CN103380096A - 贯通连接元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于导体穿过外壳、特别是电池外壳的外壳部件的贯通连接件的贯通连接元件，其嵌入在玻璃或玻璃陶瓷材料中，并具有至少一个导体、特别是基本上针状的导体和顶件。本发明的特征在于所述顶件的面积、特别是横截面面积大于所述导体、特别是基本上针状的导体的面积、特别是横截面面积，并且所述顶件被体现为能够利用机械上稳定且不可拆卸的连接，连接到特别是由铜、铜合金CuSiC、铝合金AlSiC或铝制成的电极连接元件、特别是电极连接部件。
Description
本发明涉及用于导体穿过外壳、特别是电池外壳的外壳部件的贯通连接件的贯通连接元件，其嵌入在玻璃或玻璃陶瓷材料中。所述贯通连接元件基本上包含针状导体和顶件。
蓄电池、优选为锂离子电池，意在用于各种应用，例如用于便携式电子设备、蜂窝电话、电动工具以及特别是电动车。电池可以替代传统能源，例如铅-酸电池、镍-镉电池或镍-金属氢化物电池。
本发明的电池应该被理解为是在放电后抛弃和/或回收利用的可抛式电池以及蓄电池。
锂离子电池已久为人知。就此而言，参考《电池手册》（Handbookof Batteries），David Linden出版，第二版McGrawhill，1995，第36和39章。
锂离子蓄电池的各种情况描述在大量专利中，例如US961,672、US5,952,126、US5,900,183、US5,874,185、US5,849,434、US5,853,914以及US5,773,959。
锂离子电池、特别是应用于汽车工业的锂离子电池，总体特征为一般串联连接的大量个体电池电芯。串联连接的电池电芯通常合并成所谓的电池组，然后多个电池组成为电池模块，其也被称为锂离子电池。每个个体电池电芯具有被导出电池电芯外壳的电极。
具体来说，在锂离子电池在汽车工业中的应用中，必须解决大量问题，例如耐腐蚀性、事故中的稳定性或抗振性。另一个问题是电池电芯在较长时间段内的气密密封。气密密封可能由于例如电池电芯电极或电池电芯的相应电极贯通连接件区域中的不密封性而受损。这样的不密封性可能由例如温度变化和交替的机械应力例如车辆中的振动或合成材料的老化所引起。电池或者说电池电芯中的短路或温度变化能够引起电池或电池电芯使用寿命缩短。
为了确保在事故中更好的稳定性，在例如DE10105877A1中提出了一种用于锂离子电池的外壳，所述外壳包括在两个侧面上开口并被封闭的金属夹套。电力连接或者说电极由合成材料绝缘。合成材料绝缘的缺点是有限的耐温性、有限的机械稳定性、老化和使用期限中不确定的气密密封。因此，根据本技术领域的当前状态，锂离子电池上的贯通连接件没有被气密密封地整合在锂离子电池的覆盖部件中。此外，在电池或者说电池电芯内部，电极是带有额外绝缘体的弯曲和激光熔焊的连接元件。
根据现有技术状态，锂离子电池的另一个问题是电池电芯占据大量空间，并且由于阻抗损失造成的高电流，快速发生热量和温度变化。
从DE2733948A1可以了解到一种碱性电池，其中利用熔融粘合将绝缘体例如玻璃或陶瓷与金属元件直接连接。
将金属部件中的一个与碱性电池的一个阳极电连接，并将另一个金属部件与碱性电池的一个阴极电连接。在DE2733,948A1中使用的金属是铁或钢。在DE2733948A1中没有描述轻金属例如铝。此外，在DE2733948A1中没有引述玻璃或陶瓷材料的融合温度（Verschmelztemperatur）。在DE2733948A1中描述的碱性电池是具有碱性电解质的电池，根据DE2733948A1，所述电解质含有氢氧化钠或氢氧化钾。在DE2733948A1中，没有提到锂离子电池。
从DE69804378T2或者说EP0885874B1，了解到生产不对称有机羧酸酯和生产用于碱-离子电池的无水有机电解质的方法。在DE69804378T2或者说EP0885874B1中也描述了用于可充电锂离子电芯的电解质。
在DE69923805T2或者说EP0954045B1中，描述了具有提高的电效率的RF贯通连接件。从DE69923805T2或者说EP0954045B1了解到的贯通连接件不是玻璃-金属贯通连接件。在EP0954045B1中，将紧邻例如包装金属壁的内部提供的玻璃-金属贯通连接件描述为是不利的，这是由于玻璃的脆性造成这种类型的RF贯通连接件不耐用。
DE69023071T2或者说EP0412655B1描述了用于电池或其他电化学电芯的玻璃-金属贯通连接件，其中使用了SiO2含量约为45重量%的玻璃，并且使用了含有钼和/或铬和/或镍的金属、特别是合金。在DE69023071T2中也没有充分提到轻金属的使用以及所使用的玻璃的融合温度或粘合温度。根据DE69023071T2或者说EP0412655B1，用于针状导体的材料是含有钼、铌或钽的合金。
从US7,687,200了解到一种用于锂离子电池的玻璃-金属贯通连接件。根据US7,687,200，外壳从高级钢生产，针状导体从铂/铱生产。在US7,687,200中引述的玻璃材料是TA23和CABAL-12玻璃。根据US5,015,530，它们是融合温度为1025℃或800℃的CaO-MgO-Al2O3-B2-O3系统。此外，从US5,015,530了解到用于锂电池的玻璃-金属贯通连接件的玻璃组合物，其含有CaO、Al2O3、-B2O3、SrO和BaO，并且其融合温度在650℃-750℃的范围内，因此对于与轻金属一起使用来说过高。此外，在许多应用中钡是不合乎需要的，因为它被认为是环境有害并对健康有危害的。此外还讨论了锶，其使用在将来也应该避免。
此外，US7,687,200的玻璃组合物在20℃至350℃的温度范围内还具有仅仅α≈9·10-6/K的膨胀系数α。
本发明的目的是提供避免了本技术领域当前状态的问题的贯通连接件。
根据本发明，这一目的通过提供用于导体穿过外壳、特别是电池外壳的外壳部件的贯通连接件的贯通连接元件得以实现，所述贯通连接元件嵌入在玻璃或玻璃陶瓷材料中并具有基本上针状的导体和顶件，其中顶件的尺寸大于基本上针状的导体的尺寸。在具有基本上圆形的横截面的导体上，则顶件的尺寸大于针状导体的直径。这意味着顶件的顶面积大于与顶件相连的针状导体的顶面积。此外，顶件可以被设计成使得它能够与电极连接元件相连。电极连接元件具体来说是由用于阴极的铜或用于阳极的铝构成的元件。顶件与电极连接元件的连接通过机械上稳定的、特别是不可拆卸的电连接来进行。对于这种类型的机械上稳定的、特别是不可拆卸的电连接的提供，是利用熔焊、特别是电激光熔焊、电阻熔焊、电子束熔焊、摩擦熔焊、超声波熔焊、键合、胶合、钎焊、填塞、收缩、压制（Verpressen）、夹紧和压接（Quetschen）使得顶件和电极连接部件材料锁合式（stoffschlüssig）相连。顶件和电极连接部件与贯通连接元件的连接优选地在将包含顶件和针状导体的贯通连接元件插入或装嵌（einglasen）在电池或电池电芯的外壳中之后来进行。当然，也可以在插入或者说装嵌之前，将贯通连接件元件与电极连接元件相连。
本发明的贯通连接元件提供了当在用于电池电芯的外壳中使用时仅需要小的内部空间的贯通连接元件。本发明的贯通连接元件的顶件具有用于电极连接元件连接的非常大的支撑表面。由此在连接区域中获得非常高的稳定性。具体来说，与电极连接元件直接连接到针状导体相比，获得明显更高的抗挠刚度。通过顶件连接电极连接元件的另一个优点在于，与直接与针连接相反，避免了从电池电芯到通过电池电芯外壳的贯通连接件的导电通路中，横截面面积的收缩或者说相当大的变化。横截面收缩特别是在20A至500A的高电流下在作为汽车中的供能者的锂离子蓄电池中引起高的散热量，其可以在电池电芯中引起问题。使用本发明的贯通连接元件的顶件能够避免这样的散热。此外，可以与电极连接元件分开地生产贯通连接元件，从而便于优化电极连接元件和贯通连接元件的独立制造。分开生产的电极贯通连接元件和分开生产的电极连接元件，只在相应的个体制造之后、优选在将贯通连接元件插入或装嵌在外壳部件的开口中之后，才彼此相连。还发现了分开制造电极连接元件和贯通连接元件并将它们随后彼此连接的另一个优点，即可以特异性针对不同元件、特别是针对相应的制造技术来做出材料选择。
使用本发明的技术，免除了惯常与当前使用的电极连接元件一起使用的电池内部的附加绝缘体。
本发明的优选改进提供了被设计成定心元件的顶件，所述定心部件特别是采取基本上针状的导体突出于顶件的延伸部的实施方式。延伸部或者说突出部基本上起到使电极连接部件居中和/或防止与顶件相连的电极连接部件扭曲的作用。此外，带有顶件的贯通连接元件被安排成使得导体横截面在从贯通连接件到电极连接元件的电极接头的整个电流通路上保持基本上相同。这确保了在整个电流通路上不发生如在导体收缩情形中那样的散热。与贯通连接元件连接的电极连接元件优选也是平坦元件，其厚度与所述元件基本上垂直于所述厚度的尺寸相比是小的。元件的厚度为例如0.5mm至5mm。在例如平坦的、基本上圆形的元件上，元件的垂直于厚度的尺寸则为5mm至30mm。
为了也能够使用不由单一金属例如用于阴极的铜或用于阳极的铝构成的电极连接部件，可以提供其他材料的电极连接元件，并随后对它们进行表面处理。例如，可以在表面处理中对电极连接元件的表面进行镀层。可以用Cu、Al、Ni、Au、Pd、Zn、Ag、Au对电极元件进行镀层。也可以使用其他材料，特别是合金，例如铝合金、铜合金、银合金或金合金。
电极元件与贯通连接元件的牢固连接通过熔焊、钎焊、压制、填塞、翻边、收缩、夹紧或压接来实现。在熔焊、特别是激光熔焊、电阻熔焊、超声波熔焊、摩擦熔焊或电子束熔焊的帮助下产生连接，是特别优选的。
用于针状导体的材料具体来说是铜、铜合金、铝或铝合金。然而，其他材料例如NiFe、铜芯即带有铜内部的NiFe夹套以及钴铁合金、铝合金、镁或镁合金以及银、银合金、金或金合金，也可用于针状导体。
为了避免电极连接元件在安装到外壳中时弯曲并因此防止短路，可以提供具有加固轮廓的电极元件。
在本发明的第一实施方式中，尺寸、即顶件的面积被选择成使得它们覆盖至少一个贯通连接开口，例如原位带有玻璃或玻璃陶瓷材料的电池外壳的贯通连接开口。作为选项，也可以提供突出到玻璃或玻璃陶瓷材料上的顶部形式，以便为电极连接元件提供更多的连接选项。电极连接元件与顶部形式的连接通过熔焊特别是激光熔焊、电阻熔焊、电子束熔焊、超声波熔焊、摩擦熔焊、粘合、胶合、钎焊、填塞、收缩、压制、夹紧和压接来进行。
除了贯通连接元件之外，在本发明中还提到了生产这样的贯通连接元件的方法，其中首先提供包含基本上针状的导体和顶件的贯通连接元件。在独立的制造过程中提供电极连接元件，并且在贯通连接元件和电极连接元件的分开生产后，将电极连接元件与贯通连接元件机械上稳定、不可拆卸并具有良好导电性地连接，特别是在顶部元件的区域中。这样的连接可以通过熔焊、特别是激光熔焊、电阻熔焊、电子束熔焊或钎焊提供，但是也可以通过填塞、收缩、压制、夹紧和压接提供。
良好的电导率是指例如由带有顶部元件的针状导体和与所述带有顶部元件的导体连接的电极连接元件构成的完整元件的电导率大于10·106S/m，特别是大于15·106S/m，特别优选地大于25·106S/m或相应地优选在10·106S/m至50·106S/m的范围内。
为了在贯通连接元件与电极连接元件之间产生最优连接，可能必需对这种类型的连接进行特定表面处理，例如用金属镀层。例如，如果电极连接元件的材料不是铜或铝，可以用Cu、Al进行镀层。导体的材料或者说贯通连接元件的针的材料或者说整个贯通连接元件的材料，优选也可以是铜、铝，但是还可以是铜芯，其是具有铜内部的NiFe夹套，或CF25、换句话说钴铁合金，银、银合金、金或金合金。
特别优选地，贯通连接元件以及电极连接元件的材料包括相同材料，例如铜或铝。在这里，铜用作阴极，铝用作阳极。
作为用于导体的铝或者说铝合金，优选地使用下列材料：
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。
作为特别是用于导体的铜，优选地使用下列材料：
Cu-PHC2.0070
Cu-OF2.0070
Cu-ETP2.0065
Cu-HCP2.0070
Cu-DHP2.0090
优选地获得电极连接元件与贯通连接元件的可简化的连接，例如其中将电极连接元件提供有定心选项例如定心开口或防扭转部，并且贯通连接元件的顶件提供有延伸部或突出部，其例如啮合在电极连接元件的定心开口中。
可以提供本发明的一种特别有利的实施方式，其中将贯通连接元件装嵌到基体内的玻璃或玻璃陶瓷材料中，随后将所述基体插入到外壳元件的开口中，并在插入后将贯通连接元件与电极连接元件相连。基体在设计上优选为环形，取决于基体所容纳的针的形状，具有圆形但是也可以是椭圆形的开口。基体优选由轻金属构成，例如铝、铝合金、镁或镁合金、钛或钛合金。然而，基体也可以包含高级钢、钢、不锈钢或工具钢。
或者，贯通连接元件也可以直接装嵌在外壳元件、特别是电池外壳的外壳元件的开口中，并随后与电极连接元件相连。装嵌在基体中而不是直接装嵌在外壳部件、例如顶盖部件中的实施方式具有几个优点。在利用附加的、其中装嵌有针状导体材料的基体穿过外壳部件进行贯通连接的排列方式中，可以预先制造贯通连接件，换句话说可以将针材料装嵌在基体中，随后将其安装在外壳元件、特别是电池电芯中。因此，可以将基体针对相应的制造技术和贯通连接件的形状以及外壳的制造技术和形状进行优化。特别是由于预先制造，可以使用与直接装嵌在外壳元件中的情况相比明显更小的加热装置，因为不需将整个外壳元件在例如烤箱中加热，而是只需对具有明显更小尺寸的基体进行加热。此外，这种类型的可以预先制造由基体和导体、特别是基本上针状的导体构成的贯通连接件的设计，使得在例如单步过程中，利用例如外壳元件的应变硬化选择方案将贯通连接件高成本效益地整合在外壳元件的开口中，成为可能。事实上，这意味着首先利用例如冲压在外壳元件例如在开口的顶盖中加工出开口。由于未被加热，外壳是应变硬化的。与此相反，基体是软的，因为在针状导体与玻璃或玻璃陶瓷材料的装嵌期间它被加热。通过这种方式，可以生产结构上稳定的电池电芯外壳、特别是在贯通连接件的区域中，这是因为与例如直接装嵌在外壳元件中相反，在外壳元件、特别是顶盖中不发生应变硬化损失。另一个优点是，与其中发生针状导体的装嵌的基体相比，外壳部件的材料强度可以被选择成明显更低。例如，外壳元件的材料强度可以为1.5mm以下，而由于材料原因，基体具有2.0mm、特别是3.0mm以上的厚度。外壳或相应外壳元件的材料厚度优选地在1mm至3mm之间，优选地在1.5mm至3mm之间。基体的厚度在2mm至6mm之间，优选地在2.5mm至5mm之间。因此，基体的厚度总是适应于其中放置有贯通连接件的外壳或外壳元件、特别是电池顶盖的材料厚度。相比而言，在直接装嵌的情况下，需要不必要大的材料厚度。外壳元件的材料优选为金属，例如高级钢、普通钢或工具钢，然而特别优选为轻金属，例如铝、AlSiC、铝合金、镁或镁合金。钛和/或钛合金例如Ti6246和/或Ti6242可用于电池外壳以及基体。钛是被身体良好耐受的材料，因此它可用于医疗应用例如假体中。由于其强度、耐受性和低重量，它的使用在特殊应用例如航空航天应用中也是有利的。
用于基体和/或外壳的具体标准钢是St35、St37或St38。特别优选的高级钢例如是X12CrMoS17、X5CrNi1810、XCrNiS189、X2CrNi1911、X12CrNi177、X5CrNiMo17-12-2、X6CrNiMoTi17-12-2、X6CrNiTi1810和X15CrNiSi25-20、X10CrNi1808、X2CrNiMo17-12-2、X6CrNiMoTi17-12-2，但是特别是根据Euro-Norm（EN）具有材料等级号（WNr.）1.4301、1.4302、1.4303、1.4304、1.4305、1.4306以及1.4307的高级钢。这些高级钢的特征在于它们的有效熔焊性能以及深冲性质。
切削钢、例如材料编号（WNr.）为1.0718的具有适合的膨胀系数并可以通过车削加工的切削钢，或建筑钢、例如材料编号（WNr.）为1.0338的可以通过冲压加工的建筑钢，可用于外壳和/或基体。
除了贯通连接元件和生产贯通连接元件的方法之外，本发明还提供了一种外壳，特别是用于锂离子电池或者说锂离子电池的电池电芯的外壳，其具有贯通连接元件，所述贯通连接元件具有带有顶件的至少一个基本上针状的导体。贯通连接元件被装嵌在外壳、特别是电池外壳或者说电池电芯外壳的至少一个开口中，并嵌入在玻璃或玻璃陶瓷材料中。对适合的玻璃的要求一般是它们提供足够的绝缘性、足够的抗张和抗压机械强度、高扭矩和挠曲力矩、高温耐受性和化学耐受性。
除了贯通连接件之外，本发明还提供了储能装置、特别是电池、优选为电池电芯，特别是带有包含本发明的贯通连接件的电池电芯外壳的上述装置。电池电芯外壳优选由与基体相同的材料、特别是轻金属构成。电池优选为锂离子电池。锂离子电池优选地使用非水性电解质，特别是基于碳酸酯的，优选为碳酸酯混合物。碳酸酯混合物可以包含与碳酸二甲酯混合的碳酸乙烯酯，并具有导电盐例如LiPF6。
除了直接装嵌在电池外壳或者说电池电芯外壳元件的开口中以外，也可以设想首先将贯通连接元件装嵌在基体中，然后再将该基体插入到外壳元件的开口中。基体优选为环形基体，特别是由铝构成。贯通连接元件与基体的融合（Verschmelzen）、特别是在针状导体的区域中与基体的融合所提供的优点在于可以首先进行针状导体与基体的装嵌，随后将带有基体的贯通连接元件高成本效益地置于外壳部件的开口中，例如在单步过程中，利用例如外壳元件的应变硬化选择方案。事实上，这意味着首先利用例如冲压在外壳元件例如在顶盖中加工出开口。由于未被加热，外壳是应变硬化的。与此相反，基体是软的，因为在针状导体与玻璃或玻璃陶瓷材料的装嵌期间它被加热。通过这种方式，可以生产结构上稳定的电池电芯外壳、特别是在贯通连接件的区域中。另一个优点是，用于基体和外壳部件或者说外壳元件的材料可以被选择成彼此不同，特别是在材料质量和合金的选择方面。可以利用熔焊、钎焊、压入、卷边包入或缩入（Einschrumpfen）将贯通连接件与外壳元件中的基体气密密封地连接。当例如利用熔焊将贯通连接件与外壳元件连接时，小心保持尽可能低的温度输入，以避免对玻璃或玻璃陶瓷材料的损坏。在本申请中，“气密密封”是指氦气泄漏率低于1·10-8mbar l/sec。与现有技术状态中必须在多步过程中为贯通连接提供塑料密封相反，本发明的贯通连接元件与外壳元件的气密密封连接可以在单一的简单过程步骤中产生。
此外，基体也可以根据外壳元件的材料进行选择，只要顾及到边缘设计以及材料硬度两者，特别是也顾及到外壳封闭的方法即可。如果电池电芯的外壳由例如铝构成，则基体的材料也可以被选择成铝。
此外，除了贯通连接件之外，还可以在外壳元件中引入其他功能，例如安全阀和/或电池装填开口。
特别有利的是，在本发明的第一设计变化形式中，导体、特别是基本上针状的导体包括金属、特别是轻金属例如铝、AlSiC、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、银、金、银合金或金合金作为其材料。对于针状导体来说，使用铜（Cu）或铜合金，特别是如果针状导体连接到电化学电芯或者说电池电芯的阴极的话，并且如果针状导体连接到阳极，使用铝（Al）或铝合金。用于针状导体的其他材料可以是CuSiC、AlSiC、NiFe、作为具有内部铜部分的NiFe夹套的铜芯、铝合金、镁合金、镁、银、银合金、金、金合金以及钴铁合金。
用于基体的材料优选还包括金属例如钢、不锈钢、高级钢，优选为轻金属，特别是钛、钛合金、铝、铝合金、镁或镁合金，但不限于此。
在本申请中，比重小于5.0kg/dm3的金属被理解为是轻金属。具体来说，轻金属的比重在1.0kg/dm3至3.0kg/dm3的范围内。
如果另外使用轻金属作为导体、例如针状导体或电极连接元件的材料，则所述轻金属的另一个突出特征是电导率在5·106S/m至50·10-6S/m的范围内。此外，当在压力收嵌式贯通连接件（Druckglasdurchführung）中使用时，轻金属的20℃至350℃范围内的膨胀系数α在18·10-6/K至30·10-6/K的范围内。
轻金属一般具有350℃至800℃范围内的熔化温度。
在本发明中，“贯通连接元件”应该被理解为是作为导体穿过外壳的电贯通连接件的一部分的元件。贯通连接元件可以包括导体和顶件。在特定排列方式中，贯通连接件除了贯通连接元件外还包括基体，贯通连接元件的至少针状导体被装嵌在其中，嵌入在玻璃或玻璃陶瓷材料中。带有装嵌的贯通连接元件的基体可以作为一个整体插入在电池电芯的外壳部件中的开口中，由此构成贯通连接件。或者，也还可以将嵌入在玻璃或玻璃陶瓷材料中的贯通连接元件直接装嵌在外壳部件的开口中。贯通连接元件和周围的玻璃或玻璃陶瓷材料于是构成贯通连接件。
基体优选采取环形基体的实施方式，优选采取圆形，但是也可以是椭圆形。当外壳元件、特别是贯通连接元件本身和/或由贯通连接元件和基体构成的贯通连接件被整合在其开口中的电池电芯的顶盖部分具有细长形状时，并且在开口中的玻璃或者说玻璃陶瓷材料被完全整合在基体与针状导体之间或外壳部件或者说外壳元件与基体和针状导体之间时，椭圆形状是特别优选的，所述玻璃或者说玻璃陶瓷材料被用于引导针状导体通过外壳元件。带有基体的排列方式允许预先制造由带有基本针状的导体的贯通连接元件和基本上环形的基体构成的贯通连接件。
用于装嵌基本上针状的导体的玻璃或玻璃陶瓷材料优选是具有比外壳元件或基体和/或基本上针状的导体的熔化温度更低的融合温度的这样的材料。特别优选的是具有低融合温度的玻璃或玻璃陶瓷组合物，优选为包含下列组分的组合物：
其中M=K，可以是Cs、Rb
特别优选的是以mol-%计包括下列组分的组合物：
上面列出的玻璃组合物的特征，不仅在于低的融合温度和低的Tg，而且在于它们对电池电解质具有足够耐受性，就此而言确保了所需的长期耐用性。
上面列出的玻璃材料是稳定的磷酸盐玻璃，其也被称为碱-磷酸盐玻璃，明显具有低的总碱含量。
由于磷酸盐玻璃通常高的结晶稳定性，确保了即使在低于600℃的温度下玻璃的熔化一般也不受阻碍。这允许将大多数列出的玻璃组合物用作玻璃焊料，这是由于即使在低于600℃的温度下玻璃组合物的熔化一般也不受阻碍。
上述玻璃组合物含有整合在玻璃结构中的Li。因此，所述玻璃组合物特别适合于Li-离子储能装置，所述装置包含基于Li的电解质例如1M的LiPF6溶液，所述溶液包含碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的1:1混合物。
特别优选的是低钠或者说无钠玻璃组合物，这是由于碱离子的扩散以Na+>K+>Cs+的顺序发生，并且因此低钠玻璃或者说无钠玻璃对电解质、特别是在Li离子储能装置中使用的电解质特别耐受。
本发明的玻璃组合物对电池电解质的耐受性，可以通过下述方式来证实，其中将采取玻璃粉形式的玻璃组合物碾磨至d50=10μm的粒度，并在电解质中储存预定时间长度例如一周。d50是指玻璃粉的所有粒子或颗粒的50%具有小于或等于10μm的直径。使用例如比例为1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的碳酸酯混合物作为非水性电解质，使用1M的LiPF6作为导电盐。在将玻璃粉暴露于电解质后，可以将玻璃粉过滤掉，并检测电解质中从玻璃沥滤出的玻璃元素。在本文中证明，使用上述组成范围内的磷酸盐玻璃，这样的沥滤令人吃惊地仅以低于20质量百分数的有限程度发生；并且在特定情况下获得质量百分数小于5的沥滤。此外，这样的玻璃组合物具有大于14·10-6/K、特别是在15·10-6/K与25·10-6/K之间的20℃至350℃热膨胀系数α。可以看出，上面提到的玻璃组合物的另一个优点在于，在不是惰性气体气氛的气态气氛中，玻璃与周围轻金属或者说导体金属的融合也是可能的。与以前使用的方法相反，对于Al融合来说，真空也不再是必需的。这种融合类型宁可在大气条件下发生。对于两种融合类型来说，可以使用N2或Ar作为惰性气体。作为融合的预处理，对金属、特别是轻金属进行清洁和/或浸蚀，并且如果需要的话，进行定点氧化或涂层。在所述过程中，以0.1至30K/分钟的加热速率和1至60分钟的停留时间使用300至600℃之间的温度。
融合温度可以例如通过如R.
K.J.Leers:Keram.Z.48（1996）300-305中所述或按照DIN51730、ISO540或CEN/TS15404和15370-1所述的半球温度来确定，所述文献的公开内容在本专利申请中以其全文引为参考。半球温度的测量详细描述在DE102009011182A1中，其公开内容在本专利申请中以其全文引为参考。根据DE102009011182A1，半球温度可以使用阶段升温显微镜，在显微镜方法中测定。它鉴定原始的圆柱状测试体熔化成半球形物质时的温度。正如可以从适合的技术文献中得知的，可以将接近logη=4.6dPas的粘度指派给半球温度。如果将采取例如玻璃粉形式的无结晶玻璃熔化然后冷却以使其固化，那么它一般可以在相同的熔化温度下再次熔化。对于与无结晶玻璃的粘合连接来说，这意味着粘合连接所连续经受的操作温度可能不高于融合温度。一般来说，在本申请中使用的玻璃组合物通常由玻璃粉制成，其被熔化并在热的影响下提供与待连接元件的粘合连接。一般来说，融合温度或熔化温度与玻璃的所谓半球温度的水平相一致。具有低融合温度或者说熔化温度的玻璃，也被称为玻璃焊料。在这种情况下，人们称呼钎焊温度来代替融合或熔化温度。融合温度或者说钎焊温度可以偏离半球温度±20K。
如果电池电芯的外壳部件或者说外壳元件或者说电池电芯外壳具有外侧和内侧，并且贯通连接元件或带有贯通连接元件和基体的贯通连接件利用特别是例如翻边、熔焊、压制、钎焊或收缩与外壳部件的内侧或外侧相连，将是特别优选的。
在贯通连接件的可选设计形式中，将导体、特别是具有顶件的针状导体装嵌在外壳、特别是电池电芯外壳的开口中，其方式使得顶件与电池外壳的外侧相连。顶件在外侧上的排列方式起到加固的作用并增加稳定性，特别是在薄壁电池外壳上。在装嵌后的其他过程步骤中，将附接件连接到带有基本上针状的导体的电池外壳的内侧上。在附接件与电池外壳的内侧之间，可以提供用于稳定的支撑盘。附接件可以与突出到内侧中的基本上针状的导体熔焊或钎焊在一起。附接件起到与电池电芯的电极相连的作用，但是它也可以起到电池电芯之间的接触点的作用。
加固电池外壳的另一种选择方案是提供外环，其例如通过熔焊与电池外壳的外侧相连。在将外环安装到电池外壳或者说电池顶盖的外侧之后，将基本上针状的导体装嵌。这一程序提供的优点在于，在将基本上针状的导体焊入电池外壳或者说顶盖中的期间避免了不密封性。或者，可以将电池外壳提供成一件式元件，由此提高电池外壳在进行装嵌的区域中的强度，其中电池电芯的材料通过例如冲压来转化。
为电池外壳提供的电池电芯特别优选为锂离子电池。电池电芯的外壳元件优选由具有低熔点的轻金属、优选为铝、铝合金、镁、镁合金、钛、钛合金或钢、高级钢、特别是不锈钢或AlSiC构成。
下面参考设计实例和附图对本发明进行描述，但本发明不限于此：
图1是根据本发明的第一设计变化形式，本发明的带有连接到贯通连接元件的电极连接元件的贯通连接元件的第一排列方式；
图2是根据本发明的第二设计变化形式，带有电极连接元件的贯通连接元件；
图3a-3c是在带有基体的第一设计变化形式中，不带有电极连接元件的贯通连接元件；
图4a-4b是在本发明的第二设计变化形式中，不带有电极连接元件并带有基体的贯通连接元件；
图5a-5b是在本发明的第三设计变化形式中，不带有连接元件并带有基体的贯通连接元件；
Fig.6a-6b是具有电池电芯外壳和贯通连接件的电池电芯，所述贯通连接件具有不带有顶件并具有电极连接元件的贯通连接元件；
图7a-7b是具有电池电芯外壳和贯通连接件的电池电芯，所述贯通连接件具有带有本发明的顶件并具有电极连接元件的贯通连接元件；
图8a-8d是带有/不带有电极连接元件并带有/不带有外环的贯通连接元件。
图1示出了贯通连接元件1的第一设计变化形式，其带有与贯通连接元件1相连的电极连接元件10。电极连接元件10还与形成了电化学电芯或者说电池电芯的阴极或阳极的电极20相连。贯通连接元件包含基本上针状的导体3以及顶件5。贯通连接元件的顶件5具有厚度D以及基本上垂直于厚度D的尺寸A1。正如可以在图1中看到的，垂直于元件5的厚度D的尺寸A1明显更大，换句话说，顶部元件5或者说顶件5是基本上平坦的元件。与顶件相连的基本上针状的导体的尺寸A2小于顶件的尺寸A1。尺寸A2优选为基本上圆形的针状导体2的直径。由于尺寸A1大于基本上针状的导体的尺寸A2，因此针状导体3的顶件5突出到顶件5之外。如果顶件5也是基本上圆形的，则顶件5的面积总是大于针状导体3的面积。顶件5被设计成使得它可以与电极连接元件10连接，形成机械上稳定的、不可拆卸的连接。在图1中示出的排列方式中，电极连接部件被提供有冲压加固件12。然而，电极连接部件的区域14与顶件贴合。在区域14中，电极连接元件与贯通连接元件的顶件机械上稳定地、不可拆卸地并具有良好导电性地相连。在图1中示出的设计变化形式中，电极连接部件10与贯通连接元件的顶件5的机械上稳定、不可拆卸并具有良好导电性的连接，是通过激光熔焊、卷边或填塞形成的。为了将电极连接部件10与贯通连接元件的顶件5相连，除了顶件和基本上针状的导体之外，贯通连接元件1还包括突出到顶件5之外的延伸部30，其啮合在例如电极连接元件20的定心开口32中，以便在定心开口32和延伸部30的基础上为电极连接部件提供定心可能性。为此目的，延伸部即可以实施成圆形也可以实施成非圆形的。除了提供定心可能性之外，延伸部的排列方式还提供了防扭转性。在延伸部和定心开口不是圆形而是例如椭圆形时，正是这种情况。
正如可以在图1中看到的，电极连接元件具有尺寸A3，其与电极连接元件20的宽度基本上一致。这种方式确保了对于从电池电芯至电极连接的整个电流通路来说，能够获得基本上均匀的电缆横截面，使得在整个电缆通路中不发生散热。
在贯通连接件在外壳部件中的安装期间，电极连接部件20的冲压加固件12防止弯曲，并因此防止短路。
为了获得电极连接部件10与顶件5的最优连接，可以为电极连接部件提供例如由铜或铝构成的表面涂层。其他涂层材料例如Ag、Ni、Au、Pd和Zn也是可能的。银或金合金也是可能的。电极本身可以由任何所需材料构成，特别是金属，优选为轻金属，例如铝、铝合金、镁或镁合金。
如果电极连接元件10和贯通连接元件在分开的过程中生产，是特别优选的。这允许在材料选择以及生产方法方面进行最适过程控制。电极连接元件与贯通连接元件的顶件之间的连接，只在随后通过例如连接方法例如激光熔焊、超声波熔焊、粘合、摩擦熔焊、填塞、卷边、电阻熔焊或钎焊来建立。
正如可以在图1中看到的，所描述的具有电极连接元件的贯通连接元件的特点在于非常平坦的设计，其仅占据电池电芯内非常小的空间。这在图7a至7b中详细示出。使用本发明的排列方式能够实现使得电池的内部空间中的或者说电池电芯内部空间中的元件彼此绝缘。
图2示出了本发明的一种排列方式，其中电极连接部件110的特点在于单独的设计，并且在例如区域140中提供了与电池的电化学电芯的单独的阳极连接或者说阴极连接。在单独的阳极连接或者说阴极连接140的区域中，表面142.1、142.2可以任选通过例如施加材料、特别是Cu或Al进行处理。如果区域140连接到电化学电芯的阴极，一般使用Cu，如果区域140连接到阳极，则使用Al。铝或其他良好的绝缘材料，可以用作无涂层电极连接元件110的基材。可以清楚地看到，在图2的排列方式中，电极连接元件110的尺寸A3伸出到贯通连接元件100的顶件105的尺寸A1之外。在图2的排列方式中，与图1中一致的元件用增加100的参比数字标明。贯通连接元件同样包括基本上针状的导体103以及顶件105，其中顶件同样具有厚度D。在图2的排列方式中，同样在电极连接元件中提供有基本上圆形的定心钻孔132，并且贯通连接元件包含啮合在电极连接部件的基本上圆形的定心钻孔中的延伸部130。用于电极连接元件110的材料可以是例如铜或铝。提供良好导电性的其他材料也是可能的。铜或铝也可用于导体、特别是基本上针状的导体103以及顶件105和延伸部130。其他可能的材料是CuSiC、AlSiC、NiFe、作为具有铜内部部分的NiFe夹套的铜芯、铝合金、镁、镁合金、铜合金、银、银合金、金、金合金以及钴铁合金。顶件105和延伸部130优选地是基本上圆形的元件。相反，电极连接元件110优选为矩形，因此单个阳极/阴极连接总是提供在边缘处。电极连接元件可以提供有冲压加固件。延伸部的形状也可以不是圆形，并且因此呈现出防扭转性。
特别有利情况下，贯通连接元件不是直接装嵌在外壳开口中，而是在插入开口中之前装嵌在基体中。因此，贯通连接件由贯通连接元件、玻璃或玻璃陶瓷材料和基体构成。
图3a-5b示出了贯通连接元件201、301在基体200、300中的装嵌，产生了贯通连接件1000，其可以被置于外壳元件（参见图6a-7b）、例如电池外壳或者说电池电芯外壳中的开口（参见图6a-7b）中。如图3a-5b中所示的装嵌在基体中，与直接装嵌在开口中相比，具有可以进行预先组装的优点。换句话说，贯通连接元件在基体中的装嵌，可以在将贯通连接件插入外壳部件、特别是电池电芯外壳中的开口中之前进行。在图6a-7b中示出的电池电芯外壳是用于电池电芯、特别是锂离子电池的外壳。
容纳贯通连接元件201的基本上针状的导体203的基体200，优选是基本上环形的。基体200的材料优选为金属、特别是轻金属例如铝、AlSiC，但是也可以是钢、不锈钢例如高级钢。铝合金、镁、镁合金、钛合金或钛也是可能的。为了提供导体、特别是基本上针状的导体203通过基体200并因此通过外壳部件中的开口的气密贯通连接件，将导体、特别是针状导体203融入玻璃或玻璃陶瓷材料的玻璃塞中，换句话说，基体200和基本上针状的导体203与玻璃或玻璃陶瓷材料280融合。玻璃或玻璃陶瓷材料的融合温度优选比基体200或其中加工出开口的外壳部件（未示出）和/或针状导体的材料的熔化温度低20K至100K。如果基体200由具有低熔点的金属、特别是轻金属、优选为铝、铝合金、镁、镁合金、钛、钛合金或AlSiC构成，则优选地使用通过其引导导体并包含以mol.-%计的下列组分的玻璃材料：
其中M=K，可以是Cs、Rb
在特别优选的设计变化形式中，玻璃组合物包含以mol.-%计的下列组分：
下面，在表1中示出了用于上述玻璃组合物的8种设计实例：
表1：
设计实例
上述特定玻璃组合物的特征在于，玻璃材料具有大于15×10-6K-1范围内、优选在15×10-6K-1至25×10-6K-1范围内的非常高的热膨胀系数α（20℃和300℃），并因此在轻金属例如铝以及用于被引导通过玻璃材料的基本上针状的导体203的类似金属、即例如铜的热膨胀系数的范围内。在室温下，铝具有α=23×10-6/K，铜具有16.5×10-6/K的热膨胀系数。为了避免在装嵌过程期间基体的轻金属以及可能的金属针的熔化或变形，玻璃材料的熔化温度低于基体和/或导体的材料的熔化温度。因此，列出的玻璃组合物的融合温度在250℃至650℃的范围内。在将贯通连接件插入开口（未示出）中之前实现了将基本上针状的导体203装嵌在基体200中，其中将玻璃与导体、特别是针状导体一起加热至玻璃的融合温度，以使玻璃材料软化并围绕针状导体，并与基体200贴合。如果如上所述使用熔点T熔化=660.32℃的铝作为轻质材料，则玻璃材料的融合温度如上所述优选地在350℃至640℃的范围内。针状导体203的材料优选与基体的材料一致，其优点在于基体和金属针的膨胀系数一致。玻璃或玻璃陶瓷材料在20℃至300℃范围内的膨胀系数α可以适应于所述材料，于是不存在压力收嵌式贯通连接件，或者它可以具有不同于基体或者说针状导体的另一种膨胀系数α，于是存在压力收嵌式贯通连接件。压力收嵌式贯通连接件的优点是对于贯通连接元件来说更高的分离力。可选地，针状导体可以包含铜、CuSiC合金或NiFe合金。
玻璃或玻璃陶瓷的融合温度被理解为是玻璃材料软化并随后紧密贴合于待与之融合的金属，以便在玻璃或玻璃陶瓷与金属之间获得粘合连接时玻璃或玻璃陶瓷的温度。
融合温度可以例如通过半球温度来确定，如在R.
K.J.Leers:Keram.Z.48（1996）300-305中所述或按照DIN51730、ISO540或CEN/TS15404和15370-1，它们的公开内容在本专利申请中以其全文引为参考。在DE102009011182A1中详细描述了半球温度的测量，其公开内容在本专利申请中以其全文引为参考。
从DE102009011182A1了解到的可以用作玻璃焊料的玻璃组合物适合于高温应用，例如燃料电池。
上面提到的磷酸盐玻璃组合物具有最高45mol-%、特别是35mol-%的Li份额。令人吃惊的是，这些玻璃组合物是结晶稳定的，意味着它们不显示出有害的结晶或显著的结晶。
前面提到的玻璃组合物含有整合在玻璃结构中的Li。因此，玻璃组合物特别适合于Li-离子储能装置，所述装置包含基于Li的电解质例如1M的LiPF6溶液，所述溶液包含碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的1:1混合物。
特别优选的是低钠或者说无钠玻璃组合物，这是由于碱离子的扩散以Na+>K+>Cs+的顺序发生，并且因此具有最高20mol-%Na2O的低钠玻璃或者说无钠玻璃对电解质、特别是在Li离子储能装置中使用的电解质特别耐受。特别优选的是除了污染物之外不含铅的玻璃，这意味着它们包含少于100ppm、优选少于10ppm、特别是少于1ppm的铅。
前面提到的玻璃组合物在20℃至350℃范围内具有大于14·10-6/K、特别是在15·10-6/K与25·10-6/K之间的热膨胀系数α。玻璃组合物的另一个优点在于，在不是惰性气体气氛的气态气氛中，玻璃与周围轻金属或者说特别是采取金属针的实施方式的导体金属的融合也是可能的。与以前使用的方法相反，对于Al融合来说，真空也不再是必需的。这种融合类型宁可在大气条件下发生。对于两种融合类型来说，可以使用N2或Ar作为惰性气体。作为融合的预处理，对金属进行清洁和/或浸蚀，并且如果需要的话进行定点氧化或涂层。在所述过程中，以0.1至30K/分钟的加热速率和1至60分钟的停留时间使用300至600℃之间的温度。
其中插入有前述图中所示的贯通连接件或者说贯通连接元件的外壳部件，优选也从铝生产。外壳部件具有外侧和内侧。外侧的特征在于它从电池电芯向外延伸；内侧的特征在于它在例如锂离子蓄电池的情况下朝向电池电芯的电解质延伸。这示出在图6a-7b中。
在锂离子电池的情况下，通常使用非水性电解质，其通常由碳酸酯构成，优选为碳酸酯混合物，例如碳酸乙烯酯与碳酸二甲酯的混合物，其中腐蚀性非水性电池电极包含导电盐，例如采取1M溶液形式的导电盐LiPF6。
图3a-5b中示出的贯通连接元件201、301具有图1a-2b的基本上针状的导体203以及顶件205，其中顶件205的尺寸A1大于基本上针状的导体203的尺寸A2。顶件205被设计成使其可以如图1a至1b中所示与电极连接部件相连；具体来说，它被提供有可以作为用于电极连接部件的定心部件的延伸部230。在安装到外壳部件的开口中之后，可以附连到顶件205的电极连接部件（在图1a至2b中示出）被定向为朝向内侧，所述内侧朝向电池电芯的电解质。这示出在图7a-7b中。在图3a至5b的排列方式中，装嵌不仅可以在针状导体203与基体200之间发生，所述针状导体进而可以通过环形基体200插入到外壳部件中，而且玻璃材料或者说玻璃陶瓷材料280也可以被引入在基体200与顶件205之间。这对于电极连接元件的稳定来说是有利的。
延伸部230伸出到顶件203之外，例如伸出到电池电芯的内部中（如图7a-7b中所示），由此延伸部230可用于使电极连接部件居中（如图1a至2b中所示）。导体的延伸部230总是圆形的，不论基本上针状的导体203的形状如何，其可以是例如椭圆形或圆形的。
环形基体200可以呈现出不同形状，例如图3a至3c中示出的椭圆形外形290，因此在导体被引导通过椭圆形基体的区域中、也就是区域211中，导体优选也可以是椭圆形的。然而，在图3c的顶视图中示出的延伸部230的顶视图中，显示出它是圆形的，用于电极连接部件的连接。
作为环形基体的椭圆形设计形式的可选方案—其对于窄的电池顶盖特别有利—可以将针状导体以及延伸部和基体设计成环形的。
带有环形针状导体的环形基体示出在图4a至4b中。与图3a至3c中所示相同的元件，用参比数字加上100来标明。在图4a至4c中，针状导体用例如参比数字303标出，顶件用305并且环形基体用300标出。环形外部形状用390标出，并且区域、即其中导体被引导通过基体的区域，用311标出。
为了将其他连接部件或连接元件连接到电极，在图5a至5b的排列方式中提供的是，使顶件405的顶面积F顶件伸展越过开口的直径。由于可从两侧进入，除了之前描述的连接方法之外，顶件405的伸展部允许利用贯通熔焊、电阻熔焊或铆接来连接连接元件。在图5a中，可以清楚地看到贯通连接件元件的发明特征，特别是顶件405的面积（F顶件）大于针状导体403的面积（F导体）。由于在图5a的排列方式中针状导体403的延伸部430的尺寸和形状相对应，因此在顶视图中示出的延伸部430的横截面面积与针状导体的面积相一致。与图3a至3c中示出的元件相同的元件用参比数字增加200来标明，换句话说，针状导体用参比数字403标出，环形基体用400标出。优选地在如上所述可以从伸展部的两侧接近的基础上，在顶件的伸展部上，电极连接部件可以例如通过图2a至2b中示出的电阻熔焊或铆接来附接。
然而，与图3a-5b中示出的基体200、300、400作为基体环的排列方式相反，它也可以采取锥形环（未示出）的形式，所述锥形环被插入到外壳部件中的锥形前进的开口中。贯通连接件之间的连接，同样在锥形开口的侧壁与锥形基体之间通过例如熔焊、钎焊、卷边包入或缩入来进行。然而，也可以将基本上锥形前进的环形基体压入到外壳部件或者说外壳元件中的锥形开口中。由于开口以及基体的锥形形式，避免了贯通连接件在外壳部件的外侧方向上的相对移动，这是因为锥形钻孔和锥形基体起到倒钩的作用，并且向外侧方向上的相对移动导致贯通连接件的基体与开口的侧壁之间的形状锁合（Formschluss）。
具有锥形基体的排列方式的一个优点在于，即使在贯通连接件上的载荷、例如压力载荷增加的情况下，也有把握避免将带有金属针的贯通连接件推出贯通连接件开口。如果通过简单的制造方法例如冲压将开口引入外壳部件中，将是特别优选的。
图6a-7b示出了带有插入的贯通连接件的完整的电池电芯。
图6a-6b示出了本发明的一种实施方式，其中贯通连接元件未装备有顶件。与此相反，图7a-7b示出了具有外壳和位于其中的贯通连接件的电池或者说电池电芯，其中贯通连接元件装备有本发明的顶件。
图6a示出了电池电芯1000的主要设计。
电池电芯1000包含外壳1100，其具有侧壁1110和顶盖部件1120。在外壳1100的顶盖部件1130中，通过例如冲压产生开口1130.1、1130.2。贯通连接件1140、1140.2同样插入在两个开口1130.1、1130.2中。
图6b示出了具有开口1130.1并在其中插入有贯通连接件1140.1的电池顶盖1120的详细断面。
贯通连接件1140.1包含针状导体2003以及基体2200。将不具有顶件的针状导体2003用玻璃或玻璃陶瓷材料2280装嵌在基体2200中。在已经用玻璃或玻璃陶瓷材料2280装嵌在基体2200中之后，将针状导体2003插入到开口1130.1中成为完整元件，例如在其中将优选由铝构成的贯通连接件的基体2200，通过例如熔焊与由铝构成的应变硬化的顶盖部件1120连接。由于这种装嵌，优选地只有基体2200被软化。
在针状导体上提供有凹陷部2002，电极连接部件2020插入在其中。电极连接元件同样起到电池电芯1000的电化学电芯2004的阴极或阳极的作用。锂离子电池的电化学电芯也被称为电池电芯2004。围绕电池电芯1000的外壳1100被称为电池电芯外壳。
正如可以在图6a中看到的，基于具有针状导体和插入到针状导体的凹陷部2002中并与电池电芯2004相连的电极连接元件的贯通连接件1140.1、1140.2的结构，与其相伴的是在电池电芯2004与顶盖1120之间产生的大空间2006。
由于图7a和7b中所示的贯通连接元件3200的发明性平坦结构，可以将电池电芯外壳中未使用的空间降至最小。这可以在图7a-7b中清楚地看出。
与图6a和6b中相同的元件用增加2000的参比数字标明。
贯通连接件3140.1、3140.2同样插入到电池电芯外壳3100的顶盖3120的开口3130.1、3130.2中。与图6a和6b的贯通连接件的贯通连接元件相反，现在贯通连接元件被提供有针状导体3003以及顶件3005。顶件装备有延伸部3030以及利用熔焊、钎焊或上面描述的其他方法牢固附连于顶件3005的电极连接元件3010。电极连接元件具有区段3140，其中区段3140起到电化学电芯、在这种情况下是电池电芯的阴极或者说阳极的作用。正如可以从图7a-7b看出的，本发明的贯通连接件元件的优点可以被清楚地识别。图7a-7b中示出的贯通连接件的设计决定了电池电芯外壳内尽可能少的空间未被使用。
图7a和7b中的贯通连接件的排列方式与图2和图5a-5b中示出的贯通连接件的排列方式基本上一致。对图2的描述在此以其全文接受在电池电芯的当前描述中。
在如图8a-8d中示出的贯通连接件的可选排列方式中，将带有顶件10005的针状导体10003装嵌在外壳10110、特别是电池电芯外壳的开口10130中，其方式使得针状导体10003的顶件10005与电池外壳的外侧10110相连。在本实例中，电池外壳10110的外侧15000应该被理解为是电池外壳不面向电池电芯的内侧而是面向外侧的一侧。顶件10005在外侧15000上的放置用于提高刚性，特别是在薄壁电池外壳情况下。将基本上针状的导体装嵌在玻璃或者说玻璃陶瓷材料10080中。在示出的设计变化形式中，玻璃或者说玻璃陶瓷材料10080不仅被导入到基本上针状的导体1003与开口10130的内壁10210之间，而且导入到顶件10005与电池外壳的外侧15000之间。在装嵌后的其他过程步骤中，将电池外壳的内侧15050上的附连物20000在其内侧220100上与基本上针状的导体10003相连。在附连物20000与电池外壳10110的内侧15050之间，可以提供用于稳定的支撑盘20200。附连物20000可以在内侧20100上与突出到内部中的基本上针状的导体10003熔焊或钎焊在一起。附连物20000起到与电池电芯的电极（未示出）连接的作用，但是它也可以起到电池电芯之间的接触点的作用。就此而言，附连物20000是本发明的电极连接元件。在图8a的排列方式中，电池电芯在开口或者说贯通连接件开口10130的区域中的厚度在重造型过程中增加，从而增加了装嵌的长度。
加固电池外壳10110的另一种选项是提供外环20300，其将通过例如熔焊与电池外壳10110的外侧15000相连。伴随其也可以提供更长的装嵌长度。在如图8b和8c中所示将外环20300安装到电池外壳或者说电池顶盖的外侧15000之后，基本上针状的导体10003被装嵌。与图8a的程序相反，这样的程序提供了在将基本上针状的导体在电池外壳中焊入、即收嵌期间避免不密封性的优点。在图8b至8c中，与图8a中相同的元件用相同的参比数字标明。在图8b的带有外环20300的排列方式中，使用不具有顶件的简单针状导体。与图8a相同，图8c示出了带有顶件10005的一种设计排列方式。针10003的顶件10005有助于增加强度和刚性。与图8a中相同，图8c的贯通连接件示出了附连物20000以及支撑部件20100。装嵌10080出现在电池外壳的开口10130中以及顶件10005与外环20300之间。与图8a中的排列方式相比，优点在于当将针状导体熔焊到电池外壳中时，避免了不密封性。另一个优点是外环20300可以由与电池外壳不同的材料构成。由于电池外壳在开口的区域中不需重新造型，因此简化了制造。重新造型的缺点在于在将要重新造型的区域中需要材料，或者在贯通开口的区域中，在内壁10210的区域中结构被局部弱化，并且发生可能引起开裂的转移。相反，外环2030被分开固定，其结果是需要形成的孔更容易产生。由于避免了对材料重新造型，贯通连接件中的结构更加稳定。此外，如上所述，外环可以从不同材料制造。因此可以确保更有效的装嵌附连。此外，外环与周围的外壳相比可以具有更高的比热容，因此在操作期间可以更好地拦截温度尖峰并且可以为玻璃贯通连接件减负。
图8d示出了图8a的改良的设计变化形式。与图8a中相同，图8d贯通连接件开口10130区域中的外壳为一体式的，并且通过重新造型增加了装嵌的长度。与图8a中相同的元件用相同的参比数字标明。然而，与图8a相反，没有提供伸出到顶件10005之外的针状导体。此外，也没有伸出到附连物20000上方的针状导体。
使用带有顶件以及与其相连的电极连接元件的针状导体的排列方式，实现了非常高的稳定性、特别是对抗机械应力例如振动的稳定性。
本发明第一次叙述了用于外壳、特别是电池电芯外壳、优选为锂离子电池的电池电芯外壳的贯通连接件，其可以预先制造并特别适合使用在由轻金属、特别是铝（Al）或铝合金构成的电池电芯外壳的外壳元件中。然而，诸如钢或高级钢、特别是不锈钢的金属，也可以作为材料用于电池电芯外壳。在这样的情况下，对具有顶件的针状导体以及如果使用的话基体的材料进行选择和相应的配合。
本发明的解决方案还允许回到成本效益高的制造过程和基本材料。此外，整个贯通连接件可以采取预制元件的实施方式，在所述预制元件中，利用固定材料例如玻璃塞将金属针融入基体中，然后将所述基体置于外壳元件中。这确保在外壳元件中不存在应变硬化损失。此外，可以独立地选择材料厚度和用于外壳元件和基体的材料。贯通连接件可以通过具有减负装置的特殊排列方式在机械上以及热学上减负。
使用本发明的贯通连接元件，与倾向于形成裂纹的塑料贯通连接件相反，可以提供即使在电池外壳变形的情况下也能气密密封的电池外壳。因此，使用具有装备有本发明的贯通连接件的电池外壳的电池，在车辆事故的情况下提供了特别高的防火性。这在电池、优选为Li离子电池在汽车工业中的使用来说，是特别重要的。
Claims (25)
1.一种用于导体穿过外壳、特别是电池外壳的外壳部件的贯通连接件的贯通连接元件（1、101、201、301、401），其嵌入在玻璃或玻璃陶瓷材料（280、380）中，具有至少一个导体、特别是基本上针状的导体（3、103、203、303、403、10003）和顶件（5、105、205、305、405、10005），
其特征在于
所述顶件（5、105、205、305、405、10005）的面积（F顶件）大于所述导体、特别是所述基本上针状的导体（3、103、203、303、403、10003）的面积、特别是横截面面积（F导体），并且所述顶件被设计成使得它能够通过具有良好导电性的机械上稳定的并且不可拆卸的连接与特别是由铜、铜合金CuSiC、铝合金AlSiC或铝构成的电极连接元件或者说电极连接部件（10、110、20000）连接。
2.根据权利要求1所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述顶件（5、105、205、305、405、10005）包含定心部件，所述定心部件特别是采取所述基本上针状的导体（3、103、203、303、403、10003）突出于所述顶件上的延伸部（30、130、230、330、430）的实施方式，其中，所述延伸部能实施成圆形或非圆形的，提供了定心可能性，或者在非圆形的情况下提供了防扭转性。
3.根据权利要求1至2任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述电极连接元件（10、110、20000）具有定心开口，以容纳所述顶件（5、105、205、305、405、10005）的延伸部。
4.根据权利要求1至3任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述电极连接元件（10、110、20000）是平坦元件，其中，所述元件的厚度与所述元件基本上垂直于所述厚度的尺寸相比是小的。
5.根据权利要求1至4任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述电极连接元件（10、110、20000）包含加固件（12），特别是采取冲压加固件形式的加固件。
6.根据权利要求1至5任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述电极连接元件（10、110、20000）通过熔焊、钎焊、压制、填塞、翻边、收缩、夹紧或压接与顶件（5、105、205、305、405）连接。
7.根据权利要求1至6任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述电极连接元件（10、110）包含涂层，其特别是包含一种或几种下列材料：
Cu，Al，Ni，Au，Pd，Zn，Ag。
8.根据权利要求1至7任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述顶件（405）包括伸展部。
9.根据权利要求1至8任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述针状的导体包含铝合金、铝、铜合金、铜、银合金、银、金合金、金、镁或镁合金。
10.根据权利要求1至9任一项所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述玻璃或玻璃陶瓷材料包含以mol-%计的下列组分：
其中，M=K，可以是Cs、Rb
11.根据权利要求10所述的贯通连接元件，
其特征在于
所述玻璃或玻璃陶瓷材料包含下列组分：
12.用于穿过外壳、特别是电池外壳的外壳部件的贯通连接件的包含至少一个基本上针状的导体（3、103、203、303、403、10003）的贯通连接元件（1、101、201、301、401）的生产方法，其中，所述贯通连接元件（1、101、201、301、401）能与电极连接元件（10、110、20000）连接，
所述方法包括下列步骤：
-提供包括至少一个基本上针状的导体（3、103、203、303、403、10003）和顶部元件（5、105、205、305、405、10005）的贯通连接元件（1、101、201、301、401）；
-提供与之分开的电极连接元件（10、110）或者说电极连接部件（10、110、20000）；
-在所述顶部元件（5、105、205、305、405、10005）的区域中，通过机械上稳定的且不可拆卸的连接将所述贯通连接元件（1、101、201、301、401）与所述电极连接元件（10、110、20000）连接。
13.根据权利要求12所述的方法，
其特征在于
在将所述电极连接部件（10、110、20000）与所述贯通连接元件（1、101、201、301、401）连接之前，对所述电极连接部件（10、110、20000）的表面进行处理、特别是进行涂层，优选使用下列元素之一：
Cu，Al，Ag，Ni，Au，Pd，Zn。
14.根据权利要求12或13任一项所述的方法，
其特征在于
利用下列手段之一，将所述贯通连接元件（1、101、201、301、401）特别是在所述顶件的区域中与所述电极连接部件（10、110、20000）连接：
-熔焊，特别是激光熔焊、电阻熔焊、电子束熔焊、超声波熔焊、摩擦熔焊；
-钎焊；
-填塞；
-翻边；
-收缩；
-压制；
-夹紧；
-压接。
15.根据权利要求12至14任一项所述的方法，
其特征在于
所述电极连接元件（10、110、20000）被提供冲压加固件（12）。
16.根据权利要求12至15任一项所述的方法，
其特征在于
所述电极连接元件（10、110、20000）被提供定心开口，所述定心开口能实施成圆形或非圆形的，并呈现定心可能性和/或防扭转性。
17.根据权利要求12至16任一项所述的方法，
其特征在于
在与所述电极连接元件（10、110、20000）连接之前，将所述贯通连接元件装嵌进玻璃和/或玻璃陶瓷材料（280、380）中进而装嵌进基体（200、300、400）或外壳部件的开口中以便产生贯通连接件。
18.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于
所述玻璃或玻璃陶瓷材料包含以mol-%计的下列组分：
其中，M=K，可以是Cs、Rb
19.根据权利要求18所述的方法，
其特征在于
所述玻璃或玻璃陶瓷材料包含下列组分：
20.外壳、特别是电池电芯外壳，其包含至少一个根据权利要求1至11任一项所述的贯通连接元件，以及至少一个与所述贯通连接元件连接的电极连接元件（10、110）。
21.根据权利要求20所述的外壳，
其特征在于
所述外壳包含轻金属，优选为铝、铝合金、镁、镁合金、钛或钛合金。
22.根据权利要求20所述的外壳，
其特征在于
所述外壳包含金属，优选为钢、高级钢、不锈钢、工具钢。
23.根据权利要求20至22任一项所述的外壳、特别是电池电芯外壳，
其特征在于
所述电极连接元件是附接元件（20000）。
24.根据权利要求20至23任一项所述的外壳、特别是电池电芯外壳，
其特征在于
所述电池电芯外壳包含外部环（20300）。
25.储能装置、特别是电池、优选为锂离子电池、特别是锂离子蓄电池，其优选具有外壳、特别是电池外壳、特别是根据权利要求20至24任一项所述的外壳，
其特征在于
所述储能装置包含根据权利要求1至11任一项所述的贯通连接元件。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |