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Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Hochtemperaturbatterie, aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen und ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Eine Hochtemperaturbatterie arbeitet beispielsweise innerhalb eines Temperaturbereichs zwischen 150°C und 450°C. Es können Hochtemperaturbatterien beispielsweise unter Verwendung von NaNiCl2 oder NaS hergestellt werden.
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Zellen von Hochtemperaturbatterien (T > 150°C und < 450°C) beispielsweise vom Typ NaNiCl2 oder NaS werden herkömmlicherweise zu kompakten Modulen von nebeneinander aufrechtstehenden Zellen geschachtelt. Dabei werden die Zellen zur Erhöhung der Energiedichte im Modul möglichst eng gepackt. Aufgrund der überwiegend rechteckigen oder quadratischen Querschnitte der hier verwendeten Zelltypen ergeben sich zwischen den Zellen Kanäle mit rechteckigem Querschnitt.
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Im Ladebetrieb und Entladebetrieb produzieren diese Batterien ausreichend Abwärme, so dass diese gezielt abgeführt werden muss, um ein Überhitzen zu vermeiden. Eine Methode der Kühlung ist das Umströmen der Zellen mit einem Kühlmedium.
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Gleichzeitig muss aber
- a) immer eine sichere elektrische Isolierung der Zellen im Modul gegeneinander gewährleistet werden, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Ein elektrischer Schluss zwischen seriell geschalteten Zellen oder ebenso zu einer elektrisch leitenden Wand führt zu einer Zerstörung des Batteriestranges, mit teilweise sicherheitsrelevanten Auswirkungen, wie es beispielsweise ein externer Kurzschluss einer NaS-Batterie sein kann.
- b) ausreichend Abstand zwischen den Zellen vorhanden sein, so dass mit dem Kühlmedium, beispielsweise mittels Luft oder einer Hochtemperatur-Flüssigkeit, die Zellen ausreichend temperiert werden können.
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Ein notwendiger Druckverlust für eine aktive Kühlung mittels dieser Kanäle geht negativ in die Effizienz eines Hochtemperaturbatterie-Systems ein. Ein potentielles Kühlvermögen bei einer Umströmung mit einem Kühlmedium wirkt positiv für die Performance hinsichtlich Ladeleistung und Entladeleistung und wirkt positiv für die Lebensdauer der Zellen, da Übertemperaturen bei Ladung und vor allem aber bei der Entladung vermieden werden können.
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Herkömmlicher Weise werden verschiedene Ansätze zur Bereitstellung einer ausreichenden elektrischen Isolierung und eines ausreichenden Abstandes für ein Kühlmedium verfolgt:
- a) Abstandshalter zwischen den Zellen mittels Keramik- oder Glimmerplatten;
- b) Kanäle zwischen den Zellen sind mit Sand aufgefüllt;
- c) Kanäle sind mit Glasgewebe als Isoliermaterial aufgefüllt;
- d) Zwischenräume zwischen den Zellen sind mit hohlen Strömungskanälen ausgebildet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Batterie, insbesondere eine Hochtemperaturbatterie, aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen und ein Verfahren zu deren Herstellung derart bereit zu stellen, dass eine elektrische Isolierung auf einfache Weise wirksam und kostengünstig bereitgestellt werden kann. Des Weiteren soll eine herkömmliche Menge eines verwendeten Kühlmittels wirksam verkleinert werden. Dessen Volumenausdehnung soll damit wirksam verkleinert werden. Batteriezellen sollen einfach fixiert werden können und die Batterie soll im Vergleich zum Stand der Technik größere Kräfte und Drücke aufnehmen können, ohne zerstört zu werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Batterie gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Batterie, insbesondere eine Hochtemperatur-Batterie, vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschaltete Batteriezellen aufweist, wobei ein jeweiliges Modul einen Aufnahmebehälter aufweist, in dem mit mindestens einem einen Zwischenraum schaffenden Abstand eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen nebeneinander angeordnet und der Zwischenraum mit elektrisch isolierenden Materialteilchen gefüllt ist, wobei die Materialteilchen Kugeln sind.
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Ein Modul ist insbesondere ein Bauelement als ein Teil eines größeren Systems, das hier eine Batterie ist.
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Sind zwei benachbarte Körper, die beispielsweise Batteriezellen und/oder Aufnahmebehälter sein können, räumlich mit einem Abstand voneinander entfernt, so erstreckt sich ein Zwischenraum zwischen diesen beiden Körpern. „Abstand“ ist damit die eindimensionale und „Zwischenraum“ ist die entsprechende dreidimensionale Beschreibung dieser Beziehung dieser beiden Körper zueinander.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Hochtemperaturbatterie, beansprucht, das eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen aufweist, wobei für ein jedes Modul in einem Aufnahmebehälter eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen mit mindestens einem einen Zwischenraum schaffenden Abstand nebeneinander angeordnet werden, und wobei in den mindestens einen Zwischenraum von in Schwerkraft Richtung oben eine Schüttung von kugelförmigen elektrisch isolierenden Materialteilchen eingefüllt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln Hohlkugeln sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Zwischenraum mittels eines Abstands zwischen zwei benachbarten Batteriezellen und/oder ein jeweiliger Zwischenraum mittels eines Abstands zwischen dem Aufnahmebehälter und einer in diesem angeordneten Batteriezelle geschaffen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, können die Kugeln einen jeweiligen Durchmesser aufweisen, der ≤ 4/5 und ≥ 1/3 des den Zwischenraum schaffenden Abstands sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln monodispers sein und einen gleichen Durchmesser aufweisen. Die Kugeln können alle den gleichen konstanten Durchmesser aufweisen. In einem monodispersen Gemenge weisen alle Teilchen dieselbe Größe und räumliche Erstreckung auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln einen konstanten Durchmesser ≤ 5 mm aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln aus Glas oder aus Keramik bestehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Aufnahmebehälter eine einen Boden, Seitenwände und einen Deckel aufweisende Wanne sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mit den Kugeln gefüllte Zwischenraum einen Kühlkanal zur Kühlung der angrenzenden Batteriezelle (n) mittels deren Anströmens mit einem, insbesondere flüssigen, Kühlmedium ausbilden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Abstand derart gewählt sein, dass bei einer ausreichenden elektrischen Isolation eine zur Kühlung ausreichende Menge des Kühlmediums strömt. Insbesondere ist ein Kühlsystem derart optimierbar, dass in einem Kühlkanal lediglich eine minimal erforderliche Menge des Kühlmediums fließen muss und dabei gleichzeitig eine ausreichende elektrische Isolation geschaffen ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Batteriezellen in einer horizontalen Ebene und der Kühlkanal in einer vertikalen Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmediums jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
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Auf diese Weise sind sehr kompakte Bauweisen für Module bereitstellbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Größe und ein spezifisches mittleres Gewicht der Kugeln derart ausgewählt worden sein, dass das Kühlmedium die Kugeln im Betriebe nicht weg transportiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an einem Eingang und/oder an einem Ausgang eines Kühlkanals oder des Moduls jeweils ein Filter oder ein Netz derart ausgebildet sein, dass das Kühlmedium die Kugeln nicht weiter transportiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können im Aufnahmebehälter Durchlässe zur Steuerung der Strömungsverteilung des Kühlmediums ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können alle Zwischenräume im Aufnahmebehälter vollständig mit Kugeln gefüllt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können am Aufnahmebehälter Positionselemente zur Fixierung der Batteriezellen ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Batteriezellen zuerst auf dem Boden des Aufnahmebehälters positioniert und von den Seitenwänden umfasst werden und danach mittels des Deckels der Wanne nach dem Einfüllen abgedeckt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Batteriezellen zuerst auf dem Boden positioniert und von den Seitenwänden umfasst und danach mittels des Deckels der Wanne vor dem Einfüllen abgedeckt werden, wobei der Deckel mindestens eine Einfüllöffnung zum Einfüllen der Schüttung aufweist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mit den Kugeln gefüllte Zwischenraum einen Kühlkanal zur Kühlung der angrenzenden Batteriezelle (n) mittels deren Anströmens mit einem, insbesondere flüssigen, Kühlmedium ausbilden, wobei am Aufnahmebehälter ein Einlass für die Zugabe und ein Auslass für die Abgabe des Kühlmediums ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Abstand derart gewählt werden, dass bei einer ausreichenden elektrischen Isolation eine zur Kühlung minimale Menge des Kühlmediums strömt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können alle Zwischenräume im Aufnahmebehälter vollständig mit Kugeln gefüllt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können am Aufnahmebehälter Positionselemente zur Positionierung und Fixierung der Batteriezellen beim Nebeneinanderanordnen ausgebildet werden.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochtemperaturbatterie;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batterie.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Hochtemperaturbatterie mit einer Mehrzahl von in einem Modul M elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen BZ. In dem in 1 dargestellten Modul M ist ein Aufnahmebehälter 1 ausgebildet, in dem eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen BZ nebeneinander angeordnet worden sind. Es sind Zwischenräume 3a zwischen benachbarter Batteriezellen BZ und Zwischenräume 3b zwischen dem Aufnahmebehälter 1 und in diesem angeordneten Batteriezellen BZ erzeugt. Beispielsweise ist zwischen der linken dargestellten Batteriezelle BZ und dem Aufnahmebehälter 1 auf der linken Seite kein Zwischenraum und auf der oberen Seite mit einem Zwischenraum 3b geschaffen. In den Zwischenräumen 3 bzw. 3a und 3b sind vollständig elektrisch isolierende Materialteilchen in Form von Kugeln 5 vollständig gefüllt. Es wird vorgeschlagen, die Räume zwischen den senkrecht in einer Wanne des Aufnahmebehälters 1 oder vergleichbaren stehenden Batteriezellen BZ mit monodispersen Glasperlen oder alternativ mit Kugeln aus Keramik mit einem Durchmesser von minimal einem Drittel, maximal jedoch vier Fünftel des Abstandes bzw. der Kanalbreite zwischen den Batteriezellen BZ aufzufüllen. Auch das Volumen oberhalb der Batteriezellen BZ, in dem die Batteriezellen BZ durch Zellverbinder elektrisch miteinander verschalten sind oder weitere freie Volumina im Modul M, können in analoger Weise mit Kugeln 5 aufgefüllt werden. Größe und spezifisches mittleres Gewicht der Kugeln 5, die auch ebenso in Form von sogenannten Hollowspheres, also in Form von Hohlkugeln zur Gewichtsreduktion verwendet werden können, sind so abzustimmen, dass diese durch die Umströmung mit dem Kühlmedium nicht ausgetragen werden bzw. aufschwimmen. Bei einem vollständig gefüllten Modul M kann diese Aufgabe durch Filter oder Netze am Einlass und Auslass des Kühlmediums übernommen werden.
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Besonders vorteilhaft kann durch eine erfindungsgemäße automatisierte Anordnung als Kugelpackung die Kühlkanalgeometrie vorgegeben werden. Mit dem einheitlichen Durchmesser der monodispersen Kugeln 5 und den Kanalbreiten, die sich aus den jeweiligen Abständen ergeben, ergibt sich an jedem Ort eine definierte Kugelschüttung. Folglich ergibt sich auch bei einer einfachen Schüttung oder Einschüttung der Kugeln 5, die beispielsweise Glaskugeln oder Keramikkugeln sein können, um die Batteriezellen BZ herum stets ein gleich großer, freier Strömungskanalquerschnitt und damit ein konstanter und gleichmäßiger Druckverlust zwischen den Batteriezellen BZ. Die Strömungsverteilung des Kühlmediums kann mittels der Art, der Anzahl und der Form von Durchlässen im Boden, in den Wänden oder am Deckel des Aufnahmebehälters 1, der beispielsweise in Form einer Wanne ausgebildet sein kann, gezielt gesteuert werden. Zwischen den Kanälen ergibt sich ein gleichbleibender Strömungswiderstand.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist ein besonders wirksamer Schutz gegen elektrische Kurzschlüsse bzw. gegen unerwünschte elektrische Kontakte. Die Kugeln 5 "fließen" förmlich in jeden Spalt bzw. in jenen Zwischenraum 3. Gleichzeitig werden die Kugeln 5 durch die Gravitation vor Ort zwischen den Batteriezellen BZ gehalten und verhindern sehr effektiv einen Kontakt der Batteriezellen BZ untereinander bzw. zu einer Wand des Aufnahmebehälters 1. Ist das Modul M komplett gefüllt, können die Kugeln 5 zwischen den Batteriezellen BZ nicht einfach ausweichen. Spätestens wenn der Kanal sich verengt hat, so dass der Abstand lediglich dem Durchmesser einer Kugel 5 entspricht oder der Abstand gleich dem Durchmesser der Kugel 5 ist, werden große Kräfte erforderlich, um einen Kühlkanal 7 noch weiter zu verengen bzw. die beiden benachbarten Batteriezellen BZ in Kontakt zu bringen.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, dass mittels der erfindungsgemäßen Schüttung eine Kraftübertragung und Fixierung der Batteriezellen BZ wirksam verbessert werden können. Im Boden, an den Wänden oder im Deckel der Wanne des Aufnahmebehälters 1 können Positionselemente ausgebildet sein, die die Batteriezellen BZ vor einer Befüllung mit den Kugeln 5 fixieren. Als Schüttung der Kugeln 5 können so auch größere Kräfte und Drücke auf die Wände der Batteriezellen BZ übertragen werden bzw. von diesen aufgenommen werden, ohne dass beide beschädigt werden. In einem Vorversuch wurde ein Überdruck von 1 bar über eine Kugelpackung auf eine Test-Batteriezelle BZ aufgebracht, ohne dass die Kugeln 5 oder die Wände der Batteriezellen BZ erkennbar geschädigt wurden.
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Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Batterie ergibt sich bei der Verwendung eines flüssigen Kühlmediums in einem Kühlkanal 7. Beispielsweise kann als ein flüssiges Kühlmedium ein Thermoöl verwendet werden. Erfindungsgemäß kann die Menge des verwendeten Kühlmittels verkleinert und damit die gesamte Volumenausdehnung des Kühlmittels zwischen Kalt- und Betriebstemperatur ebenso wirksam verkleinert werden. Die meisten flüssigen Kühlmedien zeigen bei einer Erwärmung eine Volumenausdehnung. Bei handelsüblichen Thermoölen beispielsweise beträgt die Volumenzunahme bei einer Erwärmung von 25°C auf 300°C bis zu einem Drittel. Da Flüssigkeiten kaum kompressibel sind, muss diese Volumenausdehnung im Betrieb berücksichtigt werden, beispielsweise mittels eines Ausdehnungsgefäßes. Dies gilt insbesondere bei geschlossenen Modulen M ohne "offenen" Ölkreislauf. Bei flüssigen Kühlmedien ist oftmals die zur Sicherheit gegen den elektrischen Kontakt notwendige Kanalbreite deutlich größer als die für eine effektive Kühlung erforderliche. D.h., dass bei vollständiger Füllung mit einem flüssigen Kühlmedium mehr Kühlflüssigkeit als für die Kühlleistung notwendig eingesetzt würde. Mit Kugeln 5 lässt sich die Menge des Kühlmediums in dem jeweiligen Kühlkanal 7 und in anderen freien Volumina des Moduls M wirksam verkleinern. Diese zusätzlichen freien Volumina des Moduls M können beispielsweise im Kopfraum und Anschlussraum des Moduls vorhanden sein. Gleichzeitig verringert man ebenso die Volumenausdehnung des flüssigen Kühlmittels zwischen kaltem Zustand bei beispielsweise 25°C und Betriebszustand zwischen 200°C und 450°C. Erfindungsgemäß reicht ein im Vergleich zum Stand der Technik kleineres Ausgleichgefäß, so dass ein erfindungsgemäßes Modul M kompakter und mit wirksam weniger teurem Kühlmittel bereitgestellt werden kann.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Hochtemperaturbatterie. Die Batterie soll eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen BZ aufweisen, wobei einzelne Batteriezellen BZ voneinander beabstandet in einem Aufnahmebehälter positioniert werden sollen. In einem Vorschritt S0 kann ein jeweiliger Abstand zwischen Batteriezellen BZ und Batteriezellen BZ und Aufnahmebehälter 1 derart bestimmt werden, dass bei einer zur Kühlung ausreichenden Menge des Kühlmediums zusätzlich die elektrische Isolation gewährleistet ist. Mittels eines ersten Schrittes S1 werden in einem Aufnahmebehälter eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen mit mindestens einem einen Zwischenraum schaffenden Abstand nebeneinander angeordnet. Mittels eines zweiten Schrittes S2 wird in dem mindestens einen Zwischenraum von in Schwerkraft Richtung oben eine Schüttung von kugelförmigen elektrisch isolierenden Materialteilchen vollständig füllend in den Zwischenraum eingefüllt.
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Auf diese Weise ist eine erfindungsgemäße Herstellung der Batterie mittels einer kostengünstigen Befüllung ausführbar. Monodisperse Kugeln beispielsweise bestehend aus Glas oder Keramik, beispielsweise in Form von Glasperlen oder Keramikperlen, sind als Massenware verfügbar. Beim Einfüllen S2 ordnen sich die Kugeln automatisch zwischen den Batteriezellen derart an, dass sich eine durch die Wände der Batteriezellen als Kanalwände vorgegebene Kugelpackung ergibt. Zur einfachen Positionierung und Fixieren der Batteriezellen vor dem Anordnen in dem Aufnahmebehälter können am oder im Aufnahmebehälter Positionselemente geschaffen werden. Mittels der erfindungsgemäßen Schüttung von Kugeln 5 können auf diese Weise ebenso größere Kräfte und Drücke auf die Wände der Batteriezellen übertragen werden. Erfindungsgemäß kann mittels der Schüttung von Kugeln 5 eine Kraftübertragung und eine Fixierung der Batteriezellen verbessert werden. Erfindungsgemäß verwendet und gefertigte Glasperlen kleinen Durchmessers, beispielsweise < 5mm, können sehr große Belastungen standhalten. Beispielsweise Glasperlen können sehr großen Belastungen ausgesetzt werden, ohne zu splittern. Die Batteriezellen BZ können vor einer Auffüllung je nach gewünschter Kanalbreite der jeweiligen Kühlkanäle 7 positioniert werden. Nach der Befüllung im zweiten Schritt S2 werden die Batteriezellen BZ durch die sie umgebende Schüttung von Kugeln 5 fixiert und anders formuliert "eingegossen". Zusätzlich können beispielsweise durch im Boden, an den Wänden oder im Deckel einer Wanne des Aufnahmebehälters 1 Positionselemente angebracht werden, mit denen die Batteriezellen BZ vor der Befüllung mit den Kugeln 5 fixiert werden können. Fixierung und Kugelschüttung ermöglichen, dass ein Modul M große Kräfte aufnehmen kann, ohne zerstört zu werden.
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Es wird eine Batterie, insbesondere eine Hochtemperaturbatterie, und Herstellungsverfahren, vorgeschlagen, wobei die Batterie aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen BZ aufweist, wobei ein jeweiliges Modul M einen Aufnahmebehälter 1 aufweist, in dem mit mindestens einem einen Zwischenraum 3 schaffenden Abstand eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen BZ nebeneinander angeordnet und der Zwischenraum 3 mit elektrisch isolierenden Materialteilchen, insbesondere vollständig, gefüllt ist, wobei die Materialteilchen Kugeln 5 sind, und in den Zwischenräumen jeweils eine Kanalstruktur für eine ausreichende, effektive Kühlung ausgebildet ist.