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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Sekundärbatterie,
die gute Lade-/Entlade-Kenndaten selbst während eines zyklischen Hochleistungsarbeitsbetriebs
aufrechterhält,
und die bevorzugt bei einem Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs
eingesetzt werden kann.
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In
den vergangenen Jahren wurde dringend gefordert, die Emission des
Kohlenstoffdioxids im Zusammenhang mit der Umweltschutzbewegung
zu regulieren. Bei der Autoindustrie ist eine Tendenz zu erkennen,
fossile Brennstoffe verwendende Kraftfahrzeuge, wie benzinbetriebene
Kraftfahrzeuge, zu ersetzen, um die Einführung von Elektrofahrzeugen oder
von elektrischen Hybridfahrzeugen zu fördern. Eine Lithium-Sekundärbatterie,
die eine Batterie zur Motoransteuerung als einen Schlüssel darstellt,
Elektrofahrzeuge und elektrische Hybridfahrzeuge praktisch einzusetzen,
ist erforderlich, um nicht nur eine hohe Batteriekapazität, sondern
auch eine hohe Batterieleistung zu bekommen, die wesentlich die
Beschleunigungseigenschaft ebenso wie die Straßensteigefähigkeit des Fahrzeugs beeinflußt.
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Üblicherweise
hat der innere Elektrodenkörper
einer Lithium-Sekundärbatterie
eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und ein aus einer porösen Polymerschicht
bestehendes Trennglied; die positive Elektrode und die negative
Elektrode werden gewickelt oder geschichtet, wobei die positive
Elektrode und die negative Elektrode aufgrund des Trennglieds nicht
in direkten elektrischen Kontakt miteinander gebracht werden. Wie
beispielsweise in 1 gezeigt, wird ein innerer Elektrodenkörper vom
Wicklungstyp mit einer positiven Schicht 2, mit einer negativen
Schicht 3 und mit einem dazwischenliegenden Trennglied 4 gebildet,
und eine Kontaktnase 5 wird für die positive beziehungsweise
für die
negative Elektroden 2, 3 (dies wird künftig als "Elektroden 2, 3" bezeichnet) bereitgestellt.
Das Ende, das gegenüber dem
Ende mit den Elektroden 2, 3 von jeder Kontaktnase
liegt, wird an einen äußeren Anschluß 11 oder einen
elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13, wie beispielsweise
ein inneres Anschlußglied 12,
das mit dem äußeren Anschluß 11 verbunden
ist, angeschlossen. Das heißt,
die Kontaktnase 5 dient als eine Zuleitung, die mit dem
elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13 verbunden ist,
wobei die Zusammenfassung der Elektrizitätsmenge herbeigeführt wird.
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Hier
wird in 2 ein Grundriß der Elektroden 2, 3 gezeigt,
wenn der innere Elektrodenkörper 1 ausgebreitet
ist. Die Elektroden 2, 3 werden mit einem aktiven
Elektrodenmaterial 16 gebildet, das auf Metallfolien 15 mit
Aluminium für
die positive Elektrode und auf Metallfolien 15 mit Kupfer
für die
negative Elektrode 3 überzogen
wird. Da eine Kontaktnase 5 an einer Seite solch einer
Metallfolie 15 angebracht wird, wird bevorzugt eine Kontaktnase
mit einer dünnen
Bandform verwendet. Die Kontaktnasen werden angenähert in
gleichem Abstand angeordnet, wodurch jede Kontaktnase 5 die
Zusammenfassung der Elektrizitätsmenge
in einer konstanten Fläche
der Elektroden 2, 3 herbeiführt. Nebenbei bemerkt, haben
die Metalleigenschaften der Kontaktnasen 5 im allgemeinen
die gleichen Metalleigenschaften wie die Metallfolie 15,
an die die Kontaktnasen 5 angeschlossen sind.
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Bezüglich einer
Lithium-Sekundärbatterie
für Elektrofahrzeuge
oder für
elektrische Hybridfahrzeuge gibt es Fälle, bei denen ein elektrischer
Strom von mehr als 100 A pro Batterie fließt. In dem Fall, bei den ein
solch hoher elektrischer Strom fließt, ist es erforderlich, den
Innenwiderstand sämtlicher
Batterien so klein sie möglich
zu halten, um die Ausgangsverluste der Batterien zu reduzieren.
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Daher
versteht es sich von selbst, daß bevorzugt
der ohmsche Widerstand des inneren Elektrodenkörpers niederohmig gehalten
wird, jedoch ist dann auf dem Verbindungsweg von dem oben beschriebenen
inneren Elektrodenkörper 1 zum
elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13 zu achten; es
ist vorteilhaft, daß der
ohmsche Widerstand der Glieder der Metallfolie 15, der
Kontaktnase 5 und des elektrische stromabnehmenden Anschlusses 13 niederohmig
ist. Was jedoch die Metallfolie 15 und den elektrischen
stromabnehmenden Anschluß 13 anlangt,
besteht eine gewisse Grenze, die ohmschen Widerstandswerte zu erniedrigen,
aufgrund der Tatsache, daß das
Material Begrenzungen unterworfen ist, und auch, aufgrund der Grenzen
bezüglich
der Batterieform und der Energiedichte.
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Andererseits
verfügt
die Kontaktnase 5 über einen
Toleranzbereich, bei dem das Einstellen des ohmschen Widerstandswertes
von der Durchführbarkeitseinstellung
seiner Form unabhängig
ist, da die Form der Kontaktnase 5 im Raum zwischen dem
Batteriegehäuse
des inneren Elektrodenkörpers 1 und dem
inneren Elektrodenkörpers 1 untergebracht
ist. Hinzu kommt, was die Kontaktnasen 5 und die Metallfolie 15 anlangt,
daß sich
deren Anschlußwiderstand
nicht sehr unterscheidet, da sie durch Schweißen, außer bei extrem fehlerhaftem
Schweißen,
vereinigt werden. Was die Verbindung zwischen den Kontaktnasen 5 und
dem elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13 anlangt, ist
Raum gelassen, den ohmschen Kontaktwiderstand zu reduzieren, da verschiedene
Verfahren betrachtet werden können. Für Kontaktnasen
beispielsweise in Form eines dünnen
Bandes ist ein Verfahren der Bündelung
durch Stapeln in einer Richtung das bevorzugt Einfachste, was den
Bildungsvorgangs für
die Batterie angeht, und dieses Verfahren wird auch bevorzugt, da
der Aufbau innerhalb der Batterie nicht kompliziert werden soll.
In diesem Fall wird es jedoch erforderlich, anzustreben, den ohmschen
Kontaktwiderstand auf der Kontaktoberfläche jeder Kontaktnase zu reduzieren,
da Kontakt zwischen den Kontaktnasen mehrmals auftreten wird.
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Was
die Kontaktnasen 5 und das verwendete Verfahren zur Verbindung
der Kontaktnasen 5 an den elektrischen stromabnehmenden
Anschluß 13 anlangt,
wurden der ohmsche Widerstand dieser Teile und der elektrische Verbindungswiderstand,
der keinen größeren Prozentanteil
aus der Sicht des ohmschen Innenwiderstandes der gesamten Batterie betrifft,
nicht als bedeutend betrachtet, und wie die Verteilung dieses ohmschen
Widerstands die Ausgangskenndaten oder der Arbeitskenndaten des
Lade-/Entlade-Zyklusbetriebs beeinflussen kann, wurde nicht erklärt.
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Als
Stand der Technik kann das US-Patent 5 654 114 angeführt werden,
das sich auf eine Sekundärbatterie
bezieht, die ein hohes Entladepotential, eine hohe Entladekapazität und zufriedenstelle
zyklische Lade-/Entlade-Kenndaten aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegenden Erfindung entstand angesichts der oben angeführten Probleme
des Standes der Technik. Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Lithium-Sekundärbatterie
bereitgestellt, bestehend aus einem Batteriegehäuse, einem inneren, im Batteriegehäuse enthaltenen
Elektrodenkörper,
der eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und ein aus
einer porösen
Polymerschicht bestehendes Trennglied enthält; die positiven Elektrode
und die negative Elektrode sind gewickelt oder geschichtet, wobei
die positive Elektrode und die negative Elektrode durch das Trennglied
nicht in unmittelbare elektrischen Kontakt miteinander gebracht werden,
und aus mindestens mehreren Kontaktnasen besteht, die mit der positiven
Elektrode und mit der negativen Elektrode zur Zusammenfassung der Elektrizitätsmenge
verbunden werden, wobei der entsprechende ohmsche Widerstandswert
einer Kontaktnase innerhalb des Bereichs von ±20% des mittleren ohmschen
Widerstandswertes der Kontaktnase verbleibt.
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Bei
einer Lithium-Sekundärbatterie
der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, daß sich sämtliche Kontaktnasen an einem
Ort befinden, und daß sie
mit dem elektrischen stromabnehmenden Anschluß durch Crimpen oder durch
Schweißen
verbunden sind. Zusätzlich
ist auch erwünscht,
daß sämtliche
Kontaktnasen mit dem elektrischen stromabnehmenden Anschluß durch
Crimpen oder durch Schweißen
oder durch Schrauben verbunden werden, nachdem sie durch Crimpen,
durch Schweißen oder
durch Verbinden vom Typ Lötaugenverbindung im
voraus vereinigt wurden. Übrigens
liegt die Dicke einer Kontaktnase zwischen 5 μm und 100 μm, und der Batterieaufbau, der
solche Kontaktnasen verwendet, wird bevorzugt bei einer Lithium-Sekundärbatterie
mit einer Batteriekapazität
von 5 Ah oder mehr, und insbesondere bei einer Lithium-Sekundärbatterie
für ein
Elektrofahrzeug oder für
ein elektrisches Hybridfahrzeug durchgeführt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung den Aufbau eines inneren Elektrodenkörpers vom
Wicklungstyp;
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2 zeigt
in einem Grundriß den
ausgebreiteten Zustand jeder positive Elektrode und jeder negative
Elektrode bei einem inneren Elektrodenkörper vom Wicklungstyp;
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3 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Rufbaus
bei einem inneren Elektrodenkörper
vom Schichttyp;
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4 zeigt
in einem Querschnitt ein Ausführungsbeispiel
eines verwendeten Verfahrens, um Kontaktnasen an ein elektrischen
stromabnehmenden Anschluß entsprechend
der Lithium-Sekundärbatterie
der vorliegenden Erfindung anzuschließen;
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5 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines verwendeten Verfahrens, um Kontaktnasen an ein elektrischen
stromabnehmenden Anschluß entsprechend der
Lithium-Sekundärbatterie
der vorliegenden Erfindung anzuschließen;
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6 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
eines Verfahrens zur Messung des ohmschen Widerstands der Kontaktnasen
entsprechend der Lithium-Sekundärbatterie
der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
eines Ausführungsbeispiels
eines verwendeten Verfahrens, um Kontaktnasen an ein elektrischen stromabnehmenden
Anschluß entsprechend
der Lithium-Sekundärbatterie
des Vergleichsbeispiels 2 anzuschließen
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8 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
der Verteilung beim ohmschen Widerstand der Kontaktnasen entsprechend
den Beispielen und den Vergleichsbeispielen;
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9 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
des Stromflusses von Kontaktnasen zu einem elektrischen stromabnehmenden
Anschluß einer Schraube
mit Mutter;
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10 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
des Stromflusses von Kontaktnasen zu einem elektrischen stromabnehmenden
Anschluß einer Niete;
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11 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
des Vorgangs der Kontaktnasenverbindung an einen elektrischen stromabnehmenden
Anschluß bei der
Bildung eine Lithium-Sekundärbatterie
der vorliegenden Erfindung; und
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12 zeigt
in einer Darstellung zur Erläuterung
die Testergebnisse der Periodenarbeitsabläufe an einem Beispiel und an
Vergleichsbeispielen.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
Lithium-Sekundärbatterie
dieser Erfindung führt
zu einem hervorragenden Resultat dahingehend, daß es möglich ist, eine großen elektrischen Strom
konstant zu entladen, eine einheitliche Zusammenfassen der Elektrizitätsmenge
von der positive Elektrode und von der negative Elektrode zusammen mit
einer einheitlichen Batteriereaktion innerhalb der positive Elektrode
und innerhalb der negative Elektrode zu ermöglichen, da der ohmsche Widerstand der
positiven Elektroden und der negativen Elektroden zum elektrischen
stromabnehmenden Anschluß vereinheitlicht
ist. Ein Ergebnis hiervon führt
auch zu einem anderen hervorragenden Resultat dahingehend, daß die örtliche
Verschlechterung der Batteriematerialien unterdrückt werden kann und folglich kann
ein hervorragende Lebensdauer während
der zyklischen Arbeitsabläufe
bereitgestellt.
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Der
innere Elektrodenkörper
der Lithium-Sekundärbatterie
der vorliegenden Erfindung (in der Folge als eine "Batterie" bezeichnet) wird
von einer positive Elektrode, von einer negative Elektrode und einem
aus einer porösen
Polymerschicht bestehenden Trennglied gebildet, die positive Elektrode
und die negative Elektrode werden gewickelt oder geschichtet, wobei
die positive Elektrode und die negative Elektrode aufgrund des Trennglieds
nicht in direkten elektrischen Kontakt gebracht werden. Genauer:
Wie in 1 gezeigt, wird ein innerer Elektrodenkörper 1 vom
Wicklungstyp gebildet, indem eine positive Elektrode 2 und
eine negative Elektrode 3 mit einem dazwischenliegenden
Trennglied 4 gewickelt werden, und Kontaktnasen 5 werden
für die Elektroden 2, 3 bereitgestellt.
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Andererseits,
wie in 3 gezeigt, wird beim inneren Elektrodenkörper 7 vom
Schichttyp die positive Elektrode 8 und die negative Elektrode 9 mit
Hilfe des Trennglieds 10 geschichtet, wobei die Kontaktnasen 6 mit
den positiven beziehungsweise den negativen Elektrodenplatten 8 beziehungsweise 9 (in der
Folge als "Elektroden" 8, 9 bezeichnet)
verbunden werden. Solch ein innerer Elektrodenkörper 1 beziehungsweise 7 ist
grundsätzlich
so angeordnet, daß er
eine Vielzahl von parallel verbundenen galvanischen Elementen hat,
ein galvanisches Element besteht aus positiven Elektroden 2, 8 und
aus negativen Elektroden 3, 9, die sich gegenüberstehen Die positiven
Elektroden 2, 8 und die negativen Elektroden 3, 9 werden
in der Form einer dünnen
Platte mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet, das entsprechend
auf eine Metallfolie als Grundmaterial aufgebracht wird. Hier wird
eine Aluminiumfolie als Grundmaterial für die positiven Elektroden 2, 8 beziehungsweise
eine Kupferfolie als Grundmaterial für die negativen Elektroden 3, 9 verwendet.
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Für eine Batterie
mit einem der oben beschriebenen Aufbauten werden im allgemeinen
Oxide von Lithiumübergangsmetallverbindungen
wie Lithiumcobaltoxid (LiCoO2), Lithiumnickeloxid
(LiNiO2) oder Lithiummagnesiumoxid (LiMg2O4) verwendet. Um
zusätzlich
die Leitfähigkeit
dieser positiven Aktivmaterialien zu verbessern, wird häufig ein
Kohlenstoffpuder wie Azetylenruß oder
Graphitpulver dem aktiven Elektrodenmaterial zugesetzt. Andererseits wird
als Aktivmaterial für
die negative Elektrode ein amorpher Kohlenstoff wie weicher oder
Kohlenstoff oder harter Kohlenstoffpulver wie beispielsweise natürliches
Graphit verwendet.
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Als
Trennglied 4, 10 wird empfohlen, einen dreischichtigen
Aufbau zu verwenden, wobei eine Schicht Polyethylenschicht mit Durchlässigkeit
für Lithiumionen
ist und die Mikroporen enthält,
die zwischen porösen
Polypropylenschichten mit Durchlässigkeit
für Lithiumionen
eingeschlossen sind. Dies dient als Sicherheitsmechanismus mit dem
bei Erhöhen
der Temperatur des inneren Elektrodenkörpers die Polyethylenschicht
bei etwa 130 °C
aufgeweicht wird, wodurch die Mikroporen zusammenfallen, um die
Bewegung der Lithiumionen, das heißt die Batteriereaktion, zu
unterdrücken.
Mit dieser zwischen den Polypropylenschichten eingeschlossenen Polyethylenschicht
mit einer höheren
Erweichungstemperatur als die der Polyethylenschicht ist es möglich, elektrischen
Kontakt oder Verschweißen
zwischen den Elektroden (2, 3) und (8, 9)
zu verhindern
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Als
nächstes
wird das Verfahren der Verbindung zwischen den Kontaktnasen und
dem inneren Elektrodenkörper
(positive und negative Elektroden) sowie dem elektrischen stromabnehmenden
Anschluß erläutert, indem
als Beispiel der innere Elektrodenkörper 1 vom Wicklungstyp
herangezogen wird. Wie oben beschrieben, zeigt 2 einen Grundriß der Elektroden 2, 3,
wenn ein in 1 gezeigter innerer Elektrodenkörper 1 vom
Wicklungstyp ausgebreitet wird, wobei in vorliegendem Fall die Kapazität der Batterie
konstant ist; die Länge
L in Wicklungsrichtung kann verkürzt
werden, wenn die Breite D der Elektroden 2, 3 verlängert wird.
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Jedoch
im Fall, bei dem die Breite D der Elektroden 2, 3 groß ist, tritt
ein Problem dahingehend auf, daß der
Innenwiderstandswert groß wird, da
der Abstand zwischen den Kontaktnasen 5 und dem aktiven
Elektrodenmaterial 16 in der Umgebung einer Seite, die
der Seite, an der die Kontaktnasen 5 angeschlossen werden,
gegenübersteht,
groß wird. Daher
wird die Breite der Elektroden 2, 3 bevorzugt im
Bereich von 10 cm bis 40 cm eingestellt, und bewegt sich die Breite
der Elektroden 2, 3 innerhalb solch eines Bereichs,
beträgt
die Anzahl der anzuordnenden Kontaktnasen entlang der Länge L in
Wicklungsrichtung der Elektrode 2, 3 bevorzugt
6 bis 10 pro Meter.
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Die
Kontaktnasen 5 (Kontaktnase 5A und Kontaktnase 5B in 11)
werden bevorzugt so angeordnet, daß sie eine annähernd gerade
Linie in Richtung des Durchmessers des inneren Elektrodenkörpers 1 bilden,
wenn die Elektrode 2, 3 gewickelt werden, wodurch
die Anordnung der Kontaktnasen 5 bezüglich der Elektrode 2, 3 nicht
so vorgenommen wird, daß sie
eine komplizierte Anordnung, wie in 11 gezeigt
und wie weiter unten beschrieben, hat, daß sie sich jedoch einfach mit
dem elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13 verbinden lassen.
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Als
ein Verfahren zum Verbinden der Elektroden 2, 3 an
die Kontaktnasen 5 kann Widerstandsschweißen oder
Ultraschallschweißen
verwendet werden. Es treten keine Fälle auf, bei denen der ohmsche
Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktnasen 5 und der Elektrode 2, 3 groß wird,
außer
im Fall extrem fehlerhaften Schweißens. Es muß jedoch nicht erwähnt werden,
daß der
ohmsche Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktnasen 5 und
den Elektroden 2, 3 vorzugsweise annähernd konstant
gehalten werden sollte.
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Als
Folge dienen die Kontaktnasen 5, die annähernd in
gleichem Abstand angebracht sind, dazu Elektronen, die eine Beziehung
zur Batteriereaktion haben, in einer annähernd gleichen Elektrodenfläche der
Elektroden 2, 3 weiterzuleiten. Wenn jedoch eine Streuung
beim ohmschen Widerstandswert vom elektrischen stromabnehmenden
Anschluß 13 zu den
entsprechenden Kontaktnasen 5 auftritt, wird eine Streuung
bei der Entnahme von Elektrizität ebenfalls
auftreten. Das heißt,
es besteht eine Möglichkeit,
daß sich
die Elektrizitätsmenge
in den niederohmigen Kontaktnasen 5 vergrößert, und
in diesem Fall wird nicht nur die Batteriereaktion ungleichmäßig, sondern
es tritt auch ein Problem dahingehend auf, daß die rasche Qualitätsminderung
des Materials an den Stellen auftritt, an denen die Batteriereaktion
am aktivsten ist (an den Stellen, an denen die Kontaktnasen 5 mit
niederohmigen Widerstandswert verbunden werden).
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Um
ein solches Problem zu vermeiden, werden entsprechend der vorliegenden
Erfindung die Vielzahl von Kontaktnasen 5, die mit jeder
Elektrode 2, 3 zur Zusammenfassung der Elektrizitätsmenge verbunden
wurden, so entworfen, daß die
entsprechenden ohmschen Widerstandswerte der Kontaktnasen 5 mindestens
innerhalb eines Toleranzbereichs von ±20% des mittleren ohmschen
Widerstandswertes der Kontaktnasen 5 liegt. Aufgrund dessen
wird empfohlen, sämtliche
Kontaktnasen 5 an einem Ort zusammenzufassen, und daß sie mit dem
elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13 durch Crimpen
oder durch Schweißen
verbunden werden.
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Speziell,
wie in 4 gezeigt, ist es möglich, eine Niete 22 als
eine elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13 zu verwenden,
um mit einer Batterieverschlußkappe 23 verbunden
zu werden, und um die Kontaktnasen 5 zusammenzufassen,
damit sie mit der Niete 22 verbunden werden. In diesem
Fall, aufgrund des zum Crimpen verwendeten Drucks kann sich der
ohmsche Widerstandswert der Kontaktnasen 5 innerhalb des
oben erwähnten
Toleranzbereich bewegen. Übrigens
können
die Kontaktnasen 5 mit der Niete 22 durch Schweißen statt
durch Crimpen verbunden werden, oder die Kontaktnasen 5 in
Kontakt mit der Niete 22 gepreßt werden, und das Verbindungsteil
kann durch Schweißen
vereinigt werden.
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Zusätzlich,
wie in 5 gezeigt, können sämtliche
Kontaktnasen 5 durch Verwendung von Metallplatten 26,
wie Kupferplatten oder Aluminiumplatten, durch Crimpen im voraus
vereinigt werden, und anschließend
an der Schraube 24, die ein elektrisch stromabnehmender
Anschluß 13 ist,
aufgesetzt werden, und dort fest mit Hilfe einer Mutter 25 angeschraubt
werden, ein Verbindungsverfahren, das bevorzugt verwendet wird. Übrigens
kann zur Vereinheitlichung des Kontaktnasen 5 zusätzlich zum Crimpen
ein Verfahren wie Schweißen
oder Verbindung mit einem Typ Lötaugenverbindung
verwendet werden, und zum Befestigen der vereinigten Kontaktnasen 5 an
den elektrischen stromabnehmenden Anschluß 13 können Verfahren
wie Crimpen oder Schweißen
anwendet werden.
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Da
nun, wie oben beschrieben, Metallfolien als Grundmaterial für die Elektroden 2, 3 verwendet werden,
können
auch bevorzugt Kontaktnasen 5 in einer dünnen Bandform
verwendet werden, deren Dicke bevorzugt zwischen 5 μm und 100 μm beträgt. Hier,
bei der vorliegenden Erfindung, werden Aluminiumfolien bevorzugt
für positive
Kontaktnasen und Kupfer- oder Nickelfolien bevorzugt für negative
Kontaktnasen verwendet.
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Da übrigens
Verbindungspunkte zwischen den Kontaktnasen 5 und den Elektroden 2, 3 zahlreich
sind, während
der Anschlußpunkt
der Kontaktnasen 5 an den elektrischen stromabnehmenden
Anschluß 13 nur
ein Punkt ist, wird nicht empfohlen die kürzesten bei der Länge bezüglich jeder
Kontaktnase 5 zu verwenden, das Anlaß zu Differenzen beim ohmschen
Widerstandswert der Kontaktnasen 5 sein kann. Daher ist zu
empfehlen, die Längen
der Kontaktnasen 5 beim Gebrauch auf die Kontaktnase 5, die
die größte Länge erfordert,
abzugleichen, oder wenn Kontaktnasen 5 unterschiedlicher
Längen
verwendet werden, die ohmschen Widerstandswerte durch Abgleich ihrer
Dicke und ihrer Breite anzupassen.
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Bis
jetzt hatte sich die Beschreibung auf einen inneren Elektrodenkörper 1 vom
Wicklungstyp konzentriert. Es braucht nicht sonderlich erwähnt werden,
daß eine ähnliche
Beschreibung auf die Elektroden 8, 9 anwendbar
ist, indem ein innerer Elektrodenkörper 7 vom Schichttyp
gebildet wird, wobei mehrere Kontaktnasen pro Platte der Elektroden 8, 9 angeordnet
werden, und mit dem elektrischen stromabnehmenden Anschluß verbunden
werden können.
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Bei
Durchführung
der oben beschriebenen Batterieanordnung, speziell bei einer Batterie
mit hohem Leistungsvermögen,
die das Unterbringen zahlreicher Kontaktnasen mit einem Leistungsvermögen der
Batterie von 5 Ah oder mehr, beispielsweise bei Batterien für Elektrofahrzeuge
und für
elektrische Hybridfahrzeuge, werden gute Lade-/Entlade-Kenndaten
erreichbar, da zur Zusammenfassung der Elektrizitätsmenge
der inneren Elektrodenkörper
in den Batterien gleichmäßig über jede
Kontaktnase abgenommen wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird unten anhand von Beispielen beschrieben.
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Beispiele (Messung des
ohmschen Kontaktnasenwiderstandes)
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Beim
Bilden der Batterie wurde als erstes, um den ohmschen Streuwiderstand
aufgrund von Differenzen bei den Verfahren der Kontaktnasenverbindung
mit dem elektrischen stromabnehmenden Anschluß zu prüfen, 30 Folien positiver, aus
gebündelter
Aluminiumfolie hergestellter Kontaktnasen mit eine positiven aus
Aluminium bestehenden Niete gepreßt, indem ein Verbindungsverfahren
verwendet wurde, das die Kontaktnasen 5 mit einer Niete 22,
die ein elektrischen stromabnehmenden Anschluß darstellt, durch Crimpen,
wie in 4 gezeigt, verbindet, während 30 Folien negativer,
aus gebündelter
Kupferfolien hergestellter Kontaktnasen mit einer negativen, aus
Kupfer hergestellten Niete gepreßt wird. Folglich bilden eine
positive Niete und eine negative Niete, an die Kontaktnasen angepreßt werden,
ein Paar. Solche mit einem Anpreßdruck von 1 t/cm2 werden
als Beispiel 1 und solche mit einem Anpreßdruck von 2 t/cm2 werden
als Beispiel 2 betrachtet.
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Als
nächstes,
wie in 6 gezeigt, wurde der ohmsche Widerstandswert für jede Kontaktnase 5 mit
Hilfe der elektrischen Spannung gemessen, wenn ein Strom von 1 A
durch jede Kontaktnase 5 und die Niete 22 floß. Die erhaltenen
ohmschen Widerstandswerte wurden berechnet, um einen Mittelwert
zu erhalten, und eine ohmschen Widerstandswertverteilung wurde durch
Normierung des ohmschen Widerstandswertes für jede Kontaktnase 5, wobei
der Mittelwert bei 100% festgelegt wurde, erhalten.
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Andererseits,
als Vergleichbeispiel 1, wurden die Kontaktnasen 5 an die
Niete 22 mit einem ähnlichen
Verfahren, wie in den oben beschriebenen Beispielen 1 und 2 angeführt, angepreßt, wobei
ein Anpreßdruck
von 500 kg/cm2 gewählt wurde, und der ohmsche
Widerstandswert für
jede Kontaktnase 5 gemessen wurde. Zusätzlich wurde als Vergleichsbeispiel
2, wie in 7 gezeigt, der ohmsche Widerstandswert
von jeder Kontaktnase 5 mit Hilfe eines ähnlichen
Verfahrens verwendet, wie in den oben beschriebenen Beispielen 1
und 2 angeführt,
gemessen, indem ein elektrischer stromabnehmender Anschluß, bestehend
aus einer Schraube 24 und einer Mutter 25, ohne
die 30 Folien der Kontaktnase 5 im voraus zu vereinigen,
wie in 5 gezeigt, jedoch mit einer Anordnung, bei der
jede Kontaktnase 5 einzeln fest angeschraubt wird.
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Die
Streuung der ohmschen Widerstandswerte der Kontaktnase 5 bei
den oben beschriebenen Beispielen 1, 2 und den Vergleichbeispielen
1, 2 wird in 8 gezeigt. Die Beispiele 1,
2 zeigen, daß sich die
Streuung der ohmschen Widerstandswerte der Kontaktnasen 5 innerhalb ±20% um
den Mittelwert bewegt, während
die Vergleichsbeispiele zeigen, daß die Streuung der ohmschen
Widerstandswerte größer ist.
Das Ergebnis kann wie folgt beschrieben werden: Im Fall von Vergleichsbeispiel
2, bei dem die Schraube 24 und die Mutter 25 verwendet
wurden, wie in 9 gezeigt, sind die Kontaktnasen 5 mit
einem Loch versehen, um sie in ein Schraubengewinde 27 der
Schraube einzusetzen, der Durchmesser des Lochs ist größer als
der Durchmesser des Schraubengewindes 27 der Schraube,
und darüber hinaus
ist der Bereich, bei dem die Seitenoberfläche des Lochs der Kontaktnasen 5 das
Schraubengewinde 27 kontaktieren, ziemlich eng, aufgrund
der Dünne
der Kontaktnasen 5. Daher fließt der elektrische Strom von
jeder Kontaktnase 5 in Richtung von Schraube 24 durch
eine benachbarte Kontaktnase 5, wie durch die Pfeile 50 gezeigt,
oder zur Schraube 24 durch eine benachbarte Kontaktnase 5 und
die Mutter 25, was dem elektrischen Strom erschwert, in
die durch die Pfeile 60 angezeigte Richtung zu fließen.
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Andererseits,
wie im Fall der Beispiele 1, 2 und des Vergleichbeispiels 1,
ist der Fall bei Verwendung der Niete 22 ähnlich.
Im in 10 gezeigten Fall fließt der elektrische
Strom jeder Kontaktnase 5 in die durch die Pfeile 50 angegebene
Richtung, vor allem in Richtung der Niete 22 durch die
benachbarte Kontaktnase 5, da die Seitenoberfläche einer
Kontaktnase 5, die die Niete 22 kontaktiert, recht
eng ist, wodurch es für
den elektrischen Strom schwer wird, in der durch die Pfeile 60 angezeigten
Richtung zu fließen.
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Das
heißt,
in jedem Fall der oben beschrieben Beispiele 1, 2 und der Vergleichsbeispiele
1, 2 hat der elektrische Strom durch die Kontaktoberfläche zwischen
den Kontaktnasen 5 zu fließen. Aufgrund dessen wird unter
den gebündelten
Kontaktnasen 5 eine Kontaktnase in der Mitte zu größeren ohmschen
Widerstandswerten führen,
da hier mehr Kontaktoberflächen
mit der Schraube 24 und der Niete 22 bestehen.
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Daher
ist es erforderlich, den ohmschen Widerstandswert der Kontaktoberflächen, die
an jeder Kontaktnase 5 auftreten, zu reduzieren, wodurch
die Streuung der ohmschen Widerstandswerte der entsprechenden Kontaktnasen 5 reduziert
wird. Es ist hier bekannt, daß aus
Aluminiumfolie hergestellte Kontaktnasen eine Isolationsschicht
aus Aluminium geeignet ist, um auf ihrer Oberfläche gebildet zu werden, und
mit steigender Anzahl der gebündelten, dünnbandigen
Kontaktnasen 5 wird die Isolationsschicht einen größeren Einfluß auf die
ohmschen Widerstandsverteilung der Kontaktnasen 5 haben.
Unter diesen Umständen
ist es erforderlich, die Isolationsschicht zu zerstören, und
hierbei elektrischen Kontakt an den Materialteil des Metalls, die
in der Kontaktnase ihren Ursprung haben, sicherzustellen, damit
die Streuung bei den ohmschen Widerstandswerten der Kontaktnasen 5 reduziert
wird.
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Dies
ist anwendbar auf aus Kupferfolie hergestellten Kontaktnasen. Nichtsdestotrotz,
da die Oxidschicht, die auf der Oberfläche der Kupferfolie erzeugt
wird, aus einem Halbleiter besteht, werden die Kontaktoberflächen in
geringerem Maße
beeinflußt,
als im Fall der Verwendung der Aluminiumfolie. Was jedoch die Leitfähigkeit
der Elektronen anlangt, da Metall naturgegeben eine höhere Leitfähigkeit
als ein Halbleiter hat, was auch für Kupferfolie gilt, ist es vorteilhaft,
den elektrischen Kontakt zwischen Metallen dadurch sicherzustellen,
indem die Oxidschicht auf den Oberflächen zerstört wird.
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Daher
ist ein vorteilhaft, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das Metal-Metall-Kontakt
gewährleistet,
um Kontaktnase 5 mit dem elektrischen stromabnehmenden
Anschluß zu
verbinden. Bei den Beispielen 1, 2 wird angenommen, daß die Streuung beim
ohmschen Widerstand der Kontaktnasen 5 unterdrückt wurde,
mit dem Ergebnis, daß der
elektrische Kontakt zwischen den Metallmaterialien und den Oxidschichten
auf den Oberflächen
der Kontaktnasen 5 sichergestellt wurde, indem die Oxidschicht beim
Crimpen bei einem geeigneten Druck zerstört wurde. Nichtsdestotrotz
wird angenommen, daß selbst
bei einem Crimpen, wie bei den Ergebnissen des Vergleichsbeispiels
1 gezeigt, sich im Fall niedrigen und ungeeigneten Anpreßdrucks
die Streuung beim ohmschen Widerstand der Verbindung der Kontaktnasen
erhöhen
wird, da die Wirkung des Crimpens nicht erreichbar ist. Zusätzlich wird
beim Vergleichsbeispiel 2 angenommen, daß es mit dem Klemmendruck zum
Schrauben schwierig ist, ausreichenden Druck zu erzielen, um der
Oxidschicht auf den Kontaktnasen 5 zu ermöglichen,
ausreichend zerstört
zu werden, und als Ergebnis wird angenommen, daß die Streuung des ohmschen
Widerstands größer wird.
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Um übrigens
die Streuung bei den ohmschen Widerstandswerten der Kontaktnasen 5 bei
Verwendung von Aluminiumfolie für
die Kontaktnasen 5 auf den Mittelwert von 20% zu begrenzen,
muß der
Anpreßdruck
im Bereich von 1 t/cm2 bis 50 t/cm2 liegen, während bei der Verwendung von
Kupferfolie der Anpreßdruck
innerhalb eines Bereichs von 500 kg/cm2 bis
100 t/cm2 liegen muß.
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Folglich
wird als einer der Gründe,
für die
Unterschiede bei dem erforderlichen Druckbereich zwischen Kupfer-
und Aluminiumfolie, um die Streuung des ohmschen Widerstandswertes
innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu begrenzen, angenommen,
daß sich
aufgrund der Tatsache, daß sich
eine Oxidschicht auf einer Aluminiumfolie leichter bildet als auf
einer Kupferfolie, ebenso aufgrund des oben beschriebenen Unterschieds
bei der elektrischen Eigenschaft der Oxidschicht. Übrigens
ist die Obergrenze des Anpreßdrucks
für jede
Kontaktnase 5 dann erreicht, wenn Zerstörung wie Einschnitte an den
Kontaktnasen 5 an den Endteilen der Niete 22 auftreten.
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Herstellen
einer Batterie
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Ein
Lithium-Sekundärbatterie
wurde durch das unten beschriebene Verfahren gebildet. Als erstes
wurde eine Paste auf der Grundlage eines Lithiummagnesiumoxid-Pulvers
(LiMn2O4), dem Azetylenruß zum Beritstellen
einer Leitfähigkeit
hinzugefügt
wird, als ein positives Aktivmaterial hergestellt, und darüber hinaus
wurde ein Bindemittel und ein Lösungsmittel
zugemischt. Mit dieser Paste, die auf eine 20 μm-Aluminiumfolie auf beiden
Seiten aufgebracht wurde, wurde ein positive Elektrode mit einer ebenen
Elektrodenform mit einer Länge
von 3 600 mm in Wicklungsrichtung und einer Breite von 200 mm gebildet. Andererseits
wurde eine Paste mit hoch graphitangereicherten Kohlenstoffpulver
als negatives Aktivmaterial gebildet und darüber hinaus wurde ein Bindemittel
und ein Lösungsmittel
zugemischt, das dann auf beiden Seiten einer 10 μm dicken Kupferfolie aufgebracht
wurde, wobei eine negative Elektrode mit einer ebenen Elektrodenform
der Länge 400
mm in Wicklungsrichtung und einer Breite von 200 mm gebildet wird.
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Als
nächstes
wurden, wie in 11 gezeigt, die derart gebildete
positive Elektrode 2 und die negative Elektrode 3 mit
Isolierung, die bei Verwendung von 210 mm breiten Trenngliedern 4 aus
Polypropylen bereitgestellt wurden, gewickelt.
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Gleichzeitig
werden jeweils 30 positive Kontaktnasen 5A aus Aluminium
und 30 negative Kontaktnasen 5B aus Kupfer, die bei dem
oben beschriebenen Beispiel 1 verwendet wurden, an die Elektronen 2, 3 mit
Hilfe des Ultraschallschweißens
derart angeschlossen, daß sie
nahezu eine gerader Linie zur Richtung des Durchmessers des inneren
Elektrodenkörpers 1 bilden,
und derart, daß jede
Elektrode 2, 3 in einem angenäherten Abstand dazwischen angeordnet
wurde, wenn sie aufgeweitet wurden, und darüber hinaus derart, daß eine der
Elektroden an einem Ende des inneren Elektrodenkörpers 1 gebildet wurde.
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Der
derart geformte innere Elektrodenkörper 1 wurde in das
Batteriegehäuse 17 aus
Aluminium eingebaut, wobei jede positive Kontaktnase 5A und jede
negative Kontaktnase 5B an die positive Elektrodenniete 22A beziehungsweise
an die negative Elektronenniete 22B, die die elektrischen
stromabnehmenden Anschlüsse
darstellen, unter einem Druck von 1 t/cm2 bei
Verwendung des gleichen Verfahrens bei dem oben beschriebenen Beispiel
1 gequetscht wurden, wobei eine Batterieverschlußkappe auf der negativen Niete 22 angebracht
wurde, um die negative Seite des Batteriegehäuses 17 zu versiegeln. Danach
wurde von der offenen Seite des positiven Batteriegehäuseanschlusses 17 der
Elektrolyt, eine Mischlösung
aus Ethylencarbonat und Diethylcarbonat, in der der Elektrolyt aus
Lithiumphosphoreisen (LiPF6) mit einer Konzentration
von 1 Molprozent gelöst
war, in das Batteriegehäuse
eingefüllt.
Danach wurde eine Batterieverschlußkappe auf der positiven Niete 22A angebracht,
um das Batteriegehäuse
dicht zu verschließen. Übrigens
kann das Batteriegehäuse auch
von der positiven Seite des Batteriegehäuses versiegelt werden.
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Auf
diese Weise wird die Batterie, die unter Verwendung des Verfahrens
der Verbindung der Kontaktnasen an den elektrischen stromabnehmenden
Anschluß beim
oben beschriebenen Beispiel 1 gebildet wurde, angesehen, die Batterie
für Beispiel 1
zu sein.
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Anschließend wurden
entsprechende Batterien unter Verwendung des oben beschriebenen
Beispiels 2 und der Vergleichsbeispiele 1, 2 als das Verfahren zum
Kontaktieren der Kontaktnasen mit dem elektrischen stromabnehmenden
Anschluß in
gleicher Weise wie bei der Batterie für Beispiel 1 gebaut, außer dem
verwendeten Verfahren, die Kontaktnasen und den elektrischen stromabnehmenden
Anschluß zu
verbinden. Die derart gebauten Batterien werden angesehen, die Batterie
für Beispiel
2, die Batterie für
Vergleichsbeispiele 1 beziehungsweise die Batterie für Vergleichbeispiel
2 zu sein.
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Die
Batteriekapazität
der so hergestellten Batterien betrug 25 Ah, und ihre Lade-/Entlade-Kenndaten
wurden mit Hilfe einer zyklischen Arbeitsablaufprüfung bewertet.
Hier wurde das Aufladen mit einem Konstantstrom von 25 A und einer Konstantspannung
von 4,1 V durchgeführt,
und das Entladen wurde mit einem Konstantstrom mit einer Entladegeschwindigkeit
von 1 C (25 A) durchgeführt, bis
der Entladevorgang eine Spannung von 2,5 V erreicht hatte, woraufhin
der Auflade-/Entladevorgang wiederholt wurde. Die Entladekapazität wurde
für jeden
Zeitpunkt normiert, indem die Entladekapazität zum ersten Zeitpunkt zu 100%
angenommen wurde.
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12 zeigt,
wie sich die Entladekapazität während der
zyklischen Arbeitablaufprüfung änderte. Für die Batterien
der Beispiele 1, 2, bei denen die Streuung beim ohmschen Widerstand
der Kontaktnasen gering war, war der Kapazitätsabfall gering, und es bestand
zwischen den beiden Beispielen keine wesentlicher Unterschied. Andererseits
war für
die Batterien des Vergleichbeispiels 2, bei dem die Streuung des
ohmschen Widerstands der Kontaktnasen groß war, der Kapazitätsabfall
merklich. Bei solch einem Ergebnis wird als Ursache eine Ungleichheit
angenommen, die bei der Batteriereaktion im inneren Elektrodenkörper aufgrund
der Streuung beim ohmschen Widerstand der Kontaktnasen auftrat,
und der Qualitätsminderung,
die teilweise bei den positiven Elektroden und bei den negativen
Elektroden auftrat.
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Wie
oben beschrieben, führt
die Lithium-Sekundärbatterie
zu einem hervorragenden Effekt dahingehend, daß es möglich ist, einen großen elektrischen
Strom konstant zu entladen, was eine gleichförmige Zusammenfassung der Elektrizitätsmenge von
den positiven Elektroden und von den negativen Elektroden zusammen
mit einer gleichförmigen
Batteriereaktion innerhalb der positiven Elektroden und der negativen
Elektroden ermöglicht,
da jede Unstimmigkeit beim ohmschen Widerstand der Vielfachkontaktnasen
innerhalb eines bestimmten Bereichs eingeschränkt wird. Als Ergebnis hiervon
führt es
auch zu einem anderen hervorragenden Effekt dahingehend, daß die örtliche
Qualitätsminderung
des Batteriematerials unterdrückt
werden kann, und hervorragende Lebensdauer während des zyklischen Arbeitsverlaufs
hervorgerufen werden kann. Eine Lithium-Sekundärbatterie beinhaltet ein Batteriegehäuse, einen
inneren Elektrodenkörper,
der sich in der Batterie befindet, und der eine positive Elektrode,
eine negative Elektrode und ein Trennglied aus einem porösen Polymer
enthält.
Die positive Elektrode und die negative Elektrode werden aufgrund
des Trennglieds nicht in direkten elektrischen Kontakt gebracht.
Der entsprechende ohmsche Widerstandswert der Mehrfachkontaktnasen
zur Zusammenfassung der Elektrizitätsmenge, um mit der positive
Elektrode und mit der negative Elektrode verbunden zu werden, wurde eingestellt,
innerhalb des Bereichs von ±20
des mittleren ohmschen Widerstandwertes der Kontaktnasen zu verbleiben.
Die Lithium-Sekundärbatterie
weist gute Lade-/Entlade-Kenndaten, selbst während des zyklischen Hochleistungsarbeitsbetriebs,
auf, und im besonderen kann die Lithium-Sekundärbatterie bevorzugt zur Motorsteuerung
eines elektrischen Fahrzeugs eingesetzt werden.