DE3902648A1 - Galvanisches element - Google Patents
Galvanisches elementInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M6/04—Cells with aqueous electrolyte
- H01M6/06—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid
- H01M6/10—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid with wound or folded electrodes
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- H—ELECTRICITY
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
Description
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit einem spiralförmigen Elektrodenkörper,
der durch Wickeln von bandförmigen positiven und negativen Elektroden
unter Zwischenlage eines bandförmigen Separators hergestellt ist, mit einem
Stromkollektor, welcher als Wickeldorn dient und mit dem die eine Elektrode
elektrisch verbunden ist, mit einem metallischen Gehäuse zur Aufnahme der
Spiralelektroden, mit welchem die andere Elektrode elektrisch verbunden ist sowie
einem Deckel, der die Öffnung des Gehäuses verschließt und der als Anschlußpol
für die eine Elektrode mit dem Stromkollektor elektrisch kontaktiert ist.
Bei der bis heute üblichen Fertigungstechnik für Elektrodenwickel ist der Wickeldorn
in der Regel eine zum Einfädeln der Bandelektroden mit einem Längsschlitz
versehene Stahlnadel von etwa 5 bis 7 mm Durchmesser. Sie ist im allgemeinen fest
mit der Wickelmaschine verbunden und hinterläßt, da sie an der Wickelmaschine
zurückbleibt, nach Erzeugung des Elektrodenwickels in dessen Mitte einen freien
Raum.
Da dieser Freiraum unter gewissen Umständen, beispielsweise bei Stoßbelastungen
der Zelle, die Gefahr in sich birgt, daß es zu Verschiebungen des Wickels in
Richtung seiner Längsachse oder auch zu gegenseitigen Versetzungen der Elektroden
kommt, hat man diesem Nachteil durch Verwendung von Wickeldornen in
Form von Kunststoffstäben abzuhelfen versucht, welcher als sogenannter verlorener
Kern zum dauernden Verbleib im Wickel bestimmt sind und so die Grundlage einer
kompakten Anordnung des Elektrodensatzes bilden.
In beiden Fällen ist es jedoch notwendig, die einzelnen Wickelelektroden mit
gesonderten Stromleitfahnen zu verstehen und sie über diese an die äußeren
Zellenpole, von denen einer in vorteilhafter Weise durch den Deckel gebildet sein
kann, anzuschließen. Die Herstellung solcher Anschlüsse, die häufig über Drahtbrücken
erfolgen muß, ist umständlich, wobei sich außerdem an fehlerhaften
Verschweißungsstellen erhebliche Übergangswiderstände ausbilden können.
Günstiger ist die Anbindung zumindest einer Elektrodenpolarität an einen Anschlußpol
mit Hilfe einer Polableiterplatte gemäß DE-C 24 38 296, sofern die
Wickelelektrode z. B. ein Sinterfolienband, über einen nicht mit aktiver Masse
behafteten Rand verfügt, auf den sich die Platte an der Stirnseite des Wickels
aufstützt.
Aus der DE-A 34 12 890 sowie aus der DE-C 30 14 435 sind Wickelzellen bekannt,
bei denen ein ursprünglich zur Herstellung des Elektrodensatzes verwendeter
Wickelkern auch die Rolle der eben erwähnten Polableiterplatte als Stromkollektor
für eine der Elektrodenpolaritäten übernimmt, während das Gehäuse der Polableiter
für die Gegenelektrode ist. Letztere muß die Außenseite des Wickels bilden,
so daß sie an der Gehäuseinnenwand anliegt.
Gemäß der zuletzt genannten Patentschrift ist dem flanschartig ausgeformten
oberen Ende eines stabartigen Kollektors eine Spiralfeder aufgesteckt, welche
gegen die Unterseite des metallischen Zellendeckels drückt und so die leitende
Verbindung zwischen dem Kollektor und seinem Außenpol herstellt.
Ein solches Federteil verlangt bei der Montage besondere Aufmerksamkeit, vor
allem Fingerspitzengefühl beim Positionieren auf dem Kollektorkopf, wobei Gefahr
besteht, daß die Spirale durch unbeabsichtigtes Zusammendrücken vom Han
tierungswerkzeug wegspringt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein galvanisches Element nach dem
eingangs formulierten Gattungsbegriff einen möglichst einfachen Stromkollektor zu
finden, der montagefreundlich ist, zugleich den Wickeldorn vertreten kann und von
dem aus ein problemloser elektrischer Anschluß zum Gehäusedeckel als Außenpol
für die mit dem Kollektor verbundene Elektrode möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein galvanisches Element, wie es
im Patentanspruch 1 angegeben ist.
Danach besitzt die erfindungsgemäße Wickelzelle als Stromkollektor für die eine
Elektrode, die vorzugsweise die positive ist, eine geschlitzte Metallnadel, in
welcher die Elektrode mit ihrem Trägergerüst fest eingeklemmt ist. Das Kopfende
der Nadel ist geschlossen und kann, um von der Wickelmaschine sicher gefaßt zu
werden, in mannigfacher Weise geformt oder verdickt sein. Zweckmäßig ist die
Schlitzlänge der Breite des Elektrodenbandes angepaßt, wodurch ein optimaler
beidseitiger Kontakt des Trägergerüstes mit den Nadelschenkeln zustandekommt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die geschlitzte Nadel
ein Metallsplint mit einem zu einer Öse erweiterten geschlossenen Kopfende, wobei
die beiden Schenkel des Splints in diesem Fall auch unterschiedliche Längen
besitzen können.
Zur Kontaktierung genügt es, den Kollektor bzw. Metallsplint auf das von aktiver
Masse zuvor befreite Trägermaterial der Elektrode, im allgemeinen ein Streckmetall
oder feinmaschiges Netz aus Ni, Ag, Ti oder nichtoxidierendem Stahl,
einfach aufzustecken. Von Vorteil ist jedoch eine zusätzliche Punktverschweißung
der beiden Schenkel über dem zwischenliegenden Trägernetz.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Stromkollektor nicht
an einem Ende der Bandenelektrode, sondern etwa in der Mitte ihrer Bandlänge
angebracht, so daß das Elektrodenband, von dem zur Kontaktierung mit dem
Ableiter massefrei gehaltenen Mittelstreifen des Trägernetzes ausgehend, in zwei
etwa gleichlange Kathodenabschnitte zerfällt. Folglich liegt auch der Wickelanfang
für diese Elektrode in der Mitte des Bandes.
Wie noch anhand von Figurendarstellungen gezeigt wird, ergeben sich aus dieser
Aufteilung der positiven Bandelektrode sowohl wickeltechnische als auch elektrische
Vorteile.
Da die geschlitzte Nadel nach dem Wickelvorgang im Elektrodenwickel verbleibt,
stellt sie insoweit eine verlorene Wickelnadel dar, jedoch in der neuen Eigenschaft
eines Stromkollektors, dessen Vorzüge im Falle der Verwendung eines Metallsplints
wegen der verschwindend kleinen Kosten dieses Massenartikels, seiner Einfachheit
und problemlosen Montierbarkeit besonders überzeugen.
Zur Kontaktierung des Stromkollektors mit dem Gehäusedeckel ist erfindungsgemäß
eine an der Innenseite des Gehäusedeckels befestigte Blattfeder vorgesehen,
die von der Innenseite schräg nach unten absteht und in der fertig montierten Zelle
dem Kollektorkopf mit elastischer Spannung aufliegt.
In einer besonders vorteilhaften Kontaktanordnung ist der Kollektor wiederum ein
Metallsplint mit einer sein Kopfende bildenden Öse, während aus der Blattfeder ein
Loch ausgestanzt ist, dessen Durchmesser jedoch kleiner als die Öse ist. Dadurch
liegt die Blattfeder nur mit der Stanzkarte des Loches auf der Öse auf, so daß sich
ein sehr hoher spezifischer Anpreßdruck ergibt.
Diese Maßnahme ist geeignet, um selbst bei stärksten Erschütterungen der Zelle
eine Desintegration der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung zuverlässig zu verhindern.
Für den Betrieb des erfindungsgemäßen galvanische Elements verwendbare elek
trochemische Systeme sind allgemeine Li-Systeme mit nichtwäßrigen Elektrolyten.
Als kathodenaktive Substanzen kommen Schwermetalloxide und -sulfide wie
Ni(OH)₂, CuO, CrO x , FeS₂ oder MnO₂ infrage.
Die Herstellung der Kathodemasse aus beispielsweise MnO₂ mit Zusätzen eines
Bindemittels aus PTFE-Pulver und Graphit als Leitmaterial wird mittels eines
einfachen Trockenmischverfahrens durchgeführt. Durch Einwalzen der Trocken
mischung in ein Metallsalz oder Streckmaterial als Trockenmaterial im kontinuierlichen
Durchlauf erhält man das positive Elektrodenband. Aus diesem kann bereits
vor dem Zerschneiden in die gewünschten Streifenlängen die Masse an den jeweils
vorgesehenen Splint-Kontaktstellen wieder leicht aus dem Trägermaterial entfernt
werden. Ein besonders geeignetes Hilfsmittel für diesen Zweck ist Preßluft.
Die "trockene" Arbeitsweise vermeidet nicht nur alle mit einer naßchemischen
Masseaufbereitung verbundenen Nachteile, sondern hat als weiteren Vorteil auch
eine größere Porosität der fertigen Walzelektrode zum Ergebnis, die es erlaubt,
diese Elektrode im Vergleich zu einer im Naßverfahren hergestellten Elektrode mit
einer mindestens um 50% höheren Stromdichte zu belasten. Dies hat zur
Konsequenz, daß bei vorgegebener gleicher Belastung die Elektrode nach dem
Trockenmischverfahren mit weniger Aufwand an Trägermaterial, weniger Separatormaterial
und in Verbindung mit einem geringeren Li-Überschuß mehr Kapazität
liefert. Entsprechend geringer sind die Kosten.
Die bandförmige Lithiumelektrode ist auf die grundsätzlich gleiche Art wie bei den
anderen bekannten Wickelzellen hergestellt und in einem schlauchförmigen Scheider
aus Polyethylen oder Polypropylen mit verschweißten Rändern eingetascht.
Im folgenden werden die konstruktiven Besonderheiten des galvanischen Elements
gemäß der Erfindung bei einer vorzugsweisen Ausführungsform näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen kompletten Elektrodensatz mit Splintableiter gemäß der
Erfindung vor dem Wickeln.
Fig. 2 zeigt die Aufspulung des Elektrodensatzes um den Metallsplint am
Wickelbeginn.
Fig. 3 zeigt einen fertigen Elektrodenwickel im Schnitt.
Fig. 4 zeigt in drei Phasen eine alternative erfindungsgemäße Wickeltechnik.
Fig. 5 zeigt ein galvanisches Element gemäß der Erfindung im Aufriß.
Nach Fig. 1 ist das Trägernetz 2 einer positiven Bandelektrode 1
in der Bandmitte
von der aufgewalzten positiven Masse 3 freigemacht, so daß die Bandelektrode aus
den Kathodenhälften 4, 5 besteht, zwischen denen der Metallsplint 6 unter
reibschlüssigem Kontakt auf das Trägernetz aufgeschoben und mit diesem gegebenenfalls
auch noch punktverschweißt werden kann.
Durch eine Aussparung 7 an der Kathode ist das untere Ende des Ableiters durch
ein Schneidwerkzeug leichter und ohne Beschädigung des Wickels zugänglich, wenn
ein über die Höhe des Wickels hinausgehender Überstand entfernt werden muß.
Der Metallsplint dient zunächst als Wickelnadel. Vor dem Wickeln wird die
Bandelektrode 1 mit den Massenbelegungen nach innen über der zwischengelegten
Li-Elektrode 8, die mit der Vorderkante ihrer Separatorumhüllung 9 an die Wickelnadel
anstößt, zusammenklappt.
Die Länge der negativen Bandelektrode, zumindest aber die der Separatortasche,
muß so bemessen sein, daß sie die Länge der positiven Elektrode 1 im zusammengeklappten
Zustand um mindestens eine Umfangslänge des fertigen Wickels übertrifft.
Diese Maßgabe ist auch gültig, wenn - entsprechend der allgemeinen Ausführungsform
einer Wickelzelle gemäß der Erfindung - beide Bandelektroden von ihren
Enden her aufgewickelt sind, wobei nur das positive Band aus Gründen der
Kapazitätsauslegung etwa die doppelte Dicke wie eine vom Stromkollektor in der
Bandmitte erfaßte Elektrode besitzen muß.
Das Ende der negativen Elektrode ist mit einem Kontaktelement 10 in Gestalt
eines dünnen Metallplättchens versehen, in das Löcher 11 unter Hinterlassung
spitzer Stanzgrate 12 (in Fig. 2 sichtbar) eingebracht sind, wobei die Stanzgrate
beim Aufdrücken des Plättchens die Lithiumelektrode einschließlich der Separatorauflagen
durchdringen. Bei ihrer späteren Positionierung im Gehäusebecher verkrallen
sich die an der Unterseite herausstehenden Gratspitzen mit der Gehäusewand
und verschaffen dem Lithium zu diesem einen guten elektrischen Kontakt.
Der besondere Vorteil, der mit der Aufteilung des Kathodebandes in zwei
Bandabschnitte und mit der Befestigung des Splintableiters in der Bandmitte
verbunden ist, kommt u. a. beim Anwickeln zur Geltung. So wird aus Fig. 2
deutlich, daß durch die Aufgliederung des Kathodenbandes in zwei dünne Teil
hälften 4, 5 anstelle einer gleich langen, aber doppelt so dicken Elektrodenplatte
eine größere Flexibilität des Bandes erreicht wird, indem sich beide Teile
gegeneinander verschieben können und ihre vorderen Enden so mit einer deutlichen
Versetzung, die vom Separator 9 umhüllte Li-Elektrode 8 mit sich nehmend, von
dem aufwickelnden Splint 6 erfaßt werden. Auf diese Weise wird die im Wickel
wiederkehrende dreischichtige Elektrodenanordnung nach und nach während des
Anwickelns aufgebaut, was einen engeren Wickelradius und eine bessere Raumaus
nutzung des Gehäusebechers gestattet. Bei einer dicken und von ihrem Ende her
gewickelten Kathode ist die Gefahr des Abplatzens von aktiver Masse größer.
Die von der Mitte her gewickelte "Doppelkathode" hat ferner den Vorteil, daß sie
durch das zwischenliegende Li-Elektrodenband von beiden Schichtseiten her und
nicht an der netzarmierten Seite entladen wird.
Der Wickelvorgang wird von Anfang bis Ende von einer Gehäuseschablone (nicht
dargestellt) unterstützt, aus welcher der fertige Wickel ausgestoßen und unmittelbar
in das bereitgehaltene Zellengehäuse überführt wird.
Fig. 3 gibt eine Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Wickelzelle mit
dem positiven Splintableiter 6 - zugleich Wickelnadel -, der Teilkathode 4, der
Teilkathode 5, der in der Separatorhülle 9 verpackten Li-Elektrode 8 und dem
Gehäusebecher 13. Dabei ergibt sich im Wickel eine Lage der beiden Teilkathoden
mit ihren Trägernetzen Rücken an Rücken und mit ihren "Schichtseiten" der Li-Elektrode
zugekehrt.
Die Figur läßt sich ferner die Kontaktierung der Li-Elektrode mit der Becherwand durch
das Kontaktelement 10 erkennen, dessen Krallen 12 durch das Li-Band einschließlich
Separatorumhüllung hindurchgedrückt sind.
Wird die mit dem Stromkollektor versehene eine Elektrode oder Kathode 1 vom
Ende her aufgewickelt, so ist es vorteilhaft, die Wickelnadel bzw. den Splintableiter
um ein kleines Stück gegen das Bandende versetzt das Trägergerüst
aufzustecken und an der Separatorumhüllung 9 der anderen Elektrode 8, d. h. der Li-Elektrode,
ein freies Ende vorzusehen, dessen Länge zweckmäßig etwa dem
abgeteilten Bandende der einen Elektrode entspricht.
Legt man nun die separierte andere Elektrode so auf die eine Elektrode, daß bei
einer ersten halben Umdrehung der Wickelnadel das freie Ende der Separator
umhüllung mit seiner Vorderkante bis an die Wickelnadel herangeführt wird, bzw.
an diese anstößt, so wird das Separatorende von dem gleichzeitig um 180°
herumgeschwenkten Endabschnitt der einen Elektrode überlappt und schließlich
zwischen beiden Teilen dieser Elektrode eingeklemmt. Dadurch ist gewährleistet,
daß beim Weiterdrehen der Nadel die andere Elektrode zuverlässig einzieht und die
eine Elektrode über der anderen Elektrode problemlos eingerollt werden kann.
Anhand der Fig. 4 läßt sich der Vorgang des Anwickelns nach dieser Technik ohne
weiteres nachvollziehen. Teilfigur a) gibt die von der Wickelnadel 6 erfaßte
Kathode 1 und die Li-Elektrode 8 in ihrer Ausgangslage wieder. In Teilfigur b) hat
die Nadel eine halbe Umdrehung gegenüber a) und in Teilfigur c) eine volle
Umdrehung gegenüber a) vollzogen. Durch die hier dargestellte Versetzung der
Wickelnadel weg vom unmittelbaren Ende des Kathodenbandes und die zipfelförmige
Gestaltung des Li-Separators wird auch bei der Verwendung eine einschichtigen
Kathodebandes wie in diesem Falle ein störungsfreies Anwickeln mit
engem Anfangsradius möglich.
Die Verdeckelung der Zelle erfolgt gemäß Fig. 5 auf technisch sehr einfache
Weise durch einen Hülsenkappenverschluß. Zu diesem Zweck ist entweder der
Innenrand 15 der Kappe 14 oder die Außenseite des Becherkragens 16 mit einer
Kunststoffbeschichtung versehen, so daß die nach Elektrolytbefüllung aufgedrückte
Kappe den Becher mit festem Preßsitz flüssigkeitsdicht verschließt. Zugleich wird
die in die Kappe 14 eingeschweißte Blattfeder 17, die sich mit dem Stanzgrat des
Loches 18 auf die Öse 19 des Splints 6 auflegt, unter eine hohe Dauerspannung
versetzt. Dadurch ist ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen dem Splintableiter
und der Metallklappe 14 als dem positiven Außenpol gewährleistet.
Durch die Aufrißdarstellung ist in der Figur ferner die Li-Elektrode 8 mit ihrer
Separatorumhüllung 9 sowie das Kontaktelement 10 zu erkennen, dessen Stanzgrate
12 die Elektrode samt Separator von der Rückseite her durchdringen und
ihren leitenden Kontakt zu Innenseite des Bechers 13 sicherstellen.
Claims (12)
1. Galvanisches Element mit einem spiralförmigen Elektrodenkörper, der durch
Wickeln von bandförmigen positiven und negativen Elektroden unter Zwischenlage
eines bandförmigen Separators hergestellt ist, mit einem Stromkollektor,
welcher als Wickeldorn dient und mit dem die eine Elektrode elektrisch
verbunden ist, mit einem metallischen Gehäuse zur Aufnahme der Spiralelektroden,
mit welchem die andere Elektrode elektrisch verbunden ist sowie
einem Deckel, der die Öffnung des Gehäuses verschließt und der als Anschlußpol
für die eine Elektrode mit dem Stromkollektor elektrisch kontaktiert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor (6) eine geschlitzte Metallnadel
ist, in welche die eine Elektrode (1) mit ihrem Trägergerüst (2) eingeklemmt ist.
2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den
Abstand zwischen dem Deckel (14) und dem Stromkollektor überbrückendes
Kontaktglied in Form einer an der Deckel-Innenseite befestigten Blattfeder (17)
vorgesehen ist, welches am Kopfende des Stromkollektors mit elastischer
Spannung aufliegt.
3. Galvanisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
geschlitzte Nadel von einem Metallsplint gebildet ist, dessen geschlossenes
Kopfende als Öse (19) geformt ist.
4. Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Blattfeder ein Loch (18) ausgestanzt ist, dessen Durchmesser kleiner als die
Öse des Metallsplints ist, so daß die Blattfeder lediglilch mit der Stanzkante
des Loches unter hohem spezifischen Anpreßdruck der Öse aufliegt.
5. Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergerüst der einen
Elektrode in dem vom Stromkollektor zu erfassenden Bereich von anhaftender
aktiver Masse befreit wird und die geschlitzte Nadel auf den blanken Ausschnitt
der Trägergerüsts aufgesteckt wird, daß die andere Elektrode, deren
Bandlänge diejenige der einen Elektrode um mindestens eine Umfangslänge des
fertigen Wickels übertrifft und die von einem Separator vollständig eingehüllt
ist, so daß auf die eine Elektrode aufgelegt wird, daß die Vorderkante der
Separatorumhüllung an die Wickelnadel anstößt, und daß die eine Elektrode
über der anderen Elektrode eingerollt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel der
geschlitzten Nadel über dem zwischenliegenden Ausschnitt des Trägergerüstes
punktverschweißt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die geschlitzte Nadel in der Bandlängen-Mitte der einen Elektrode aufgesteckt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die geschlitzte Nadel auf das Trägergerüst der einen Elektrode mit einer
kleinen Versetzung gegen das Bandende aufgesteckt wird, daß an der Separatorumhüllung
der anderen Elektrode ein freies Ende vorgesehen wird und daß
die andere Elektrode mit dem freien Separatorende zur Wickelnadel hingerichtet
so auf die eine Elektrode aufgelegt wird, daß durch die erste halbe
Umdrehung der Wickelnadel die Vorderkante des freien Separatorendes an die
Wickelnadel anstößt und das Separatorende zwischen der unterliegenden einen
Elektrode und deren durch die Nadel abgeteilten und um 180° geschwenkten
Endabschnitt eingeklemmt wird, daß beim Weiterdrehen der Wickelnadel die
andere Elektrode von dem so erfaßten Separatorende mitgezogen wird und daß
die eine Elektrode über der anderen Elektrode eingerollt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
mit dem Stromkollektor verbundene Elektrode (1) die positive Elektrode ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material
der positiven Elektrode MnO₂ ist.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
negative Elektrode eine Li-Elektrode ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischleitende Verbindung zwischen dem Lithium und dem Gehäusebecher durch ein
Kontaktelement (10) hergestellt wird.
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