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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei die Einzelzelle ein Zellgehäuse aus zwei Gehäuseteilen umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine mittels eines solchen Verfahrens hergestellte Einzelzelle und einen elektrochemischen Energiespeicher.
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Aus der
US 2006/0141356 A1 ist eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse bekannt, welches aus einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil gebildet ist. Durch Umformen eines Randbereiches des ersten Gehäuseteiles ist dieses mit einem Randbereich des zweiten Gehäuseteiles mechanisch verbunden. Dabei umgreift der Randbereich des ersten Gehäuseteiles den Randbereich des zweiten Gehäuseteiles. Mittels eines in den beiden Randbereichen angeordneten U-förmigen Teiles sind die beiden Gehäuseteile gegeneinander elektrisch isoliert.
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Darüber hinaus beschreibt die
DE 10 2011 109 179 A1 eine Einzelzelle für eine Batterie und eine Batterie. Die Einzelzelle umfasst zwei Gehäuseteile, einen Zellrahmen, einen zwischen den Gehäuseteilen angeordneten Elektrodenfolienstapel und zumindest ein zwischen den Gehäuseteilen angeordnetes Isolationselement. Mittels des Isolationselementes sind die Gehäuseteile elektrisch voneinander getrennt, wobei das Isolationselement derartige Abmessungen aufweist, dass es im zusammengesetzten Zustand der Einzelzelle ein erstes Gehäuseteil randseitig unter Ausbildung eines Überstandes wenigstens abschnittsweise überragt. Dabei ist das erste Gehäuseteil von dem Isolationselement randseitig wenigstens abschnittsweise umhüllt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher, eine Einzelzelle hergestellt nach einem solchen Verfahren und einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Anzahl solcher Einzelzellen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1, hinsichtlich der Einzelzelle durch die in Anspruch 6 und hinsichtlich des elektrochemischen Energiespeichers durch die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei die Einzelzelle ein Zellgehäuse aus zwei Gehäuseteilen umfasst, sieht vor, dass ein Randbereich zumindest eines ersten Gehäuseteiles nach einem Aneinanderanordnen der Gehäuseteile zumindest abschnittsweise derart kalt umgeformt wird, dass eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen hergestellt wird.
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Dadurch, dass die beiden Gehäuseteile form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden, ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Heißpressverfahren, auch unter dem Begriff Heißsiegelverfahren bekannt, nicht erforderlich. Da die Einzelzelle zum Verschluss des Zellgehäuses mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht den vergleichsweise hohen Temperaturen beim Heißpressverfahren ausgesetzt wird, kann das Risiko einer Beschädigung einer vergleichsweise empfindlichen Zellchemie wesentlich verringert werden. Dadurch wiederum kann eine Lebensdauer der Einzelzelle erhöht werden.
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Darüber hinaus kann ein Prozessschritt einer Aktivierung der Bereiche der Gehäuseteile entfallen, die mittels eines Siegelmaterials stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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In einer Ausführungsform ist der Randbereich des ersten Gehäuseteiles derart ausgebildet, dass dieser Randbereich in einen Randbereich eines zweiten Gehäuseteiles einsetzbar ist und nach dem Einsetzen durch Kaltumformen erweitert wird. Da der Randbereich des ersten Gehäuseteiles in den Randbereich des zweiten Gehäuseteiles eingesetzt wird, wird das erste Gehäuseteil für den Vorgang des Kaltumformens vorfixiert. Die Gehäuseteile können somit zueinander ausgerichtet und positioniert werden.
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In einer möglichen Ausführung sind die Randbereiche beider Gehäuseteile jeweils rillenförmig ausgebildet, und der in den rillenförmigen Randbereich des zweiten Gehäuseteiles eingesetzte rillenförmige Randbereich des ersten Gehäuseteiles wird nach dem Einsetzen durch Kaltumformen erweitert. Mittels der Rillenform der Randbereiche sind die beiden Gehäuseteile nach dem Kaltumformen umlaufend und somit ununterbrochen form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Eine Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass zum form- und/oder kraftschlüssigen Verschluss der Einzelzelle das zweite Gehäuseteil in einer Matrize angeordnet wird, der Randbereich des ersten Gehäuseteiles in den Randbereich des zweiten Gehäuseteiles eingesetzt wird und der Randbereich des ersten Gehäuseteiles mittels eines Stempels in Richtung des Randbereiches des zweiten Gehäuseteiles gepresst wird. In vorteilhafter Weise ist die Matrize derart ausgebildet, dass die Gehäuseteile bei Krafteinwirkung mittels des Stempels seitlich abgestützt werden, so dass das Risiko ungewollter Ausformungen zumindest wesentlich verringert ist.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform wird vor einem Einsetzen des Randbereiches des ersten Gehäuseteiles in den Randbereich des zweiten Gehäuseteiles zwischen diesen ein Isolationselement angeordnet. Mittels des Isolationselementes sind die beiden Gehäuseteile im montierten Zustand der Einzelzelle in vorteilhafter Weise voneinander elektrisch isoliert.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einzelzelle, welche nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Erfindungsgemäß sind die Gehäuseteile durch Kaltumformen zumindest eines der Randbereiche eines Gehäuseteiles form- und/oder kraftschlüssig verbunden.
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In einer Weiterbildung der Einzelzelle sind die Randbereiche beider Gehäuseteile rillenförmig ausgebildet. Dabei sind die Randbereiche derart rillenförmig ausgebildet, dass die Randbereiche zumindest abschnittsweise miteinander korrespondieren und somit der Randbereich des ersten Gehäuseteiles in den Randbereich des zweiten Gehäuseteiles zur Montage des Zellgehäuses einsetzbar ist.
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Zumindest zwischen den beiden Randbereichen ist in einer weiteren Ausbildung zumindest ein Isolationselement angeordnet, mittels dessen die beiden Gehäuseteile in vorteilhafter Weise voneinander elektrisch isoliert sind.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Anzahl solcher elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter Einzelzellen.
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Insbesondere ist der elektrochemische Energiespeicher zur Anordnung in einem Fahrzeug vorgesehen. Dabei handelt es sich um eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes eines Zellgehäuses einer Einzelzelle vor einer Montage,
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2 schematisch eine perspektivische Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Zellgehäuses nach einem Zusammensetzen,
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3 schematisch eine perspektivische Schnittdarstellung des Zellgehäuses,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes in einer Umformvorrichtung angeordneter Gehäuseteile,
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5 schematisch eine perspektivische Schnittdarstellung aneinander befestigter Gehäuseteile,
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6 schematisch eine perspektivische Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der aneinander befestigten Gehäuseteile, und
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7 schematisch eine Schnittdarstellung der aneinander befestigten Gehäuseteile.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes einer Einzelzelle 1 für einen elektrochemischen Energiespeicher.
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Der elektrochemische Energiespeicher umfasst eine Mehrzahl solcher Einzelzellen 1, die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Der elektrochemische Energiespeicher i ist als Fahrzeugbatterie zur Anordnung in einem Fahrzeug angeordnet. Dabei dient die Fahrzeugbatterie als Traktionsbatterie, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug ist.
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Die Einzelzelle 1 ist als eine bipolare Rahmenflachzelle ausgeführt, wobei die Einzelzelle 1 ein Zellgehäuse 2 mit zwei Gehäuseteilen 2.1, 2.2, eine nicht dargestellte Elektrodenanordnung und ein Isolationselement 3 umfasst.
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Bei dieser Ausführungsform der Einzelzelle 1 bilden die beiden Gehäuseteilen 2.1, 2.2 die elektrischen Pole der Einzelzelle 1, wobei die Gehäuseteilen 2.1, 2.2 mittels des Isolationselementes 3 voneinander elektrisch isoliert sind.
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Dabei ist ein erstes Gehäuseteil 2.1 schalenförmig und ein zweites Gehäuseteil 2.2 im Wesentlichen planar ausgebildet.
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Üblicherweise sind die beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2 in deren Randbereichen 2.1.1, 2.2.1 stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei hierzu das Isolationselement 3 in einem Heißpressverfahren partiell aufschmelzbar ist und sich die beiden Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 der Gehäuseteile 2.1, 2.2 beim Erkalten eines Materials des Isolationselementes 3 und unter wirkender Presskraft miteinander verbinden.
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Bei dem Heißpressverfahren, welches auch als Heißsiegelverfahren bekannt ist, wird eine vergleichsweise hohe Temperatur eingestellt, welche auf eine Zellchemie, d. h. auf die Elektrodenanordnung wirkt, wodurch eine Gefahr einer Beschädigung derselben besteht.
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Zudem ist zur stoffschlüssigen Verbindung der beiden Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 eine Aktivierung von Fügeflächen der Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 erforderlich.
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Zumindest zur Verringerung der Gefahr der Beschädigung der Elektrodenanordnung beim Verschluss des Zellgehäuses 2 der Einzelzelle 1 und zur Verringerung von Prozessschritten zum Verschließen des Zellgehäuses 2 ist vorgesehen, die beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2 mittels eines Kaltumformens form- und/oder kraftschlüssig aneinander zu befestigen.
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Dazu sind die umlaufenden Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 der beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2 rillenförmig ausgebildet, wobei die rillenförmig ausgebildeten Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 im Querschnitt in der Schnittdarstellung u. a. in 1 eine Napfform aufweisen.
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Zusätzlich zur rillenförmigen Ausbildung der Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 der Gehäuseteile 2.1, 2.2 ist auch ein umlaufender Randbereich 3.1 des Isolationselementes 3 rillenförmig ausgebildet.
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Der rillenförmige Randbereich 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1 weist an einer dem Randbereich 2.2.1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 zugewandten Bodenbereich zwei Ausbuchtungen A auf, so dass der Bodenbereich in der Schnittdarstellung im Wesentlichen mäanderförmig ausgebildet ist.
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Der Randbereich 2.2.1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 und der Randbereich 3.1 des Isolationselementes 3 weisen einen in der Schnittdarstellung im Wesentlichen ebenen Bodenbereich auf.
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Dabei sind die Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 und 3.1 derart ausgeformt, dass der Randbereich 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1 abschnittsweise in den Randbereich 3.1 des Isolationselementes 3 und dieser zumindest abschnittsweise in dem Randbereich 2.2.1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 anordbar ist.
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In 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der ineinander angeordneten Randbereiche 2.1.1, 2.2.1, 3.1 dargestellt, wobei 3 eine perspektivische Schnittdarstellung des Zellgehäuses 2 zeigt.
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4 zeigt eine Umformvorrichtung 4 zum Kaltumformen zum Verschließen der Einzelzelle 1, insbesondere zur form- und/oder kraftschlüssigen Aneinanderbefestigung der beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2.
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Die Umformvorrichtung 4 umfasst eine Matrize 5, zwei Niederhalter 6 und einen Stempel 7.
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Zum Verschluss der Einzelzelle 1, d. h. zum Verschluss des Zellgehäuses 2 wird das zweite Gehäuseteil 2.2 mit dem in diesem angeordneten Isolationselement 3 in die Matrize 5 der Umformvorrichtung 4 eingelegt. Dabei ist der Randbereich 3.1 des Isolationselementes 3 abschnittsweise in dem Randbereich 2.2.1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 angeordnet.
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Die Matrize 5 stützt das zweite Gehäuseteil 2.2 und insbesondere dessen Randbereich 2.2.1 von unten, wohingegen die Matrize 5 in horizontaler Richtung R zumindest elastisch verformbar ist.
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Zudem ist die Matrize 5 derart ausgebildet, dass das erste Gehäuseteil 2.1 seitlich abgestützt wird, wobei die Matrize 5 in einem dem ersten Gehäuseteil 2.1 zugeordneten Abschnitt im Wesentlichen nicht die Eigenschaft elastischer Verformbarkeit aufweist.
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Um eine Position der Gehäuseteile 2.1, 2.2 und des zwischen diesen angeordneten Isolationselementes 3 sicherzustellen, sind die Niederhalter 6 vorgesehen, mittels welchen die Gehäuseteile 2.1, 2.2 weitestgehend fixiert sind.
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Der Randbereich 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1 dient der Aufnahme des Stempels 7, wobei der Randbereich 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1 mittels des Stempels 7 in vertikaler Richtung R1 des Randbereiches 2.2.1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 gepresst wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Randbereich 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1 von außen in vertikaler Richtung R1 in den Randbereich 2.2.1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 gepresst wird.
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Durch eine Kraftbeaufschlagung, insbesondere auf den Randbereich 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1 in vertikaler Richtung R1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 und dadurch, dass das erste Gehäuseteil 2.1 mittels der Niederhalter 6 oberhalb der Matrize 5 fixiert ist, wobei die Matrize 5 in horizontaler Richtung R elastisch verformbar ist, wird das Material, insbesondere des Randbereiches 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1 in horizontale Richtung R weggedrückt.
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Der Stempel 7 wirkt dabei auf die beiden Ausbuchtungen A im Bodenbereich des Randbereiches 2.1.1 des ersten Gehäuseteiles 2.1, welches seitlich, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in horizontale Richtung R weggedrückt wird.
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Dadurch passen sich die Formen der Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 der Gehäuseteile 2.1, 2.2 aneinander an. Die beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2 verklemmen miteinander, so dass das erste Gehäuseteil 2.1 mit seinem Randbereich 2.1.1 form- und kraftschlüssig dem zweiten Gehäuseteil 2.2, insbesondere seinem Randbereich 2.2.1 verbunden ist.
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Um zu ermöglichen, dass sich die Formen der Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 aneinander anpassen, sind Werkstoffeigenschaften der Gehäuseteile 2.1, 2.2, insbesondere der Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 hinsichtlich Festigkeit und Ausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt.
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Beispielsweise ist ein Gehäuseteil 2.1, 2.2 aus Aluminium und das weitere Gehäuseteil 2.2, 2.1 aus Kupfer ausgebildet. Alternativ dazu können die Gehäuseteile 2.1, 2.2 oder kann eins der beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2 aus kupferplattiertem Aluminium gebildet sein.
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Zudem weist das Isolationselement 3 zusätzlich zu einer chemischen Beständigkeit auch eine entsprechende Stabilität auf.
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Eine Position einer Verbindungsstelle zwischen den Gehäuseteilen 2.1, 2.2 kann seitlich an der Einzelzelle 1, also deren Zellgehäuse 2 frei gewählt werden. Insbesondere ist eine Tiefe der Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 der beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2 frei wählbar.
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Die 5 bis 7 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung der form- und kraftschlüssig miteinanderverbundenen Gehäuseteile 2.1, 2.2.
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Um eine maximal mögliche Steifigkeit des Randbereiches 2.2.1 des zweiten Gehäuseteiles 2.2 sicherstellen zu können, kann die Verbindungsstelle der beiden Randbereiche 2.1.1, 2.2.1 unterhalb eines Bodens des zweiten Gehäuseteiles 2.2 angeordnet sein. Daraus resultiert eine zusätzliche seitliche Bauraumverringerung, wobei ein somit gebildeter Überstand eine Dicke des Zellgehäuses 2 erhöht. Dadurch wiederum erhöht sich eine Längsausdehnung eines aus mehreren solcher Einzelzellen 1 gebildeten Zellblockes als Bestandteil des elektrochemischen Energiespeichers.
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In einer möglichen Ausführung kann dieser mittels der Ausformung gebildete Überstand zur Kontaktierung nebeneinander angeordneter Einzelzellen 1 genutzt werden.
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Zudem ist es möglich, dass das Isolationselement 3 im Bodenbereich seines Randbereiches 3.1 und das zweite Gehäuseteil 2.2 im Bodenbereich seines Randbereiches 2.2.1 Ausbuchtungen A aufweist, wodurch hinsichtlich der form- und kraftschlüssigen Verbindung ein vergleichsweise großer Hinterschnitt erzeugt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Zellgehäuse
- 2.1
- erstes Gehäuseteil
- 2.1.1
- Randbereich
- 2.2
- zweites Gehäuseteil
- 2.2.1
- Randbereich
- 3
- Isolationselement
- 3.1
- Randbereich
- 4
- Umformvorrichtung
- 5
- Matrize
- 6
- Niederhalter
- 7
- Stempel
- A
- Ausbuchtung
- R
- horizontale Richtung
- R1
- vertikale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0141356 A1 [0002]
- DE 102011109179 A1 [0003]