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Die
vorliegende Anmeldung betrifft eine wiederaufladbare Batterie, bestehend
aus mehreren die Anode und die Kathode der Batterie bildenden, übereinander
gestapelten elektrisch leitenden Schichten, wobei zwischen jeweils
zwei benachbarten leitenden Schichten eine Elektrolyt-Schicht eingefügt ist.
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Beispielsweise
für Elektrowerkzeuge
gibt es Nickel-Cadmium- oder
Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren mit verschiedenen Spannungen und
Kapazitäten.
Wie aus der
DE 35 02
449 C2 hervorgeht, bestehen diese Akkumulatoren – kurz gesagt
Akkus – aus
mehreren miteinander verschalteten Einzelzellen, von denen jede
eine Spannung von z. B. 1,2V liefert. Üblicherweise sind in den Akkus
für Elektrowerkzeuge
mehrere solcher Einzelzellen in Reihe geschaltet, so dass der Akku
insgesamt eine Spannung von z. B. 9,6V, 14,4V, 18V oder 24V bereitstellt.
Jede Einzelzelle des Akkus hat, wie auch aus der
EP 06 03 397 A1 hervorgeht,
eine die Anode bildende elektrisch leitende Schicht, eine die Kathode
bildende elektrisch leitende Schicht und eine dazwischen eingefügte Elektrolyt-Schicht.
Der aus diesen drei Schichten gebildete Stapel ist aufgerollt und
in einer Metallröhre
untergebracht. Die Zahl solcher miteinander verschalteter Einzelzellen
richtet sich danach, wie groß die
Kapazität
und die Spannung des Akkus sein soll. Die einzelnen Zellen sind über stromleitende
Stege miteinander elektrisch kontaktiert. Die Kontaktpunkte, das
sind Löt-
oder Schweißpunkte,
bilden einen Innenwiderstand des Akkus, der eine Wärmequelle
bei einer elektrischen Belastung des Akkus darstellt. In einem Akkugehäuse, in
dem mehrere Einzelzellen zusammengepackt sind, kommt es zu einer
sehr unterschiedlichen Wärmeverteilungen. Denn
für diejenigen
Zellen, die in der Nähe
der Gehäusewand
des Akkus angeordnet sind, besteht eine bessere Wärmeabfuhr
als für
die weiter im Inneren des Akkugehäuses befindlichen Zellen. Diese
unterschiedliche Wärmeverteilung
bei den Zellen führt
zu einem Ungleichgewicht des Ladungsniveaus der einzelnen Zellen.
Es kann dabei zu einer Umpolung der Zellen mit den geringsten Ladeniveaus
kommen, wodurch diese Zellen zerstört werden können. Bei hoher elektrischer
Belastung des Akkus kann es auch zu einer thermischen Überbeanspruchung
einiger Zellen kommen, was dazu führt, dass Elektrolyt aus den
Zellen ausgeblasen wird, was zu einem Ausfall der Zellen und schließlich des
gesamten Akkus führt.
Ein so aufgebauter Akku nutzt zudem das Volumen nicht optimal aus,
da es zwischen den in Form von Metallröhren aufgebauten Einzelzellen
relativ große
Hohlräume
gibt.
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In
der japanischen Anmeldung
JP
10208773 ist eine wiederaufladbare Batterie beschrieben,
die, wie einleitend dargelegt, aus mehreren die Anode und Kathode
der Batterie bildenden, übereinander gestapelten
elektrisch leitenden Schichten und zwischen diesen angeordneten
Elektrolyt-Schichten
besteht. Durch die Faltung des Stapels kann ein geringvolumiger
Akku hergestellt werden, der aufgrund einer sehr großen Oberfläche der
gefalteten Schichten eine hohe Kapazität aufweist. Die Zahl der übereinander
gestapelten Schichten richtet sich danach, welche Spannung der Akku
liefern soll.
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Aus
der
DE 44 19 418 A1 und
der
DE 828 730 B sind
Flachplatten-Batterien bekannt, bei denen die Platten an den Rändern isolierende
Rahmen aufweisen, die entweder zur Halterung der Platten zwischen
Polplatten dienen (vgl.
DE
44 19 418 A1 ) oder mehrere Schichten zusammenhalten (vgl.
DE 828 730 B ).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine wiederaufladbare Batterie
der eingangs genannten Art anzugeben, die einen kompakten Aufbau
hat und bei der mit einfach herstellbaren Mitteln eine große Sicherheit
gegen Kurzschlüsse
zwischen den einzelnen Schichten erzielt werden kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch
gelöst,
dass die Ränder aller
die Anode und Kathode der Batterie bildenden übereinander gestapelten leitenden
Schichten mit einem Rahmen aus einem isolierenden Material umgeben
sind, dass die Rahmen der leitenden Schichten miteinander fixiert
sind und dass ein aus diesen Schichten gebildeter Stapel S-förmig gefaltet
ist. Die isolierenden Rahmen an den Rändern der leitenden Schichten
vermeiden einerseits einen unbeabsichtigten elektrischen Kontakt
zwischen benachbarten leitenden Schichten und bieten andererseits
die Möglichkeit,
die leitenden Schichten mechanisch gegenseitig zu fixieren. Die
isolierenden Rahmen vermeiden ebenfalls, dass Elektrolyt-Flüssigkeit
aus dem Zwischenraum zwischen den elektrisch leitenden Schichten
ausfließt
und somit einen Kurzschluss zwischen elektrisch leitenden Schichten
verursachen könnte.
Eine sehr raumsparende wiederaufladbare Batterie entsteht durch
die S-förmige
Faltung des aus den leitenden Schichten gebildeten Stapels.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Es ist zweckmäßig, dass
die Rahmen eine größere Dicke aufweisen
als die von ihnen umgebenen leitenden Schichten. Damit werden die
leitenden Schichten, wenn deren Rahmen aufeinander gelegt sind,
in einem Abstand voneinander gehalten, so dass zwischen ihnen Raum
bleibt für
die Aufnahme von Elektrolyt-Schichten. Die Rahmen können an
ein oder mehreren Stellen mit Öffnungen
versehen werden, die aus dem durch die Schichten gebildeten Stapel herausweisen.
Vorteil dieser Öffnungen
ist, dass sie für
einen Druckaus gleich zwischen der Umgebung und dem mit einem Elektrolyt
gefüllten
Raum zwischen den leitenden Schichten sorgen. Es ist von Vorteil,
dass an den Rahmen im Bereich ihrer Öffnungen Stutzen angeformt
sind, die sich aus dem Stapel heraus erstrecken. Diese Stutzen bilden
Druckausgleich-Kanäle
und verhindern, dass Elektolyt über
die Öffnungen
heraus in benachbarte Schichten eindringt und dort einen Kurzschluss
verursacht.
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Wird
der aus den mehreren Schichten gebildete Stapel um ein oder mehrere
isolierende Körper herumgefaltet,
so erhält
der Stapel dadurch eine gute Stabilität und wird beim Falten gegen
Brechen geschützt.
Um die Lagen des gefalteten Stapels und die einzelnen Schichten
innerhalb des Stapels gegen Verrutschen oder ein gegenseitiges Verschieben
zu sichern, ist es vorteilhaft, dass durch alle Lagen des gefaltenen
Stapels ein oder mehrere isolierende Bolzen gesteckt werden.
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In
den isolierenden Körpern
können
ein oder mehrere Temperatursensoren integriert werden, mit denen
die in der wiederaufladbaren Batterie erzeugte Wärme messbar ist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn ein oder mehrere der äußeren elektrisch leitenden
Schichten des Stapels von größerer Dicke
sind als innere leitende Schichten, um dem gesamten Stapel eine
gute mechanische Stabilität
zu geben.
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Im
Inneren des Stapels können
vorzugsweise ein oder mehrere Schichten angeordnet sein, die im
Vergleich zu den anderen Schichten eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen. Diese höhere Wärmeleitfähigkeit
kann z. B. dadurch erzielt werden, dass in die Schichten Leitungsröhren für ein Kühlmedium integriert
werden oder dass sie eine größere Dicke als
die anderen Schichten haben und/oder aus einem besser wärmeleitfähigen Material
bestehen. Somit kann eine ausgeglichenere Wärmeverteilung innerhalb des
Stapels erreicht werden.
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Zeichnung
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Anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend
die Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine wiederaufladbare Batterie mit einem S-förmig gefalteten Stapel
aus leitenden Schichten und Elektrolyt-Schichten,
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2 eine
einzelne leitende Schicht, die mit einem Rahmen umrandet ist und
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3 eine
Seitenansicht mehrerer umrahmter elektrisch leitender Schichten
mit dazwischen eingefügten
Elektrolyt-Schichten
in einer Explosionsdarstellung.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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In
der 1 ist ein Querschnitt durch eine wiederaufladbare
Batterie (nachfolgend als Akku bezeichnet) dargestellt, wobei in
dem Akku-Gehäuse 1 ein
S-förmig
gefalteter Stapel 3 aus mehreren leitenden Schichten, welche
die Anode und Kathode des Akkus bilden, und aus mehreren zwischen
den leitenden Schichten eingefügten
Elektrolyt-Schichten
untergebracht ist. Wie weiter unten anhand von 3 noch
näher erläutert, wechseln
sich in dem Stapel 3 elektrisch leitende Schichten, welche
die Anode bilden, mit elektrisch leitenden Schichten, welche die Kathode
des Akkus bilden, ab. Zwischen jeder Anoden-Schicht und Kathoden-Schicht befindet
sich eine Elektrolyt-Schicht, die beispielsweise aus einem mit Elektrolyt
gefüllten
Vliesmaterial besteht. Alle zur Anode gehörenden leitenden Schichten
und getrennt davon alle zur Kathode gehörenden leitenden Schichten
sind elektrisch miteinander kontaktiert. Dies ist in der 1,
weil nicht Gegenstand der Erfindung, nicht dargestellt. Die zum
Stapel gehörenden elektrisch
leitenden Schichten sind vorzugsweise dünne Bleche, die auf einer Seite
z. B. mit Cadmium und auf der anderen Seite mit Nickel beschichtet sind.
Anstelle von Cadmium und Nickel kommen aber auch andere für wiederaufladbare
Batterien üblicherweise
verwendete Materialien in Frage.
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Die
Anzahl der übereinander
gestapelten Schichten hängt
davon ab, welche Spannung der Akku letztendlich liefern soll. Die
Ladekapazität
des Akkus hängt
von der Flächengröße der Schichten
ab.
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Durch
die, wie in 1 dargestellt, S-förmige Faltung
des Stapels 3 können
sehr großflächige Schichten
in einem relativ kleinvolumigen Gehäuse 1 untergebracht
werden.
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Es
ist zweckmäßig, den
Stapel 3 um ein oder mehrere isolierende Körper 5 und 7 herumzufalten, die
vorzugsweise im Bereich der stärksten
Krümmung
des Stapels verdickt sind, wodurch verhindert wird, dass der Stapel
zu stark gekrümmt
wird und dabei bricht. Diese isolierenden Körper 5 und 7 füllen den
restlichen Raum im Akku-Gehäuse
um den Stapel 3 aus, wodurch der Stapel insgesamt eine
sehr hohe Stabilität
erhält.
Die isolierenden Körper 5 und 7 sind
vorzugsweise vom Material her so zusammengesetzt, dass sie temperaturabhängige Ausdehnungen
des Stapels 3 kompensieren.
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In
dem bzw. den isolierenden Körpern 5 und 7 können ein
oder mehrere Temperatursensoren 9 integriert werden. Damit
lässt sich
die Temperatur des Akkus bei Belastung messen und in Abhängigkeit
davon eine belastungsabhängige
Steuerung beispielsweise eines Elektrowerkzeugs vornehmen.
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Das
gesamte Paket aus dem gefalteten Stapel 3 und den isolierenden
Körpern 5 und 7 wird
mittels isolierender Bolzen 11 und 13 zusammengehalten,
welche quer durch alle Lagen des Stapels 13 und die dazwischenliegenden isolierenden
Körper 5 und 7 hindurchgesteckt
sind. Diese isolierenden Bolzen 11 und 13 verhindern
ein gegenseitiges Verschieben der einzelnen Schichten des Stapels 3.
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Es
ist zweckmäßig, ein
oder mehrere der äußeren leitenden
Schichten 15 und 17 des Stapels 3 mit
einer größeren Dicke
zu versehen als die anderen Schichten. Dadurch erhöht sich
die mechanische Stabilität
des Stapels 3. Auch können
an den äußeren leitenden
Schichten 15 und 17 Kontaktflächen 19 und 21 vorgesehen
werden, an die eine Anoden- und eine Kathoden-Anschlussleitung angelötet oder
geschweißt
werden kann.
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Die
S-Form des Stapels 3 bewirkt, dass jede leitende Schicht
des Stapels 3 zum Teil an den äußeren Wänden des Gehäuses 1 entlangläuft und
zum Teil im Inneren des Gehäuses 1 geführt wird.
Damit verlaufen alle Schichten gleichermaßen sowohl durch kühlere Bereiche
(an den Außenwänden) des Gehäuses 1 als
auch durch wärmere
Bereiche (im Zentrum) des Gehäuses 1.
Dadurch findet ein gewisser Ausgleich der Wärmeverteilung in den Schichten des
Stapels 3 statt. Es gibt also keine Schichten, die einer
erheblich größeren Wärmebelastung
ausgesetzt sind als andere Schichten. Natürlich erfahren die im Inneren
des Stapels 3 liegenden Schichten eine etwas höhere Wärmebelastung
als die an den äußeren Rändern des
Stapels befindlichen Schichten. Auch hier kann ein Ausgleich dadurch
geschaffen werden, dass ein oder mehrere innere leitende Schichten 23 von
größerer Dicke
sind als die anderen leitenden Schichten und damit eine höhere Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Eine bessere Wärmeleitfähigkeit
dieser inneren Schicht (en) 23 kann auch über die
Auswahl des Materials (z. B. Kupfer) erreicht werden. Eine besonders
gute Wärmeableitung
wird dadurch erzielt, dass in die innere Schicht (en) 23 Leitungsröhren integriert
werden (in der Zeichnung nicht dargestellt), durch welche ein Kühlmedium,
z. B. Luft, Kühlgas,
Kühlflüssigkeit,
strömt.
An der Außenseite des
Akku-Gehäuses 1 können Kühlrippen 25 angeordnet
sein.
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In
der 2 ist die Draufsicht auf eine einzelne leitende
Schicht 27 dargestellt. In der leitenden Schicht 27 sind
einige Löcher 29, 31 und 33 eingelassen,
welche als Durchgangslöcher
für den
bzw, die isolierenden Bolzen 11, 13 dienen. Der äußere Rand der
leitenden Schicht 27 ist mit einem Rahmen 35 umgeben.
Ebenso sind die Ränder
der Löcher 29, 31 und 33 im
Inneren der leitenden Schicht 27 mit Rahmen 37, 39 und 41 versehen.
Die Rahmen 35, 37, 39, 41 bestehen
aus einem isolierenden Material. Sie dienen dazu, jeder einzelnen
leitenden Schicht eine bessere mechanische Stabilität zu verleihen.
Des Weiteren haben die Rahmen 35, 37, 39, 41 die
Funktion, einander benachbarte leitende Schichten elektrisch gegeneinander
zu isolieren bzw. Kurzschlüsse zwischen
elektrisch leitenden Schichten auszuschließen.
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Die
der 3 zu entnehmende Explosionsdarstellung von z.
B. drei leitenden Schichten 43, 45 und 47 verdeutlicht,
wie durch isolierende Rahmen 49, 51, 53 an
den Rändern
der leitenden Schichten 43, 45, 47 Kurzschlüsse zwischen
den leitenden Schichten 43, 45, 47 vermieden
werden. Die Rahmen 49, 51, 53 weisen
eine etwas größere Dicke
auf als die von Ihnen umgebenen leitenden Schichten 43, 45, 47.
Werden nun die leitenden Schichten 43, 45, 47 aufeinander
gestapelt, so berühren
sich die Rahmen 49, 51 und 53 gegenseitig.
Wegen der größeren Dicke
der Rahmen 49, 51, 53 verbleibt zwischen
den leitenden Schichten 43, 45, 47 Raum
für Elektrolyt-Schichten 55, 57,
welche beispielsweise aus einem mit einem Elektrolyt getränkten Vlies
bestehen. Wenn die leitenden Schichten 43, 45, 47 mit
den Rahmen 49, 51, 53 und die dazwischenliegenden Elektrolyt-Schichten 55, 57 aufeinander
gestapelt sind, können
sich die über
die Elektrolyt-Schichten 55, 57 hinausragenden
Ränder
der elektrisch leitenden Schichten 43, 45, 47 nicht
mehr gegenseitig berühren
und damit auch keinen Kurzschluss verursachen. Außerdem verhindern
die dicht aufeinanderliegenden Rahmen 49, 51, 53,
dass leitende Elektrolyt-Flüssigkeit über die
Ränder
von elektrisch leitenden Schichten von einem Zwischenraum in den
anderen übertritt,
was einen Kurzschluss zur Folge hätte.
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Die
isolierenden Rahmen 35, 37, 39, 41, 49, 51, 53 können z.
B. aus einem Thermoplast bestehen, das um die Ränder der leitenden Schichten
gespritzt wird. Nachdem alle Schichten aufeinandergestapelt sind,
werden die Rahmen z. B. durch Kleben, Prägen, Ultraschweissen, Aufschmelzen,
Umspritzen oder ähnliche
Methoden miteinander verbunden. Zur besseren Verbindung der isolierenden
Rahmen mit der jeweiligen leitenden Schicht können die Ränder mit Einprägungen oder
Stanzungen 59 (vgl. 2) versehen
werden.
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Wie
der 2 zu entnehmen ist, weist der Rahmen 35 um den äußeren Rand
der leitenden Schicht 27 eine Öffnung 61 auf. Über diese Öffnung 61 im
Rahmen 35 kann ein Druckausgleich zwischen dem mit dem
Elektrolyt gefüllten
Raum zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten und der Umgebung
des Schichten-Stapels erfolgen. Ein Überdruck im Innern des Stapels
kann insbesondere dann auftreten, wenn der Akku stark belastet wird.
Der über die Öffnung 61 erfolgende
Druckausgleich verhindert, dass ein Überdruck im Innern des Schichten-Stapels
den Akku zerstört.
Es können
in den Rahmen der einzelnen elektrisch leitenden Schichten auch
mehr als nur eine Öffnung 61 vorgesehen
werden. Entscheidend für
die Anordnung der Öffnungen ist,
dass für
jeden mit Elektrolyt gefüllten
Zwischenraum zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten ein Druckausgleich-Kanal
vorhanden ist. Vorzugsweise ist im Bereich der Öffnung 61 an den Rahmen 35 ein
sich aus dem Schichten-Stapel heraus erstreckender Stutzen 63 angeformt.
Durch Überdruck
im Inneren des Schichtenstapels kann Elektrolyt in die Öffnungen
eindringen und eventuell einen Kurzschluss zwischen benachbarten
Schichten hervorrufen. Das kann mittels der die Öffnungen umgebenden Stutzen
verhindert werden; denn die Stutzen bilden einen Ausdehnungsraum
für den
Elektrolyt.