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Die Erfindung betrifft ein Durchführungsbauteil für eine Durchführung eines Leiters durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial. Das Durchführungsbauteil umfasst im Wesentlichen einen stiftförmigen Leiter und ein Kopfteil.
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Akkumulatoren, bevorzugt für Lithium-Ionen-Batterien, sind für verschiedene Anwendungen vorgesehen, wie beispielsweise tragbare elektronische Geräte, Mobiltelefone, Motorwerkzeuge sowie insbesondere Elektrofahrzeuge. Die Batterien können traditionelle Energiequellen wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien oder Nickel-Metallhydridbatterien ersetzen.
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Lithium-Ionen-Batterien sind seit vielen Jahren bekannt. Diesbezüglich wird beispielsweise auf „Handbook of Batteries, David Linden, Herausgeber, 2. Auflage, McGrawhill, 1995, Kapitel 36 und 39” verwiesen.
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Verschiedene Aspekte von Lithium-Ionen-Batterien sind in einer Vielzahl von Patenten beschrieben. Beispielsweise seien genannt
US 961,672 ,
US 5,952,126 ,
US 5,900,183 ,
US 5,874,185 ,
US 5,849,434 ,
US 5,853,914 sowie
US 5,773,959 .
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Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für Anwendungen in einer Automobil-Umgebung weisen in der Regel eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen auf, die miteinander in Serie geschaltet werden. Die miteinander in Reihe beziehungsweise Serie geschalteten Batteriezellen werden zu sogenannten Batteriepacks zusammengefasst, mehrere Batteriepacks dann zu einem Batteriemodul, das auch als Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet wird. Jede einzelne Batteriezelle besitzt Elektroden, die aus einem Gehäuse der Batteriezelle herausgeführt werden.
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Insbesondere für die Anwendung von Batterien, bevorzugt Lithium-Ionen-Batterien in der Automobil-Umgebung müssen eine Vielzahl von Problemen wie Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit bei Unfall oder Schwingungsfestigkeit gelöst werden. Ein weiteres Problem ist die hermetische Dichtheit der Batteriezelle, über einen langen Zeitraum. Die Dichtheit beeinträchtigen können z. B. Undichtigkeit im Bereich der Elektroden der Batteriezelle beziehungsweise der Elektrodendurchführung der Batteriezelle. Derartige Undichtigkeiten können beispielsweise hervorgerufen werden durch Temperaturwechselbelastungen und mechanische Wechselbelastungen, wie beispielsweise Vibrationen im Fahrzeug oder die Alterung des Kunststoffes. Ein Kurzschluss oder Temperaturänderungen, der Batterie oder Batteriezelle kann zu einer verminderten Lebensdauer der Batterie beziehungsweise Batteriezelle führen.
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Um eine bessere Beständigkeit bei Unfall sicherzustellen, schlägt die
DE 101 05 877 A1 beispielsweise ein Gehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie vor, wobei das Gehäuse einen Metallmantel umfasst, der auf beiden Seiten offen ist und verschlossen wird. Der Stromanschluss beziehungsweise die Elektroden sind durch einen Kunststoff isoliert. Nachteilig an den Kunststoffisolierungen sind die limitierte Temperaturbeständigkeit, die begrenzte mechanische Beständigkeit, die Alterung und die unsichere Dichtheit über der Lebensdauer. Die Stromdurchführungen sind bei den Lithium-Ionen-Batterien gemäß dem Stand der Technik somit nicht hermetisch dicht in beispielsweise das Deckelteil der Li-Ionen-Batterie eingebaut. Des Weiteren sind die Elektroden verquetschte und lasergeschweißte Verbindungsbauteile mit zusätzlichen Isolatoren im Innenraum der Batterie beziehungsweise Batteriezelle.
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Ein weiteres Problem bei den Lithium-Ionen-Batterien im Stand der Technik war, dass die Batteriezellen einen großen Bauraum aufwiesen und aufgrund der hohen Ströme durch Widerstandsverluste sehr rasch Erwärmung und damit Temperaturänderungen auftraten.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Durchführung anzugeben, die die Probleme des Standes der Technik vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass ein Durchführungsbauteil für eine Durchführung eines Leiters durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses mit einem Glas- oder Glaskeramikmaterial mit einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter und einem Kopfteil zur Verfügung gestellt wird, wobei die Abmessungen des Kopfteils größer als die des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters. Bei einem Leiter mit im Wesentlichen runden Querschnitt sind dann die Abmessungen des Kopfteils größer sind als der Durchmesser des stiftförmigen Leiters. Dies bedeutet, dass die Kopffläche des Kopfteiles größer ist als die Kopffläche des stiftförmigen Leiters mit dem das Kopfteil verbunden ist. Des Weiteren ist der Kopfteil derart ausgestaltet, dass der Kopfteil mit einem Elektroden-Verbindungsteil verbindbar ist. Bei dem Elektroden-Verbindungsteil handelt es sich insbesondere um ein Bauteil, das aus Kupfer für die Kathode oder Aluminium für die Anode besteht. Die Verbindung von Kopfteil und Elektroden-Verbindungsbauteil erfolgt mit einer mechanisch stabilen, insbesondere nicht lösbaren elektrischen Verbindung. Eine solche mechanisch stabile nicht lösbare elektrische Verbindung wird dadurch zur Verfügung gestellt, dass das Kopfteil und das Elektroden-Verbindungsteil durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen, Bonden, Kleben, Löten, Verstemmen, Schrumpfen, Verpressen, Verklemmen und Quetschen bevorzugt stoffschlüssig verbunden wird. Die Verbindung von Kopfteil und Elektrodenverbindungsbauteil zu dem Durchführungsbauteil erfolgt, bevorzugt nachdem das Durchführungsbauteil umfassend das Kopfteil und den stiftförmigen Leiter in das Gehäuse der Batteriezelle eingesetzt oder eingeglast ist. Selbstverständlich wäre es auch möglich, das Durchführungsbauteil vor dem Einsetzen in die Gehäuseöffnung beziehungsweise Einglasen mit dem Elektrodenverbindungsbauteil zu verbinden, allerdings ist die erstgenannte Möglichkeit die bevorzugte.
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Durch das erfindungsgemäße Durchführungsbauteil wird ein Durchführungsbauteil zur Verfügung gestellt, das bei Verwendung in einem Gehäuse für Batteriezellen nur einen geringen Innenbauraum benötigt. Das Kopfteil des erfindungsgemäßen Durchführungsbauteiles weißt eine sehr große Auflagefläche zum Ausschluss des Elektrodenverbindungsbauteiles auf. Hierdurch wird eine hohe Stabilität im Anschlussbereich erreicht. Insbesondere wird gegenüber einer Anbindung der Elektrodenverbindungsbauteile direkt an den Stiften eine wesentlich höhere Biegesteifigkeit erreicht. Ein weiterer Vorteil bei einer Anbindung der Elektrodenverbindungsbauteile über das Kopfteil ist darin zu sehen, dass gegenüber einer direkten Anbindung an den Stift Verengungen beziehungsweise starke Veränderungen der Querschnittsfläche in der Leiterbahn von der Batteriezelle zur Durchführung durch das Gehäuse der Batteriezelle vermieden werden. Querschnittsverengungen führen insbesondere bei hohen Strömen von 20 A bis zu 500 A wie sie bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Energieträger in Automobilen auftreten, zu hoher Verlustwärme, die in den Batteriezellen zu Problemen führen können. Derartige Verlustwärmen können mit dem erfindungsgemäßen Kopfteil des Durchführungsbauteiles vermieden werden. Des Weiteren ist es möglich, das Durchführungsbauteil separat vom Elektroden-Verbindungsbauteil herzustellen, was eine optimierte separate Fertigung von Elektroden-Verbindungsbauteil und Durchführungsbauteil ermöglicht. Das separat hergestellte Elektroden-Verbindungsteil sowie das separat hergestellte Durchführungsbauteil werden erst anschließend an die jeweilige Fertigung miteinander verbunden, bevorzugt nachdem das Durchführungsbauteil in die Öffnung im Gehäuseteil eingesetzt oder eingeglast wurde. Weitere Vorteil der separaten Fertigung der Elektrodenverbindungsbauteile sowie der Durchführungsbauteile und der daran anschließenden Verbindung liegen auch darin, dass die Materialauswahl spezifisch für die unterschiedlichen Bauteile getroffen werden kann, insbesondere auch mit Blick auf die jeweilige Herstelltechnologie.
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Bei der erfindungsgemäßen Technologie werden zudem zusätzliche Isolatoren im Innenraum der Batterien, wie sie bei den derzeit verwandten Elektroden-Verbindungsbauteilen üblich sind, vermieden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kopfteil als Zentrierteil, insbesondere in Form eines über das Kopfteil hinausragenden Fortsatzes des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters ausgebildet ist. Der über das Kopfteil des Durchführungsbauteils hinausragende Fortsatz beziehungsweise Zapfen, dient im Wesentlichen dazu, ein Elektroden-Verbindungsteil zu zentrieren und/oder ein Verdrehen des Elektroden-Verbindungsteils, das mit dem Kopfteil verbunden wird, zu verhindern. Des Weiteren ist das Durchführungsbauteil mit Kopfteil derart ausgebildet, dass der Leiterquerschnitt über den gesamten Strompfad von der Durchführung bis zu den Elektroden-Anschlüssen des Elektrodenverbindungsbauteils im wesentlichen gleich bleibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine Verlustwärme über den gesamten Leitungspfad auftritt, wie dies bei Leiterverengungen der Fall wäre. Bei dem Elektrodenverbindungsbauteil, das mit dem Durchführungsbauteil verbunden wird, handelt es sich bevorzugt ebenfalls um ein flaches Bauteil, bei dem die Dicke klein gegen die Abmessungen des Bauteils im Wesentlichen senkrecht zur Dicke ist. Beispielsweise beträgt die Dicke des Bauteils 0,5 mm bis 5 mm. Die Abmessungen des Bauteiles senkrecht zur Dicke, beispielsweise bei einem flachen, im Wesentlichen kreisförmigen Bauteil betragen dann 5 mm bis 30 mm.
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Um auch Elektroden-Verbindungsteile, die nicht aus einem einzigen Material bestehen, z. B. Kupfer für die Kathode oder Aluminium für die Anode verwenden zu können, kann vorgesehen sein, Elektroden-Verbindungsbauteile aus anderen Materialien zur Verfügung zu stellen und anschließend einer Oberflächenbehandlung zu unterziehen. Beispielsweise kann in einer Oberflächenbehandlung die Oberfläche des Elektroden-Verbindungsbauteils beschichtet werden. So kann beispielsweise ein Elektroden-Verbindungsbauteil mit Cu, Al, Ni, Au, Pd, Zn, Ag beschichtet werden. Auch andere Materialien sind möglich.
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Eine sichere Verbindung des Elektroden-Bauteiles mit dem Durchführungsbauteil wird durch Schweißen, Löten, Verpressen, Verstemmen, Krempen, Schrumpfen, Klemmen oder Quetschen erreicht. Besonders bevorzugt ist es, die Verbindung mit Hilfe von Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Ultraschallschweißen, Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen herzustellen.
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Als Material für den stiftförmigen Leiter wird insbesondere Kupfer oder Aluminium eingesetzt. Es können aber auch andere Materialien wie NiFe, eine Kupferseele, d. h. ein NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil sowie eine Kobalt-Eisen-Legierung eingesetzt werden.
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Um ein Verbiegen des Elektroden-Verbindungsbauteils bei Einbau in das Gehäuse und dadurch einen Kurzschluss zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass das Elektrodenverbindungsbauteil mit einem Versteifungsprofil versehen ist.
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Die Abmessungen, d. h. die Fläche des Kopfteils sind in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung so gewählt, dass sie wenigstens eine Durchgangsöffnung, beispielsweise eines Gehäuseteils eines Batteriegehäuses eingebrachte Glas- oder Glaskeramikmaterials abdecken. Optional kann auch eine über das Glas- oder Glaskeramikmaterial herausragende bzw. überstehende Kopfform vorgesehen sein, um mehr Verbindungsmöglichkeiten zu den Elektrodenverbindungsbauteilen zur Verfügung zu stellen. Die Verbindung der Elektrodenverbindungsbauteile mit der Kopfform erfolgt durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, Reibschweißen, Bonden, Kleben, Löten, Verstemmen, Krimpen, Schrumpfen, Verpressen, Verklemmen oder Quetschen.
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Neben dem Durchführungsbauteil wird in der Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Durchführungsbauteils angegeben, wobei zunächst das Durchführungsbauteil umfassend den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter und das Kopfbauteil zur Verfügung gestellt wird. In einem hiervon unabhängigen Herstellungsprozess wird ein Elektrodenverbindungsbauteil zur Verfügung gestellt und nach getrennter Herstellung von Durchführungsbauteil und Elektroden-Verbindungsbauteil, wird das Elektroden-Verbindungsbauteil mit dem Durchführungsbauteil, insbesondere im Bereich des Kopfbauteils mechanisch stabil, nicht lösbar und elektrisch gut leitend verbunden. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Löten aber auch Verstemmen, Krempen, Schrumpfen, Verpressen, Verklemmen und Verquetschen hergestellt werden.
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Um eine möglichst optimale Verbindung von Durchführungsbauteil und Elektroden-Verbindungsbauteil herzustellen, können spezifische, für eine derartige Verbindung notwendige Oberflächenbehandlungen vorgenommen werden, beispielsweise das Beschichten mit einem Metall. Beispielsweise kann eine Beschichtung mit Cu, Al vorgenommen werden, falls das Material des Elektroden-Verbindungsbauteils nicht Kupfer oder Aluminium ist. Das Stiftmaterial des Durchführungsbauteils bzw. das Material des gesamten Durchführungsbauteils kann bevorzugt ebenfalls Kupfer, Aluminium, aber auch oder eine Kupferseele, d. h. ein NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil oder CF25, d. h. eine Kobalt-Eisenlegierung sein.
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Besonders bevorzugt ist es, dass das Material des Durchführungsbauteils sowie des Elektroden-Verbindungsbauteils ein und dasselbe Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium umfassen. Hierbei wird für die Kathode Kupfer eingesetzt, für die Anode Aluminium.
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Eine möglichst reproduzierbare Verbindung des Elektrodenverbindungsbauteils mit dem Durchführungsbauteil wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das Elektrodenverbindungsbauteil mit einer Zentriermöglichkeit, beispielsweise einer Zentrieröffnung oder einer Drehsicherung versehen wird und das Kopfteil des Durchführungsbauteils mit einem Fortsatz beziehungsweise Zapfen, der beispielsweise in eine Zentrieröffnung des Elektroden-Verbindungsbauteils eingreift.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Einglasung des Durchführungsbauteils in ein Glas- und/oder Glaskeramikmaterial in einem Grundkörper erfolgt, der anschließend in eine Öffnung des Gehäusebauteils eingesetzt wird und nach Einsetzen des Durchführungsbauteils mit dem Elektroden-Verbindungsbauteil verbunden wird. Bevorzugt ist der Grundkörper ringförmig mit einer kreisrunden oder aber auch ovalen Öffnung je nach Form des vom Grundkörpers aufgenommenen Stiftes. Besonders bevorzugt ist der Grundkörper aus Aluminium.
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Alternativ kann das Durchführungsbauteil auch direkt in eine Öffnung des Gehäuseteils, insbesondere eines Gehäuseteils eines Batteriegehäuses eingeglast werden und anschließend mit dem Elektroden-Verbindungsteil verbunden werden. Die Ausführungsform mit einer Einglasung in einem Grundkörper anstelle einer Direktglasung in das Gehäuseteil z. B. das Deckelteil hat mehrere Vorteile. Bei der Ausgestaltung der Durchführung durch das Gehäuseteil mittels eines zusätzlichen Grundkörpers, in dem das stiftförmige Leitermaterial eingeglast wird, ist es möglich, die Durchführung vorzufertigen, d. h. das Stiftmaterial in den Grundkörper einzuglasen und anschließend in das Gehäuseteil, insbesondere einer Batteriezelle, einzubauen. Der Grundkörper kann dann auf die jeweilige Herstelltechnologie und Form der Durchführung sowie der Herstelltechnologie und Form des Gehäuseteils optimiert getroffen werden. Insbesondere können durch die Vorfertigung wesentlich kleinere Heizeinrichtungen als bei einer Einglasung direkt in das Gehäuseteil verwendet werden, da nicht das gesamte Gehäuseteil, z. B. in einem Ofen erwärmt werden muss, sondern lediglich der Grundkörper mit wesentlich geringeren Abmessungen. Des Weiteren ermöglicht eine derartige Ausgestaltung, bei der eine Vorfertigung der Durchführung aus einem Grundkörper oder einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter möglich ist, ein kostengünstiges Einbringen der Durchführung in die Öffnung des Gehäuseteils, beispielsweise in einem einstufigen Prozess, beispielsweise unter Ausnutzung der Kaltverfestigungsmöglichkeiten des Gehäuseteils. Konkret bedeutet dies, dass zunächst in das Gehäuseteil, beispielsweise in den Deckel die Öffnung, z. B. durch Stanzen, eingebracht wird. Das Gehäuse ist kaltverfestigt, da es nicht erhitzt wird. Im Gegensatz hierzu ist der Grundkörper welch, da er beim Einglasen des stiftförmigen Leiters mit einem Glas- oder Glaskeramikmaterial erhitzt wird. Auf diese Art und Weise ist es möglich, ein strukturfestes Batteriezellengehäuse, insbesondere im Bereich der Durchführungen herstellen zu können, da im Gegensatz beispielsweise zu einer Direkteinglasung in ein Gehäuseteil kein Verlust der Kaltverfestigung des Gehäuseteils, insbesondere Deckteils auftritt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Materialstärke des Gehäuseteils gegenüber dem Grundkörper, in den die Einglasung erfolgt deutlich geringer gewählt werden kann. Beispielsweise kann die Materialstärke des Gehäuseteils 1,5 mm und weniger betragen, wohingegen der Grundkörper aus Festigkeitsgründen eine Dicke von 2,0 mm, insbesondere 3 mm und mehr umfasst. Die Materialstärke des Gehäuses beziehungsweise Gehäuseteils liegt bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 1,5 mm und 3 mm. Die Dicke des Grundkörpers zwischen 2 mm und 6 mm, bevorzugt 2,5 mm und 5 mm. Die Dicke des Grundkörpers wird dabei immer angepasst an die Materialstärke des Gehäuses beziehungsweise Gehäuseteils, insbesondere des Batteriedeckels gewählt, in den die Durchführung eingesetzt wird. Bei einer Direkteinglasung wären hingegen unnötig große Materialstärken erforderlich.
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Neben dem Durchführungsbauteil und dem Verfahren zur Herstellung eines Durchführungsbauteiles, stellt die Erfindung auch ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriegehäuse bevorzugt für eine Lithium-Ionen-Batterie beziehungsweise eine Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie zur Verfügung, das ein Durchführungsbauteil mit wenigstens einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter und einem Kopfteil aufweist. Das Durchführungsbauteil ist in wenigstens einer Öffnung des Gehäuses, insbesondere des Batteriegehäuses beziehungsweise Batteriezellengehäuses in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial eingeglast. An geeignete Gläser wird i. d. R. die Anforderung gestellt, dass sie eine ausreichende Isolation, ausreichende mechanische Festigkeit für Zug und Druck, ein hohes Dreh- und Biegemoment, hohe Temperatur- und chemische Beständigkeit zur Verfügung stellt.
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Alternativ zu einer Einglasung direkt in einer Öffnung eines Teiles des Batteriegehäuses beziehungsweise Batteriezellengehäuses wäre es auch möglich, das Durchführungsbauteil zunächst in einen Grundkörper einzuglasen und diesen Grundkörper dann wiederum in eine Öffnung im Gehäusebauteil einzusetzen. Der Grundkörper ist bevorzugt ein ringförmiger Grundkörper, insbesondere aus Aluminium. Das Verschmelzen des Durchführungsbauteils, insbesondere im Bereich des stiftförmigen Leiters mit einem Grundkörper, hat den Vorteil, dass zunächst die Einglasung des stiftförmigen Leiters mit dem Grundkörper vorgenommen werden kann und anschließend kostengünstig das Durchführungsbauteil mit dem Grundkörper in die Öffnung des Gehäuseteils eingebracht wird, beispielsweise in einem einstufigen Prozess, beispielsweise unter Ausnutzung der Kaltverfestigungsmöglichkeiten des Gehäuseteils. Konkret bedeutet dieses Verfahren, dass zunächst in das Gehäuseteil, beispielsweise in den Deckel die Öffnung, z. b. durch Stanzen, eingebracht wird. Das Gehäuse ist kaltverfestigt, da es nicht erhitzt wird. Im Gegensatz hierzu ist der Grundkörper weich, da er beim Einglasen des stiftförmigen Leiters mit einem Glas- oder Glaskeramikmaterial erhitzt wird. Auf diese Art und Weise ist es möglich, ein strukturfestes Batteriegehäuse, beziehungsweise Batteriezellengehäuses insbesondere im Bereich der Durchführungen herstellen zu können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Materialien für Grundkörper und Gehäuseteil beziehungsweise Gehäusebauteil unterschiedlich gewählt werden können, insbesondere im Bezug auf die Materialqualität und die Wahl der Legierung. Die Durchführung kann mit dem Grundkörper im Gehäuseteil hermetisch dicht durch Schweißen, Löten, Einpressen, Einbördeln oder Einschrumpfen verbunden werden. Beim Verbinden der Durchführung mit dem Gehäusebauteil, z. B. durch Schweißen wird darauf geachtet, dass der Temperatureintrag so niedrig wie möglich ist, um eine Beschädigung des Glas- oder Glaskeramikmaterials zu vermeiden. Hermetisch dicht bedeutet in dieser Anmeldung, dass die Helium-Leckrate geringer als 1·10–8 mbarl/sec. ist. Gegenüber dem Stand der Technik, bei dem in einem mehrstufigen Prozess eine Kunststoffdichtung für die Durchführung zur Verfügung gestellt werden musste, ist eine hermetisch dichte Verbindung des erfindungsgemäßen Durchführungsbauteils mit dem Gehäuseteil in einem einzigen einfachen Verfahrensschritt herstellbar.
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Des Weiteren kann die Auswahl des Grundkörpers auch mit Blick auf das Material des Gehäuseteils erfolgen, sowohl was die Randausführung als auch was die Materialhärte betrifft und insbesondere auch die Methode zum Verschließen des Gehäuses. Besteht das Gehäuse der Batteriezelle beispielsweise aus Aluminium, so kann als Material für den Grundkörper ebenfalls Aluminium gewählt werden.
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Des Weiteren ist es möglich, zusätzlich zu den Durchführungen im Gehäuseteil des Gehäuses der Batteriezelle auch noch andere Funktionen einzubringen, beispielsweise ein Sicherheitsventil und/oder eine Batteriefüllöffnung.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, der im Wesentlichen stiftförmige Leiter und/oder der Grundkörper, bevorzugt der im Wesentlichen ringförmige Grundkörper, als Material ein Metall Aluminium, AlSiC, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl umfasst. Für den stiftförmigen Leiter wird insbesondere Kupfer (Cu) verwandt, wenn der stiftförmige Leiter an eine Kathode der elektrochemischen Zelle bzw, Batteriezelle angeschlossen wird und Aluminium (Al), wenn der stiftförmige Leiter an eine Anode angeschlossen wird. Andere Materialien für den stiftförmigen Leiter können CuSiC, AlSiC, NiFe, eine Kupferseele, d. h. ein NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil sowie eine Kobalt-Eisen-Legierung sein.
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In vorliegender Anmeldung wird unter einem Durchführungsbauteil ein Bauteil verstanden, das Teil einer elektrischen Durchführung eines Leiters durch ein Gehäuse ist. Das Durchführungsbauteil kann den Leiter und eine Kopfteil umfassen. In einer besonderen Ausgestaltung weist die Durchführung neben einem Durchführungsbauteil zusätzlich einen Grundkörper auf in den wenigstens der stiftförmige Leiter des Durchführungsbauteiles in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial eingeglast ist. Der Grundkörper mit dem eingeglasten Durchführungsbauteil kann als gesamtes in eine Öffnung in einem Gehäuseteil der Batteriezelle eingesetzt werden und stellt dann die Durchführung dar. Alternativ kann das Durchführungsbauteil auch direkt in die Öffnung des Gehäuseteiles in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial eingeglast werden. Das Durchführungsbauteil und das umgebende Glas- oder Glaskeramikmaterial stellen dann die Durchführung dar.
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Bevorzugt kann der Grundkörper als ringförmiger Grundkörper ausgebildet, bevorzugt in kreisrunder Form, aber auch in ovaler Form. Die ovale Form ist insbesondere dann bevorzugt, wenn das Gehäuseteil, insbesondere der Batteriedeckel, in deren Öffnung(en) das Durchführungsbauteil selbst und/oder die Durchführung, bestehend aus Durchführungsbauteil und Grundkörper eingebracht ist, eine schmale längliche Form aufweist und das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial, mit dem der stiftförmige Leiter durch das Gehäuseteil in der Öffnung hindurchgeführt wird, vollständig zwischen dem Gehäuseteil und dem stiftförmigen Leiter oder dem Gehäuseteil beziehungsweise Gehäusebauteil und dem Grundkörper und dem stiftförmigen Leiter eingebracht ist. Eine Ausgestaltung mit Grundkörper erlaubt es, die Durchführung, bestehend aus einem Durchführungsbauteil mit einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter und einem im Wesentlichen ringförmigen Grundkörper vorzufertigen.
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Bevorzugt werden als Glas- oder Glaskeramikmaterial für die Einglasung des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters Materialien ausgewählt, die eine Verschmelztemperatur aufweisen, die geringer ist als die Schmelztemperatur des Gehäusebauteils oder des Grundkörpers und/oder des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters. Besonders bevorzugt sind hier Glas- oder Glaskeramikdurchführungen mit niedrigen Verschmelztemperaturen, bevorzugt Zusammensetzungen, umfassend die nachfolgenden Komponenten:
| P2O5 | 38–50 mol.-% |
| Al2O3 | 3–14 mol.-% |
| B2O3 | 4–10 mol.-% |
| Na2O | 10–30 mol.-% |
| K2O | 10–20 mol.-% |
| PbO | 0–10 mol.-%. |
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Die zuvor angegebenen Glaszusammensetzungen zeichnen sich nicht nur durch eine niedrige Verschmelztemperatur und ein niedriges Tg aus, sondern auch dadurch, dass sie gegenüber Batterie-Elektrolyten eine ausreichend hohe Beständigkeit aufweisen und insoweit die geforderte Langzeitbeständigkeit gewährleisten.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gehäuseteil beziehungsweise Gehäusebauteil der Batteriezelle Außen- und Innenseite aufweist und das Durchführungsbauteil oder die Durchführung mit Durchführungsbauteil und Grundkörper mit der Innen- oder Außenseite des Gehäuseteils verbunden wird, insbesondere beispielsweise durch Bördeln, Schweißen, Einpressen, Löten oder Einschrumpfen.
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Ganz bevorzugt handelt es sich bei der Batteriezelle, für die das Batteriegehäuse zur Verfügung gestellt wird, um die Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie. Bevorzugt besteht das Gehäusebauteil der Batteriezelle aus einem niedrig schmelzenden Leichtmetall, bevorzugt Aluminium oder aus Stahl, Edelstahl, insbesondere Nirosta-Stahl oder AlSiC.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen ohne Beschränkung hierauf näher beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchführungsbauteils mit einem mit diesem verbundenem Elektroden-Verbindungsbauteil gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 Durchführungsbauteil mit Elektroden-Verbindungsbauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung:
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3a–3c Durchführungsbauteil ohne Elektroden-Verbindungsbauteil in einer ersten Ausführungsform mit einem Grundkörper;
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4a–4b Durchführungsbauteil ohne Elektroden-Verbindungsbauteil mit einem Grundkörper in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5a–5b Durchführungsbauteil ohne Verbindungsbauteil gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung
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6a–6b Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einer Durchführung mit Durchführungsbauteil ohne Kopfteil mit Elektroden-Verbindungsbauteil
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7a–7b Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einer Durchführung mit Durchführungsbauteil mit Kopfteil gemäß der Erfindung mit Elektroden-Verbindungsbauteil.
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In 1 ist eine erste Ausführungsformen eines Durchführungsbauteils 1 mit einem mit dem Durchführungsbauteil 1 verbundenen Elektroden-Verbindungsbauteil 10 gezeigt. Das Elektroden-Verbindungsbauteil 10 wiederum ist mit der Elektrode 20 verbunden, die die Kathode oder Anode der elektrochemischen Zelle beziehungsweise Batteriezelle bildet. Das Durchführungsbauteil weist einen im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 3 sowie ein Kopfteil 5 auf. Das Kopfteil 5 des Durchführungsbauteils weist eine Dicke D sowie eine Abmessung A1 im Wesentlichen senkrecht zur Dicke D auf. Wie aus 1 hervorgeht, ist die Abmessung A1 senkrecht zur Dicke D des Bauteiles 5 wesentlich größer, d. h. bei dem Kopfbauteil 5 bzw. Kopfteil 5 handelt es sich um einen im Wesentlichen flachen Gegenstand. Die Ausdehnung bzw. die Abmessungen A2 des mit dem Kopfteil verbundenen im Wesentlichen stiftförmigen Leiters ist geringer als die Abmessung A1 des Kopfteils. Bevorzugt ist die Abmessung A2 der Durchmesser des im Wesentlichen rund ausgebildeten stiftförmigen Leiters 3. Auf Grund der Abmessung A1, die größer als die Abmessung A2 des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters ist ragt das Kopfteil 5 über den stiftförmigen Leiter 3 hinaus. Ist auch das Kopfteil 5 im Wesentlichen rund, so ist erfindungsgemäß die Fläche des Kopfteils 5 stets größer als die Fläche des stiftförmigen Leiters 3. Das Kopfteil 5 ist derart ausgebildet, dass es mit dem Elektroden-Verbindungsbauteil 10 verbindbar ist, zu einer mechanisch stabilen und nicht lösbaren Verbindung. In der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist das Elektroden-Verbindungsteil mit einer Versteifungsprägung 12 ausgebildet. Der Bereich 14 des Elektroden-Verbindungsteils liegt hingegen am Kopfteil an. Im Bereich 14 ist das Elektroden-Verbindungsbauteil mechanisch stabil, nicht lösbar und elektrisch gut leitend mit dem Kopfteil des Durchführungsbauteils verbunden. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt die mechanisch stabile und nicht lösbare und elektrisch leitende Verbindung des Elektroden-Verbindungsteils 10 mit dem Kopfteil 5 des Durchführungsbauteils durch Laserschweißung, Bördeln oder Verstemmen. Um das Elektroden-Verbindungsteil 10 vorbestimmt mit dem Kopfteil 5 des Durchführungsbauteiles zu verbinden, umfasst das Durchführungsbauteil 1 neben dem Kopfteil und dem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter ein über das Kopfteil 5 hinausragenden Fortsatz 30, der in beispielsweise eine Zentrieröffnung 32 des Elektroden-Verbindungsbauteils 20 eingreift, so dass durch die Zentrieröffnung 32 und den Fortsatz 30 eine Zentriermöglichkeit für das Elektroden-Verbindungsteil besteht. Hierfür kann der Fortsatz sowohl rund wie nicht-rund ausgeführt sein. Neben einer Zentriermöglichkeit ermöglicht die Ausgestaltung des Fortsatzes auch eine Verdrehsicherung. Dies ist dann der Fall, wenn der Fortsatz und die Zentrieröffnung nicht rund, sondern, z. B. oval ausgebildet ist.
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Wie aus 1 hervorgeht, weist das Elektroden-Verbindungsbauteil eine Abmessung A3 auf, die im Wesentlichen der Breite des Elektroden-Verbindungsteils 20 entspricht. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass für den gesamten Strom weg von der Batteriezelle bis zu den Elektrodenanschlüssen ein im Wesentlichen gleicher Leitungsquerschnitt gewährleistet wird, sodass keine Verlustwärme im gesamten Leitungspfad auftreten.
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Die Versteifungsprägung 12 des Elektroden-Verbindungsteils 20 verhindert ein Verbiegen beim Einbau der Durchführung in ein Gehäuseteil und damit einen Kurzschluss.
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Zu einer besseren Verbindung des Elektroden-Verbindungsteils 10 mit dem Kopfteil 5 kann vorgesehen sein, dass das Elektroden-Verbindungsteil eine Oberflächenbeschichtungen beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium aufweist Die Elektrode selbst kann aus einem beliebigen Material, insbesondere einem Metall, bevorzugt Aluminium sein. Auch andere Beschichtungsmaterialien, wie z. B. Ag, Ni, Au, Pd, Ag und Zn waren möglich.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl das Elektroden-Verbindungsbauteil 10 wie auch das Durchführungsbauteil in einem separaten Prozess hergestellt werden. Dies ermöglicht sowohl von der Materialauswahl wie auch vom Herstellverfahren eine optimierte Prozessführung. Erst nachträglich wird dann eine Verbindung beispielsweise durch einen Verbindungsprozess, wie Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Bonden, Reibschweißen, Verstemmen, Bördeln, Widerstandsschweißen oder Löten zwischen dem Elektroden-Verbindungsbauteil und dem Kopfteil des Durchführungsbauteiles hergestellt.
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Wie aus 1 hervorgeht, zeichnet sich das dargestellte Durchführungsbauteil mit Elektroden-Verbindungsbauteil duch eine sehr flache Bauweise aus, die wenig Innenbauraum in einer Batteriezelle verbrauchen. Dies ist detailliert in den 7a bis 7b gezeigt. Isolierungsbauteile im Batterieinnenraum beziehungsweise Batteriezelleninnenraum können mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erreicht werden.
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In 2 ist eine Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, bei der das Elektroden-Verbindungsteil 110 eine individuelle Ausgestaltung aufweist und beispielsweise im Bereich 140 eine individuelle Anoden- bzw. Kathodenverbindung zur elektrochemischen Zelle der Batterie zur Verfügung zu stellen. Im Bereich der individuellen Anoden- bzw. Kathodenverbindung 140 können die Oberflächen 142.1, 142.2 optional behandelt sein, beispielsweise durch das Aufbringen von Metallen, insbesondere Cu oder Al. Im Allgemeinen wird Cu dann verwandt, wenn der Bereich 140 an die Kathode der elektrochemischen Zelle angeschlossen wird und Al wird verwandt, wenn der Bereich 140 an die Anode angeschlossen wird. Als Grundmaterial für das nicht beschichtete Elektroden-Verbindungsbauteil 110 kann Aluminium oder andere gut leitende Materialien verwendet werden. Deutlich zu erkennen ist, dass bei der Ausgestaltung gemäß 2 das Elektroden-Verbindungsbauteil 110 in seiner Abmessung A3 über die Abmessung A1 des Kopfteils 105 des Durchführungsbauteiles 100 hinausragt. Bei der Ausgestaltung gemäß 2 sind gleiche Bauteile wie in 1 mit um 100 erhöhten Bezugsziffern angegeben. Das Durchführungsbauteil 100 weist wiederum einen im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 103 sowie ein Kopfteil 105 auf, wobei das Kopfteil wiederum eine Dicke D besitzt. Wiederum ist bei der Ausgestaltung gemäß 2 im Elektroden-Verbindungsbauteil eine im Wesentlichen kreisförmige Zentrierbohrung 132 vorgesehen, und das Durchführungsbauteil weist einen Fortsatz 130 auf, der in die im Wesentlichen kreisförmige Zentrierungsbohrung des Elektroden-Verbindungsteils eingreift. Als Material für das Elektroden-Verbindungsbauteil 110 kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium verwendet werden. Auch andere gut leitende Materialien sind möglich. Die Materialien Kupfer oder Aluminium können auch für den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 103 sowie das Kopfteil 105 und den Fortsatz 130 eingesetzt werden. Andere mögliche Materialien sind CuSiC, AlSiC, NiFe, eine Kupferseele, d. h. ein NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil sowie eine Kobalt-Eisen-Legierung. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kopfteil 105 im Wesentlichen um ein kreisrundes Bauteil, ebenso bei dem Fortsatz 130. Das Elektroden-Verbindungsbauteil 110 ist dagegen bevorzugt in Rechteckform ausgebildet, wobei jeweils individuelle Anoden-/Kathodenverbindungen an den Rändern vorgesehen sind. Das Elektroden-Verbindungsbauteil kann eine Versteifungsprägung aufweisen. Der Fortsatz kann auch nicht kreisrund ausgebildet sein und stellt dann eine Verdrehsicherung dar.
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Besonders bevorzugt ist es wenn das Durchführungsbauteil nicht direkt in eine Gehäuseöffnung eingeglast wird, sondern vor Einsetzen in die Öffnung in einen Grundkörper. Die Durchführung wird dann von dem Durchführungsbauteil, dem Glas- oder Glaskeramikmaterial und dem Grundkörper gebildet.
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In den 3a–5b wird das Einglasen des Durchführungsbauteiles 201, 301 in einen Grundkörper 200, 300 ergebend eine Durchführung 1000, die in eine Öffnung (siehe 6a–7b) in einem Gehäusebauteil (siehe 6a–7b) beispielsweise einem Batteriegehäuses beziehungsweise Batteriezellengehäuses eingesetzt werden kann, gezeigt. Ein Einglasen in einen Grundkörper, wie in den 3a–5b gezeigt hat, gegenüber dem direkten Einglasen in eine Öffnung den Vorteil, dass eine Vormontage möglich ist, d. h. die Einglasung des Durchführungsbauteils in den Grundkörper kann vor Einsetzen der Durchführung in die Öffnung im Gehäuseteil, insbesondere in das Batteriezellengehäuse erfolgen. Bei dem in den 6a–7b dargestellten Batteriezellengehäuse handelt es sich um ein Gehäuse für eine Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie.
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Der Grundkörper
200, der den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter
203 des Durchführungsbauteiles
201 aufnimmt, ist bevorzugt im Wesentlichen ringförmig. Das Material des Grundkörpers
200 ist bevorzugt Aluminium, AlSiC, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl. Um eine hermetische Durchführung des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters
203 durch den Grundkörper
200 und damit die Öffnung im Gehäuseteil bereitzustellen, ist der im Wesentlichen stiftförmige Leiter
203 in einen Glaspfropfen aus einem Glas- oder Glaskeramikmaterial eingeschmolzen, d. h. der Grundkörper
200 und der im Wesentlichen stiftförmige Leiter
203 sind mit dem Glas- oder Glaskeramikmaterial
280 verschmolzen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Verschmelztemperatur des Glas- oder Glaskeramikmaterials 20 K bis 100 K unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des Grundkörpers
200 oder des Gehäuseteiles, in den die Öffnung eingelassen ist (nicht dargestellt) und/oder des stiftförmigen Leiters liegt. Ist der Grundkörper
200 aus einem niedrig schmelzenden Metall, insbesondere einem Leichtmetall, bevorzugt Aluminium oder AlSiC, so wird bevorzugt ein Glasmaterial, durch das der Leiter hindurchgeführt wird, eingesetzt, das die nachfolgenden Komponenten in mol.-% umfasst:
| P2O5 | 38–50 mol.-%, insbesondere 39–48 mol.-% |
| Al2O3 | 3–14 mol.-%, insbesondere 4–12 mol.-% |
| B2O3 | 4–10 mol.-%, insbesondere 4–8 mol.-% |
| Na2O | 10–30 mol.-%, insbesondere 14–29 mol.-% |
| K2O | 10–20 mol.-%, insbesondere 12–19 mol.-% |
| PbO | 0–10 mol.-%, insbesondere 0–9 mol.-%. |
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Die oben angegebene spezielle Glaszusammensetzung zeichnet sich dadurch aus, dass die Glasmaterialien sehr hohe thermische Dehnungen aufweisen, die im Bereich > 15 × 10–6 K–1, bevorzugt im Bereich 15 × 10–6 K–1 bis 25 × 10–6 K–1 liegen und damit in dem Bereich der thermischen Ausdehnung von Leichtmetallen wie Aluminium, aber auch von ähnlichen Metallen für die im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 203, die durch das Glasmaterial durchgeführt, nämlich beispielsweise Kupfer. So besitzt Aluminium bei Zimmertemperatur eine thermische Ausdehnung α = 23 × 10–6/K, Kupfer von 16,5 × 10–6/K. Um zu verhindern, dass beim Einglasen das Leichtmetall des Grundkörpers und eventuell auch des Metallstifts schmilzt oder deformiert, liegt die Schmelztemperatur des Glasmaterials unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des Grundkörpers und/oder Leiters. Die Verschmelztemperatur der angegebenen Glaszusammensetzung liegt dann im Bereich 250°C bis 650°C. Das Einglasen des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 203 in den Grundkörper 200 vor Einsetzen der Durchführung in die Öffnung (nicht dargestellt) wird dadurch erreicht, dass das Glas zusammen mit dem Leiter, insbesondere dem stiftförmigen Leiter, auf die Verschmelztemperatur des Glases erwärmt wird, so dass das Glasmaterial erweicht und den Leiter, insbesondere den stiftförmigen Leiter, umschließt und am Grundkörper 200 anliegt. Wird, wie oben beschrieben, beispielsweise Aluminium als Leichtmetall mit einem Schmelzpunkt TSchmelz = 660,32°C für den Grundkörper 200 verwandt, so liegt die Verschmelztemperatur des Glasmaterials, wie oben angegeben, bevorzugt im Bereich 350°C bis 640°C. Bevorzugt ist das Material des stiftförmigen Leiters 203 identisch zum Material des Grundkörpers, was den Vorteil hat, dass der Ausdehnungskoeffizient für den Grundkörper und für den Metallstift identisch ist. Der Ausdehnungskoeffizient α des Glas- oder Glaskeramikmaterials kann entweder an das Material angepasst sein, dann liegt keine Druckglasdurchführung vor oder einen anderen Ausdehnungskoeffizienten α wie der Grundkörper beziehungsweise stiftförmige Leiter aufweisen, dann liegt eine Druckglasdurchführung vor. Der Vorteil der Druckglasdurchführung sind höhere Auszugskräfte für das Durchführungsbauteil. Alternativ kann der stiftförmige Leiter Kupfer umfassen, CuSiC- oder NiFe-Legierungen.
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Das Gehäuseteil, in das die in den vorangegangenen Figuren dargestellte Durchführung bzw. Durchführungsbauteil eingebracht wird, ist ebenfalls bevorzugt aus Aluminium hergestellt. Das Gehäuseteil weist eine Außenseite und eine Innenseite auf. Die Außenseite ist dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Batteriezelle nach außen erstreckt, die Innenseite dadurch, dass sie sich zum Elektrolyten der Batteriezelle, beispielsweise bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator hin erstreckt. Dies ist in den 6a bis 7b gezeigt.
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Bei Lithium-Ionen-Batterien wird als Elektrolyt typischerweise ein nicht wässriger Elektrolyt, bestehend typischerweise aus einem Karbonat, insbesondere aus einer Karbonatmischung, beispielsweise einer Mischung aus Ethylenkarbonat und Dimethylkarbonat, verwandt, wobei die aggressiven, nicht wässrigen Batterieelektrolyten ein Leitsalz aufweisen, beispielsweise das Leitsalz LiPF6 z. B. in Form einer 1-molaren Lösung.
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Die in den 3a–5b dargestellten Durchführungsbauteile 201, 301 weisen einen im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 203 sowie ein Kopfteil 205 gemäß den 1a–2b auf, bei dem die Abmessungen A1 des Kopfteiles 205 größer sind als die Abmessungen A2 des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 203. Der Kopfteil 205 ist derart ausgestaltet, dass es mit einem Elektroden-Verbindungsteil, wie in den 1a bis 2b dargestellt, verbindbar ist, insbesondere weist er einen Fortsatz 230 auf, der als Zentrierteil für das Elektroden-Verbindungsteil dienen kann. Das an dem Kopfteil 205 anbringbare Elektroden-Verbindungsteil (in 1a bis 2b dargestellt) liegt nach Einbau in die Öffnung des Gehäuseteils zur Innenseite hin, d. h. zum Elektrolyten der Batteriezelle hin. Dies ist in den 7a–7b gezeigt. Die Einglasung kann bei der Ausgestaltung gemäß den 3a bis 5b nicht nur zwischen dem stiftförmigen Leiter 203, der durch den ringförmigen Grundkörper 200, der wiederum in ein Gehäuseteil eingesetzt werden kann, und dem Grundkörper 200 erfolgen, sondern das Glasmaterial bzw. Glaskeramikmaterial 280 kann auch zwischen dem Grundkörper 200 und dem Kopfteil 205 eingebracht werden. Dies hat den Vorteil der Stabilisierung der Elektroden-Verbindungsbauteile, da diese nicht freistehen.
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Über das Kopfteil 205 hinaus ragt ein Fortsatz 230, z. B. in das Innere der Batteriezelle (wie in den 7a–7b gezeigt) hinein, wobei der Fortsatz 230 der Zentrierung für das Elektroden-Verbindungsteil (in 1a bis 2b gezeigt) dienen kann. Der Fortsatz 230 des Leiters ist bevorzugt stets rund ausgebildet, unabhängig von der Form des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 203, der z. B. oval oder rund sein kann.
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Auch der ringförmige Grundkörper 200 kann unterschiedliche Formen annehmen, beispielsweise, wie in den 3a bis 3c gezeigt, eine ovale Außenform 290, wobei dann bevorzugt auch der Leiter im Bereich, in dem dieser durch den ovalen Grundkörper hindurchgeführt wird, d. h. im Bereich 211 ebenfalls oval ausgebildet sein kann. Der Fortsatz 230, wie in 3c dargestellt, ist in der Draufsicht jedoch rund zum Anschluss des Elektroden-Verbindungsteiles.
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Alternativ zu einer ovalen Ausführungsform sowohl vom ringförmigen Grundkörper, was insbesondere bei schmalen Batteriedeckeln von Vorteil ist, ist es möglich, sowohl den stiftförmigen Leiter als auch den Fortsatz und den Grundkörper ringförmig auszubilden.
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Ein ringförmiger Grundkörper mit ringförmigem stiftförmigem Leiter ist in den 4a bis 4b angegeben. Gleiche Bauteile wie in den 3a bis 3c sind mit 100 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet, d. h. in den 4a bis 4b bezeichnet, beispielsweise der stiftförmige Leiter die Bezugsziffer 303, das Kopfteil 305 und 300 den ringförmigen Grundkörper.
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Um weitere Verbindungsteile beziehungsweise Verbindungsanteile an den Elektroden anzubringen, ist in einer Ausführungsform gemäß 5a bis 5b vorgesehen, die Kopffläche FKOPFTEIL des Kopfteils 405 auszukragen, d. h. über den Durchmesser der Öffnung hinaus vorzusehen. Die Auskragung des Kopfteils 405 erlaubt zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Verbindungsverfahren die Verbindung der Verbindungsbauteile aufgrund der Zugänglichkeit von zwei Seiten auch mit Durchschweißen, Widerstandsschweißen oder Nieten vorzunehmen. Gut zu erkennen ist in 5a insbesondere das erfindungsgemäße Merkmal des Durchführungsbauteiles, dass die Fläche des Kopfteiles 405 (FKOPFTEIL) größer ist, als die Fläche des stiftförmigen Leiters 403 (FLEITER). Da bei der Ausführung gemäß 5a die Abmessungen und Form des Fortsatzes 430 des stiftförmigen Leiters 403 entsprechen, ist die in der Draufsicht dargestellte Querschnittsfläche des Fortsatzes 430 gleich der Fläche des stiftförmigen Leiters. Gleiche Bauteile wie in den 3a bis 3c sind mit um 200 erhöhten Bezugsziffern angegeben, d. h. der stiftförmige Leiter trägt die Bezugsziffer 403 und der ringförmige Grundkörper die Bezugsziffer 400. Auf der Auskragung des Kopfteils können beispielsweise Elektroden-Verbindungsteile, wie in 2a bis 2b gezeigt, angebracht werden, bevorzugt aufgrund der Zugänglichkeit von zwei Seiten der Auskragung wie oben beschrieben durch Widerstandsschweißen oder Nieten.
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Alternativ zu den in den 3a–5b gezeigten Ausgestaltungen des Grundkörpers 200, 300, 400 als einfacher Ring kann dieser auch als konischer Ring (nicht dargestellt) ausgebildet sein, der in eine konisch verlaufende Öffnung im Gehäuseteil eingelassen wird. Die Verbindung zwischen der Durchführung erfolgt wiederum zwischen den Seitenwänden der konischen Öffnung und dem konischen Grundkörper, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Einbördeln, Einschrumpfen. Es ist aber auch möglich, den im Wesentlichen konisch verlaufenden ringförmigen Grundkörper in die konische Öffnung im Gehäuseteil beziehungsweise Gehäusebauteiles einzupressen. Durch die konische Ausgestaltung sowohl der Öffnung als auch des Grundkörpers wird eine Relativbewegung der Durchführung in Richtung der Außenseite des Gehäuseteils vermieden, da die konische Bohrung und der konisch ausgestaltete Grundkörper quasi als Widerhaken fungieren und eine Relativbewegung in Richtung Außenseite zu einem Formschluss zwischen Grundkörper der Durchführung und den Seitenwänden der Öffnung führen.
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Ein Vorteil der Ausgestaltung mit einem konischen Grundkörper besteht darin, dass auch unter erhöhten Belastungen die Durchführung zum Beispiel einer Druckbelastung, ein Herausdrücken der Durchführung mit Metallstift aus der Durchgangsöffnung sicher vermieden wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Öffnungen durch eine einfache Herstellmethode, beispielsweise durch Stanzen, in das Gehäuseteil eingebracht werden.
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In den 6a–7b sind komplette Batteriezellen dargestellt, mit eingesetzten Durchführungen.
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Hierbei zeigen die 6a–6b eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Durchführungsbauteil nicht mit einem Kopfteil versehen ist und im Gegensatz hierzu die 7a–7b eine Batterie- beziehungsweise Batteriezelle mit einem Gehäuse und darin eingebauten Durchführungen, wobei das Durchführungsbauteil ein Kopfteil gemäß der Erfindung aufweist.
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In 6a ist der prinzipielle Aufbau einer Batteriezelle 1000 dargestellt.
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Die Batteriezelle 1000 weist ein Gehäuse 1100 mit Seitenwänden 1110 und einem Deckelteil 1120 auf. In das Deckelteil 1120 des Gehäuses 1100 sind Öffnungen 1130.1, 1130.2 eingelassen beispielsweise durch Stanzen. In die beiden Öffnungen 1130.1, 1130.2 sind wiederum Durchführungen 1140, 1140.2 eingesetzt.
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Detailliert zeigt 6b den Ausschnitt des Batteriedeckels 1120 mit der Öffnung 1130.1, und darin eingesetzter Durchführung 1140.1.
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Die Durchführung 1140.1 umfasst einen stiftförmigen Leiter 2003 sowie einen Grundkörper 2200. Der stiftförmige Leiter 2003 ohne ein Kopfteil ist in den Grundkörper 2200 mit einem Glas- oder Glaskeramikmaterial 2280 eingeglast. Der stiftförmige Leiter 2003 wird nach Einglasen in den Grundkörper 2200 mit Glas- oder Glaskeramikmaterial 2280 als gesamtes Bauteil in die Öffnung 1130.1 eingesetzt, beispielsweise in dem der Grundkörper 2200 der Durchführung der bevorzugt aus Aluminium besteht, mit dem aus Aluminium bestehenden kaltverfestigten Deckelteil 1120, z. B. durch Schweißen verbunden wird. Aufgrund der Einglasung ist der Grundkörper 2200 bevorzugt erweicht.
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Am stiftförmigen Leiter ist eine Ausnehmung 2002 vorgesehen, in die ein Elektrodenverbindungsteil 2020 eingesetzt ist. Das Elektrodenverbindungsteil wiederum dient entweder als Kathode oder als Anode der elektrochemischen Zelle 2004 der Batterie 1000. Die elektrochemische Zelle der Lithium-Ionen-Batterie wird auch als Batteriezelle 2004 bezeichnet. Das Gehäuse 1100, dass die Batteriezelle 2004 umgibt als Batteriezellengehäuse.
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Wie aus 6a hervorgeht, ist aufgrund der Bauweise der Durchführung 1140.1, 1140.2 mit einem stiftförmigen Leiter und einem in einer Ausnehmung 2002 des stiftförmigen Leiters eingesetztes Elektrodenverbindungsbauteil, das mit der Batteriezelle 2004 verbunden wird, ein großer Bauraum 2006, der zwischen der Batteriezelle 2004 und dem Deckel 1120 gebildet wird, verbunden.
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Durch die erfindungsgemäße flache Bauweise des Durchführungsbauteils 3200 wie in den 7a und 7b gezeigt, gelingt am nicht ausgenutzten Bauraumes in dem Batteriezellengehäuse zu minimieren. Dies ist deutlich in den 7a–7b zu entnehmen.
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Gleiche Bauteile wie in 6a und 6b mit um 2000 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Wiederum sind in die Öffnung 3130.1, 3130.2 des Deckels 3120 des Batteriezellengehäuses 3100 Durchführungen 3140.1, 3140.2 eingesetzt. Im Gegensatz zum Durchführungsbauteil der Durchführungen gemäß 6a und 6b ist nunmehr das Durchführungsbauteil mit einem stiftförmigen Leiter 3003 sowie einem Kopfteil 3005 versehen. Das Kopfteil weist einen Fortsatz 3030 auf sowie ein auf dem Kopfteil 3005 durch eine Schweiß-, Löt-, oder sonstiges der zuvor beschriebenen Verfahren fest angebrachtes Elektrodenverbindungsbauteil 3010. Das Elektrodenverbindungsteil weist einen Abschnitt 3140 auf, wobei der Abschnitt 3140 als Kathode beziehungsweise Anode für die elektrochemische Zelle, hier die Batteriezelle dient. Wie aus den 7a–7b hervorgeht, ist deutlich der Vorteil des erfindungsgemäßen Durchführungsbauteils zu erkennen, dass die in 7a–7b gezeigte Bauart der Durchführung bedingt, dass möglichst wenig Bauraum innerhalb des Batteriezellengehäuses, ungenutzt bleibt.
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Im Wesentlichen stimmt die Ausgestaltung der Durchführungen mit 7a und 7b mit der Ausgestaltung der Durchführung in 2 und 5a–5b überein. Die Beschreibung zu 2 wird vollumfänglich auf die vorliegende Beschreibung der Batteriezelle übertragen.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der stiftförmigen Leiter mit einem Kopfteil und den damit verbundenen Elektroden-Verbindungsbauteile wird eine sehr hohe Stabilität, insbesondere auch gegen mechanische Belastung wie Vibrationen erreicht.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine Durchführung für ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriezellengehäuse, bevorzugt für eine Lithium-Ionen-Batterie, angegeben, die vorfertigbar ist und besonders dafür geeignet ist, in Gehäuseteile von Batteriezellengehäusen bestehend aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium (Al), eingesetzt zu werden. Es sind aber als Materialien für das Batteriezellengehäuse auch Stahl oder Edelstahl, insbesondere Nirosta-Edelstahl möglich. In einem solchen Fall werden die Materialien des stiftförmigen Leiters mit Kopfteil und gegebenenfalls des Grundkörpers entsprechend ausgewählt und angepasst.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es des Weiteren, auf ein kostengünstiges Herstellungsverfahren und Ausgangsmaterialien zurückzugreifen. Ferner kann die gesamte Durchführung als vorgefertigtes Bauteil ausgebildet sein, in welches der Metallstift mittels eines Fixiermaterials, d. h. beispielsweise eines Glaspfropfens, in einen Grundkörper eingeschmolzen wird, bevor dieser in das Gehäuseteil eingesetzt wird hierdurch sichergestellt, dass es zu keinem Verlust der Kaltverfestigung des Gehäusebauteiles kommt. Des Weiteren können Materialstärken und Materialien von Gehäusebauteil und Grundkörper unabhängig gewählt werden. Durch spezielle Ausgestaltungen mit einer Entlastungseinrichtung kann die Durchführung sowohl mechanisch wie thermisch entlastet werden.
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Die Erfindung umfasst Aspekte, die in den nachfolgenden Sätzen offenbart sind, die Teil der Beschreibung sind, aber keine Ansprüche
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Sätze
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- 1. Durchführungsbauteil (1, 101, 201, 301, 401) für eine Durchführung eines Leiters durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial (280, 380) mit wenigstens einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter (3, 103, 203, 303, 403) und einem Kopfteil (5, 105, 205, 305, 405),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fläche (FKOPFTEIL) des Kopfteils (5, 105, 205, 305, 405) größer ist als die Fläche, insbesondere die Querschnittsfläche (FLEITER) des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters (3, 103, 203, 303, 403) sind und der Kopfteil derart ausgestaltet ist, dass er mit einem Elektroden-Verbindungsbauteil beziehungsweise Elektroden-Verbindungsteil (10, 110), insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, verbindbar ist, mit einer mechanisch stabilen und nicht lösbaren und elektrisch gut leitenden Verbindung.
- 2. Durchführungsbauteil nach Satz 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopfteil (5, 105, 205, 305, 405) ein Zentrierteil, insbesondere in Form eines über das Kopfteil hinausragenden Fortsatzes (30, 130 230, 330, 430) des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters (3, 103, 203, 303, 403) umfasst, wobei der Fortsatz rund oder nicht rund ausgeführt sein kann, ergebend eine Zentriermöglichkeit oder nicht rund ergebend eine Verdrehsicherung.
- 3. Durchführungsbauteil nach einem der Sätze 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110) eine Zentrieröffnung zur Aufnahme für den Fortsatz des Kopfteiles (5, 105, 205, 305, 405) aufweist.
- 4. Durchführungsbauteil nach einem der Sätze 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110) ein flaches Bauteil ist, bei dem die Dicke des Bauteiles klein gegen die Abmessungen des Bauteiles im Wesentlichen senkrecht zur Dicke ist.
- 5. Durchführungsbauteil nach einem der Sätze 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elektroden-Verbindungsteil (10, 110) Versteifungen (12), insbesondere in Form von Versteifungsprägungen umfasst.
- 6. Durchführungsbauteil nach einem der Sätze 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110) mit dem Kopfteil (5, 105, 205, 305, 405) durch Schweißen, Löten, Verpressen, Verstemmen, Krimpen, Schrumpfen, Klemmen oder Quetschen verbunden ist.
- 7. Verfahren zur Herstellung eines Durchführungsbauteils (1, 101, 201, 301, 401) mit wenigstens einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter (3, 103, 203, 303, 403) für die Durchführung durch ein Gehäuseteil, eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, wobei das Durchführungsbauteil (1, 101, 201, 301, 401) mit einem Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110) verbindbar ist,
umfassend folgende Schritte:
- – es wird ein Durchführungsbauteil (1, 101, 201, 301, 401), umfassend wenigstens einen im Wesentlichen stiftförmigen Leiter (3, 103, 203, 303, 403) und ein Kopfbauteil (5, 105, 205, 305, 405) zur Verfügung gestellt;
- – es wird ein hiervon separates Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110) zur Verfügung gestellt;
- – das Durchführungsbauteil (1, 101, 201, 301, 401) wird mit dem Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110), im Bereich des Kopfbauteils (5, 105, 205, 305, 405), durch eine mechanisch stabile, nicht lösbare Verbindung verbunden.
- 8. Verfahren nach Satz 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Elektroden-Verbindungsteils (10, 110) vordem Verbinden des Elektroden-Verbindungsteils (10, 110) mit dem Durchführungsbauteil (1, 101, 201, 301, 401) behandelt wird, insbesondere beschichtet wird, bevorzugt mit einem der nachfolgenden Elemente:
Cu, Al, Ag, Ni, Au, Pd, Zn.
- 9. Verfahren nach einem der Sätze 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Durchführungsbauteil (1, 101, 201, 301, 401) mit dem Elektroden-Verbindungsteil (10, 110), insbesondere im Bereich des Kopfteils, durch eine der nachfolgenden Methoden verbunden wird:
- – durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Elektronenstrahlschweißen; Ultraschallschweißen, Reibschweißen
- – Löten;
- – Verstemmen;
- – Krimpen;
- – Schrumpfen;
- – Verpressen;
- – Verklemmen;
- – Quetschen.
- 10. Verfahren nach einem der Sätze 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektroden-Verbindungsbauteile (10, 110) mit einer Versteifungsprägung (12) versehen werden.
- 11. Verfahren nach einem der Sätze 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110) mit einer einer Zentrieröffnung versehen wird, die rund oder nicht rund ausgebildet sein kann und eine Zentriermöglichkeit darstellt oder nicht rund ausgestaltet sein kann als Verdrehsicherung.
- 12. Verfahren nach einem der Sätze 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einglasung des Durchführungsbauteils in ein an Glas- und/oder Glaskeramikmaterial (280, 380) in einen Grundkörper (200, 300, 400) oder eine Öffnung eines Gehäuseteils zur Herstellung der Durchführung vor dem Verbinden mit dem Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110) erfolgt.
- 13. Gehäuse, insbesondere Batteriezellengehäuse, umfassend wenigstens ein Durchführungsbauteil nach einem der Sätze 1 bis 7 sowie wenigstens ein mit dem Durchführungsbauteil verbundenes Elektroden-Verbindungsbauteil (10, 110).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 961672 [0004]
- US 5952126 [0004]
- US 5900183 [0004]
- US 5874185 [0004]
- US 5849434 [0004]
- US 5853914 [0004]
- US 5773959 [0004]
- DE 10105877 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Handbook of Batteries, David Linden, Herausgeber, 2. Auflage, McGrawhill, 1995, Kapitel 36 und 39 [0003]
