DE102011080469B4

DE102011080469B4 - Batterie mit neuartiger Poldurchführung

Info

Publication number: DE102011080469B4
Application number: DE102011080469.2A
Authority: DE
Inventors: Konrad Holl; Werner Schreiber
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH; VW Kraftwerk GmbH
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH; VW Kraftwerk GmbH
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: WO2013017436A1; DE102011080469A1

Abstract

Beschrieben wird eine Batterie, insbesondere eine Lithium-lonen-Batterie, umfassend ein Aluminiumgehäuse, das als Poldurchführung eine mit einem Metallring eingefasste Gehäuseöffnung aufweist, durch die ein mit der Batterieelektrode verbundener elektrischer Ableiter geführt ist. Der Ableiter und der Metallring sind durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt. Der Metallring umfasst ein ringförmiges Stahlsegment sowie ein ringförmiges Segment aus Aluminium. Letzteres ist mit dem Batteriegehäuse verschweißt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-lonen-Batterie, mit einem Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das als Poldurchführung eine mit einem Metallring eingefasste Gehäuseöffnung aufweist, durch die ein mit der Elektrode verbundener elektrischer Ableiter geführt ist, wobei der Ableiter und der Metallring durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt und das Gehäuse und der Metallring über eine umlaufende Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
Batterien, Akkumulatoren und dergleichen weisen stets ein Gehäuse auf, in dem Elektroden sowie ein Elektrolyt angeordnet sind. Um elektrische Energie aus dem Gehäuse ableiten zu können bzw. um den Elektroden beim Aufladen elektrische Energie zuzuführen, sind durch das Gehäuse mit den Elektroden verbundene elektrische Ableiter (Pole), meist in Form eines metallischen Stabes oder Bolzens, geführt. Ein wesentliches Qualitätsmerkmal bei derartigen Batterien ist dabei die Dichtigkeit der Poldurchführung. Insbesondere bei Batterien, die korrosive Komponenten wie Schwefeloxid- und Thionylchlorid-Verbindungen oder reaktive organische Elektrolytlösungen enthalten, ist eine hermetische Abdichtung des Batteriegehäuses außerordentlich wichtig.
Die Gehäuse von Batterien bestehen oft aus Metall, insbesondere bei Batterien, die im Automobilbereich zum Einsatz kommen, häufig auch aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
Die US 6,554,178 B1 betrifft eine Poldurchführung für ein Aluminiumbatteriegehäuse, umfassend einen von einem isolierenden Keramikzylinder umgebenen Titanstift, der wiederum von einem Hohlzylinder aus rostfreiem Stahl oder Titan eingefasst ist. Diese Poldurchführung wird mit einem aluminiumplattierten Gehäusedeckel aus rostfreiem Stahl bzw. Titan verschweißt, wobei die Schweißverbindung zwischen der Stahl- bzw. Titanschicht und dem Hohlzylinder der Poldurchführung besteht.
Aus der US 5,811,206 A sind Poldurchführungen für Batterien, die insbesondere in medizinischen Implantaten eingesetzt werden, bekannt. Diese Poldurchführungen gewährleisten eine besonders platzsparende Anordnung von Anode und Kathode innerhalb des Batteriegehäuses. Der mit einer Isoliermasse ummantelte und von einem Klemmring eingefasste Polstift weist dabei einen Versatz auf und ermöglicht so die Kontaktierung mit einem Anodenstromableiter.
Aus der DE 100 47 206 sind Poldurchführungen für Batterien mit einem Aluminiumgehäuse bekannt, bei denen der durch das Gehäuse führende Pol durch eine isolierfähige Masse, die einen Schmelzpunkt zwischen 300 °C und 600 °C hat, vom Gefäß elektrisch und mechanisch getrennt ist. Spezifischer, beschrieben wird hier die die sogenannte Glas-Metall-Poldurchführung, die beispielsweise im Automobilbereich sehr häufig zum Einsatz kommt. Dabei wird der durch das Gehäuse geführte Pol von einem ringförmigen metallischen Bauteil sowie einem zwischen Pol und ringförmigem Bauteil angeordneten Glasbauteil, welches eine isolierende und eine abdichtende Funktion hat, umschlossen. Gebräuchliche Glas-Metall-Poldurchführungen weisen als ringförmige metallische Bauteile beispielsweise Ringe aus Stahl (wie SUS 304, SUS 316 oder SUS 318), Glasbauteile aus Borosilikat und bolzenförmige Pole aus einer Eisen-Nickel-Legierung auf. Allerdings besteht im Fall von Gehäusen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung das Problem, dass ein solcher Stahlring nicht direkt mit dem Batteriegehäuse verschweißt werden kann. Die Herstellung einer geschweißten Stahl-Aluminiumlegierung ist bekanntlich sehr schwierig.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einem Aluminiumgehäuse bereitzustellen, die im Bereich der Poldurchführung eine hohe mechanische Stabilität sowie hervorragende gas- sowie elektrolytdichte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Batterie mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 enthalten. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst ein Gehäuse aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Das Gehäuse weist als Poldurchführung für mindestens eine der Elektroden eine mit einem Metallring eingefasste Gehäuseöffnung auf, durch die (als Pol) ein mit der Elektrode verbundener elektrischer Ableiter geführt ist. Der Ableiter und der Metallring sind dabei durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt. Miteinander verbunden sind das Batteriegehäuse und der Metallring der Poldurchführung über eine umlaufende Schweißverbindung.
Die erfindungsgemäße Batterie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Metallring der Poldurchführung neben einem ringförmigen Stahlsegment auch ein ringförmiges Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung aufweist und dass die umlaufende Schweißverbindung zwischen dem Aluminiumsegment und dem Aluminiumgehäuse der Batterie besteht.
Durch die Präsenz des ringförmigen Segments aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung wird eine direkte Verschweißung des Aluminiumgehäuses mit dem Metallring der Poldurchführung ermöglicht. Auf diese Weise lassen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme mit Glas-Metall-Poldurchführungen bei Batterien mit Aluminiumgehäuse umgehen.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie handelt es sich bevorzugt um eine Sekundärbatterie, also eine wiederaufladbare Batterie (einen Akkumulator). Besonders gut eignet sich die Batterie aufgrund ihres leichten Aluminiumgehäuses für den Einsatz im Automobilbereich. Grundsätzlich kann sie die unterschiedlichsten elektrochemischen Systeme enthalten, bevorzugt handelt es sich allerdings um eine Lithium-Ionen-Batterie. Sie enthält entsprechend bevorzugt einen nicht-wässrigen Elektrolyten.
Bevorzugt sind sowohl die mit der positiven als auch die mit der negativen Elektrode verbundenen Pole der erfindungsgemäßen Batterie von Metallringen mit dem ringförmigen Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie besteht der Metallring der Poldurchführung aus aluminumplattiertem Stahl. Besonders bevorzugt weist er ein ringförmiges Basissegment aus Stahl auf, das mit einer Schicht aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung plattiert ist, welche das Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bildet.
Als Plattieren bezeichnet man bekanntlich das Aufbringen einer Metallschicht auf ein anderes Metall. Dabei soll eine untrennbare Verbindung entstehen. Die untrennbare Verbindung wird in der Regel insbesondere unter Einfluß von Temperatur und Druck erzielt. Das Plattieren kann durch unterschiedlichste Techniken erfolgen, beispielsweise durch Aufwalzen von dünnen Folien, Aufschweißen, Angießen (lonenplattieren), Tauchen, Sprengplattieren oder durch galvanotechnische Verfahren (Elektroplattieren). Häufig bevorzugt ist die Methode der Walzschweißplattierung. Für detaillierte Informationen zu diesem Fachgebiet wird auf die einschlägige Literatur verwiesen.
Der Metallring ist in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie besonders bevorzugt in axialer Richtung segmentiert. Das bedeutet, dass die Segmente aus dem Stahl und dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung in axialer Richtung übereinander angeordnet sind. Bevorzugt bildet das Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung in dieser Anordnung eine der Stirnseiten des Metallrings.
Die Herstellung eines solchen axial segmentierten Rings ist denkbar einfach, beispielsweise ist es möglich, ein Stahlblech oder eine Stahlplatte bereitzustellen, dieses oder diese ein- oder beidseitig mit einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu plattieren und aus der plattierten Stahlplatte oder dem plattierten Stahlblech Ringe in den entsprechenden Dimensionen auszustanzen. Das Stahlsegment sowie das Aluminiumsegment weisen dann entsprechend den gleichen Außen- und Innenradius auf.
Bevorzugt weist das Segment aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung eine geringere Höhe (gemessen in axialer Richtung) auf als das Segment aus Stahl. Entsprechend weist das bei der Herstellung des Rings gemäß der oben skizzierten Vorgehensweise verwendete Stahlblech bzw. die Stahlplatte bevorzugt eine größere Dicke auf als die aufplattierte Schicht aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung. Bevorzugt beträgt die Höhe des Segments aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung zwischen 1 % und 25 %, bevorzugt zwischen 1 % und 10 %, der Gesamthöhe des Rings.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Metallring der Poldurchführung eine radiale Segmentierung aufweist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das erwähnte ringförmige Basissegment aus Stahl einen Mantel aufweist, dessen Außenseite mit einer Schicht aus Aluminium plattiert ist.
Bei der isolierfähigen Masse, welche den oder die elektrischen Ableiter der erfindungsgemäßen Batterie sowie den Metallring elektrisch und mechanisch voneinander trennt, handelt es sich bevorzugt um ein Lotwerkstoff, insbesondere ein glas- oder keramikbasierten Lotwerkstoff. Die isolierfähige Masse entspricht in ihrer Funktion dem eingangs erwähnten Glasbauteil. Die erfindungsgemäße Batterie weist also in bevorzugten Ausführungsformen wie die eingangs beschriebenen Batterien eine Glas-Metall-Poldurchführung auf.
Unter einem Glaslot sollen erfindungsgemäß insbesondere glaslotähnliche Lotwerkstoffe oder Verbundlote mit Glasanteilen mit Erweichungstemperaturen zwischen 300 °C und 700 °C verstanden werden. Keramikbasierte Lotwerkstoffe weisen in der Regel höhere Verarbeitungstemperaturen als entsprechende Glaslotwerkstoffe auf. Diese liegen in der Regel zwischen 700 °C und 1200 °C. Ein Einschmelzglas, das sich als isolierfähige Masse eignet, ist beispielsweise in der DE 39 35 227 C1 besch rieben.
Im vorliegenden Fall hängt die Wahl eines geeigneten Lotwerkstoffs insbesondere auch von der Art der Beschaffenheit des Aluminiumsegments ab. So können Lotwerkstoffe mit Erweichungstemperaturen oberhalb von 600 °C in der Regel nur eingesetzt werden, wenn das Aluminiumsegment aus einer entsprechend hochschmelzenden Aluminiumlegierung besteht.
Alternativ können als isolierfähige Masse beispielsweise auch EpoxidGlashartgewebe, Schichtpressstoffe, Glimmererzeugnisse sowie Mineralpressstoffe dienen, die sich bei vergleichweise niedrigen Temperaturen verarbeiten lassen.
Die Pole einer erfindungsgemäßen Batterie bzw. die durch die mit dem Metallring eingefassten Gehäuseöffnungen geführten elektrischen Ableiter, bestehen üblicherweise aus Metallen oder Metalllegierungen wie Kupfer, Eisen, Stahl, Eisenlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Eisen-Nickel-Legierungen etc. Handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie, bestehen der oder die elektrischen Ableiter bevorzugt aus Edelstahl oder aus Legierungen auf Nickel-Eisen-Basis.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen. Es sei an dieser Stelle explizit betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte der erfindungsgemäßen Batterie jeweils für sich allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der weiteren beschriebenen fakultativen Aspekte bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein können. Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Figurenbeschreibung

1 illustriert die Herstellung einer erfindungsgemäßen Batterie bzw. deren Aufbau im Bereich der Poldurchführung (Querschnittsdarstellung).

Die Batterie weist ein Gehäuse 101 aus Aluminium und eine Poldurchführung für mindestens eine der Elektroden umfassend eine mit einem Metallring 102 eingefasste Gehäuseöffnung 103 und eine isolierfähige Masse 104, die den durch die Gehäuseöffnung geführten Pol 105 vom Metallring 102 elektrisch und mechanisch isoliert.
Zu ihrer Herstellung wird, wie dargestellt, eine vormontierte Einheit aus dem Pol 105, der isolierfähigen Masse 104 und dem Metallring 102, der aus dem ringförmigen Stahlsegment 106 und dem ebenfalls ringförmigen Aluminiumsegment 107 besteht, auf die in das Gehäuse 101 eingebrachte Gehäuseöffnung 103 aufgesetzt. In direktem Kontakt mit dem Gehäuse 101 steht lediglich das Aluminiumsegment 107 des Metallringes 102 und nicht das Stahlsegment 106. Die in Kontakt stehenden Aluminiumteile 101 und 107 können problemlos miteinander verschweißt werden.

Claims

Batterie, insbesondere Lithium-lonen-Batterie, umfassend ein Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das als Poldurchführung für mindestens eine der Elektroden der Batterie eine mit einem Metallring eingefasste Gehäuseöffnung aufweist, durch die ein mit der Elektrode verbundener elektrischer Ableiter geführt ist, wobei der Ableiter und der Metallring durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt sind und das Gehäuse und der Metallring über eine umlaufende Schweißverbindung miteinander verbunden sind, wobei der Metallring ein ringförmiges Stahlsegment und ein ringförmiges Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung umfasst und die Schweißverbindung zwischen dem Aluminiumsegment und dem Gehäuse besteht.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring aus aluminiumplattiertem Stahl besteht.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring in axialer Richtung segmentiert ist.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring radial segmentiert ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der isolierfähigen Masse um ein Lotwerkstoff, insbesondere um ein glas- oder keramikbasierten Lotwerkstoff, handelt.