DE102011103976A1

DE102011103976A1 - Durchführung

Info

Publication number: DE102011103976A1
Application number: DE102011103976A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hartl; Dr. Kroll Frank; Martin Landendinger
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchführung, insbesondere durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, bevorzugt aus einem niedrig schmelzenden Material, insbesondere einem Leichtmetall, bevorzugt Aluminium oder AlSiC, wobei der Gehäuseteil wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die wenigstens ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung wenigstens einen im Wesentlichen stiftförmigen Leiter sowie einen Grundkörper, insbesondere im Wesentlichen einen ringförmigen Grundkörper umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchführung, insbesondere durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriezellengehäuses, wobei das Gehäuseteil wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die wenigstens ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial hindurchgeführt wird.
Akkumulatoren, bevorzugt 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.
Lithium-Ionen-Batterien sind seit vielen Jahren bekannt. Diesbezüglich wird beispielsweise auf „Handbock of Batteries, David Linden, Herausgeber, 2. Auflage, McGrawhill, 1995, Kapitel 36 und 39" verwiesen.
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 .
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 bzw. in 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.
Insbesondere für die Anwendung von 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 Batteriezellen 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 beziehungsweise Batteriezelle kann zu einer verminderten Lebensdauer der Batterie beziehungsweise Batteriezelle führen.
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.
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.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Durchführung anzugeben, die die Probleme des Standes der Technik vermeidet.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass bei Durchführungen, insbesondere durch eine Öffnung in einem Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere für eine Batteriezelle, bevorzugt aus einem niedrig schmelzenden Leichtmetall, bevorzugt Aluminium oder aus Stahl, Edelstahl, insbesondere Nirosta-Stahl oder AlSiC, ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial hindurchgeführt wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung wenigstens ein im Wesentlichen stiftförmigen Leiter sowie einen Grundkörper, insbesondere einen im Wesentlichen ringförmigen Grundkörper umfasst. 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 gesamt 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 Kaltverfestigungsmoglichkeiten 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 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 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.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Materialien für Grundkörper und Gehäuseteil 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 mbar I/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.
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.
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.
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.
Bevorzugt ist 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 das Deckelteil der Batteriezelle, in deren Öffnung(en) die Durchführung 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 Grundkörper und dem stiftförmigen Leiter eingebracht ist. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, die Durchführung, bestehend aus einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter und einem im Wesentlichen ringförmigen Grundkörper vorzufertigen.
Bevorzugt werden in einer Ausgestaltung als Glas- oder Glaskeramikmaterial derartige Materialien ausgewählt, die eine Verschmelztemperatur aufweisen, die geringer ist als die Schmelztemperatur des Grundkörpers und/oder des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters. Besonders bevorzugt sind hier Glas- oder Glaskeramikzusammensetzungen 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.-%.
Die vorher 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.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gehäuseteil des Batteriegehäuses beziehungsweise Batteriezellengehäuses eine Außen- und Innenseite aufweist und der Grundkörper der Durchführung mit der Innen- oder Außenseite des Gehäuseteils verbunden wird, insbesondere beispielsweise durch Bördeln, Schweißen, Einpressen, Löten oder Einschrumpfen.
Hierzu ist es besonders bevorzugt, wenn der Grundkörper einen Überstand aufweist, so dass ein Teil des Grundkörpers in die Öffnung des Gehäuseteils eingreift, ein anderer Teil des Grundkörpers über die Öffnung hinausragt und auf der Innen- oder Außenseite des Gehäuseteils aufliegt bzw. dort mit dem Gehäuseteil verbunden werden kann.
In einer fortgebildeten Ausführungsform umfasst auch der stiftförmige Leiter ein Kopfteil beziehungsweise Befestigungsteil. Das Kopfteil kann einen über das Kopfteil hinaustragenden Fortsatz aufweisen. Der Fortsatz kann dazu dienen, eine Zentrierung für Elektroden bzw. Elektroden-Verbindungsteile Verfügung zu stellen. Bei der Ausführungsform mit Kopfteil können an das Kopfteil, das sich in das innere des Batteriezellengehäuses erstreckt, Elektroden-Verbindungsteilen beziehungsweise die Batterieelektroden angeschlossen werden.
Der Fortsatz kann eine andere Außenkontur aufweisen als der stiftförmige Leiter. So wäre es möglich, dass der stiftförmige Leiter eine ovale Außenkontur aufweist, der Fortsatz hingegen eine ringförmige Außenkontur. Auch die Abmessungen müssen nicht notwendig gleich sein.
Neben der Durchführung stellt die Erfindung auch ein Gehäuse, insbesondere für eine elektrische Speichereinrichtung, insbesondere eine Batteriezelle zur Verfügung. Das Gehäuse umfasst wenigstens ein Gehäuseteil mit wenigstens einer Öffnung und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Gehäuseteils eine erfindungsgemäße Durchführung mit wenigstens einem stiftförmigen Leiter, der in einen Grundkörper eingeglast ist, aufnimmt.
Ganz bevorzugt handelt es sich bei der Batteriezelle, für die das Gehäuse zur Verfügung gestellt wird, um eine Batteriezelle für eine Lithium-Ionen-Batterie.
Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Durchführung mit wenigstens einem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter zur Verfügung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– es wird ein im wesentlichen stiftförmiger Leiter und ein Grundkörper zur Verfügung gestellt
– der im Wesentlichen stiftförmige Leiter wird in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial in einem Grundkörper eingeglast ergebend die Durchführung für ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriezellengehäuses.

Daneben wird eine Verfahren zum Einbringen einer Durchführung mit einem Grundkörper in ein Gehäusebauteil gezeigt, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Durchführung mit Grundkörper und darin eingeglastem stiftförmigen Leiter, insbesondere durch Schweißen, bevorzugt Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, Widerstandsschweißen sowie alternativ durch Löten, Einschrumpfen, Einpressen oder Einbördeln verbunden wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen ohne Beschränkung hierauf näher beschrieben werden.
Es zeigen:
1a–1b eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Durchführung mit einem Metallstift und einem Grundkörper in einem Gehäuseteil, wobei der Grundkörper als Flanschring ausgebildet ist;
2a–2b eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Durchführung mit einem Grundkörper, der als Schweißring ausgebildet ist;
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchführung, bei der der Grundkörper durch Laserschweißen, Löten, Einschrumpfen oder Elektronenschweißen im Bereich der Öffnung mit dem Gehäuseteil verbunden wird;
4a–4c eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchführung mit einem konischen Ring als Grundkörper, der in eine Öffnung des Gehäuseteils eingesetzt wird;
5a–5c eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Durchführung mit einem ovalen stiftförmigen Leiter mit einem ovalen Kopfteil;
6a–6b eine weitere Ausführungsform eines kreisrunden stiftförmigen Leiters mit einem kreisrunden Kopfteil;
7a–7b eine vierte Ausführungsform eines stiftförmigen Leiters mit einem Kopfteil.
8a–8b erste Ausführungsform einer Durchführung mit therimscher Barriere mechanischer Entlastung.
9a–9b zweite Ausführungsform eines Durchführung mit thermischer Barriere und mechanischer Entlastung.
10a–10b Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einer Durchführung mit Durchführungsbauteil ohne Kopfteil mit Elektroden-Verbindungsbauteil
11a–11b Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einer Durchführung mit Durchführungsbauteil mit Kopfteil gemäß der Erfindung mit Elektroden-Verbindungsbauteil.
In 1a ist eine erfindungsgemäße Durchführung 3 durch ein Gehäuseteil 5 eines Gehäuses, vorzugsweise eines Gehäuses für einen Akkumulator, insbesondere einer Batteriezelle für eine Lithium-Ionen-Batterie, gemäß beispielsweise 10a–11b, gezeigt.
Obwohl nachfolgend Ausführungsbeispiele für stiftförmige Leiter ohne Kopfteil beschrieben sind, können diese ohne dass dies ausdrücklich erwähnt ist, sich diese auch auf stiftförmige Leiter mit Kopfteil beziehen.

Das Gehäuseteil 5 umfasst eine Öffnung 7, die in das Gehäuseteil eingelassen ist. In die Öffnung 7 ist die erfindungsgemäße Durchführung, umfassend den im Wesentlichen ringförmigen Grundkörper 9, der den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 11 aufnimmt, eingebracht. In im Wesentlichen ringförmigen Grundkörper 9 ist der im Wesentlichen stiftförmige Leiter eingeglast. Um eine hermetische Durchführung des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 11 durch den Grundkörper und damit die Öffnung 7 bereitzustellen, ist der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 11 in einen Glaspfropfen aus einem Glas- oder Glaskeramikmaterial eingeschmolzen, d. h. der Grundkörper 9 und der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 11 sind mit dem Glas 13 verschmolzen. Werden Materialien mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizient α verwandt, z. B. für den Grundkörper, den stiftförmigen Leiter und das Glasmaterial, so kann eine sogenannte Druckglasdurchführung zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil einer Druckglasdurchführung besteht darin, dass auch unter erhöhten Belastungen auf den Glaspfropfen, z. B. bei Druckbelastung ein Herausdrücken des Glaspfropfens mit dem Metallstift aus dem Grundkörper vermieden wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Verschmelztemperatur des Glas- oder Glaskeramikmaterials 20 K bis 100 K unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des Grundkörpers 9 und/oder des stiftförmigen Leiters liegt. Ist der Grundkörper 9 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.-%.

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 11, 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 11 in den Grundkörper 9 vor Einsetzen der Durchführung in die Öffnung 7 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 in der Öffnung den Leiter, insbesondere den stiftförmigen Leiter, umschließt und am Grundkörper 9 anliegt. Wird, wie oben beschrieben, beispielsweise Aluminium als Leichtmetall mit einem Schmelzpunkt T_Schmelz = 660,32°C für den Grundkörper 9 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 11 identisch zum Material des Grundkörpers, was den Vorteil hat, dass der Ausdehnungskoeffizient für den Grundkörper und für den Metallstift identisch ist. Der stiftförmige Leiter kann als Material Kupfer umfassen, CuSiC- oder NiFe-Legierungen, eine Kupferseele, d. h. ein NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil oder CF25, d. h. eine Kobalt-Eisenlegierung. Ist der Ausdehnungskoeffizient α des Glas- oder Glaskeramikmaterials nicht vollständig an das Material des Grundkörpers angepasst, so wird eine Druckglasdurchführung bereitsgestellt.
Als Materialien für den Grundkörper wird bevorzugt Aluminium (Al), AlSiC, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl verwendet.
Des Weiteren ist, wie in den 1a und 1b dargestellt, ein Gehäuseteil 5 des Gehäuses, der Batterie beziehungsweise Batteriezelle, hier der Batteriedeckel, der die Öffnungen für die Durchführung der Elektroden aufweist, dargestellt. Der Batteriedeckel bzw. das Gehäuseteil ist ebenfalls bevorzugt aus Aluminium hergestellt. Das Gehäuseteil weist eine Außenseite 20.1 und eine Innenseite 20.2 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. Das gesamte Gehäuse mit Batteriezelle und Durchführungen ist in den 10a–11b dargestellt.
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.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper 3 einen Überstand 30 auf, d. h. die Wandstärke W₁ des ringförmigen Körpers im Beispiel gemäß 1a auf der Außenseite des Gehäuseteils ist größer als die Dicke W₁ des ringförmigen Grundkörpers 9 im Bereich der Innenseite des Gehäuseteils, wodurch sich eine Anlage 32 des Grundkörpers auf der Außenseite des ringförmigen Körpers ergibt. Der ringförmige Körper 9 kann mit dem Gehäuseteil 5 im Bereich der Auflage 32 durch Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Löten, Einschrumpfen in die Öffnung 7 sowie Einpressen in die Öffnung 7 und Bördeln verbunden.
In 1b ist ein analoges Ausführungsbeispiel einer Durchführung zu 1a gezeigt, wobei gleiche Bezugsziffern für gleiche Bauteile verwandt werden.
Allerdings ist nunmehr die Breite W₁ im Bereich der Innenseite 20.2 größer als die Breite W₂ Bereich der Außenseite 20.1.
Ansonsten ist die Ausgestaltung gemäß 1b identisch zu 1a. Die Verbindung kann, wie bei 1a, zwischen Gehäuseteil 5, hier Batteriedeckel und Grundkörper 30 erfolgen, beispielsweise wie oben beschrieben, durch Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlenschweißen, Löten, Einschrumpfen oder Einpressen in die Öffnung 7.
Während es sich bei dem Grundkörper gemäß den 1a und 1b im Wesentlichen um einen Flanschring handelt, ist bei der Ausgestaltung gemäß der 2a bis 2b der ringförmige Grundkörper 109 ein ringförmiger Grundkörper mit einem Schweißring 170. Gleiche Bauteile wie in 1a und 1b sind mit um 100 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet. Im Wesentlichen ist die Ausgestaltung gemäß den 2a bis 2b identisch zu den Ausgestaltungen gemäß 1a bis 1b. Der ringförmige Grundkörper 109 mit einem Schweißring 170 ermöglicht ein Verbinden Grundkörpers 109 mit dem Gehäuseteil durch alternative Verbindungsverfahren. Die Verbindung des ringförmigen Grundkörpers mit dem Gehäuseteil im Bereich des Schweißrings 170 kann durch Widerstandsschweißen oder Widerstandslöten erfolgen
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Gleiche Bauteile wie in den 1a bis 1b und 2a bis 2b sind mit jeweils um 200 gegenüber 1a und 1b bzw. 100 gemäß 2a bis 2b erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
Im Gegensatz zu den Ausgestaltungen gemäß den 1a bis 1b und 2a bis 2b weist der Grundkörper keine unterschiedlichen Weiten W1 und W2 auf, so dass ein Anschlag 32 ausgebildet wird, sondern die Weite W des ringförmigen Grundkörpers ist über die gesamte Höhe gleich. Der ringförmige Grundkörper 209 mit gleicher Weite über die gesamte Höhe wird in die Öffnung 207 eingebracht. Eine Verbindung zwischen dem Gehäuseteil 205 und der Durchführung 203, umfassend den ringförmigen Grundkörper 209 sowie das Glasmaterial 213 und den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 211 wird durch Einsetzen in die Öffnung 207 und anschließendes Verbinden im Bereich der Seitenwände 219 der Öffnung 207 erreicht und nicht durch Verbinden. Die Erfindung kann durch Laserschweißen, Löten, Einschrumpfen, Einpressen oder Elektronenschweißen hergestellt werden.
4a–4c zeigen alternative Ausgestaltungen einer Durchführung, die in eine Öffnung 307 im Gehäuseteil 305 eingebracht wird. Im Wesentlichen entspricht dies der Ausgestaltung gemäß 3, wobei für gleiche Bauteile eine um 100 erhöhte Bezugsziffern verwandt wurde. Im Unterschied zu 3 ist jedoch der Grundkörper 309 als konischer Ring ausgebildet, der in eine konisch verlaufende Öffnung 307 im Gehäuseteil eingelassen wird. Die Verbindung zwischen der Durchführung erfolgt wiederum zwischen den Seitenwänden der konischen Öffnung 307 und dem konischen Grundkörper 309, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Einbördeln, Einschrumpfen. Es ist aber auch möglich, den im Wesentlichen konisch verlaufenden ringförmigen Grundkörper 309 in die konische Öffnung 307 im Gehäuseteil 305 einzupressen. Der konische Grundkörper kann die drei in 4a–4c dargestellten Ausgestaltungen aufweisen. In 4a ist der Grundkörper an der Außenseite 395 zum Gehäuseteil 305 konisch; in 4b sowohl an der Aussenseite 395 wie an der zum stiftförmigen Leiter 311 eingerichteten Innenseite 397 und bei 4c nur an der Innenseite 397. Durch die konische Ausgestaltung sowohl der Öffnung als auch des Grundkörpers wird eine Relativbewegung der Durchführung in Richtung der Außenseite 320.1 des Gehäuseteils 305 vermieden, da die konische Bohrung und der konisch ausgestaltete Grundkörper quasi als Widerhaken fungieren und eine Relativbewegung in Richtung Außenseite 320.1 zu einem Formschluss zwischen Grundkörper 309 der Durchführung 303 und den Seitenwänden der Öffnung 307 führen.
Ein Vorteil der Ausgestaltung gemäß 4 besteht darin, dass auch unter erhöhten Belastungen die Durchführung zum Beispiel einer Druckbelastung, ein Herausdrücken der Durchführung 303 mit Metallstift 311 aus der Durchgangsöffnung 307 sicher vermieden wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Öffnungen 307 durch eine einfache Herstellmethode, beispielsweise durch Stanzen, in das Gehäuseteil 305 eingebracht werden
In den 5 bis 7 sind Ausgestaltungen der Erfindung gezeigt, bei der wiederum ein ringförmiger Grundkörper 509 vorgesehen ist. Allerdings ist der stiftförmige Leiter nunmehr mit einem Kopfteil 580 versehen. Die Einglasung bei der Ausgestaltung gemäß der 5a bis 5c sowie 6a bis 6b und 7 erfolgt nicht nur zwischen dem stiftförmigen Leiter 511, der durch den ringförmigen Grundkörper 509, der wiederum, wie z. B. in 3 dargestellt, in das Gehäuseteil eingesetzt werden kann, hindurchgeführt wird, sondern es wird nunmehr das Glasmaterial bzw. Glaskeramikmaterial 513 auch zwischen dem Grundkörper 509 und das Kopfteil 580 eingebracht.
Die Abmessungen A1 des Kopfteils 580 sind dabei größer als die Ambessungen A1 des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 511. 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 511 mit dem das Kopfteil 580 verbunden ist. Des Weiteren kann der Kopfteil 580 derart ausgestaltet sein, dass er mit einem Elektroden-Verbindungsbauteil verbindbar ist. Bei dem Elektroden-Verbindungsbauteil handelt es sich insbesondere um ein Bauteil aus Kupfer für die Kathode oder Aluminium für die Anode. Die Verbindung von Kopfteil und Elektroden-Verbindungsbauteil (nicht gezeigt) 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 Widerstandsschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen, Bonden, Kleben, Löten, Verstemmen, Schrumpfen, Verpressen, Verklemmen und Quetschen bevorzugt stoffschlüssig verbunden wird. Die Verbindung von Kopfteil und Elektroden- Verbindungsbauteil erfolgt, nachdem das Kopfteil 580 und der stiftförmige Leiter 511 in das Gehäuse der Batterie beziehungsweise Batteriezelle eingesetzt oder eingeglast ist. Selbstverständlich wäre es auch möglich, das Durchführungsbauteil vor dem Einsetzen in die Gehäuseöffnung beziehungsweise Einglasen mit dem Elektroden-Verbindungsbauteil zu verbinden, allerdings ist die erstgenannte Möglichkeit die bevorzugte.
Durch eine Ausgestaltung mit einem Kopfteil 580 wird eine Durchführung zur Verfügung gestellt, die 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 Elektroden-Verbindungsbauteiles auf. Hierdurch wird eine hohe Stabilität im Anschlussbereich erreicht. Insbesondere wird gegenüber einer Anbindung der Elektrodenverbindungsbauteile direkt an den stiftförmigen Leitern eine wesentlich höhere Biegesteifigkeit erreicht. Ein weiterer Vorteil bei einer Anbindung der Elektroden-Verbindungsbauteile 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 bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Energieträger in Automobilen zu hoher Verlustwärme, die in den Batteriezellen zu Problemen führen können. Derartige Verlustwärmen können durch das Kopfteil 580 vermieden werden.
Über den stiftförmigen Leiter 511 hinaus ragt ein Fortsatz 582, z. B. über die Innenseite 520.2 in das Innere der Batteriezelle hinein, wobei der Fortsatz 582 des Leiters der Zentrierung für das zuvor angesprochene Elektroden-Verbindungsbauteil dienen kann. Der Fortsatz 582 des stiftförmigen Leiters ist bevorzugt stets rund ausgebildet, unabhängig von der Form des Leiters, der z. B. oval oder rund sein kann. Auch können die Abmessung von Fortsatz und dem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter unterschiedlich sein.
Auch der ringförmige Grundkörper 509 kann unterschiedliche Formen annehmen, beispielsweise, wie in den 5a bis 5c gezeigt, eine ovale Außenform 590, wobei dann bevorzugt auch der Leiter im Bereich, in dem dieser durch den ovalen Grundkörper hindurchgeführt wird, d. h. im Bereich 511 ebenfalls oval ausgebildet sein kann, das Kopfstück, wie in 5b dargestellt, in der Draufsicht jedoch rund zum Anschluss der Elektroden-vverbindungsbauteile.
Alternativ zu einer ovalen Ausführungsform des ringförmigen Grundkörpers, des stiftförmigen Leiters und des Fortsatzes was insbesondere bei schmalen Batteriedeckeln von Vorteil ist, ist es möglich, sowohl den stiftförmigen Leiter als auch den Zentrierungsfortsatz und den Grundkörper ringförmig auszubilden. Selbstverständlich können auch Formen gemischt werden, d. h. ovaler Grundkörper mit ringförmigem, stiftförmigem Leiter, ohne dass dies näher beschrieben wird.
Ein ringförmiger Grundkörper mit ringförmigem stiftförmigem Leiter ist in den 6a bis 6b angegeben. Gleiche Bauteile wie in den 5a bis 5c sind mit 100 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet, d. h. in den 6a bis 6b bezeichnet, beispielsweise der stiftförmige Leiter die Bezugsziffer 611, das Kopfteil 680 und 609 den ringförmigen Grundkörper.
Um andere Verbindungsteile bzw. Verbindungsbauteil an den Elektroden anzubringen, ist in einer Ausführungsform gemäß 7 vorgesehen, die Kopffläche 780 des Kopfteils 2 auszukragen, d. h. über den Durchmesser der Öffnung hinaus vorzusehen. Gleiche Bauteile wie in den 5a bis 5c sind mit um 200 erhöhten Bezugsziffern angegeben, d. h. der stiftförmige Leiter trägt die Bezugsziffer 711 und der ringförmige Grundkörper die Bezugsziffer 709. Die Auskragung des Kopfteils 780 erlaubt zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Verbindungsverfahren, die auf Grund der Zugänglichkeit von zwei Seiten auch mit Durchschweißen, Widerstandsschweißen oder Nieten zu verbinden.
In der Ausführungsform gemäß 7 ist gut zu erkennen insbesondere das erfindungsgemäße Merkmal des Durchführungsbauteiles, dass die Fläche des Kopfteiles 780 (F_KOPFTEIL) größer ist, als die Fläche des stiftförmigen Leiters 711 (F_LEITER). Da sich bei der Ausführung gemäß 7 die Abmessungen und Form des Fortsatzes des stiftförmigen Leiters 711 entsprechen, ist die in der Draufsicht dargestellte Querschnittsfläche des Fortsatzes gleich der Fläche des stiftförmigen Leiters.
In den 8a–9b sind Ausführungsformen einer Durchführung eines stiftförmigen Leiters durch einen Grundkörper gezeigt, bei dem die Durchführung in das Gehäuseteil, insbesondere den Batteriedeckel mit einer thermischen Barriere und einer mechanischen Entlastung gezeigt ist.
In 8a und 8b ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchführung mit einer Entlastungseinrichtung zur mechanischen Entlastung und als thermische Barriere gezeigt.
Im Gegensatz zu den Ausführungsformen gemäß 1a–4 umfasst bei der Ausführungsform gemäß 8a und 8b der Grundkörper 809 als Entlastungseinrichtung eine umlaufende Nut 850. Wiederum ist in dem Grundkörper 809 mit der umlaufenden Nut 850 ein im wesentlichen stiftförmiger Leiter 811 mit einem Glas- oder Glaskeramikmaterial 813 eingeschmolzen.
Obwohl nicht gezeigt und ausdrücklich erwähnt kann der stiftförmige Leiter auch mit einem Kopfteil in einer alternativen Ausführungsform ausgebildet sein, ohne dass ein Fachmann erfinderisch tätig werden muss.
Des Weiteren zu sehen ist in 8a auch ein Gehäuseteil 805, im Wesentlichen der Deckel der Batteriezelle. Die Durchführung bestehend aus Grundkörper 809 mit eingeglastem im wesentlichen stiftförmigen Leiter ist mit dem Gehäuseteil 805 umlaufend im Bereich 870 beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen verbunden. Die umlaufende Nut 850 stellt zum einen eine thermische Barriere dar, zum anderen stellt sie die erforderliche Elastizität zur Verfügung um die Durchführung, insbesondere im Bereich der Einglasung 813 zu schützen beziehungsweise zu entlasten. Insbesondere wird mit Einbringen der umlaufenden Nut 850 erreicht, dass auftretende mechanische und thermische Belastungen, auf das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial reduziert werden. Hierduch können Rissbildungen im Glas- oder Glaskeramikmaterial der Durchführung, die zu Undichtigkeiten führen können, erheblich reduziert werden.
Die Ausgestaltung gemäß 8b zeigt wiederum eine Durchführung mit einer umlaufenden Nut 850 als Entlastungseinrichtung im Grundkörper. im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 8a weist hier das Gehäuseteil 805 im Bereich der Verbindung von Durchführung und Gehäuseteil 805 einen 880 auf. Dies führt gegenüber der Ausführungsform gemäß 8a zu einer noch besseren mechanischen Entlastung. Des Weiteren kann der Grundkörper über seine gesamte Dicke D mit dem Gehäuseteil 805 verbunden werden, was einen exakten Schweißprozess erlaubt.
9a und 9b zeigen alternative Ausführungsformen zu den 8a und 8b, wobei auch bei den 9a und 9b eine Entlastung sowie eine thermische Barriere zur Verfügung gestellt wird. Ein Gegensatz zu der Ausführung gemäß 8a weist der Grundkörper hier keine umlaufende Nut als Entlastungseinrichtung auf, sondern einen Überstand 990. Gleiche Bauteile wie in den 8a–8b sind mit um 100 gegenüber 8a und 8b erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
Demgemäß ist der stiftförmige Leiter mit 911 bezeichnet und das Glas- und Glaskeramikmaterial mit 913. Der Bereich der Verbindung zwischen Durchführung und Gehäuseteil ist mit 970 bezeichnet. Die Vorteile zu 8a wie oben beschrieben, treffen auch auf 9a zu und werden hier miteingeschlossen.
9b zeigt eine alternative Ausführungsform zu 9a. Neben dem im Wesentlichen ringförmigen Grundkörper 909 weist nunmehr auch das Deckelteil 905 einen Überstand 980 auf. Die Vorteile zu 8b, wie oben beschrieben, treffen auch auf 9b zu und werden hier miteingeschlossen.
Sämtliche Ausgestaltungen der 8a–9b, die eine mechanische und thermische Entlastung zur Verfügung stellen sind anstelle der dargestellten Ausführungsform mit stiftförmigen Leiter 811 auch mit einem stiftförmigen Leiter mit Kopfteil wie ausführlich in den 5 bis 7 beschrieben, möglich. Der Offenbarungsgehalt der Beschreibung zu 5 bis 7 wird vollumfänglich hierin miteingeschlossen ohne dass es einer besonderen Erwähnung und Zeichnungen hierzu bedarf.
In den 10a–11b sind komplette Batteriezellen für eine Lithium-Ionen-Batterie dargestellt, mit eingesetzten Durchführungen gemäß der Erindung.
Hierbei zeigen die 10a–10b eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der der stiftförmige Leiter nicht mit einem Kopfteil, d. h. eine Durchführung gemäß den 1a–4 beziehungsweie 9a–10b versehen ist. Im Gegensatz hierzu zeigen die 11a–11b eine Batteriezelle mit einem Gehäuse und darin eingebauten Durchführungen, wobei der stiftförmige Leiter ein Kopfteil gemäß der Erfindung aufweist.
In 10a ist der prinzipielle Aufbau einer Batteriezelle 1000 dargestellt.
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,.
Detailliert zeigt 10b den Ausschnitt des Batteriedeckels 1120 mit der Öffnung 1130.1, und darin eingesetzter Durchführung 1140.1.
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 bevorzugt nur der Grundkörper 2200 erweicht.
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 Batteriezelle 1000. Das Gehäuse 1100, das die Batteriezelle 1000 umgibt als Batteriezellengehäuse.
Wie aus 10a 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 elektrochemischen Zeile 2004 verbunden wird, ein großer Bauraum 2006, der zwischen der elektrochemische Zelle 2004 und dem Deckel 1120 gebildet wird, verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Bauweise der Durchführung 3200 mit stiftförmigem Leiter und Kopfteil wie in den 11a und 11b gezeigt, gelingt es den nicht ausgenutzten Bauraumes in dem Batteriezellengehäuse zu minimieren. Dies ist deutlich in den 11a–11b zu entnehmen.
Gleiche Bauteile wie in 10a und 10b mit um 2000 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
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 10a und 10b 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 Elektrodenverbindungsbauteil weist einen Abschnitt 3140 auf, wobei der Abschnitt 3140 als Kathode beziehungsweise Anode für die elektrochemische Zelle 4004 dient. Wie aus den 11a–11b hervorgeht, ist deutlich der Vorteil des erfindungsgemäßen Durchführungsbauteils zu erkennen. Die in 11a–11b gezeigte Bauart der Durchführung bedingt, dass möglichst wenig Bauraum innerhalb des Batteriezellengehäuses, ungenutzt bleibt.
Im Wesentlichen stimmt die Ausgestaltung der Durchführungen mit 11a und 11b mit der Ausgestaltung der Durchführung in 6a–6b überein. Die Beschreibung zu 6a–6b wird vollumfänglich auf die vorliegende Beschreibung der Batteriezelle übertragen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine Durchführung für ein Gehäuse, insbesondere ein ein Batteriezellengehäuse, bevorzugt für eine Lithium-Ionen-Batterie, angegeben, die vorfertigbar ist und besonders dafür geeignet ist, in Gehäuseteile von Batteriezellengehäusen eingesetzt zu werden. Das Batteriezellengehäuse umfasst bevorzugt ein Leichtmetall wie Aluminium (Al). Es sind aber als Materialien für das Batteriezellengehäuse auch Stahl oder Edelstahl, insbesondere Nirosta-Edelstahl möglich. In einem solchen Fall werden die Materialien des Grundkörpers und/oder des im Wesentlichen stiftörmigen Letiers angepasst.
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 wird 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Handbock of Batteries, David Linden, Herausgeber, 2. Auflage, McGrawhill, 1995, Kapitel 36 und 39” [0003]

Claims

Durchführung (3), insbesondere durch ein Gehäuseteil (5) eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, bevorzugt aus einem niedrig schmelzenden Material, insbesondere einem Leichtmetall, bevorzugt Aluminium, wobei der Gehäuseteil (5) wenigstens eine Öffnung (7) aufweist, durch die wenigstens ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter (11) in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (3) wenigstens einen im Wesentlichen stiftförmigen Leiter (11) sowie einen Grundkörper (9), insbesondere im Wesentlichen einen ringförmigen Grundkörper (9) umfasst.
Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen stiftförmige Leiter (11) als Material insbesondere ein Metall, bevorzugt Kupfer, CuSiC, Al oder AlSiC, NiFe, einen NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil, sowie eine Kobalt-Eisen-Legierung und der Grundkörper (9) als Material, insbesondere ein Metall, bevorzugt Al, AlSiC, Stahl, rostfreier Stahl, Edelstahl umfasst.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (109) eine Entlastungseinrichtung, insbesondere eine Nut (850) und/oder ein Überstand (990) aufweist.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundkörper (9) und dem stiftförmigen Leiter (11) ein Glas- oder Glaskeramikmaterial eingebracht ist, wobei das Glas- oder Glaskeramikmaterial bevorzugt eine Verschmelztemperatur aufweist, die geringer als die Schmelztemperatur des Grundkörpers (9) und/oder des Stiftes (11) ist.
Durchführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung die nachfolgenden Komponenten in mol.-% umfasst: P₂O₅ 38–50 mol.-%, insbesondere 39–48 mol.-% Al₂O₃ 3–14 mol.-%, insbesondere 4–12 mol.-% ^B2^O3 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.-%.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (5) eine Außen-(20.1) und eine Innenseite (20.2) aufweist und der Grundkörper (5) mit der Innen- und/oder der Außenseite des Gehäuseteils verbunden ist, insbesondere in Form einer Schweißverbindung oder einer Lötverbindung oder durch Einpressen.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Leiter (511) ein Kopfteil (580) umfasst, wobei das Kopfteil eine Kopffläche (F_KOPFTEIL) aufweist, die größer als die Fläche des stiftförmigen Leiters (F_LEITER) ist.
Durchführung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (580) und/oder der stiftförmige Leiter eine runde oder eine ovale Außenform aufweist und/oder das Glas- oder Glaskeramikmaterial (1013) zum einen zwischen stiftförmigem Leiter und Grundkörper eingebracht ist, zum anderen aber auch zwischen Kopfteil und Grundkörper.
Gehäuse, insbesondere für eine Batteriezelle (1000) umfassend wenigstens eine Durchführung nach einem der Ansprüche 1–8.
Verfahren zur Herstellung einer Durchführung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens einem im wesentlichen stiftförmigen Leiter umfassend folgende Schritte: – es wird ein im wesentlichen stiftförmiger Leiter und ein Grundkörper zur Verfügung gestellt – der im Wesentlichen stiftförmige Leiter wird in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial in einem Grundkörper eingeglast ergebend die Durchführung für ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriezellengehäuses.
Verfahren zum Versehen einer Batteriezelle (1000) mit einer Durchführung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend folgende Schritte: – es wird eine Durchführung mit einem Grundkörper zur Verfügung gestellt, wobei – ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial in den Grundkörper eingeglast wird, ergebend die Durchführung – die Durchführung wird mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere durch Schweißen, bevorzugt Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, Widerstandsschweißen sowie alternativ durch Löten, Einschrumpfen, Einpressen, Einbördeln.