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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Zellen zum Speichern elektrischer Energie. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit wiederaufladbaren Batterien beschrieben. Die Erfindung kann unabhängig vom Aufbau der elektrochemischen Zelle, deren Chemie, und auch unabhängig von der Art der versorgten Anwendung Verwendung finden.
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Aus dem Stand der Technik sind wiederaufladbare Batterien mit elektrochemischen Zellen z. B. zur Versorgung von Kfz-Antrieben bekannt. Während des Betriebs von derartigen elektrochemischen Zellen treten Veränderungen des Zellvolumens auf, welche den Kontakt zwischen der Zelle und einem diese umgebenden Gehäuse beeinflussen, wodurch sich die Möglichkeit zur Kühlung der elektrochemischen Zelle verschlechtert, was zu Schäden an der Zelle führen kann. Durch unzureichenden Kontakt zwischen der Zelle und einem diese umgebendes Gehäuse kann es ferner auch durch Bewegungseinflüsse wie z. B. Fahrzeugvibrationen zu Schäden an der Zelle kommen. Solche Schäden führen häufig zu unumkehrbaren chemischen Reaktionen in der elektrochemischen Zelle, welche die Lebensdauer der Zelle verkürzen.
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Aus der
DE 10 2010 019 747 A1 ist beispielsweise eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit zwei Batteriezellen in einer Batteriezellentasche bekannt, wobei jede Batteriezelle eine Wand der Batteriezellentasche kontaktiert und zwischen den zwei Batteriezellen ein Zwischenstück angeordnet ist, das dazu dient, zur besseren Wärmeabfuhr den Kontakt zwischen den Batteriezellen und den Wänden der Batteriezellentasche zu verbessern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrochemische Zelle zu schaffen, die Veränderungen des Volumens der Zellen ausgleicht und so eine verlängerte Lebensdauer der Zelle ermöglicht, ferner soll auch eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie mit einer solchen elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrochemischen Zelle vorgeschlagen werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle zum Speichern von elektrischer Energie weist wenigstens einen Elektrodenstapel auf, der wenigstens zwei Elektrodenblätter und wenigstens ein dazwischen angeordnetes Separatorblatt enthält. Das Separatorblatt trennt die Elektroden voneinander und kann zumindest teilweise einen Elektrolyten aufnehmen. Bevorzugt weist der Elektrodenstapel mehrere Schichten von Elektrodenblättern und Separatorblättern auf, wobei die Elektroden gleicher Polarität jeweils vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden, insbesondere parallel geschaltet sind. Die Elektrodenblätter sind beispielsweise aus einem eher starren, plattenförmigen Material oder aus einem weichen, folienartigen Material ausgebildet und sind bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Der Elektrodenstapel kann auch gewickelt sein und beispielsweise eine im wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen. Der Begriff Elektrodenstapel soll auch Elektrodenwickel beinhalten. Der Elektrodenstapel kann Lithium oder ein anderes Alkalimetall auch in ionischer Form aufweisen.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einer elektrochemischen Zelle eine Einrichtung zu verstehen, welche auch zur Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Auch kann die elektrochemische Zelle ausgestaltet sein, elektrische Energie beim Laden in chemische Energie umzuwandeln und zu speichern. Man spricht dann auch von einer Sekundärzelle oder einem Akkumulator.
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Als Volumen-Ausgleichseinrichtung soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine einteilige oder mehrteilige Einrichtung verstanden werden, die unter Einwirkung einer äußeren Kraft bevorzugt temperaturabhängig eine so genannte elastische Verformung erleidet. Die Volumen-Ausgleichseinrichtung setzt dabei der von außen auf sie wirkenden Kraft eine entsprechende Gegenkraft entgegen, welche mit fortschreitender Verformung der Volumen-Ausgleichseinrichtung wächst, so dass die Verformung schließlich im Kräftegleichgewicht zum Stillstand kommt. Beim Wegfall der äußeren Kraft bildet sich die Verformung der Volumen-Ausgleichseinrichtung vollständig zurück. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter einer Volumen-Ausgleichseinrichtung auch eine im wesentlichen elastische Einrichtung verstanden werden, bei der ideale elastische Eigenschaften wenigstens annähernd gegeben sind.
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Vorzugsweise ist die Art und/oder die Größe einer ausgeübten Kraft dieser wenigstens einen Volumen-Ausgleichseinrichtung im Wesentlichen von ihrer Temperatur und den auf sie wirkenden Umgebungsdruck abhängig. Vorteilhaft kann die Art und/oder die Größe der ausgeübten Kraft der Volumen-Ausgleichseinrichtung durch ihre geometrische Form und/oder den Werkstoff, aus dem diese gefertigt ist, voreingestellt werden. Vorzugsweise wird die temperaturabhängig ausgeübte Kraft der Volumen-Ausgleichseinrichtung für einen konstanten Umgebungsdruck wenigstens Intervallweise durch wenigstens eine mathematische Funktion beschrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Volumen-Ausgleichseinrichtung aus einem Material, welches eine offene Mikrostruktur aufweist. Dieses Material weist neben den elastischen Eigenschaften der Volumen-Ausgleichseinrichtung eine Struktur auf, welche den Ladungsaustausch innerhalb der elektrochemischen Zelle bzw. zwischen den beiden, der Volumen-Ausgleichseinrichtung vorzugsweise benachbarten Elektroden nicht beeinflusst. Aufgrund der offenen Mikrostruktur kann die Volumen-Ausgleichseinrichtung dieser Ausführungsform bevorzugt flächig ausgebildet sein. Beispielhafte Materialien mit offener Mikrostruktur sind poröse Werkstoffe, wie Vliese, Schaumstoffe oder elastische Kunststoffe mit poröser Struktur. Auch geeignete elastische, so genannte Hybrid-Materialien, welche den Ladungsaustausch innerhalb der elektrochemischen Zelle nicht behindern, sind zur Verwendung für eine erfindungsgemäße Volumen-Ausgleichseinrichtung geeignet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Volumen-Ausgleichseinrichtung eine offene Makrostruktur auf. Das Material der Volumen-Ausgleichseinrichtung dieser Ausführungsform kann neben den elastischen Eigenschaften der Volumen-Ausgleichseinrichtung auch eine geschlossene Mikro-Struktur aufweisen. Eine offene Makrostruktur kann beispielsweise durch eine gitterförmige Gestaltung der Volumen-Ausgleichseinrichtung oder durch eine andere von größeren Durchbrechungen gekennzeichnete Struktur der Volumen-Ausgleichseinrichtung erhalten werden, welche gewährleistet, dass die durch die Durchbrechungen offene Fläche zwischen den beiden Elektroden im Vergleich zur von der Volumen-Ausgleichseinrichtung abgedeckte und damit geschlossene Fläche groß ist, vorzugsweise größer als 50%, bevorzugt größer als 70% und besonders bevorzugt größer als 85%. Auch durch eine solche Volumen-Ausgleichseinrichtung mit einer offenen Makro-Struktur wird der Ladungsaustausch innerhalb der elektrochemischen Zelle bzw. zwischen den beiden, der Volumen-Ausgleichseinrichtung vorzugsweise benachbarten Elektroden, nicht beeinflusst.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Volumen-Ausgleichseinrichtung mehrteilig ausgebildet. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsmöglichkeit wird die Volumen-Ausgleichseinrichtung von einer Vielzahl im Vergleich zu den Abmessungen des Elektrodenstapels kleinen elastischen Gegenständen gebildet, welche bevorzugt gleichmäßig auf vorzugsweise einer einzigen Schicht des Elektrodenstapels verteilt angeordnet sind. Die Volumen-Ausgleichseinrichtung kann dabei von gleichmäßig geformten Formkörpern, die beispielsweise stäbchenförmig ausgebildet sein können oder von ungleichmäßig geformten Formkörpern, wie beispielsweise einem Granulat gebildet sein. Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsmöglichkeit wird die Volumen-Ausgleichseinrichtung von mehreren in geeigneter Weise, vorzugsweise flach geformten elastischen Einrichtungen gebildet, welche bevorzugt nebeneinander auf einer Schicht des Elektrodenstapels angeordnet sind.
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Die Volumen-Ausgleichseinrichtung deckt die Fläche des Elektrodenstapels bevorzugt wenigstens bereichsweise ab. Hierbei ist zu unterscheiden, ob es sich um eine prismatische Zelle, welche einen unverformten Elektrodenstapel aufweist, oder um eine Wickelzelle handelt, welche einen gewickelten Elektrodenstapel aufweist. Dieser kann beispielsweise spiralförmig, Z-förmig, S-förmig oder in einer anderen Weise auch zu einer anderen Form gewickelt sein. Während es bei einer prismatischen Zelle bevorzugt ist, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung die Fläche des Elektrodenstapels gleichmäßig über den gesamten Bereich abdeckt, um die Volumenänderungsvorgänge innerhalb der elektrochemischen Zelle auch gleichmäßig über deren gesamte Fläche auszugleichen, kann es bei einer gewickelten Zelle vorteilhaft sein, die Fläche des Elektrodenstapels nur bereichsweise abzudecken, um im gewickelten Zustand einen gleichmäßigen Volumenausgleich zu erreichen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle werden in geeigneter Weise mehrere Volumen-Ausgleichseinrichtungen zwischen verschiedenen Schichten des Elektrodenstapels angeordnet. Bevorzugt wird die Volumen-Ausgleichseinrichtung mittig oder symmetrisch im Elektrodenstapel angeordnet, um eine gleichmäßige Anpressung der darüberliegenden Schichten zu ermöglichen. Auch eine asymmetrische Einbringung kann jedoch je nach Ausbildung des Elektrodenstapels und der hieraus hergestellten elektrochemischen Zelle bzw. einer diese aufnehmenden Halteeinrichtung, eine gleichmäßige Anpressung unterstützen. Einer oder mehrerer Hierbei können sich die Volumen-Ausgleichseinrichtungen, die in mehreren Schichten des Elektrodenstapels angeordnet sind, beim Volumenausgleich bevorzugt ergänzen. Ebenso ist es möglich, die Fähigkeit zum Volumenausgleich der Volumen-Ausgleichseinrichtung durch das Material und die Materialdicke der Volumen-Ausgleichseinrichtung einzustellen und durch Variation der Parameter Material, Form, Anordnung in einer Schicht und Anordnung in verschiedenen Schichten die Volumen-Ausgleichseinrichtung entsprechend den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich des Volumenausgleichs der elektrochemischen Zelle auszulegen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle ist die Volumen-Ausgleichseinrichtung auf der ersten und/oder der letzten Schicht des Elektrodenstapels angeordnet. Eine solche Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung nahezu unmittelbar gegenüber der Umgebung des Elektrodenstapels wirkt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet die Volumen-Ausgleichseinrichtung den Wickelkern eines gewickelten Elektrodenstapels. Hierbei dient eine bevorzugt formstabile Volumen-Ausgleichseinrichtung vorzugsweise zur Formgebung des Elektrodenstapels. So kann eine quer zur Wickelrichtung angeordnete, beispielsweise zylinderförmige Volumen-Ausgleichseinrichtung den Kern einer zylinderförmigen elektrochemischen Zelle bilden. Vorzugsweise bildet eine flache, im wesentlichen rechteckige, in Richtung ihrer Längserstreckung quer zur Wickelrichtung angeordnete Volumen-Ausgleichseinrichtung den Kern z. B. einer bevorzugt Z-förmig gewickelten bzw. eingeschlagenen, vorzugsweise quaderförmigen Zelle.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Volumen-Ausgleichseinrichtung um ein nicht formstabiles Element. Dieses dehnt welches sich bevorzugt unregelmäßig ausgehend von der Position aus, an der es in den Elektrodenstapel eingebracht worden ist. Verstärkt dehnt sich ein solches, nicht formstabiles Element an solchen Stellen innerhalb des Elektrodenstapels aus, an denen geringere Druckkräfte wirken. Bevorzugt weist eine solche Volumen-Ausgleichseinrichtung ein gegenüber einem Elastomer geringeres Elastizitätsmodul von bevorzugt weniger als 100 N/mm2 und besonders bevorzugt weniger als 10 N/mm2 auf. Die Konsistenz ist dabei beispielsweise eher gelartig.
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Ferner wird eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie vorgeschlagen, welche wenigstens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin wenigstens eine Zellhalteeinrichtung mit wenigstens einem Innenraum auf, welche vorgesehen ist, die wenigstens eine elektrochemische Zelle wenigstens teilweise aufzunehmen. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Zellhalteeinrichtung wenigstens ein erstes Wandungselement auf, welches den Innenraum der Zellhalteeinrichtung wenigstens teilweise umgibt und welches wenigstens bereichsweise mit der wenigstens einen elektrochemischen Zelle wirkverbunden ist.
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Die Volumen-Ausgleichseinrichtung dient insbesondere dazu, Volumenänderungen der elektrochemischen Zelle, die insbesondere durch Lade- und Entladevorgänge der Zelle bedingt sind, im Verhältnis zu einer Zellhalteeinrichtung auszugleichen, damit die Zelle bevorzugt gleichmäßig kraft- bzw. reibschlüssig mit einer Zellhalteeinrichtung wirkverbunden ist.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einer Zellhalteeinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche einen Innenraum und wenigstens ein diesen Innenraum wenigstens teilweise umgebendes erstes Wandungselement aufweist. Das Wandungselement kann diesen Innenraum auch vollständig umschließen. Ist dieses Wandungselement selbst biegesteif ausgeführt, so wird die Zellhalteeinrichtung auch als so genanntes Hard-Case bezeichnet. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Zellhalteeinrichtung ist diese gegebenenfalls gleichzeitig mit weiteren Zellhalteeinrichtungen von einem vorzugsweise biegesteif ausgeführten Gehäuse umgeben, welches vorzugsweise weitere Einrichtungen wie insbesondere zur Temperierung der elektrochemischen Zellen aufweist. Der Innenraum einer Zellhalteeinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, um die wenigstens eine elektrochemische Zelle wenigstens teilweise aufzunehmen. Vorzugsweise ist der Innenraum derart ausgestaltet, um zusätzlich zu der wenigstens einen elektrochemischen Zelle weitere Einrichtungen aufzunehmen, wie insbesondere Messeinrichtungen oder Steuereinrichtungen. Im Innenraum sind vorzugsweise auch Einrichtungen zur leitenden Verbindung des Außenraums der Zellhalteeinrichtung mit der elektrochemischen Zelle angeordnet.
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Die wenigstens eine aufgenommene elektrochemische Zelle und wenigstens die weiteren aufgenommenen Einrichtungen werden vorzugsweise von dieser Zellhalteeinrichtung kraftschlüssig und/oder thermisch leitend umschlossen. Vorzugsweise wird die wenigstens eine elektrochemische Zelle derart von der Zellhalteeinrichtung umschlossen, dass wenigstens eine erste Außenfläche der beigeordneten Zellhülle wenigstens teilweise einen flächigen Festkörper-Festkörperkontakt mit wenigstens dem ersten Wandungselement ausbildet. Hierdurch wird die elektrochemische Zelle vorzugsweise vibrationsfest in der Zellhalteeinrichtung gehalten. Vorteilhaft ist bei dieser Anordnung auch, dass abzuführende thermische Energie aus der elektrochemischen Zelle direkt ohne weitere Festkörper-Festkörperkontakte unmittelbar an die Außenseite der Zellhalteeinrichtung geleitet wird. Bevorzugt besteht wenigstens das erste Wandungselement der Zellhalteeinrichtung aus einem hochwärmeleitenden Werkstoff wie vorzugsweise einem Metall und besonders bevorzugt aus Aluminium.
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Insbesondere bei hoher thermischer Belastung der elektrochemische Zelle führt eine Unterbrechung bzw. Störung des thermischen Energieflusses zu einem Wärmestau innerhalb der elektrochemische Zelle und/oder der Zellhalteeinrichtung, wobei dadurch die Betriebstemperatur dieser elektrochemische Zelle ansteigt. Insbesondere führen hohe Betriebstemperaturen einer elektrochemischen Zelle zu einer verkürzten Lebensdauer und damit auch zu einer geringeren Anzahl möglicher Lade- und Entladezyklen. Bei sehr hoher thermischer Belastung kann es z. B. in Lithium-Ionen-Akkumulatoren zu einem Schmelzen des Separators kommen, der den Akkumulator zerstört. Weiterhin verringert sich die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkumulators über die Zeit, insbesondere durch parasitäre Reaktionen des Lithiums mit dem Elektrolyten. Diese Zersetzungsgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur.
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Vorzugsweise wird eine Volumenerhöhung der wenigstens einen elektrochemischen Zelle beim Ladezyklus durch eine korrespondierende Volumenabsenkung wenigstens der beigeordneten Volumen-Ausgleichseinrichtung ausgeglichen und eine Verformung und/oder Zerstörung der wenigstens einen elektrochemischen Zelle und/oder wenigstens der Zellhalteeinrichtung verhindert. Vorzugsweise regelt die Volumen-Ausgleichseinrichtung den Anpressdruck der wenigstens einen elektrochemischen Zelle an wenigstens das erste Wandungselement bevorzugt auf einen konstanten Wert.
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Volumenänderungen der elektrochemischen Zelle, welche bei Lade- und/oder Entladezyklen unvermeidbar sind, werden durch diese Volumen-Ausgleichseinrichtung wenigstens teilweise ausgeglichen. Der thermische Kontakt zwischen der wenigstens einen elektrochemischen Zelle und dem ersten Wandungselement wird durch die Volumen-Ausgleichseinrichtung verbessert und/oder sichergestellt. Vorzugsweise wird eine Volumenabsenkung der wenigstens einen elektrochemischen Zelle beim Entladezyklus durch eine korrespondierende Volumenerhöhung wenigstens der beigeordneten Volumen-Ausgleichseinrichtung ausgeglichen und der thermisch leitende Festkörperkontakt zwischen der wenigstens einen elektrochemische Zelle und wenigstens dem ersten Wandungselement auch in diesem Fall erhalten. Insbesondere führt ein zu geringer Anpressdruck der elektrochemischen Zelle an wenigstens das erste Wandungselement zu einer Unterbrechung bzw. Störung des thermischen Energieflusses zwischen der wenigstens einen elektrochemischen Zelle und wenigstens dem ersten Wandungselement. Vorzugsweise regelt die Volumen-Ausgleichseinrichtung den Anpressdruck der wenigstens einen elektrochemischen Zelle an wenigstens das erste Wandungselement bevorzugt auf einen konstanten Wert.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle. In einem ersten Schritt wird ein Elektrodenstapel vorbereitet, indem abwechselnd ein Elektrodenblatt auf einem Separatorblatt angeordnet wird. Die Elektroden- und Separatorblätter weisen dabei im wesentlichen die gleiche Erstreckung auf, so dass sich die Blätter im wesentlichen decken. Während der Herstellung des Elektrodenstapels wird in einem zweiten Schritt zwischen einem oder mehreren Elektroden- und Separatorblättern eine Volumen-Ausgleichseinrichtung geeigneter Form an einer geeigneten Stelle im Elektrodenstapel angeordnet.
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In einem dritten Schritt wird dem Elektrodenstapel ein Elektrolyt zugeführt. Dies kann beispielsweise durch Tränken des Elektrodenstapels in einer Elektrolytlösung erfolgen, bei einer anderen Bauart einer elektrochemischen Zelle kann deren Elektrodenstapel bereits von bevorzugt einem Teil der Umhüllung umgeben sein, in welche ein Elektrolyt eingebracht wird, der dann insbesondere von den Separatorblättern im Elektrodenstapel aufgenommen wird.
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In einem vierten Schritt wird der Elektrodenstapel flüssigkeits- und gasdicht verschlossen. Die für die Funktion der elektrochemischen Zelle erforderlichen Stromableiter können beispielsweise direkt von den Elektrodenblättern durch die Umhüllung nach außen geführt sein oder als nach außen geführter Teil der Umhüllung der elektrochemischen Zelle die Elektrodenblätter innerhalb der Umhüllung kontaktieren und eine leitende Verbindung durch die Umhüllung zur Verfügung stellen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
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1 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel mit einer Volumen-Ausgleichseinrichtung mit offener Mikrostruktur;
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2 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel mit einer Volumen-Ausgleichseinrichtung mit offener Makrostruktur;
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3 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel mit einer mehrteiligen Volumen-Ausgleichseinrichtung;
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4 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel mit einer mehrteiligen Volumen-Ausgleichseinrichtung;
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5 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel bei der Herstellung einer Wickelzelle mit einer formstabilen Volumen-Ausgleichseinrichtung;
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6 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel bei der Herstellung einer Wickelzelle mit einer mehrteiligen Volumen-Ausgleichseinrichtung;
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7 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel einer Wickelzelle mit einer formstabilen Volumen-Ausgleichseinrichtung;
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8 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel, welcher in einer Zellhalteeinrichtung angeordnet ist;
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9 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel, welcher in einer Zellhalteeinrichtung angeordnet ist, und
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10 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zum Speichern von Energie.
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1 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der aus abwechselnd angeordneten Elektrodenblättern 4 und Separatorblättern 5 aufgebaut ist. Unterhalb des obersten Separatorblatts 5 ist eine Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet. Diese Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 weist eine offene Mikrostruktur auf, um den Ladungsaustausch zwischen den beiden benachbarten Elektrodenblättern 4 nicht zu beeinträchtigen.
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2 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der genauso wie der in 1 dargestellte Elektrodenstapel 3 aus abwechselnd angeordneten Elektrodenblättern 4 und Separatorblättern 5 aufgebaut ist. Unterhalb des obersten Separatorblatts 5 ist auch bei diesem Elektrodenstapel 3 eine Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet. Diese Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 ist gitterförmig ausgebildet. Damit weist die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 eine offene Makrostruktur auf, die den Ladungsaustausch zwischen den beiden benachbarten Elektrodenblättern 4 ermöglicht.
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Auch 3 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der wie die in den 1 und 2 dargestellten Elektrodenstapel 3 aus abwechselnd angeordneten Elektrodenblättern 4 und Separatorblättern 5 aufgebaut ist. Unterhalb des obersten Separatorblatts 5 ist auch bei diesem Elektrodenstapel 3 eine Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet. Diese beispielhafte Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 ist mehrteilig, aus unregelmäßig geformten elastischen Körpern ausgebildet. Damit ermöglicht auch die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 der in 3 dargestellten beispielhaften Ausführungsform den Ladungsaustausch zwischen den beiden benachbarten Elektrodenblättern 4.
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4 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften Elektrodenstapel 3, der aus einem zu Lagen gefalteten Separatorblatt 5 und zwischen den Lagen angeordneten Elektrodenblättern 4 aufgebaut ist. Unterhalb der zu Oberst dargestellten Separator-Elektroden-Separator-Lage ist eine Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet, welche von drei quer zur Schnittebene eingelegten stabförmigen Elementen gebildet wird. Abhängig von der Fläche des Elektrodenblatts 4, das der elastische Werkstoff dieser Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 bedeckt, kann es erforderlich sein, dass diese Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 eine offene Mikrostruktur aufweist.
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5 zeigt einen beispielhaften Elektrodenstapel 3 einer Wickelzelle, der gerade den Wickelprozess durchläuft. An einem Ende des Elektrodenstapels 3, welcher aus folienartigen Elektrodenblättern 4 und dazwischen angeordneten Separatorblättern 5 aufgebaut ist, ist quer zu Längsrichtung des Elektrodenstapels 3 eine formstabile zylinderförmige Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 angeordnet, welche den Wickelkern der elektrochemischen Zelle bildet. Nach dem Wickeln des Elektrodenstapels 3 bildet der Wickelkern eine Volumen-Ausgleichseinrichtung, welche Volumenänderungen der elektrochemischen Zelle ausgleicht und für einen formstabilen Sitz der Zelle innerhalb einer Zellhalteeinrichtung sorgt.
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6 zeigt einen weiteren beispielhaften Elektrodenstapel 3, dessen Grundaufbau mit dem Elektrodenstapel 3 der 5 übereinstimmt. Auf dem obersten Elektrodenblatt 4 ist eine mehrteilige Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 in Form eines Granulats angeordnet, das aus unregelmäßig geformten, im Vergleich zur Erstreckung des Elektrodenstapels klein ausgebildeten Formteilen besteht. Im Gegensatz zur elektrochemischen Zelle 1, die aus der in 5 gezeigten Wicklung hergestellt wird, verteilt sich die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 bei dieser beispielhaften Ausführungsform über den gesamten Umfang der gewickelten Zelle, wodurch die Volumen-Ausgleichsprozesse näher an der Außenhaut der elektrochemischen Zelle 1 stattfinden.
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7 zeigt eine gewickelte Zelle, welche analog zur Ausführungsform der 5 hergestellt ist, mit dem Unterschied, dass der eingelegte Wickelkern, und damit die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2, nicht zylinderförmig, sondern quaderförmig ausgebildet ist. Hierdurch entsteht eine im wesentlichen prismatische Zelle 1.
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8 zeigt die elektrochemische Zelle 1 aus 7, welche im Innenraum 12 einer Zellhalteeinrichtung 11 aufgenommen dargestellt ist. Im geladenen Zustand erreicht die beispielhafte elektrochemische Zelle 1 ihr größtes Volumen. Die Zellhalteeinrichtung 11 ist formstabil ausgeführt, so dass die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 eine elastische Verformung erfährt. Im entladenen Zustand erreicht die beispielhafte elektrochemische Zelle 1 ihr geringstes Volumen, so dass sich die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 ausdehnen kann und dabei einen großflächigen Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und den Wandungselementen 13 der Zellhalteeinrichtung 11 gewährleistet.
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9 zeigt eine aus einem ungewickelten Elektrodenstapel 3 hergestellte elektrochemische Zelle, wobei zwischen am Rand angeordneten Elektrodenblättern 4 zwei ebenfalls blattförmige Volumen-Ausgleichseinrichtungen 2 angeordnet sind. Die Elastizitätskräfte dieser Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 wirken im Gegensatz zur in 8 gezeigten Ausführungsform nur in Stapelrichtung des Elektrodenstapels 3 der elektrochemischen Zelle 1, so dass der großflächige Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und den Wandungselementen 13 der Zellhalteeinrichtung 11 ebenfalls nur in dieser Richtung gewährleistet ist.
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10 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zum Speichern von Energie, wobei zur besseren Darstellung die Zellhalteeinrichtung 11 getrennt von der elektrochemischen Zelle 1 angeordnet ist. Die Zellhalteeinrichtung 11 weist ein Wandungselement 13 auf, welches den Innenraum 12 der Zellhalteeinrichtung 11 umgibt. Die Abmessungen der elektrochemischen Zelle 1 und der Zellhalteeinrichtung 11 sind so aufeinander abgestimmt, dass die elektrochemische Zelle 1, welche eine Volumen-Ausgleichseinrichtung 2 aufweist, im entladenen Zustand formschlüssig in der Zellhalteeinrichtung 11 aufgenommen werden kann, wobei ein großflächiger Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und dem Wandungselement 13 der Zellhalteeinrichtung 11 vorliegt. Vergrößert die elektrochemische Zelle 1 ihr Volumen beim Ladevorgang, so wirken diese Volumenkräfte auf die Volumen-Ausgleichseinrichtung 2, welche elastisch vorgespannt wird, und dabei ihr Volumen verringert. So wird ein stetiger großflächiger Kontakt zwischen der elektrochemischen Zelle 1 und der Zellhalteeinrichtung 11 hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010019747 A1 [0003]
