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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten sowie von einer entsprechenden elektrischen Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie kann beispielsweise mittels Batterien gespeichert werden. Dabei findet heutzutage häufig die sogenannte Lithiumionentechnologie Verwendung. Diese weist eine positive Elektrode, auch als Kathode bezeichnet, und eine negative Elektrode, auch als Anode bezeichnet, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, an welchem ein Aktivmaterial angebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Graphit, Silizium oder Lithium. Zwischen Kathode und Anode ist dabei ein Separator angeordnet. Dieser Separator verhindert einen direkten Kurzschluss zwischen Kathode und Anode. Die genannten Komponenten sind dabei von einem flüssigen Elektrolyten durchtränkt, welcher die Bewegung von Lithiumionen ermöglicht. Liegt der Elektrolyt nicht in flüssiger sondern in fester Form vor, spricht man von einem Festkörperelektrolyten. In diesen Energiespeichern wird die Separator- und Elektrolytfunktion von einer Materialkomponente übernommen. Zwar könnte dieser Festkörperelektrolyt ebenfalls als Komponente zwischen die Elektroden gelegt werden um einen Kurzschluss zu verhindern, doch sprechen mehrere produktionstechnische Gründe dagegen. So ist der Festkörperelektrolyt aus Kosten- und Funktionsgründen möglichst dünn zu halten und hat in der Regel Schichtdicken von weniger als 20 µm, wodurch eine Handhabung in der Produktion erschwert wird. Daher wird der Elektrolyt beispielsweise in einem Nassprozess auf die Kathode aufgebracht und kann so höchstens auf die Breite der Kathode beziehungsweise auf die Breite des Kathodenableiters beschichtet beziehungsweise geschnitten werden. Zur Beschichtung über die Substratbreite hinweg sind gegebenenfalls komplizierte Prozessschritte notwendig. Es besteht daher insbesondere bei mehrlagigen, mittels eines Stapelungsprozesses hergestellten Batteriezellen ein erhöhtes Kurzschlussrisiko, wenn keine entsprechenden isolierenden Komponenten im Randbereich der Elektroden vorgesehen sind.
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Die Druckschriften
WO 2008/011061 A1 und
EP 2434 567 A2 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtlithiumbatterie und eine entsprechende Dünnschichtlithiumbatterie. Dabei werden einzelne Schichten mit einem Isolationsmaterial, beispielsweise einem Polymer, beschichtet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Offenbart werden ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten sowie eine elektrische Energiespeichereinheit mit Festkörperelektrolyten mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Dabei umfasst die elektrische Energiespeichereinheit mit dem Festkörperelektrolyten eine Kathodenstromableiterschicht, eine Kathodenschicht, eine Separatorschicht mit dem Festkörperelektrolyten, eine Anodenschicht und eine Anodenstromableiterschicht, wobei in einem ersten Schritt zumindest ein erster Teil der Kathodenstromableiterschicht und/oder ein erster Teil der Kathodenschicht und/oder ein erster Teil der Anodenschicht und/oder ein erster Teil der Anodenstromableiterschicht oxidiert wird. In einem weiteren Schritt werden die Schichten derart zusammengebracht, vorzugsweise durch einen Stapelungsprozess und/oder einen Beschichtungsprozess, dass bei einem über die Kathodenstromableiterschicht und die Anodenstromableiterschicht geschlossenen elektrischen Stromkreis die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen durch Anodenschicht, Separatorschicht und Kathodenschicht möglich ist. Die Reihenfolge der Schritte, insbesondere der Schritte des Zusammenbringens, kann dabei beliebig gewählt werden. Beispielsweise können die Schichten wie beschrieben zusammengebracht werden, wobei der Schritt des Oxidierens des mindestens einen ersten Teils danach stattfindet. Genauso ist dies in umgekehrter Reihenfolge möglich. Weiterhin ist es möglich, dass beispielsweise die Kathodenschicht bereits auf der Kathodenstromableiterschicht aufgebracht ist und ebenso die Anodenschicht bereits auf der Anodenstromableiterschicht aufgebracht ist. Das Zusammenbringen der Schichten umfasst ebenso diese Ausgestaltung. Dadurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass Stellen innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit, an denen eine erhöhte Kurzschlussgefahr besteht, durch die Oxidation mit einer elektrischen Isolation versehen werden. Dies senkt das Kurzschlussrisiko und ist gleichzeitig relativ einfach und kostengünstig in bestehende Produktionsprozesse integrierbar. Beispielsweise können Schichten in einer elektrochemischen Zelle unabhängig von der Breite des Separators mit Festkörperelektrolyten gestapelt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Oxidieren keinen oder einen nur geringen Schichtdickenzuwachs bei den bestehenden Schichten bedingt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise wird innerhalb des Verfahrens zumindest ein zweiter Teil der Kathodenstromableiterschicht und/oder ein zweiter Teil der Kathodenschicht und/oder ein zweiter Teil der Anodenschicht und/oder ein zweiter Teil der Anodenstromableiterschicht oxidiert, wobei zumindest der jeweilige erste Teil und der jeweilige zweite Teil disjunkt sind. Beispielsweise können gezielt punktuelle Oxidationsstellen erzeugt werden, wodurch das Verfahren an eine Vielzahl von Zellgeometrien und Zelltechnologien angepasst werden kann.
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Zweckmäßigerweise wird die Kathodenstromableiterschicht mit der Kathodenschicht und/oder die Anodenstromableiterschicht mit der Anodenschicht und/oder die Kathodenschicht mit der Separatorschicht und/oder die Anodenschicht mit der Separatorschicht beschichtet, wobei das Oxidieren des entsprechenden ersten Teils und oder des entsprechenden zweiten Teils vor und/oder nach dem Beschichten stattfindet. Somit kann flexibel auf die Anforderungen des jeweiligen Herstellungsprozesses reagiert werden und gegebenenfalls eine arbeitsteilige Herstellung einzelner Komponenten der elektrischen Energiespeichereinheit vorgesehen werden. Weiterhin ist in vorteilhafter Weise eine einfache Integration in bestehende Herstellungsprozesse möglich.
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Zweckmäßigerweise wird die Kathodenstromableiterschicht und/oder die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht und/oder die Anodenschicht und/oder die Anodenstromableiterschicht geschnitten, wobei das Oxidieren des entsprechenden ersten Teils und oder des entsprechenden zweiten Teils vor und/oder nach dem Schneiden stattfindet. Somit kann flexibel auf die Anforderungen des jeweiligen Herstellungsprozesses reagiert werden und gegebenenfalls eine arbeitsteilige Herstellung einzelner Komponenten der elektrischen Energiespeichereinheit vorgesehen werden. Weiterhin ist in vorteilhafter Weise eine einfache Integration in bestehende Herstellungsprozess möglich.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Oxidieren ein Applizieren von Schwefelsäure und/oder Oxalsäure und/oder Chromsäure. Somit können in vorteilhafter Weise bewährte Oxidationstechniken innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden, wodurch eine große Flexibilität innerhalb des Verfahrens erreicht wird. Weiterhin wird dadurch in vorteilhafter Weise eine große Prozesssicherheit erreicht.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Oxidieren ein Applizieren von Laserlicht. Somit können auch kleinste Bereiche beziehungsweise kleinste erste und oder zweite Teile sicher und ortsgenau oxidiert werden. Weiterhin wird auf den Einsatz gesundheits- und umweltgefährdenter Substanzen verzichtet, was vorteilhaft für die Integration in bestehende Herstellungsprozesse ist.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Material der Kathodenstromableiterschicht Aluminium und/oder das Material der Kathodenschicht ein Metalloxid. Dabei wird das jeweilige Material durch den Oxidationsschritt zumindest teilweise zu Aluminiumoxid umgesetzt. Somit wird durch den Oxidationsschritt in vorteilhafter Weise eine sehr gut elektrisch isolierende Schicht in beziehungsweise auf dem entsprechenden ersten Teil oder dem entsprechenden zweiten Teil erzeugt.
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Zweckmäßigerweise befindet sich der oxidierte erste Teil der Kathodenstromableiterschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Kathodenschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Anodenschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Anodenstromableiterschicht flächenmäßig zum größten Teil auf einer oder mehreren Anschlussfahnen der elektrischen Energiespeichereinheit. Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit durch die Anschlussfahnen als über die Aktivmaterialien hinausstehende Komponenten kein elektrischer Kurzschluss erzeugt werden kann. Dies erhöht die Sicherheit der elektrischen Energiespeichereinheit.
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Weiterhin wird eine elektrische Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten beschrieben, welche eine Kathodenstromableiterschicht, eine Kathodenschicht, eine Separatorschicht mit dem Festkörperelektrolyten, eine Anodenschicht und eine Anodenstromableiterschicht umfasst, wobei ein erster Teil der Kathodenstromableiterschicht und/oder ein erster Teil der Kathodenschicht und/oder ein erster Teil der Anodenschicht und/oder ein erster Teil der Anodenstromableiterschicht oxidiert sind. Somit können die bei dem oben beschriebenen Verfahren genannten Vorteile realisiert werden.
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Zweckmäßigerweise ist der jeweilige erste Teil zumindest bereichsweise elektrisch isolierend. Somit wird, wie bereits oben erwähnt, die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Kurzschlusses innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit reduziert. Weiterhin kann dadurch auf zusätzliche Sicherheitseinrichtungen, die im Falle eines elektrischen Kurzschlusses für Sicherheit sorgen, verzichtet werden.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Material der Kathodenstromableiterschicht Aluminiumoxid und/oder umfasst das Material der Kathodenschicht Aluminiumoxid. Da die entsprechenden Stromableiter in der Regel aus Aluminium bestehen beziehungsweise Aluminium umfassen, sind dadurch in vorteilhafter Weise gängige Materialkombinationen abgedeckt. Weiterhin werden die bei dem Verfahren genannten Vorteile entsprechend realisiert.
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Zweckmäßigerweise ragt der oxidierte erste Teil der Kathodenstromableiterschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Kathodenschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Anodenschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Anodenstromableiterschicht zumindest im Bereich einer oder mehrerer Anschlussfahnen seitlich über mindestens eine, bevorzugt mindestens zwei, in einer Stapelungsrichtung folgende Schichten hinaus. Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass auch bei mechanischer Beanspruchung der elektrischen Energiespeichereinheit, insbesondere bei Verbiegen, ein elektrischer Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verhindert wird. Durch das Überragen der in der Stapelungsrichtungen folgenden Schichten durch den oxidierten ersten Teil ist somit eine Art „Berührschutz“ gegeben, welcher einen internen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verhindert.
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Zweckmäßigerweise befindet sich der oxidierte erste Teil der Kathodenstromableiterschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Kathodenschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Anodenschicht und/oder der oxidierte erste Teil der Anodenstromableiterschicht flächenmäßig zum größten Teil auf einer oder mehreren Anschlussfahnen der elektrischen Energiespeichereinheit. Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit durch die Anschlussfahnen als über die Aktivmaterialien hinausstehende Komponenten kein elektrischer Kurzschluss erzeugt werden kann. Dies erhöht die Sicherheit und Langlebigkeit der elektrischen Energiespeichereinheit.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
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Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines in der 3 gezeigten Ausschnitts der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit gemäß der ersten Ausführungsform;
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung des in der 3 gezeigten Ausschnitts gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
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1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Herstellungsverfahrens einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei weist die elektrische Energiespeichereinheit zumindest eine Kathodenstromableiterschicht, eine Kathodenschicht, eine Separatorschicht mit einem Festkörperelektrolyten, eine Anodenschicht und eine Anodenstromableiterschicht auf. In einem ersten Schritt S11 wird zumindest ein erster Teil der Kathodenstromableiterschicht, welcher häufig aus Aluminium gebildet ist, oxidiert. In dem ersten Teil wird dadurch das Aluminium in Aluminiumoxid umgewandelt, welches ein sehr guter Isolator ist und eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt. In einem zweiten Schritt S12 werden anschließend die Schichten derart zusammengebracht, dass eine funktionsfähige elektrische Energiespeichereinheit entsteht, d.h., dass bei einem über die Kathodenstromableiterschicht und die Anodenstromableiterschicht geschlossenen elektrischen Stromkreis die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen durch Anodenschicht, Separatorschicht und Kathodenschicht möglich ist. Somit kann die elektrische Energiespeichereinheit ihre Funktion der Einspeicherung und/oder Ausspeicherung von elektrischer Energie erfüllen. Dabei ist es möglich, dass beispielsweise die Kathodenschicht bereits auf die Kathodenstromableiterschicht aufgebracht wurde, bevor der erste Teil der Kathodenstromableiterschicht oxidiert wird. Dies kann beispielsweise durch produktionstechnische Gründe bedingt sein, beispielsweise aufgrund mangelnder Eigenstabilität der entsprechenden Schichten, welche einen Auftrag auf eine Trägerschicht - hier beispielsweise die Kathodenstromableiterschicht - erforderlich machen.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Herstellungsverfahrens einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform. In einem ersten Schritt S21 wird dabei eine Kathodenstromableiterschicht mit einer Kathodenschicht beschichtet. Typische, aber nicht ausschließliche Materialien für die Kathodenschicht sind dabei Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid oder Lithiumeisenphosphat. Anschließend wird in dem ersten Schritt S21 die Kathodenschicht, welche sich auf der Kathodenstromableiterschicht befindet, mit einer Separatorschicht beschichtet. Typische Materialien für die Separatorschicht sind dabei keramische Elektrolyte, polymere Elektrolyte oder sulfidische Gläser. Weiterhin wird eine Anodenstromableiterschicht mit einer Anodenschicht beschichtet. Bei einer Lithiummetallanode, welche unter Umständen keine flächendeckende Ableiterschicht benötigt, entfällt diese Beschichtung. Typische Materialien für die Anodenschicht sind dabei Lithium, Silizium, Graphit oder amorpher Kohlenstoff. In einem zweiten Schritt S22 wird der Schichtenaufbau aus Kathodenstromableiterschicht, Kathodenschicht und Separatorschicht derart geschnitten, dass er zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit in Stackbauweise eingesetzt werden kann. Weiterhin wird in dem zweiten Schritt S22 der Schichtaufbau aus Anodenstromableiterschicht und Anodenschicht derart geschnitten, dass er zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit in Stackbauweise eingesetzt werden kann. Anschließend wird in einem dritten Schritt S23 ein erster Teil der Kathodenstromableiterschicht, beispielsweise eine seitlich herausstehende Anschlussfahne, oxidiert. In einem vierten Schritt S24 wird ein zweiter Teil der Kathodenstromableiterschicht oxidiert, wobei sich der erste Teil und der zweite Teil vollständig unterscheiden. Anschließend werden in einem fünften Schritt S25 die Schichten, das heißt, der Schichtaufbau aus Kathodenstromableiterschicht, Kathodenschicht und Separatorschicht sowie der Schichtaufbau aus Anodenstromableiterschicht und Anodenschicht derart zusammengebracht, dass eine funktionsfähige elektrische Energiespeichereinheit entsteht, welche elektrische Energie ein- und/oder ausspeichern kann, beziehungsweise dass bei einem über Kathodenstromableiterschicht und Anodenstromableiterschicht geschlossenen elektrischen Stromkreis die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen durch Anodenschicht, Separatorschicht und Kathodenschicht möglich ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit 300 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Aufsicht.
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Dabei ist eine Kathodenstromableiterschicht 301 abgebildet, auf deren Unterseite eine in 3 nicht sichtbare Kathodenschicht aufgebracht ist. Ein Teil der Kathodenstromableiterschicht bildet dabei eine sogenannte Anschlussfahne 303. Weiterhin ist eine Separatorschicht 305 und zur Verdeutlichung eine Anodenschicht 307 abgebildet, wobei die Anodenschicht 307 eigentlich bündig mit der Separatorschicht 305 abschließt und hier nur zur Verdeutlichung eingezeichnet wurde. Weiterhin ist ein Teil einer Anodenstromableiterschicht abgebildet, welcher eine Anschlussfahne 302 bildet und bei einer Lithiummetallanode nicht immer von Nöten ist. Weiterhin ist ein Ausschnitt I eingetragen, welcher in einer Querschnittsdarstellung in der 4 näher erläutert wird.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des in der 3 gezeigten Ausschnitts I der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit 300 gemäß der ersten Ausführungsform. Der Querschnitt erfolgt dabei entlang der in 3 gezeigten Linie A-A. Der Schichtaufbau wird ausgehend von der obersten Schicht in Richtung einer Stapelungsrichtung V beschrieben. Die oberste Schicht wird von der Kathodenstromableiterschicht 301 gebildet, wobei ein Teil der Kathodenstromableiterschicht 301 die Anschlussfahne 303 bildet. Ein Teilabschnitt 408 der Kathodenstromableiterschicht 301 ist dabei oxidiert und ist somit elektrisch isolierend gegenüber seiner Umgebung. An die Kathodenstromableiterschicht 301 grenzt eine Kathodenschicht 403. An die Kathodenschicht 403 grenzt eine Separatorschicht 305, welche einen Festkörperelektrolyten umfasst. An die Separatorschicht 305 grenzt eine Anodenschicht 307, welche wiederum an eine Anodenstromableiterschicht 411 angrenzt. An die Anodenstromableiterschicht 411 grenzt eine weitere Anodenschicht 410. An die Anodenschicht 410 grenzt eine weitere Separatorschicht 406, an welche wiederum eine weitere Kathodenschicht 404 grenzt. An die weitere Kathodenschicht 404 grenzt eine weitere Kathodenstromableiterschicht 402, wobei ein Teil der weiteren Kathodenstromableiterschicht 402 die weitere Anschlussfahne 412 bildet. Die weitere Kathodenstromableiterschicht 402 weist einen weiteren Teilabschnitt 409 auf, der oxidiert und somit elektrisch isolierend gegenüber seiner Umgebung ist. Wie der Zeichnung entnommen werden kann, ist durch die oxidierten Teilabschnitte 408, 409 die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Anodenschichten 307, 410 beziehungsweise der Anodenstromableiterschicht 411 und den Kathodenschichten 403, 404 beziehungsweise den Kathodenstromableiterschichten 301, 402 erheblich reduziert.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des in der 3 gezeigten Ausschnitts I gemäß einer zweiten Ausführungsform entlang der in 3 gezeigten Linie A-A. Dabei besteht der wesentliche Unterschied zum in 4 beschriebenen Aufbau darin, dass die oxidierten Teilabschnitte 508, 509 nicht bündig mit der darunter beziehungsweise darüber liegenden Schicht beginnen, sondern etwas nach außen auf den Anschlussfahnen 303, 412 abgesetzt sind. Dies kann sich im Produktionsprozess als vorteilhaft herausstellen beziehungsweise einfacher umsetzbar sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/011061 A1 [0003]
- EP 2434567 A2 [0003]
