittellinie des Wickelkopfes liegen. Ferner sind zwischen den oberen Platten und den unteren Platten Spannrollen 62, 64 angeordnet, und andere frei drehbare Rollen (z.B. 59) sind um den Halbmesser der Wickelköpfe herum angeordnet, um die jeweils ein flexibler endloser Riemen 66, 68 an den Drückrollen 54, 56 und 58, 60 entlang angetrieben wird. Die Riemen werden von Antriebs-

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rollen angetrieben, die verdeckt bei 48' und 50' dargestellt sind und die koaxial mit den Naben 48 und 50 angeordnet sind. Mindestens eine dieser Rollen (und vorzugsweise beide) ist angetrieben und die gewünschte Riemenspannung wird durch Einstellen der Position der Spannrollen 62, 64 mit den federgespannten Einstellvorrichtungen 74, 75 erzielt, die an den oberen Platten der Wickelköpfe befestigt sind. Die Riemen sind vorzugsweise im wesentlichen nicht-dehnbar. Um einen schlupffreien Synchronantrieb des Riemens zu gewährleisten, sind Andrückwalzen 70, 72 vorgesehen.

Die beiden Drückrollenpaare 54, 56 und 58, 60 sind gegeneinander versetzt und die die Mitten der Rollenpaare verbindenden Linien verlaufen nicht-parallel zur Richtung der zugeführten Platte, wie insbesondere aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht. Die Bedeutung dieses Merkmals wird weiter unten genauer erläutert.

Die Wickelköpfe 36, 38 können relativ zueinander in jeder gewünschten Weise zurückgezogen werden. Zur Erzeugung einer gewickelten Zellenpackung mit dem bevorzugten vorbestimmten geometrischen Querschnitt, wie in Fig. 8, muß man jedoch einen Rückzugsmechanismus verwenden, der die Wickelköpfe während des Wickeins mit einer bestimmten programmierbaren Geschwindigkeit, die von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Wickelriemen angetrieben werden, auseinanderbewegt. Ein derartiger Mechanismus ist in der Zeichnung generell mit 46 bezeichnet. Er weist eine Nockenfläche 76, deren Form durch den gewünschten geometrischen Querschnitt der zu wickelnden Zellenpackung bestimmt ist, sowie ein Hebelgestänge auf, das die Nocken-

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form direkt in eine entsprechende Rückzugsbewegung der Wickelköpfe durch die Stangen 82, 84, die mit (nicht dargestellten) Stiften mit den unteren Platten 53, 53' der Wickelköpfe verbunden sind,umsetzt. Dieses Hebelgestänge enthält einen Nockenfolger 87, der um den Punkt 81 schwenkbar ist. Der Nockenfolger ist mit dem Lenker 80 verbunden, der in seinem Mittelpunkt 86 (der vorzugsweise verstellbar angebracht ist) gelagert ist,und eines seiner Enden ist mit einer verstellbaren Stange 88 verbunden, die an einer fest montierten Kolben-Zylinder-Einheit 90 angebracht ist und sich entsprechend den in Fig. 2 eingezeichneten Pfeilen bewegt. Auf den um die Lagerachse 94 schwenkbaren Winkelhebel 92 wird die Bewegung der Stange 88 durch ein Zapfenlager 96 übertragen. Die hin- und hergehende Bewegung des Winkelhebels wird in eine hin- und hergehende Linearbewegung der mit Stiften angelenkten Stangen 82, 84 umgewandelt, die die jeweilige Bewegung der Wickelköpfe bestimmen.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Wickelriemen 66, 68 ist den Lineargeschwindigkeiten der Verbindungsstangen 82, direkt proportional. Dies wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch den schlupflosen Antriebsriemen 138 (teilweise dargestellt) erreicht, der die Nockenscheibe 76, die Antriebsrolle 48' und die Antriebsrolle 50' entlang der Unterseite des Rahmens 9 synchron rotieren läßt.

Die Zuführeinrichtungen 42, 44 enthalten gabelförmige Plattenführungen 98, 100, die jeweils die negativen Elektrodenplatten 14 bzw. die positiven Elektrodenplatten 12 eingrenzen. Jede Hälfte der gegabelten Führungen kann

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zum Einführen und Herausführen der Platten auseinandergespreizt sein. Jede der Führungen ist auf Schienen 102, bzw. 106, 108 in Richtung auf die Wickelzone oder in Gegenrichtung verschiebbar. Die Führungen 42, 44 sind jeweils um einen (nicht dargestellten) Punkt in der Nähe ihres rückwärtigen Endes schwenkbar, so daß sie sich selbsttätig auf einen Winkel einschwenken, der dem betreffenden Wickelkopf 36, 38 entspricht, um sicherzustellen, daß die einzelnen Teile der Zellenpackung im wesentlichen tangential zur Zellenpackung zugeführt werden." Der Zuführwinkel für die Teile in bezug auf die Achse X-X sollte 90° (tangential) oder weniger betragen, um Reckungen der bandförmigen Teile zu vermeiden.

Als zusätzliche Alternative können eine oder beide Hälften einer jeden Führung vorzugsweise als vorwärtsbewegbare (und zurückziehbare) Formklinge ausgebildet sein, die in die Fig. 2 gestrichelt dargestellte Position 98' gebracht werden können, um das Aufnehmen des Separators und seine Zuführung in die Wickelzone zu erleichtern und dabei gleichzeitig die entsprechende Platte gegen Fehlausrichtungen zu schützen.

Das Separatormaterial 16 wird anfangs lose zwischen einem Führungspaar positioniert, von dem ein Teil bei 110-117 (nur in Fig. 2) dargestellt ist. Diese Führungspaare halten den Separator, wie es durch die gestrichelten Linien 118, 119 angedeutet ist, im wesentlichen quer zur Richtung der zugeführten Platte. Zur Führung des Separators dienen ferner Einführungskurven 120 bis 123, z.B. überstehende Kanten 158, 160 der Plattenführungen oder alternativ die aufrechtstehenden Gabelführungen 130, 132

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(nur in Fig. 1), die wirksam werden, wenn die Platten in die Wickelzone eingeführt werden.

3. Wickelverfahren

Vor dem Wickeln befindet sich die Maschine im Ruhezustand und die Wickelköpfe 38 und 36 nehmen ihre Rückzugsposition ein, die in Fig. 2 in durchgezogenen Linien dargestellt ist. Der Druckluftzylinder 90 ist· so eingestellt, daß er die Stange 88 in der richtigen Hublänge hält, um sicherzustellen, daß die Wickelköpfe vollständig zurückgezogen sind und den Weg für den Zuführmechanismus der ankommenden Platte freimachen.

Am Anfang befinden sich die Zuführvorrichtung 4 2 für die positive Platte und die Vorderkante 43 der Platte rechts von derjenigen Ebene, die durch die Anfangsposition des Separators entlang der Linie 119 gekennzeichnet ist. In gleicher Weise ist die Zuführvorrichtung 44 für die negative Platte nach links von der Linie 118 zurückgezogen. Das Separatormaterial in Form einer einzigen oder mehrerer Lagen wird nun zwischen die Führungen 110 bis 117 gesetzt und quer zum Platten-Zuführmechanismus entlang der Ebenen 118, 119 angeordnet. Das Endstück 18, das auf Länge geschnitten worden ist, wird an einem der Separatoren 16 befestigt und ist beidseitig mit Kleber 20 beschichtet, um nach dem vollständigen Aufwickeln der Teile selbstklebend zu haften.

In der nächsten Stufe wird jeder der Platten-Zuführmechanismen 42, 44 auf seiner jeweiligen Bahn in Richtung auf

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die Wickelzone vorgeschoben. Hierbei greifen die Vorderkanten 4 3 und 45 der Platten (oder die nach vorne ragenden Formklingen 98')/ die nachgiebiger sind als das Separatormaterial, die jeweiligen Separatoren 16 auf und nehmen sie ohne relative Verschiebungen mit den Platten mit. Die Platten-Zuführvorrichtung 42 wird auf die eine Seite (d.h. die obere Seite) des Kernes 40 geleitet, während die andere Platte zur entgegengesetzten Seite des Kernes 40 geführt wird. Die Vorderkanten 43, 45 der Platten werden etwa bis zu einer Stelle "vorgeschoben, die bündig mit dem abgelegenen Ende des Dornes und den jeweiligen Nuten 39, 41 des Dornes gegenüberliegend angeordnet ist. Bis zu diesem Punkt sind die Platten von den benachbarten Separatoren, die von ihnen getragen werden, physisch getrennt, mit Ausnahme der Punktberührung an den Enden 4 3 und 45, und es ist noch kein Kontakt mit dem Dorn oder den Wickelriemen erfolgt.

Nun werden die Wickelköpfe 38 und 36 vor dem Wickeln in der in Fig. 3 dargestellten Lage verriegelt. Dies geschieht durch Drehung der Nocke 76 im Uhrzeigersinn, bis die Stelle 77 der Nockenfläche der Rolle 79 des Nockenfolgers 78 gegenüberliegt. Der Druckluftzylinder 90 wird betätigt, so daß die Stange 88 sich nach rechts bewegt, der Nockenfolger 78 greift an Punkt 77 an der Nockenkurve an und die sich noch nicht bewegenden Riemenflächen 66 und 68 der Wickelköpfe drücken gegen die Separatoren und die dazwischenliegenden Platten und pressen sie gegen den Dorn.

Wenn die Wickelköpfe in der in Fig. 3 dargestellten Stellung verriegelt sind, werden die Wickelriemen in dem Be-

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reich zwischen den Rollen 54, 56 und 58, 60 eingedrückt und infolge ihrer Flexibilität gekrümmt, so daß ein Druck gegen die zusammengelegten Platten und Separatoren ausgeübt wird. Die Stärke der Krümmung wird durch die Spannrollen 62, 64 und die zugehörigen Spannvorrichtungen 74, 75 geregelt. Infolge der Krümmung der Riemen nehmen die Vorderkanten der Platten 43 und 45 eine bogenförmige Gestalt an. Diese Einbiegung zu Beginn des Wickelprozesses ist wichtig, um sicherzustellen, daß die gewünschte Spiralkonfiguration erzielt wird. Die Schlitze oder Anlageflächen 39, 41 in dem S-förmigen Dorn tragen zur Bildung dieser Bogenform bei und sorgen für eine glatte, durchgehende Oberflächenanpassung an die Dornkrümmung, um während des Anlaufens des Wickelvorganges eine bessere spiralförmige Anpassung der mit den Separatorlagen versehenen Platten aneinander zu erhalten.

Die Platten und Separatoren werden im wesentlichen bis zur Erreichung des Punktes der tangentialen Berührung mit dem Dorn, und anschließend bei Fortsetzung des Wickelverfahrens mit den Windungen der Zellenpackung, zugeführt, ohne vorher wesentlich miteinander in Berührung zu kommen.

Wenn die Vorderkante der Zellenplatten und der daneben angeordnete Separator dem Kern gemäß Fig. 3 angeformt worden sind, werden die Wickelriemen 66 und 68 durch Betätigung der Antriebsrollen 48' und 50' (die ihrerseits durch den Riemen 138 angetrieben sind) synchron mit der Drehung der Nocke 76 angetrieben. Wenn die Wickelriemen angetrieben werden, bewirkt das mechanische Hebelgestänge das von der Nocke 76 gesteuert wird, eine Zurückziehung der Wickelköpfe im wesentlichen entlang der variablen

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Mittellinie X-X. Die verschiedenen Bänder wickeln sich spiralförmig übereinander auf, weil die Platten und Separatoren innerhalb ihrer Führungen frei und lose angeordnet sind, und die Führungen werden zunehmend von dem Dorn fort verschwenkt, so daß die einzelnen Lagen im wesentlich geradlinig tangential zu der gewickelten Zellenpackung zugeführt werden. Das programmierte Maß der Zurückziehung der Wickelköpfe bewirkt zusammen mit der eingestellten Spannung, die durch die Riemenantriebsflächen aufrechterhalten und von den Rollen unterstützt wird, eine spiralförmige Aufwicklung der Zellenpackung in vorherbestimmbarer Weise, so daß der endgültige Außen-"Durchmesser", oder irgendein anderer Durchmesser, wie beispielsweise ab und cd in Fig. 8, ein vorherbestimmbares Maß erhält. Da der Wickler Veränderungen der Schichtdicken während des Wickeins durch Zusammendrückung des Separators kompensiert, wird diese Dimensionierung stets eingehalten. Darüber hinaus werden bei dieser programmierten geometrischen Aufwicklung die positiven und negativen Anschlußfahnen in der in den Fig. 4 und 8 dargestellten Weise automatisch ausgerichtet.

Während der Wickeldauer stehen die Antriebsriemen 66 und 68 in vollständigem vertikalem Kontakt mit der Zelle und sie berühren die äußeren Separatorschichten und nicht die klebrigen Elektrodenplatten. Ober den gesamten Wickel hinweg werden die Riemen mindestens teilweise gekrümmt, so daß zwischen den Rollen 54, 56 und 58, 60 gekrümmte Bereiche entstehen und eine große Kontaktfläche zum Wickeln vorhanden ist. Da zwei vorzugsweise einzeln angetriebene Wickelköpfe vorhanden sind, wird jede Platte, trotz des Synchronismus, im wesentlichen unabhängig von

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der anderen angetrieben, so daß das Wickelsystem ausgeglichen arbeitet und die Teile während des Wickelvorganges gleichmäßig gespannt werden, obwohl in gewissen Grenzen ein unterschiedlicher Schlupf möglich ist.

Ein wichtiges Merkmal zur Herstellung einer Zellenpackung mit kontrolliertem Durchmesser besteht in der Positionierung der Rollenpaare 54, 56 und 58, 60. Während des gesamten Wickelvorganges übt mindestens eine der einzelnen Rollen (oder beide) eines jeden Rollenpaares einen direkten Druck über den dazwischenliegenden Riemen auf die zu wickelnden Separatoren und Platten aus, so daß eine exakte mechanische Kontrolle des Plattenabstandes und des endgültigen Zellendurchmessers möglich wird.

Am Ende des Wickelvorganges hat sich die Nocke 76 im Uhrzeigersinn von Punkt 77 nach Punkt 75 gedreht. Zu dieser Zeit sind die Wickelköpfe 36, 38 stationär und die Platten und Separatoren sind vollständig spiralförmig aufgewickelt worden, wobei das Endstück 18 die Zelle vollständig umfaßt und an sich selbst festgeklebt ist. Das Endstück 18 dient zum Festhalten des hergestellten Wickels und zur Verhinderung des Abwickeins. In der letzten Stufe werden die Wickelköpfe schließlich in die Anfangsposition zurückgezogen, die in Fig. 2 in durchgezogenen Linien dargestellt ist, was durch den Druckluftzylinder 90 geschieht. Das spiralförmig gewickelte Element wird dann ausgestoßen oder nach oben von dem Dorn abgezogen. Hierzu kann ein konventioneller Ausstoßmechanismus verwendet werden, oder der Vorgang wird manuell durchgeführt. Nach dem Zurückziehen der Plattenführungen 4 2 und 44 ist die Maschine für den Beginn des nächsten

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Wickelzyklus bereit.

Das aufgewickelte Element, das in Fig. 18 dargestellt ist, ist extrem gleichmäßig mit im wesentlichen gleichmaßigen Abständen zwischen den Platten über die gesamte radiale Ausdehnung der Spirale. Der gegenseitige Wickeldruck zwischen den Elementen kann entsprechend den Stärken der
aufgewickelten Lagen geringfügig variieren, jedoch hält sich die Spannung stets in einem bestimmten Toleranzbereich, was insbesondere auf den Einfluß 'der Spannrollen 62 und 64 der Wickelköpfe zurückgeht.

Die fertiggestellte Zelle hat einen Querschnitt mit
vorbestimmter und programmierter Geometrie, weil der
Wickel unterschiedliche Stärken der einzelnen Komponenten selbst kompensiert. Außerdem können sich die Koraponeten bei der Erzeugung der Spirale relativ zueinander
bewegen, weil Platten und Separatoren erst richtig in
gegenseitigen Flächenkontakt kommen, wenn die Wickelstelle erreicht ist. Auf diese Weise werden die Schwierigkeiten, die bei vielen bekannten Wickelverfahren auftreten, beseitigt.

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Claims (18)

Ansprüche

1. Verfahren zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle, zur Herstellung einer in ein Zellengefäß einzusetzenden Zellenpackung, bei welchem die Vorderkanten der Elektrodenplatten, neben denen mindestens eine Separatorschicht liegt, jeweils zwischen einen gemeinsamen Dorn und die Antriebsfläche eines für jede Elektrodenplatte separaten Wickelkopfes eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelköpfe während des Drehens des Dornes und des Antriebs der Elektrodenplatten und Separatoren durch die Antriebsflächen der Wickelköpfe zwangsgesteuert in dem Maße auseinanderbewegt werden,in dem sich der Wickel vergrößert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der die Wickelköpfe seitlich auseinanderbewegt werden, in einer vorbestimmten Beziehung zu derjenigen Geschwindigkeit steht, mit der die Antriebsflächen der Wickelköpfe angetrieben werden, wodurch die Zellenpackung einen definierten Außendurchmesser erhält und die Separatoren auf eine verringerte Stärke zusammen-

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gedrückt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß um die Vorderkante einer jeden Elektrodenplatte herum eine Separatorlage gefaltet wird, die die Elektrodenplatte auf beiden Seiten begleitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Andrücken der Elektrodenplatten und Separatoren durch die Wickelköpfe gegen den Dorn die Vorderkanten der Elektrodenplatten um den Dorn herumgebogen werden.

5. Vorrichtung zum spiralförmigen Aufwickeln der Elektrodenplatten und Separatoren für eine elektrochemische Zelle, mit zwei beidseitig eines frei drehbaren Dornes angeordneten Wickelköpfen, die mit bewegten Antriebsflachen an dem auf den Dorn gebildeten Wickel angreifen, dadurch gekennzeichnet, daß Zuführeinrichtungen (42, 44) für die Vorderkanten der positiven Elektrodenplatten (12) und der negativen Elektrodenplatten (14) vorgesehen sind, die die betreffenden Elektrodenplatten zusammen mit einer Lage Separatormaterial (16) an mindestens einer Seite dem Dorn (40) zuführen, und daß mindestens einer der Wickelköpfe (36, 38) eine Antriebsfläche aufweist, die die betreffende Elektrodenplatte (12, 14) zusammen mit dem Separator (16) gegen den Dorn (40) drückt und diesen dreht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückzugseinrichtung (75, 76, 78, 80, 92, 82, 84) für die Wickelköpfe (36, 38) vorgesehen ist, die eine synchron

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mit dem Antrieb der Antriebsflächen der Wickelköpfe betätigte Steuereinrichtung (75, 76) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (40) im wesentlichen S-förmig ist und Nuten oder Ausnehmungen (39, 41) zur Aufnahme der Vorderkanten der Elektrodenplatten (12, 14) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückzugseinrichtung ein nockengesteuertes Hebelgestänge (78, 80, 92, 82, 84) aufweist, das an beiden Wickelköpfen (36, 38 ) angreift.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (42, 44) eine gabelförmige Führung (98, 100) mit einem Schlitz zur Aufnahme der Elektrodenplatte (12, 14) aufweist, und daß eine im wesentlichen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Wickelköpfe (36, 38) verlaufende Führungsschiene vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Seite der gabelförmigen Führung (98, 100) zum Abfangen des quer zur Bewegungsrichtung der Elektrodenplatten (12, 14) verlaufenden Separators (16) verschiebbar ist, und den Separator zusammen mit der Platte zum Dorn (40) mitnimmt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsflächen der Wickelköpfe (36, 38) flexible Riemen (68, 66) sind.

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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (40) zwei einander gegenüberliegende Nutflächen (39, 41) aufweist, die die Vorderkanten der Komponenten der aufzuwickelnden Zellenpackung aufnehmen und an die sich flach ansteigende Flächen (150, 152), die sich jeweils um einen Teil des Dornumfangs erstrecken und im wesentlichen spiralförmigen Verlauf haben, anschließen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsflächen (68, 66) aus flexiblen endlosen Riemen bestehen, die von zwei Rollen (54, 56 und 58, 60) abgestützt sind, und die in dem Bereich zwischen den Rollen elastisch verformbar gegen den Wickel drücken.

14. Spiralförmig gewickelte elektrochemische Zelle, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer flexiblen positiven Platte, deren Länge und Stärke mit einer bestimmten Toleranz vorgegeben ist, einer flexiblen negativen Platte, deren Länge und Stärke mit einer bestimmten Toleranz vorgegeben sind, und mit einem zwischen den Platten angeordneten kompressiblen Separator, dessen Länge und Stärke mit einer bestimmten Toleranz vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den Platten (12, 14) und den Separatoren (16) gebildete Wickel unabhängig von den Abmessungen der Platten und Separatoren in unkomprimiertem Zustand innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen einen Außendurchmesser mit vorgegebener Größe aufweist.

15. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die positiven Platten (12) und die negativen Platten (14) über den Querschnitt des Wickels im wesentlichen konstante Abstände haben.

16. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (12, 14) mindestens drei vorstehende Anschlußfahnen (26, 28, 30, 32) aufweist, die entlang eines Radius des Wickels ausgerichtet sind, und daß die radial am weitesten innen liegende Anschlußfahne (26) höher ist als die zwischen der inneren und der äußeren Anschlußfahne liegenden mittleren Anschlußfahnen (28, 30).

17. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranz der kombinierten positiven und negativen Platten und zweier benachbarter zugehöriger Separatoren in unkromprimiertem Zustand innerhalb von + oder - 3 % der Summe der Sollstärken der Platten und Separatoren liegen.

18. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Wickels eine Toleranz von + oder - 1 % des Solldurchmessers hat.

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