CN103298762A - 穿通件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有尤其以优选片状金属部件形式的基体的穿通件，其中，基体具有至少一个开口，穿过该开口至少一个导体，尤其是基本上呈销状的导体在玻璃材料或玻璃陶瓷材料中穿过，其特征在于，基体包含低熔点材料，尤其是轻金属，并且玻璃材料或玻璃陶瓷材料以如下方式来选择，即，使玻璃材料或玻璃陶瓷材料与低熔点材料的熔接温度低于基体的低熔点材料的熔融温度。

Description

穿通件
技术领域
本发明涉及一种穿通件，该穿通件具有尤其是片状金属部件形式的基体以及穿过基体中的开口的由玻璃或玻璃陶瓷包围的导体，尤其是销状导体。
背景技术
在将尤其是金属销形式的导体引入尤其是片状金属部件形式的由轻金属（例如铝）构成的基体中时，目前密闭密封的穿通件是不可能的。然而讨论到将铝作为尤其用于蓄电池，优选用于锂离子电池的材料。锂离子电池设置用于不同应用，例如便携式电子设备、移动电话、电机工具以及尤其是电动车。这种电池可以代替传统的能源，例如铅酸电池、镍镉电池或镍金属氢化物电池。
根据本发明，电池不仅被理解为在放电之后丢弃和/或回收的一次性电池，而且还被理解为蓄电池。
多年来公知有多种锂电子电池。对此例如参见“Handbook ofBatteries，David Linden，Herausgeber，第2版，McGrawhill，1995，第36和39章”。
在大量专利中对锂离子蓄电池的不同方面进行了描述。例如US961,672、US5,952,126、US5,900,183、US5,874,185、US5,849,434、US5,853,914以及US5,773,959都提到过。
尤其对于汽车环境中的电池，优选锂离子蓄电池的应用，必须解决大量问题，例如耐腐蚀性、在事故中的耐受性或耐振性。另一问题是电池，尤其是锂离子电池在长时间内的密闭密封性。例如电池电极或电池电极穿通件区域内的泄露、电池短路或温度变化（这些导致电池寿命缩短）可能损害密封性。
为了保证事故中更好的耐受性，DE10105877A1提出例如用于锂离子电池的壳体，其中，壳体包括金属套，该金属套在两侧打开并且被封闭。电流接头由塑料绝缘。塑料绝缘的缺点在于有限的耐热性和使用寿命内的不安全的密封性。
由DE2733948A1公知了一种碱金属电池，其中，绝缘体例如玻璃或陶瓷通过熔融连接直接与金属部件连接。
其中一个金属部件与碱金属电池的阳极电连接，而另一个金属部件与碱金属电池的阴极电连接。DE2733948A1中使用的金属为铁或钢。DE2733948A1中没有描述轻金属例如铝。DE2733948A1中也未说明玻璃材料或陶瓷材料的熔接温度。DE2733948A1中描述的碱金属电池为具有碱性电解质的电池，根据DE2733948A1该碱性电解质包含氢氧化钠或氢氧化钾。DE2733948A1中没有锂离子电池的加热。
由DE69804378T2或EP0885874B1公知了一种用于制造不对称有机羧酸酯和用于制造用于碱金属离子电池的无水有机电解质的方法。DE69804378T2或EP0885874B1也描述了用于可再充电的锂离子电池的电解质。
DE69923805T2或EP0954045B1描述了一种具有改进的电作用的RF穿通件。由EP0954045B1公知的穿通件不是玻璃金属穿通件。在EP0954045B1中，在例如包装的金属壁内部直接构造的玻璃金属穿通件被描述为是不利的，因为这种RF穿通件由于玻璃脆化是不耐用的。
DE69023071T2或EP0412655B1描述了一种用于电池或其他电化学单元的玻璃金属穿通件，其中，使用二氧化硅含量为约45重量%的玻璃作为玻璃，并且尤其使用含钼和/或铬和/或镍的合金作为金属。DE69023071T2中像针对用于所使用的玻璃的熔接温度或熔接温度一样同样基本没有描述轻金属的使用。根据DE69023071T2或EP0412655B1，用于销状导体的材料为含钼、铌或钽的合金。
特种钢和由铂/铱构成的销状导体。US7,687,200中说明玻璃TA23和CABAL-12作为玻璃材料。根据US5,015,530，玻璃材料在此为熔接温度为1025°C或800°C的CaO-MgO-Al2O3-B2O3-体系。此外，由US5,015,530公知了一种用于锂电池的玻璃金属穿通件的玻璃组合物，该玻璃组合物包含CaO、Al2O3、B2O3、SrO和BaO，其熔接温度在650°C至750°C的范围内并且进而对于与轻金属一起使用而言过高。
此外，钡在许多应用中是不期望的，因为其被认为是不环保且有害健康的。同样讨论到的是锶，未来应同样放弃使用锶。
此外，根据US7,687,200的玻璃组合物具有在20°C至300°C的温度范围内的仅约为9·10-6/K的膨胀系数α。
发明内容
本发明的任务是说明一种避免现有技术的问题的穿通件。
根据本发明该任务通过如下方法来解决，即，说明如下穿通件，该穿通件具有尤其优选片状金属部件形式的基体，其中，基体具有至少一个开口，导体，尤其是基本上呈销状的导体穿过该开口在玻璃材料或玻璃陶瓷材料中穿过。片状金属部件可以具有任意形状，尤其可以是圆的（即圆形）、椭圆的或有角的。
为了避免在封装时金属，尤其是基体的以及可能还有金属销的轻金属熔融或变形，设置玻璃材料或玻璃陶瓷材料与金属，尤其是基体的低熔点材料的熔接温度低于低熔点金属的熔融温度。
用于如在当前的实施例中那样提供接合连接或压力封装的玻璃材料或玻璃陶瓷材料也被称为玻璃焊料。在根据本发明的穿通件中，熔接温度例如在400°C至650°C的范围内。
在压力玻璃穿通件中，玻璃材料或玻璃陶瓷材料摩擦连接（reibschlüssig）或传力连接（kraftschlüssig）地附着在周围金属上。一旦超过由静摩擦引起的反作用力，则丧失力连接。
玻璃或玻璃陶瓷的熔接温度或熔接温度被理解为如下玻璃或玻璃陶瓷的温度，在该温度下玻璃材料软化并因此密封地粘附在要与玻璃材料熔接的金属上，从而在玻璃或玻璃陶瓷与金属之间得到接合连接。
熔接温度可以例如通过如在R.
Figure BDA00003450270600041
K.-J.Leers：Keram.Z.48（1996）300-305中或根据DIN51730、ISO540或CEN/TS15404和15370-1（它们的公开内容完全并入本申请中）描述的半球温度来确定。半球温度的测量详细描述于DE102009011182A1，其公开内容完全并入本申请中。根据DE102009011182A1可以通过显微镜方法用热台显微镜来确定半球温度。半球温度表征最初为柱体形的样本体熔成半球状的质量体的温度。半球温度与约logη=4.6dPas的粘度相关联，如可以从相应的专业文献得到的那样。如果无结晶玻璃（例如以玻璃粉的形式）被熔化并被再次冷以使其硬化，那么其通常可以在相同的熔融温度下被再次熔化。对于与无结晶玻璃的接合连接，这意味着接合连接可以持久经受的操作温度不允许高于熔接温度。当前所使用的玻璃组合物通常经常由玻璃粉制成，该玻璃粉被熔化并且在热作用下与要连接的构件形成接合连接。熔接温度或熔融温度通常大致与玻璃的所谓半球温度的高度相应。具有低熔接温度或熔融温度的玻璃也被称为玻璃焊料。在这样的情况下，代替熔接温度或熔融温度而讨论焊接温度或焊合温度。熔接温度或焊接温度可以与半球温度偏差±20K。
由DE102009011182A1公知的玻璃焊料涉及例如在燃料单元中的高温应用。
将导体，尤其是销状导体封装到开口中如下这样来进行：
首先将玻璃材料与销状导体一起引入基体中的开口中。然后将玻璃与销状导体一起加热至玻璃的熔接温度，从而使得玻璃材料或玻璃陶瓷材料软化并在开口中包围销状导体，并且粘附在基体上。由于基体和销状导体的材料的熔融温度高于玻璃材料或玻璃陶瓷材料的熔接温度，所以基体和导体（尤其是销状导体）以固体状态存在。玻璃材料或玻璃陶瓷材料的熔接温度优选比基体或销状导体的熔融温度低20K至150K。如果例如使用熔点为TSCHMELZ=660.32°C的铝作为轻金属，那么玻璃材料或玻璃陶瓷材料的熔接温度（该熔接温度由半球温度来确定）在350°C至640°C的范围内，优选在450°C至600°C的范围内。除了轻金属例如铝或铝合金之外，也可以使用铝、镁、铝合金或镁合金以及掺入铝的SiC基质作为用于基体的材料。这种材料也被称为AlSiC。AlSiC具有SiC芯，在该SiC芯中扩散有铝。通过铝的含量可以调节特性，尤其是膨胀系数。AlSiC尤其具有比纯铝更低的热膨胀。
用于基体的其他材料为钛、钛合金，尤其是Ti6246或Ti6242。钛是生物相容性材料，从而其用于医疗应用，例如修复术。同样地，由于特别的强度、耐受性和低重量，人们也很愿意将其用于特殊应用，例如赛车以及航空飞行应用和航天飞行应用。
金属，尤其是设置用于后续热处理的钢、不锈钢、特种钢或工具钢也是用于基体的其他材料。可以用作特种钢的为例如X12CrMoS17、X5CrNi1810、XCrNiS189、X2CrNi1911、X12CrNi177、X5CrNiMo17-12-2、X6CrNiMoTi17-12-2、X6CrNiTi1810和X15CrNiSi25-20、X10CrNi1808、X2CrNiMo17-12-2、X6CrNiMoTi17-12-2。为了可以在电阻焊接中提供特别好的可焊接性，作为用于基体和/或壳体部件（尤其是电池单元壳体）的材料，特别使用特种钢，尤其是根据欧洲标准（EN）材料编号（WNr.）为1.4301、1.4302、1.4303、1.4304、1.4305、1.4306、1.4307的Cr-Ni-钢。作为标准钢可以使用St35、St37或St38。
在本申请中，轻金属材料被理解为具有小于5.0kg/dm3的比重的金属。尤其地，轻金属的比重在1.0kg/dm3至3.0kg/dm3的范围内。
如果轻金属此外还用作用于导体（例如销状导体）或电极连接构件的材料，轻金属的特征此外还在于5·106S/m至50·106S/m范围内的比电导。
此外，在使用于压力玻璃穿通件中的情况下，针对20°C至300°C范围的膨胀系数α在1810-6/K至3010-6/K范围内。
归入轻金属的前面给出的定义的是，尤其是设有熔点或熔融温度在350°C至700°C范围内，导电率在10·106S/m至40·106S/m范围内，膨胀系数在18·10-6/K至26·10-6/K范围内以及比重在2.5kg/dm3至2.9kg/dm3范围内的铝和铝合金；和具有熔点或熔融温度在350°C至800°C范围内，导电率在5·106S/m至50·106S/m范围内，膨胀系数在20·10-6K-1至30·10-6K-1范围内以及比重在1.0kg/dm3至3.0kg/dm3范围内的镁和镁合金。
因此，根据本发明的穿通件的特征在于，可以在低熔点基体或由具有低熔点的材料构成的基体中进行封装，尤其是压力封装。
导体（尤其是销状导体）的材料可以与基体的材料相同，即例如铝、铝合金、AlSiC、镁或镁合金。其优点在于基体和金属销的膨胀系数相同。玻璃材料或玻璃陶瓷材料的膨胀系数α则仅须匹配于一个材料。当应该提供压力玻璃穿通件时，α玻璃不同于α基体和/或α金属销。如果α玻璃与α基体或α金属销大致相同，则是经匹配的穿通件。在经匹配的穿通件中，由于材料在温度变化时基本相同的膨胀系数，在绝缘体尤其是玻璃材料与基体或金属销之间不产生应力。这种情况可能是有利的。
对此备选地，销状导体可以包含Cu或CuSiC或铜合金。
用于导体（尤其是销状导体）的其他材料为铝合金、镁或镁合金、金或金合金、银或银合金、NiFe、具有铜芯的NiFe套以及钴铁合金。
作为用于导体的铝或铝合金，优选使用：
EN AW-1050A
EN AW-1350
EN AW-2014
EN AW-3003
EN AW-4032
EN AW-5019
EN AW-5056
EN AW-5083
EN AW-5556A
EN AW-6060
EN AW-6061。
作为用于导体的铜或铜合金，优选使用：
Cu-PHC2.0070
Cu-OF2.0070
Cu-ETP2.0065
Cu-HCP2.0070
Cu-DHP2.0090。
在基体和金属销具有不同材料的情况下，满足例如α基体≥α玻璃≥α金 属销。除了具有一个膨胀系数的单一玻璃材料之外，可以在改进的实施方式中设置，玻璃材料或玻璃陶瓷材料包含具有第一膨胀系数α1的第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料和具有第二膨胀系数α2的第二玻璃材料或玻璃陶瓷材料，其中，第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料的膨胀系数α1与基体材料的膨胀系数匹配，而第二膨胀系数α2与销状导体的材料的膨胀系数匹配。由多种不同玻璃组成的玻璃部件可以例如制造成由多种玻璃材料构成的玻璃成型件。
特别优选的是，第一金属为轻金属，例如铝，而第一玻璃材料以如下方式来选择，即，使得膨胀系数α与铝的膨胀系数（20°C下α约为23×10-6K-1）匹配。因此，在20°C至300°C的温度范围内，膨胀系数α1的值优选在16×10-6K-1至25×10-6K-1的范围内。
作为玻璃家族的硅钛酸盐、磺基磷酸盐(Sulphophosphate)、碲化物、硼酸盐、钒酸盐、氟化物、磷酸盐和硅酸盐尤其适合作为具有这种膨胀系数α1的玻璃材料。
为了调节膨胀，即为了与膨胀系数匹配，该玻璃材料还可以加入填料。也可想到向玻璃中加入碱金属或碱土金属以调节膨胀系数。
如前面描述的那样，在本发明改进的实施方式中，当销状导体为20°C时膨胀系数α约为16×10-6K-1的铜或铜合金时，那么优选如下这样来选择第二玻璃材料，即，使得膨胀系数α2在金属销的膨胀系数范围内，即20°C时在12×10-6K-1至18×10-6K-1之间。
提供这种膨胀系数的玻璃材料或玻璃陶瓷材料为例如硅钛酸盐、磺基磷酸盐、碲化物、硼酸盐、钒酸盐、氟化物、磷酸盐和硅酸盐的玻璃家族。
为了调节膨胀，也可以在这些玻璃中加入添加物以及碱金属或碱土金属。
特别优选作为玻璃材料的是稳定的磷酸盐玻璃，其具有比公知的碱金属磷酸盐玻璃明显更低的碱金属总含量。
通过磷酸盐玻璃通常的高结晶稳定性保证玻璃的熔化（Aufschmelzen）即使在小于600°C的温度下也不受妨碍。这使得下文所说明的玻璃组合物可以用作玻璃焊料，因为玻璃组合物的熔化即使在小于600°C的温度下通常也不受妨碍。
特别优选地，导体（尤其是销状导体）穿过的玻璃材料包含至少如下以摩尔%计的组分：
P2O5  35-50摩尔%，尤其是39-48摩尔%
Al2O3  0-14摩尔%，尤其是2-12摩尔%
B2O3  2-10摩尔%，尤其是4-8摩尔%
Na2O  0-30摩尔%，尤其是0-20摩尔%
M2O  0-20摩尔%，尤其是12-19摩尔%，其中M可以是K、Cs、Rb
PbO  0-10摩尔%，尤其是0-9摩尔%
Li2O  0-45摩尔%，尤其是0-40摩尔%，优选17-40摩尔%
BaO  0-20摩尔%，尤其是0-20摩尔%，优选5-20摩尔%
Bi2O3  0-10摩尔%，尤其是1-5摩尔%，优选2-5摩尔%。
特别优选地是包含如下组分的组合物：
P2O5  38-50摩尔%，尤其是39-48摩尔%
Al2O3  3-14摩尔%，尤其是4-12摩尔%
B2O3  4-10摩尔%，尤其是5-8摩尔%
Na2O  10-30摩尔%，尤其是14-20摩尔%
K2O  10-20摩尔%，尤其是12-19摩尔%
PbO  0-10摩尔%，尤其是0-9摩尔%。
令人惊奇地表明，根据本发明的具有至多45摩尔%，尤其是至多35摩尔%的Li含量的玻璃组合物是结晶稳定的，即在随后的烧结步骤中不会出现干扰性或明显的结晶。
前面提到的玻璃组合物具有嵌入玻璃结构中的Li。由此使得玻璃组合物尤其适合如下锂离子存储装置，其包含基于Li，例如1MLiPF6溶液的包含由碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯构成的1:1混合物的电解质。
特别优选地的是低钠或无钠的玻璃组合物，因为碱金属离子的扩散以Na+>K+>Cs+的顺序进行，并且因此具有优选小于20摩尔%的Na2O的低钠玻璃或无钠玻璃相对于电解质，尤其是例如锂离子存储装置中所使用的电解质是特别耐受的。
玻璃组合物相对于电池电解质的耐受性可以通过如下方式来检验，即，将玻璃组合物研磨成粒度d50=10μm的玻璃粉的形式，并在电解质中暴露一段预定的时间，例如一周。D50表示玻璃粉的全部颗粒或粒子的50%小于或等于10μm的直径。作为无水电解质，例如使用由比例1:1的碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯构成的碳酸盐混合物，1摩尔的LiPF6作为导电盐。将玻璃粉暴露于电解质之后，可以过滤掉玻璃粉并针对电解质研究从玻璃中浸出的玻璃组成部分。在此表明，在前面描述的组成范围内的碳酸盐玻璃中，令人惊奇地仅存在小于20质量百分比的少量浸出，在特殊情况下甚至达到小于5质量百分比的浸出。此外，这种玻璃组合物示出大于14·10-6/K，尤其是在15·10-6/K至25·10-6/K之间的热膨胀α（20°C至300°C）。前面说明的玻璃组合物的另一优点在于，玻璃与周围轻金属或（尤其是金属销的形式的）导体金属的熔接即使在为非保护性气体环境的气体环境下也是可行的。相比于目前的方法，铝熔接也不需要真空。具体而言，这种熔接即使在空气下也可以进行。对于两种熔接，可以使用N2或Ar作为保护气体。作为用于熔接的预处理，对金属（尤其是轻金属）进行清洗或蚀刻，必要时有针对性地进行氧化或涂层。在该过程期间，以0.1K/min至30K/min的加热速度和1min至60min的加热时间使用300°C至600°C之间的温度。
为了使玻璃能够红外加热，有利的是，在前面提到的玻璃中加入在红外辐射（尤其是红外源的红外辐射）范围内具有放射峰值的掺杂物质。为此，示例性的材料为Fe、Cr、Mn、Co、V、颜料。通过红外辐射可以局部有针对性地加热这样经过预加工的玻璃材料或玻璃陶瓷材料。红外加热的优点在于，可以使用如下玻璃或玻璃陶瓷，该玻璃或玻璃陶瓷具有高于基体材料，尤其是穿过基体中的开口的销状导体和/或片状金属部件的材料的融化温度的熔接温度。
为了提供相对于例如电池的电解质溶液的化学耐受性，有利的是，销状导体穿过的玻璃材料或玻璃陶瓷材料被具有特别好的HF耐受性的第三玻璃材料覆盖。这种玻璃材料为例如磷酸盐玻璃。代替玻璃也可以使用HF耐受的塑料作为涂层，即作为覆盖材料。覆盖玻璃的抵抗力应主要相对于酸（例如HF）存在。相对于H2O的耐受性也是有利的。
覆盖玻璃的膨胀系数在很大程度上与由第一和/或第二玻璃材料构成的玻璃塞的玻璃材料或玻璃陶瓷材料的膨胀系数协调。
优选地，销状导体穿过的由至少两种具有不同膨胀系数α1、α2的玻璃材料构成的玻璃塞可以制造成玻璃成型件。
在本发明特别优选的实施方式中，穿通件以如下方式来构造，即，仅使用单一的玻璃材料，该玻璃材料通常与销状导体的材料匹配，该销状导体例如包含20°C时的膨胀系数α约为16×10-6K-1的铜或20°C下的膨胀系数α约为23×10-6K-1的铝。
除了可以借助于红外辐射加热的玻璃材料之外，在改进的实施方式中，玻璃材料也可以借助于超声波焊接施加到金属部件上。因此，在用红外辐射加热或超声波焊接的情况下，玻璃材料或玻璃陶瓷材料优选具有与销状导体，尤其是金属销相同的膨胀系数α。在借助超声波焊接和玻璃材料将作为基体的金属部件与金属销连接时，可想到不同的实施方式。在第一实施方式中，将玻璃材料施加到金属部件上并借助超声波与金属部件连接。将金属销增粗地焊接在金属部件上。
为了可以达到金属销的更高的机械耐受性并施加更高的压力到金属销上，可以设置，锥形地构造通孔。此外，金属销可以具有多边形的外部形状，由此扭矩被施加到金属销上，即金属销或销状导体在开口中抗扭转地固定。
在具有低熔点的基体中实现封装的另一可行性是，首先将玻璃材料或玻璃陶瓷材料与金属销的材料熔融。然后通过压铸制造出由低熔点材料（例如铝）构成的基体。为此，带有玻璃材料或玻璃陶瓷材料的金属销用低熔点材料，尤其是轻金属（例如铝）进行围注以得到由低熔点材料（尤其是铝）构成的基体，其中，低熔点材料热压配合到玻璃材料或玻璃陶瓷材料上。在优选通过在压铸机中进行压铸的围注之后，通过冷却将通过压铸制成的基体的预应力施加到具有销状导体的玻璃材料或玻璃陶瓷材料上。
在改进的另一实施方式中，在开口范围内设置有支撑装置，以便使膨胀可以更好地匹配玻璃或相应的玻璃类型。通过支撑装置使基体的膨胀匹配玻璃和各自的玻璃类型，并且将压缩力施加到玻璃上。由此可以使用与当玻璃或玻璃类型仅与基体材料匹配时不同的玻璃或玻璃类型。
由此可以仅使用一种玻璃类型来提供密闭密封的穿通件。支撑装置可以以支撑环的形式来构造，或者备选地，金属部件构造为复合材料。
根据本发明，提供如下穿通件，尤其是用于电存储设备，优选电池的穿通件，相比于现有技术中的穿通件（尤其是具有塑料作为密封材料的穿通件），该穿通件的特征在于具有高耐热性，尤其是耐热震性。尤其地，即使在温度变化或温度交变的情况下也可以提供密闭密封性，该密闭密封性可以防止液体尤其是电池液体可能溢出和/或湿气渗入壳体中。密闭密封性被理解为在1bar的压差下氦泄露速度小于1·10-8mbar ls-1，优选小于1·10-9mbar ls-1。通过根据本发明来提供密闭密封的穿通件，显著延长了电存储设备，尤其是电池单元的使用寿命。尤其当穿过玻璃材料或玻璃陶瓷材料的销状导体由于强电流和/或在短路的情况下短时间内强烈加热时，密闭密封性也得到保证保证。
除了穿通件之外，本发明也提供了一种用于具有根据本发明的穿通件的电存储装置，尤其是电池，优选电池单元的壳体。壳体优选由与基体相同的材料（尤其是轻金属）构成。在电池单元中，基体优选为电池壳体的一部分。电池优选为锂离子电池。
附图说明
下文借助实施例非限制性地描述本发明。
其中：
图1示出根据本发明的具有多组分玻璃的穿通件；
图2示出作为压制件的多组分玻璃；
图3示出具有支撑环的穿通件；
图4示出具有用于作为支撑环的金属部件的复合材料的穿通件；
图5示出根据本发明的穿通件，超声波焊接连接在穿通件开口中的玻璃材料；
图6示出根据本发明的具有超声波焊接在金属块上的玻璃材料的穿通件；
图7示出根据本发明的具有吸收红外辐射的材料的穿通件。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明的穿通件1。穿通件1包含金属销3作为销状导体，该金属销3优选由含铜的材料构成；并且包含作金属部件为基体5，该金属部件根据本发明由低熔点金属（即轻金属，尤其是铝、铝合金、钛、钛合金、镁或镁合金）构成。如之前所使用的轻金属具有小于5kg/dm3，尤其是在1.0kg/dm3至3.0kg/dm3范围内的密度。如果使用轻金属作为导体材料，导电率在5·106S/m至50·106S/m范围内。轻金属的膨胀系数α（20°C-300°C）在8·10-6/K至30·10-6/K。
金属销3穿过贯穿金属部件5的开口7。尽管仅示出了单个金属销穿过开口，但是也可以有多个金属销穿过开口，而不偏离本发明。
开口7的外部轮廓可以优选构造为圆形或椭圆形。开口7贯穿基体或金属部件5的整个厚度D。金属销1在玻璃材料或玻璃陶瓷材料10中封装并在玻璃材料或玻璃陶瓷材料10中穿过贯穿基体5的开口7。在基体5中通过例如分离过程（优选冲压）引入开口7。为了提供金属销3穿过开口7的密闭穿通件，金属销3熔封在由玻璃材料或玻璃陶瓷材料构成的玻璃塞中。这种制造方式的主要优点在于，即使在玻璃塞上的负荷升高的情况下，例如在压力负荷下，仍然避免了玻璃塞与金属销从开口7中被压出。优选设置，玻璃材料或玻璃陶瓷材料与基体的熔接温度比基体5和/或销状导体的材料的熔融温度低20K至100K。
在所示实施方式中，非限制性地，玻璃塞10不是由单一材料构成，而是由多种材料构成，即为多组分玻璃。由于优选由铜构成的金属销在20°C下的膨胀系数αCu例如为16×10-6K-1，而优选由铝制成的基体或金属部件的膨胀系数αAl为23×10-6K-1，玻璃塞在玻璃材料10朝向基体或金属部件的侧上具有第一玻璃材料20.1，该第一玻璃材料20.1的膨胀系数在金属部件5的膨胀系数的范围内。在金属部件由铝制成的情况下，膨胀系数α1在16×10-6K-1至25×10-6K-1范围内。
虽然在此玻璃塞由多种材料，即由具有不同膨胀系数α1、α2的第一和第二玻璃材料构成，但这不是强制的。也可以使用单一材料，其中，熔接温度优选低于周围轻金属的熔融温度。
多组分玻璃指向金属销的第二玻璃材料20.2基本上具有金属销3的膨胀系数α2。如果金属销3为铜销，那么第二玻璃材料20.2的膨胀系数α2在12×10-6K-1至18×10-6K-1之间。
为了提高多组分玻璃10相对于例如氢氟酸（HF）和/或水的化学耐受性，设置在由第一和第二玻璃材料20.1、20.2构成的玻璃层上施加覆盖玻璃20.3或塑料层。
用于外部玻璃20.1的第一玻璃材料可以优选为硅钛酸盐、磺基磷酸盐、碲化物、硼酸盐、钒酸盐、氟化物、磷酸盐和硅酸盐，其中，玻璃可以包含用于膨胀匹配的填料或碱金属或碱土金属。对于内部玻璃，即指向金属销3的第二玻璃材料，同样也可以考虑硅钛酸盐、磺基磷酸盐、碲化物、硼酸盐、钒酸盐、氟化物、磷酸盐和硅酸盐，其中，也可以设置有用于膨胀匹配的填料以及碱金属或碱土金属。覆盖玻璃优选为例如相对于氢氟酸HF具有足够的化学耐受性的第三玻璃材料或塑料。在锂离子电池中，覆盖玻璃优选为磷酸盐玻璃。除了必须低于低熔点基体的熔接温度之外，玻璃尤其如下这样来选择，即，使其具有相对于酸，尤其是HF和/或水的必要的耐受性。
图2中再次详细示出了如可以在图1中使用的玻璃塞。玻璃塞制造为三相玻璃或多组分玻璃压制件，并且包含总共三种玻璃，即具有例如膨胀系数α1在16×10-6K-1至25×10-6K-1范围内的第一玻璃材料20.1，具有例如膨胀系数α2在12×10-6K-1至18×10-6K-1范围内的第二玻璃材料20.2以及作为覆盖玻璃的具有足够耐受性（例如关于氢氟酸和/或相对于水）的第三玻璃材料20.3。
除了设计有多组分玻璃的设计方案之外，也可以使用单一玻璃，如图3和4中所示的那样。
如果玻璃塞由单一玻璃材料或单一玻璃组合物构成，那么其尤其为通常稳定的磷酸盐玻璃，该磷酸盐玻璃具有相对于公知的碱金属磷酸盐玻璃明显更低的碱金属总含量。
通过磷酸盐玻璃通常很高的结晶稳定性保证玻璃的熔化即使在小于600°C的温度下也不受妨碍。这使得所说明的玻璃组合物可以用作玻璃焊料，因为玻璃组合物的熔化即使在小于600°C的温度下也是可行的。
熔接温度可以例如通过如在R.
Figure BDA00003450270600161
K.-J.Leers：Keram.Z.48（1996）300-305中或根据DIN51730、ISO540或CEN/TS15404和15370-1（其公开内容完全并入本申请中）描述的半球温度来确定。半球温度的测量详细描述于DE102009011182A1，其公开内容完全并入本申请中。根据DE102009011182A1可以通过显微镜方法用热台显微镜来确定半球温度。半球温度表征最初为柱体形的样本体熔成半球状的质量体的温度。半球温度与约logη=4.6dPas的粘度相关联，如可以从相应的专业文献得出的那样。
特别优选地，销状导体穿过的玻璃材料包含至少如下以摩尔%计的组分：
P2O5  35-50摩尔%，尤其是39-48摩尔%
Al2O3  0-14摩尔%，尤其是2-12摩尔%
B2O3  2-10摩尔%，尤其是5-8摩尔%
Na2O  0-30摩尔%，尤其是0-20摩尔%
M2O  0-20摩尔%，尤其是12-19摩尔%，其中M可以是K、Cs、Rb
PbO  0-10摩尔%，尤其是0-9摩尔%
Li2O  0-45摩尔%，尤其是0-40摩尔%，优选17-40摩尔%
BaO  0-20摩尔%，尤其是0-20摩尔%，优选5-20摩尔%
Bi2O3  0-10摩尔%，尤其是1-5摩尔%，优选2-5摩尔%。
这种玻璃的实施例可以由下面的表1得出：
表1：
实施例：
表1中的实施例1尤其适合铝/铝封装体，即将铝销作为导体封装到周围的铝基体中。
表1中的实施例6尤其适合铜/铝封装体，即将铜销作为导体封装到周围的铝基体中。
除了作为相对于无水电解质的耐受性的量度的浸出之外，也确定各玻璃的耐水性。
耐水性试验如下这样进行，即，制造玻璃熔低件（Niederschmelzungen）（2×2cm，高度：～0.5cm），将其置入25°C和70°C的200ml水中70个小时。然后确定以重量%计的材料损失并在表中进行说明。
尽管其中一些实施例具有对于与Cu焊接接合而言趋向于过低的膨胀系数，但显然清楚的是，高Li含量可以溶于熔体中，而不会使具有这种玻璃组成的玻璃变得不稳定。
实施例AB7和AB8的特征在于它们包含Bi2O3例如代替如实施例6中的PbO。
令人惊奇地表明，通过Bi2O3可以明显提高耐水性。通过引入1摩尔%的Bi2O3例如实现了比在实施例AB1中高10倍的耐水性。Bi2O3尤其也可以代替根据实施例6的PbO使用。特别优选地，玻璃组合物除了杂质之外不含PbO，即其包含小于100ppm，优选小于10ppm，优选小于1ppm的PbO。
表1中说明了以摩尔%计的组成，转变温度Tg（如在“Schott Guideto Glass，第2版，1996，Chapman&Hall，第18-21页”中定义的那样），以质量百分比（质量%）计的总浸出，以10-6K-1计的在20°C至300°C温度范围内的膨胀系数α以及以g/cm3计的密度。
如接下来所描述的那样来确定总浸出。首先将玻璃组合物研磨成粒度d50=10μm的玻璃粉，暴露在如下电解质下一周，该电解质由比例1:1的碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯构成并且具有溶于其中的1摩尔的LiPF6作为导电盐，在这段时间之后针对由比例1:1的碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯构成并且具有溶于其中的1摩尔的LiPF6作为导电盐的电解质来研究从玻璃中浸出的玻璃组分。在前面提到的表1中的n.b.表示未知特性。
优选设置有用于金属部件的支撑装置，例如用于吸收不同的膨胀。在图3中用相同附图标记表示与图1和2中相同的构件。金属销也存在于封装体10中，但是该封装体10在此由单一材料20.2构成，该单一材料20.2具有膨胀系数α与金属销3协调的玻璃材料，并且该玻封装体10具有比金属的熔融温度低20K至100K的熔接温度。如果金属销由铜构成，那么玻璃材料20.2的膨胀系数α2优选在12×10-6K-1至18×10-6K-1之间，因为铜在20°C下的膨胀系数αCu为约16×10-6K-1。
基体5或金属部件也具有开口7。基体5优选为轻金属，尤其是铝，并且在铝的情况下具有在20°C下约23×10-6K-1的膨胀系数αΑl。
为了使预应力与玻璃和相应的玻璃类型匹配并施加压缩力到玻璃10上，设置有可以由不锈钢构成的支撑装置50，在此为支撑环52。为此，基体5变形并且来到支撑环52与玻璃材料20.2之间。
除了根据图3的设计有支撑环52作为支撑装置的设计方案之外，可以为金属部件5设置复合材料。复合材料为铝金属复合物。在铝部分200上覆（platiniert）钢202。如在根据图3的实施例中那样，玻璃材料10为单组份玻璃20.2，如前面描述的那样具有相应的Tg，该单组份玻璃20.2的膨胀系数α与金属销3匹配。如果金属销3为铜材料，那么玻璃材料20.2的膨胀系数α在12×10-6K-1至18×10-6K-1之间。
图5和6中示出了作为本发明的另一实施方式的穿通件，该穿通件通过将玻璃材料通过超声波焊接与金属部件5连接来制造。将玻璃塞10超声波焊接在呈锥形地逐渐变细的通孔70中的优点在于，由于呈锥形地逐渐变细的开口70可以建立起到金属销3上的压力并且实现了金属销3更高的机械耐受性。此外，通过在金属销的范围60内的多边形形状可以在金属销上施加扭矩。玻璃塞10与金属部件5之间的超声波焊接连接用62标注。玻璃材料10的膨胀系数与金属销的膨胀系数匹配，并且在金属销3由铜制成的情况下α2大约在12×10-6K-1至18×10-6K-1之间。
图6中示出了借助超声波焊接制成的穿通件的备选的设计方案。在图6中所示的穿通件中，金属销3具有凸缘100。金属销3穿过金属部件5的开口7。凸缘100的直径大于开口7的直径。因此，与金属销3牢固连接的凸缘100可以借助超声波焊接固定到金属部件5的上侧110上。超声波焊接连接，即基体或金属部件5/玻璃10的连接区域也用附图标记62标注。在凸缘与连接区域之间引入玻璃材料10。玻璃材料10具有在很大程度上与金属销的材料对应的膨胀系数α2，即α2大约在12×10-6K-1至18×10-6K-1之间。
图7中示出了本发明的另一实施方式。
在图7中，金属销也用3标注，基体也用5标注，开口也用7标注。
在开口中，在金属销7与基体5，尤其是金属部件之间也引入玻璃材料10。玻璃材料10为基本上与金属销3的膨胀系数α匹配的玻璃材料。如果金属销为铜销，那么金属销的膨胀系数为约16×10-6K-1。因此，玻璃材料10具有在12×10-6K-1与18×10-6K-1之间的膨胀系数α2。
在根据图7的实施方式中，玻璃材料10中加入掺杂物质，该掺杂物质在红外辐射范围内具有放射峰值。该掺杂物质尤其为铁、铬、钴、钒。
由于掺杂物质，玻璃例如被由红外辐射器辐射出的红外辐射非常强烈地加热。因为加热或升温仅基于玻璃中红外辐射的吸收，所以玻璃的温度有可能升高超过金属部件或金属销的熔融温度。尤其在加工作为基体的轻金属时，这是有利的。
通过本发明首次说明如下穿通件，其中，金属销穿过轻金属并且被密封封闭。这一方面通过具有低于轻金属的熔点的熔接温度的玻璃实现，其中，玻璃优选分别与金属销的膨胀系数匹配。用于封装的备选的方法是超声波焊接或红外加热，其中，玻璃材料掺杂有吸收红外辐射的物质。
通过根据本发明的穿通件可以提供如下电池壳体，相对于容易裂开的塑料穿通件而言，该电池壳体即使在电池壳体变形的情况下也仍然封闭密封。由此，在具有包含根据本发明的穿通件的电池壳体的电池中，尤其在交通事故中提供很高的耐火性。这尤其是在汽车领域中使用电池，优选锂离子电池的情况下具有重大意义。

Claims (29)

1.一种穿通件，其具有尤其优选片状金属部件形式的基体（5），其中，所述基体（5）具有至少一个开口（7），穿过所述开口（7）至少一个导体，尤其是基本上呈销状的导体（3）在玻璃材料或玻璃陶瓷材料中穿过，其特征在于，所述基体（5）包含低熔点材料，尤其是轻金属，并且所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料以如下方式来选择，即，使得所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料与所述低熔点材料的熔接温度低于所述基体的低熔点材料的熔融温度。
2.根据权利要求1所述的穿通件，其特征在于，所述导体，尤其是所述基本上呈销状的导体包含低熔点金属，尤其是轻金属。
3.根据权利要求1至2任一项所述的穿通件，其特征在于，所述轻金属具有小于5kg/dm3，尤其是在1.0kg/dm3至3.0kg/dm3范围内的比重。
4.根据权利要求1至3任一项所述的穿通件，其特征在于，所述轻金属具有在350°C至800°C范围内，优选在350°C至700°C范围内的熔点。
5.根据权利要求1至4任一项所述的穿通件，其特征在于，所述轻金属具有在5·106S/m至50·106S/m范围内，优选在10·106S/m至40·106S/m范围内的电导率。
6.根据权利要求1至5任一项所述的穿通件，其特征在于，所述轻金属具有在18·10-6/K至30·10-6/Κ范围内的膨胀系数α（20°C-300°C）。
7.根据权利要求1至6任一项所述的穿通件，其特征在于，所述轻金属为铝、镁、铝合金或镁合金、钛或钛合金。
8.根据权利要求1至7任一项所述的穿通件，其特征在于，所述导体，尤其是所述基本上呈销状的导体包含不同于基体材料的另一材料，尤其是金属，优选铜、CuSiC、铜合金、AlSiC、银、银合金、金或金合金。
9.根据权利要求8所述的穿通件，其特征在于，所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料（10）包含至少两种玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.1、20.2），即具有不同膨胀系数α（20°C-300°C）的第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料和第二玻璃材料或玻璃陶瓷材料，其中，所述第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.1）以如下方式来选择，即，使得所述第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料的膨胀系数α1与尤其优选片状金属部件形式的基体的材料的膨胀系数匹配，而所述第二玻璃材料或玻璃陶瓷材料如下这样来选择，即，使得所述第二玻璃材料或玻璃陶瓷材料的膨胀系数α2（20°C-300°C）与销状导体的材料的膨胀系数匹配。
10.根据权利要求9所述的穿通件，其特征在于，所述第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料在20°C至300°C范围内的膨胀系数α1在16×10-6K-1至25×10-6K-1范围内。
11.根据权利要求10所述的穿通件，其特征在于，所述第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.1）为选自如下玻璃材料的玻璃材料：
硅钛酸盐
磺基磷酸盐
碲化物
硼酸盐
钒酸盐
氟化物
磷酸盐
硅酸盐；
所有所述材料选择地具有：
用于膨胀匹配的填料
碱金属和/或碱土金属
在红外辐射的放射峰值的范围内的掺杂物质，尤其是Fe、Cr、Co、V。
12.根据权利要求9至11任一项所述的穿通件，其特征在于，所述第二玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.2）具有在20°C至300°C范围内的在12×10-6K-1至18×10-6K-1的膨胀系数α2。
13.根据权利要求9至12任一项所述的穿通件，其特征在于，所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料包含第三玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.3），所述第三玻璃材料或玻璃陶瓷材料覆盖所述第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料和/或所述第二玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.1、20.2）并且具有高化学耐受性。
14.根据权利要求13所述的穿通件，其特征在于，所述第三玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.3）为磷酸盐玻璃。
15.根据权利要求9至14任一项所述的穿通件，其特征在于，由至少一种第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料（20.1）和第二玻璃材料（20.2）构成的玻璃材料或玻璃陶瓷材料（10）为多组分玻璃，尤其是玻璃压制件。
16.根据权利要求1至8任一项所述的穿通件，其特征在于，所述玻璃材料包含单一的玻璃组成。
17.根据权利要求16所述的穿通件，其特征在于，所述单一的玻璃组成为磷酸盐玻璃。
18.根据权利要求17所述的穿通件，其特征在于，所述单一的玻璃组成包含如下以摩尔%计的组分：
P2O5     35-50摩尔%，尤其是39-48摩尔%
Al2O3    0-14摩尔%，尤其是2-12摩尔%
B2O3     2-10摩尔%，尤其是4-8摩尔%
Na2O     0-30摩尔%，尤其是0-20摩尔%
M2O      0-20摩尔%，尤其是12-19摩尔%，其中M能是K、Cs、Rb
PbO      0-10摩尔%，尤其是0-9摩尔%
Li2O     0-45摩尔%，尤其是0-40摩尔%，优选17-40摩尔%
BaO      0-20摩尔%，尤其是0-20摩尔%，优选5-20摩尔%
Bi2O3    0-10摩尔%，尤其是1-5摩尔%，优选2-5摩尔%。
19.根据权利要求1至15任一项所述的穿通件，其特征在于，所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料（10）能借助于红外辐射，尤其是IR辐射来加热。
20.根据权利要求19所述的穿通件，其特征在于，所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料（10）包含在红外辐射范围内具有放射峰值的掺杂物质，尤其是Fe、Cr、Co、V。
21.根据权利要求1至20任一项所述的穿通件，其特征在于，所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料（10）能用超声波来焊接。
22.根据权利要求1至21任一项所述的穿通件，其特征在于，在所述开口范围内设置有支撑装置（50）。
23.根据权利要求22所述的穿通件，其特征在于，所述支撑装置（50）包含支撑环（52），其中，所述支撑装置（50）尤其包含由铝、AlSiC或通过压制包覆制成的钢构成的金属部件。
24.根据权利要求1至23任一项所述的穿通件，其特征在于，所述基体通过压铸来制造，其中，所述玻璃材料或玻璃陶瓷材料与所述销状导体熔接，并且然后将带有所述玻璃材料的所述销状导体以所述低熔点材料优选在压铸机中进行包封压注。
25.尤其是根据权利要求1至24任一项所述的穿通件，其具有用于电存储元件，尤其是电池的尤其优选片状金属部件形式的基体（5），其中，所述金属部件能圆地或有角地构造，其中，所述基体（5）具有至少一个开口（7），穿过所述开口至少一个基本上呈销状的导体（3）在玻璃材料或玻璃陶瓷材料中穿过，其特征在于，所述穿通件在1bar压差下具有小于1·10-8mbar ls-1，优选小于1·10-9mbar ls-1的氦泄漏速度。
26.一种尤其用于电存储设备，尤其是电池的壳体，其特征在于，所述壳体具有根据权利要求1至25任一项所述的穿通件。
27.根据权利要求26所述的壳体，其特征在于，所述电池为锂离子电池。
28.一种具有根据权利要求1至25任一项所述的穿通件的存储装置，尤其是电池，优选锂离子电池，优选锂离子蓄电池。
29.根据权利要求28所述的存储装置，其特征在于，所述存储装置，尤其是电池，包含无水电解质，尤其是碳酸盐，优选尤其优选包含碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的具有尤其是LiPF6形式的导电盐的碳酸盐混合物。
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