VARTA Microbattery Patente

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Eine elektrochemische Zelle (10) umfasst eine erste Elektrode (10a) einer ersten Polarität, eine zweite Elektrode (10b) einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität und eine dritte Elektrode (10c), welche die gleiche Polarität wie die zweite Elektrode (10b) aufweist. Die erste, die zweite und die dritte Elektrode (10a; 10b; 10c) sind getrennt voneinander in einer koplanaren Anordnung nebeneinander auf einer Oberfläche eines Substrats (12) angeordnet. Die erste Elektrode (10a) ist mit der zweiten und der dritten Elektrode (10b; 10c) über einen ionenleitfähigen Elektrolyten (10d) verbunden. Sie kann in Schaltungen (11) zur Energieversorgung elektrischer Bauteile (20; 30) eingesetzt werden.

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Eine Lithium-Ionen-Zelle (100) umfasst einen bandförmigen Elektroden-Separator-Verbund (104) in Form eines Wickels mit der Sequenz Anode (120) / Separator (118) / Kathode (130), wobei die Anode (120) als Anodenstromkollektor (110) und die Kathode (130) als Kathodenstromkollektor (115) jeweils eine bandförmige Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 µm bis 30 µm sowie mit einem ersten und einem zweiten Längsrand (110e; 115e) und zwei Endstücken umfassen. Der Anodenstromkollektor (110) und der Kathodenstromkollektor (115) weisen jeweils einen bandförmigen Hauptbereich (122; 116) auf, der mit einer Schicht aus einem Elektrodenmaterial (123; 125) beladen ist, sowie einen freien Randstreifen (121; 117), der sich entlang des ersten Längsrands (110e; 115e) erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial (123; 125) beladen ist. Die Anode (120) und die Kathode (130) sind innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds (104) versetzt zueinander angeordnet, so dass der erste Längsrand (110e) desAnodenstromkollektors (110) aus einer endständigen Stirnseite (104b) und der erste Längsrand (115e) des Kathodenstromkollektors (115) aus einer anderen endständigen Stirnseite (104a) des Wickels austritt. Weiterhin umfasst die Zelle (100) eine metallische Kontaktplatte (105; 106), die mit einem der ersten Längsränder (110e; 115e) in unmittelbarem Kontakt steht und mit diesem Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. Hierbei weist der bandförmige Hauptbereich (122; 116) des mit der Kontaktplatte (105; 106) durch Verschweißungverbundenen Stromkollektors (110; 115) eine Vielzahl von Durchbrechungen (111) auf.

Ein sekundäres Energiespeicherelement (50; 60) umfasst erstens einen Schichtverbund (10) mit einer Elektrodenschicht (12) umfassend ein positives Elektrodenmaterial und einer Elektrodenschicht (14) umfassend ein negatives Elektrodenmaterial und einer dazwischen angeordneten Separatorschicht (18), die mindestens eine Lage aus einem mikroporösen Material mit elektrisch isolierenden Eigenschaften aufweist, zweitens eine Referenzelektrode (24A; 24B, 27), drittens einen Elektrolyten, mit dem der Schichtverbund (10) getränkt ist und über den die Separatorschicht (18), die Elektrodenschichten (12 und 14) und die Referenzelektrode (24A; 24B, 27) in Kontakt stehen, und viertens ein Gehäuse (30), das den Schichtverbund (10), die Referenzelektrode (24A; 27) und den Elektrolyten umschließt und das drei elektrisch voneinander isolierte, von außerhalb des Gehäuses (30) abgreifbare Pole (40, 42 und 44), von denen der erste Pol (40) mit der Elektrodenschicht (12), der zweite mit der Elektrodenschicht (14) und der dritte mit der Referenzelektrode (24A; 24B, 27) elektrisch verbunden ist, aufweist. Hierbei ist die Referenzelektrode (24A) oder ein Bestandteil (24B) der Referenzelektrode (24B, 27) zwischen der mindestens einen Lage der Separatorschicht (18) und einer der Elektrodenschichten (12) positioniert und von dieser Elektrodenschicht (12) mittels eines Isoliermittels (20) elektrisch isoliert. Bei der Referenzelektrode (24A) oder dem dort positionierten Bestandteil (24B) der Referenzelektrode (24B, 27) handelt es sich um mindestens ein Metallfilament oder eine bahnförmige metallische Beschichtung (24) auf einer Oberfläche der mindestens einen Lage der Separatorschicht oder einer Oberfläche (22) des Isoliermittels (20).

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Eine Energiespeicherzelle (100) umfasst einen Elektroden-Separator-Verbund (104) mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode. Der Elektroden-Separator-Verbund (104) liegt in Form eines hohlzylindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten und einem dazwischen liegenden Wickelmantel vor. Die Energiespeicherzelle umfasst ein Gehäuse, wobei das Gehäuse einen hohlzylindrischen Innenraum umschließt. In dem Innenraum des Gehäuses ist der als Wickel ausgebildete Elektroden-Separator-Verbund (104) axial ausgerichtet. Zur Begrenzung des Innenraums umfasst das Gehäuse ein erstes ringförmiges Verschlusselement (1010) mit einem Außen- und einem Innendurchmesser, ein zweites ringförmiges Verschlusselement (1020) mit einem Außen- und einem Innendurchmesser, ein erstes rohrförmiges Gehäuseteil (1030) mit zwei endständigen kreisförmigen Öffnungen, wobei der Durchmesser des ersten rohrförmigen Gehäuseteils (1030) auf die Außendurchmesser des ersten ringförmigen Verschlusselements (1010) und des zweiten ringförmigen Verschlusselements (1020) abgestimmt ist, und ein zweites rohrförmiges Gehäuseteil (1040) mit zwei endständigen kreisförmigen Öffnungen, wobei der Durchmesser des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils (1040) auf die Innendurchmesser des ersten ringförmigen Verschlusselements (1010) und des zweiten ringförmigen Verschlusselements (1020) abgestimmt ist. Eine Kontaktierungder bandförmigen Elektroden des Elektroden-Separator-Verbundes erfolgt über die Längsränder der Elektroden, die aus den endständigen Stirnseiten des hohlzylindrischen Wickels hervorstehen. Dabei umfasst die Energiespeicherzelle ein zumindest teilweise metallisch ausgebildetes Kontaktelement, das in unmittelbarem Kontakt mit einem der Längsränder steht und das mit diesem Längsrand bevorzugt durch Verschweißung verbunden ist. Hierbei fungiert das erste oder das zweite ringförmige Verschlusselement (1010, 1020) als das Kontaktelement. Das zweite rohrförmige Gehäuseteil (1040) des Gehäuses definiert einen beidseitig offenen Kanal (1500), der axial durch die Energiespeicherzelle verläuft.

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Bekannt ist eine Energiespeicherzelle (100), die einen Verbund (104) aus bandförmigen Elektroden und Separatoren in Form eines zylindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten (104b, 104c) und einem Wickelmantel (104a) aufweist. Die Elektroden weisen jeweils Stromkollektoren (115, 125) auf und sind derart ausgebildet und/oder derart in dem Verbund zueinander angeordnet, dass aus einer der Stirnseiten (104b, 104c) ein Längsrand einer negativen und aus der anderen Stirnseite ein Längsrand einer positiven Elektrode austritt. Der Verbund (104) ist in einem Gehäuse, das ein metallisches, rohrförmig ausgebildetes Gehäuseteil (101) mit einer endständigen kreisförmigen Öffnung (101c) umfasst, axial ausgerichtet, so dass der Wickelmantel (104a) an der Innenseite (101b) des rohrförmig ausgebildeten Gehäuseteils (101) anliegt. Die Zelle (100) umfasst zur elektrischen Kontaktierung einer der Elektroden ein Kontaktelement (110), das in unmittelbarem Kontakt mit einem der aus einer Stirnseite austretenden Längsränder (115a, 125a) steht und das mit diesem Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, die endständige kreisförmige Öffnung (101c) des rohrförmig ausgebildeten Gehäuseteils (101) mittels des Kontaktelement (110) gas- und flüssigkeitsdicht zu verschließen, wozu das Kontaktelement (110) einen kreisförmigen Rand (110a) aufweist, wobei das Kontaktelement (110) eine metallische Membran (111; 151) ist oder umfasst, die sich wölbt, wenn ein Druck in dem Gehäuse einen Schwellwert überschreitet, wobei der elektrische Kontakt des Kontaktelements zu dem einen der ersten Längsränder verloren geht.

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