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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle.
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Insbesondere umfasst die Batteriezelle ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial. Das Gehäuse ist insbesondere ein elastisch verformbares oder formstabiles, gasdicht ausgeführtes Gehäuse, wobei darin ein Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien angeordnet ist.
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Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (einen Traktionsantrieb) auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. In einer Batteriezelle sind Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektrodenfolien sind in einem Elektrolyt angeordnet.
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Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt.
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Ein Batteriemodul umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel-geschaltet und in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Auch einzelne Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel-geschaltet werden. Eine Batterie umfasst ein Batteriemodul oder eine Mehrzahl von Batteriemodulen.
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Die einzelnen Batteriezellen sind über Ableiterfahnen miteinander elektrisch verschaltet. Die Ableiterfahnen ermöglichen eine elektrische Kontaktierung der in dem Gehäuse einer Batteriezelle angeordneten Elektrodenfolien mit außerhalb des Gehäuses vorliegenden Komponenten eines Stromkreises.
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Aus der
US 10,615,398 B2 ist eine Batteriezelle mit unterschiedlich lang ausgeführten Elektrodenfolien bekannt. Um Kurzschlüsse innerhalb der Batteriezelle zwischen unterschiedlichen Polen zu vermeiden, werden Separatorfolien mit einer größeren Erstreckung als die Elektrodenfolien ausgeführt, so dass die an den Elektrodenfolien angeordneten Ableiterfahnen durch die überstehende Separatorfolie von dem Stapel Elektrodenfolien elektrisch isoliert angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2018 205 952 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die aus aufeinander gefalteten Elektrodenstreifen gebildet ist.
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Aus der
KR 10 2108113 B1 ist eine Batteriezelle mit einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einer dazwischen angeordneten Separatorfolie bekannt. Die Separatorfolie erstreckt sich über die Elektroden hinaus. Damit soll ein Kurzschluss der Elektroden aufgrund einer wärmebedingten Schrumpfung der Separatorfolie im Betrieb der Batteriezelle verhindert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, durch die eine Ausbildung von Kurzschlüssen innerhalb des Gehäuses verhindert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial. Zumindest die erste Elektrodenfolie weist eine Ableiterfahne auf, die sich ausgehend von einem ein Aktivmaterial aufweisenden Bereich der Elektrodenfolie über einen Durchbruch im Gehäuse nach außen erstreckt. Die Ableiterfahne weist zumindest in einem innerhalb des Gehäuses angeordneten und sich unmittelbar an den Bereich anschließenden Abschnitt eine elektrische Isolierung auf.
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Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Gehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) oder eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Gehäuse). Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium.
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Innerhalb der Batteriezelle sind insbesondere keine weiteren Gehäuse vorgesehen, in denen einzelne Gruppen von Elektrodenfolien angeordnet sind. Die Elektrodenfolien werden also insbesondere nur von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse ist insbesondere flüssigkeitsdicht, ggf. gasdicht ausgeführt. Innerhalb des Gehäuses ist insbesondere ein flüssiger Elektrolyt angeordnet, es kann aber auch ein fester oder gelförmiger Elektrolyt vorgesehen sein.
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Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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Die einzelnen Folien der Mehrzahl von Elektrodenfolien sind aufeinander angeordnet und bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektrodenfolien sind jeweils unterschiedlichen Elektrodenarten zugeordnet, sind also als eine Anode oder eine Kathode ausgeführt. Dabei sind Anoden und Kathoden wechselweise und jeweils durch das Separatormaterial getrennt voneinander angeordnet.
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Insbesondere wird eine Elektrodenfolien durch einen (metallischen) Stromsammler, insbesondere eine Folie, ausgebildet, der insbesondere auf seinen größten, einander gegenüberliegenden, Flächen mit einem Aktivmaterial ausgeführt, z. B. beschichtet ist. Das Aktivmaterial überdeckt einen Bereich der Elektrodenfolie.
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Zumindest eine Elektrodenfolie, insbesondere alle Elektrodenfolien zumindest einer Elektrodenart, ggf. alle Elektrodenfolien beider Elektrodenarten, weisen eine Ableiterfahne auf, die sich ausgehend von dem das Aktivmaterial aufweisenden Bereich der Elektrodenfolie über einen Durchbruch im Gehäuse nach außen erstreckt.
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Ggf. können mehrere Elektrodenfolien über ihre Ableiterfahnen miteinander elektrisch leitend verbunden werden. Insbesondere können mehrere Elektrodenfolien einer gleichen Elektrodenart über ihre Ableiterfahnen miteinander elektrisch leitend parallelgeschaltet werden, wobei die Mehrzahl der miteinander verbundenen Ableiterfahnen oder nur eine dieser miteinander verbundenen Ableiterfahnen sich über den Durchbruch im Gehäuse nach außen erstreckt.
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Die Ableiterfahne weist zumindest in einem, innerhalb des Gehäuses angeordneten und sich unmittelbar an den mit einem Aktivmaterial ausgeführten Bereich anschließenden, Abschnitt eine elektrische Isolierung auf. Der Abschnitt der Ableiterfahne ist also mit der elektrischen Isolierung ausgeführt, während die Ableiterfahne außerhalb des Abschnitts eine elektrisch leitende Oberfläche aufweist.
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Die elektrische Isolierung ermöglicht insbesondere, dass die Ableiterfahne mit einer sogenannten Entlastungsfalte im Gehäuse angeordnet werden kann, ohne dass dadurch ein Kurzschluss zwischen unterschiedlichen Polen der Batteriezelle entstehen kann. Eine Entlastungsfalte umfasst insbesondere ein Abknicken der Ableiterfahne innerhalb des Gehäuses, insbesondere unmittelbar benachbart zu dem Bereich der Elektrodenfolie. Infolge der Entlastungsfalte kann sich die Ableiterfahne entlang eines Stapels von Elektrodenfolien innerhalb des Gehäuses erstrecken, wobei die Ableiterfahne durch die elektrische Isolierung gegenüber dem Stapel und insbesondere gegenüber Elektrodenfolien der anderen Elektrodenart elektrisch isoliert angeordnet ist.
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Infolge der Verlegung der Ableiterfahne mit einer Entlastungsfalte kann insbesondere ein nutzbarer Bauraum innerhalb des Gehäuses vergrößert und so z. B. eine Kapazitätssteigerung der Batteriezelle erreicht werden.
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Insbesondere ist die Ableiterfahne als flächiges Element mit einander gegenüberliegenden größten Seitenflächen ausgeführt. Die elektrische Isolierung ist zumindest an einer der größten Seitenflächen angeordnet.
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Insbesondere ist die elektrische Isolierung an den beiden größten Seitenflächen angeordnet.
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Insbesondere ist die elektrische Isolierung eine Beschichtung, umfasst also ein auf molekularer Ebene mit dem elektrisch leitenden Grundmaterial der Ableiterfahne verbundenes Isolationsmaterial.
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Insbesondere ist die elektrische Isolierung durch ein adhäsiv an dem Abschnitt haftendes Isolationsmaterial gebildet. Das Isolationsmaterial kann z. B. durch Sprühen oder als Folie aufgebracht werden. Eine adhäsiv wirkendes Material kann zusätzlich aufgebracht werden oder bereits vor dem Anordnen an dem Abschnitt an dem Isolationsmaterial vorliegen.
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Insbesondere ist die elektrische Isolierung durch ein selbstklebendes Folienmaterial gebildet.
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Insbesondere erstreckt sich der Abschnitt bis hin zu dem Durchbruch im Gehäuse. Alternativ erstreckt sich der Abschnitt über den Durchbruch bis außerhalb des Gehäuses. Insbesondere ist außerhalb des Gehäuses zumindest ein Teilbereich der Ableiterfahne ohne elektrische Isolierung ausgeführt. Alternativ erstreckt sich der Abschnitt nur über einen Teilbereich des in dem Gehäuse angeordneten Teils der Ableiterfahne, also ausgehend von dem Bereich nicht bis hin zum Durchbruch.
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Insbesondere sind innerhalb des Gehäuses eine Vielzahl von Elektrodenfolien angeordnet und bilden einen Stapel mit einer sich entlang einer axialen Richtung erstreckenden Höhe. Die Ableiterfahne erstreckt sich, ausgehend von dem Bereich, zumindest entlang der axialen Richtung entlang des Stapels hin zum Durchbruch, wobei die Ableiterfahne über den Abschnitt gegenüber dem Stapel elektrisch isoliert angeordnet ist.
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Es wird weiter eine Elektrodenfolie vorgeschlagen, insbesondere zum Einsatz in der beschriebenen Batteriezelle. Die Elektrodenfolie weist zumindest einen flächigen, ein Aktivmaterial aufweisenden Bereich und eine sich von diesem Bereich weg erstreckende Ableiterfahne auf, wobei die Ableiterfahne in einem sich unmittelbar an den Bereich anschließenden Abschnitt eine elektrische Isolierung aufweist.
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Bevorzugt ist die elektrische Isolierung durch ein selbstklebendes Folienmaterial gebildet.
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Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb zum Antrieb des Kraftfahrzeuges und die beschriebene Batteriezelle, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist.
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Die Ausführungen zu der Batteriezelle sind insbesondere auf die Elektrodenfolie und das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine Batteriezelle in einer Seitenansicht im Schnitt; und
- 2: die Batteriezelle nach 1 in einer Draufsicht, im Schnitt.
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Die 1 zeigt eine Batteriezelle 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 2 zeigt die Batteriezelle 1 nach 1 in einer Draufsicht, im Schnitt. Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Die Batteriezelle 1 umfasst ein Gehäuse 2 und darin angeordnet eine Vielzahl erster Elektrodenfolien 3 einer ersten Elektrodenart, eine Vielzahl zweiter Elektrodenfolien 4 einer zweiten Elektrodenart und ein jeweils dazwischen angeordnetes Separatormaterial 5. Die ersten Elektrodenfolien 3 weisen jeweils eine Ableiterfahne 6 auf, die sich ausgehend von einem ein Aktivmaterial 7 aufweisenden Bereich 8 der Elektrodenfolie 3 über einen Durchbruch 9 im Gehäuse 2 nach außen erstreckt. Die Ableiterfahnen 6 weisen in einem innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten und sich unmittelbar an den Bereich 8 anschließenden Abschnitt 10 eine elektrische Isolierung 11 auf.
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Innerhalb der Batteriezelle 1 sind keine weiteren Gehäuse 2 vorgesehen, in denen einzelne Gruppen von Elektrodenfolien 3, 4 angeordnet sind. Die Elektrodenfolien 3, 4 werden also nur von einem gemeinsamen Gehäuse 2 umschlossen. Das Gehäuse 2 ist flüssigkeitsdicht, ggf. gasdicht ausgeführt. Innerhalb des Gehäuses 2 ist in bekannter Weise ein flüssiger Elektrolyt (nicht dargestellt) angeordnet, es kann aber auch ein fester oder gelförmiger Elektrolyt vorgesehen sein.
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Die einzelnen Folien der Mehrzahl von Elektrodenfolien 3, 4 sind aufeinander angeordnet und bilden einen Stapel 13. Die Elektrodenfolien 3, 4 sind jeweils unterschiedlichen Elektrodenarten zugeordnet, sind also als eine Anode oder eine Kathode ausgeführt. Dabei sind Anoden und Kathoden wechselweise und jeweils durch das Separatormaterial 5 getrennt voneinander angeordnet.
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Die Elektrodenfolien 3, 4 werden durch einen (metallischen) Stromsammler ausgebildet, der auf seinen größten, einander gegenüberliegenden, Flächen (siehe 1 und 2) mit einem Aktivmaterial 7 ausgeführt, z. B. beschichtet ist. Das Aktivmaterial 7 überdeckt einen Bereich 8 der Elektrodenfolie 3, 4.
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Die ersten Elektrodenfolien 3 sind über ihre Ableiterfahnen 6 miteinander elektrisch leitend verbunden. Die ersten Elektrodenfolien 3 einer gleichen Elektrodenart sind über ihre Ableiterfahnen 6 miteinander elektrisch leitend parallelgeschaltet, wobei die miteinander verbundenen Ableiterfahnen 6 sich über den Durchbruch 9 im Gehäuse 2 nach außen erstrecken.
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Die Ableiterfahnen 6 weisen in einem, innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten und sich unmittelbar an den mit einem Aktivmaterial 7 ausgeführten Bereich 8 anschließenden, Abschnitt 10 eine elektrische Isolierung 11 auf. Der Abschnitt 10 der Ableiterfahne 6 ist mit der elektrischen Isolierung 11 ausgeführt, während die Ableiterfahnen 6 außerhalb des Abschnitts 10 eine elektrisch leitende Oberfläche aufweisen.
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Die elektrische Isolierung 11 ermöglicht, dass die Ableiterfahnen 6 mit einer sogenannten Entlastungsfalte im Gehäuse 2 angeordnet werden können, ohne dass dadurch ein Kurzschluss zwischen unterschiedlichen Polen der Batteriezelle 1 entstehen kann. Eine Entlastungsfalte umfasst wie dargestellt ein Abknicken der Ableiterfahnen 6 innerhalb des Gehäuses 2, unmittelbar benachbart zu dem Bereich 8 der jeweiligen ersten Elektrodenfolie 3. Infolge der Entlastungsfalte kann sich die Ableiterfahne 6 entlang des Stapels 13 von Elektrodenfolien 3, 4 innerhalb des Gehäuses 2 erstrecken, wobei die Ableiterfahne 6 durch die elektrische Isolierung 11 gegenüber dem Stapel 13 und gegenüber den zweiten Elektrodenfolien 4 der anderen Elektrodenart elektrisch isoliert angeordnet ist.
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Die Ableiterfahne 6 ist als flächiges Element mit einander gegenüberliegenden größten Seitenflächen 12 ausgeführt. Die elektrische Isolierung 11 ist an einer der größten Seitenflächen 12 (siehe oberste und unterste erste Elektrodenfolie 3 in 1) oder an beiden größten Seitenflächen 12 bzw. die Ableiterfahne 6 streifenförmig und vollumfänglich umfassend (siehe mittlere erste Elektrodenfolie 3 in 1) angeordnet.
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In 2 ist dargestellt, dass sich der Abschnitt 10 bis hin zu dem Durchbruch 9 im Gehäuse 2 erstreckt. In 1 ist dargestellt, dass sich der jeweilige Abschnitt 10 nur über einen Teilbereich des in dem Gehäuse 2 angeordneten Teils der Ableiterfahne 6, also ausgehend von dem Bereich 8 nicht bis hin zum Durchbruch 9 erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Gehäuse
- 3
- erste Elektrodenfolie
- 4
- zweite Elektrodenfolie
- 5
- Separatormaterial
- 6
- Ableiterfahne
- 7
- Aktivmaterial
- 8
- Bereich
- 9
- Durchbruch
- 10
- Abschnitt
- 11
- Isolierung
- 12
- Seitenfläche
- 13
- Stapel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10615398 B2 [0007]
- DE 102018205952 A1 [0008]
- KR 102108113 B1 [0009]
