DE102011106873A1 - Durchführungen, insbesondere für Batterien, mittels Ultraschallschweißen und Verfahren zum Einbringen der Durchführung in ein Gehäuse - Google Patents

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DE102011106873A1
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Andreas Roters
Helmut Hartl
Frank Kroll
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchführung, insbesondere durch ein Gehäusebauteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, beziehungsweise Batteriezellengehäuses, wobei das Gehäusebauteil wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die wenigstens ein im Wesentlicher stiftförmiger Leiter hindurchgeführt wird, wobei der im Wesentlichen stiftförmige Leiter von einem Isolator, insbesondere einem Glas- oder Glaskeramikmaterial wenigstens teilweise umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verbindung des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters und/oder des Gehäusebauteils mit dem Isolator, der insbesondere ein Glas- oder Glaskeramikmaterial ist, ausgebildet wird, wobei die Verbindung eine Ultraschallschweißverbindung ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Durchführung, insbesondere durch ein Gehäusebauteil bzw. ein Gehäuseteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriezellengehäuses, wobei das Gehäuseteil bzw. das Gehäusebauteil wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die wenigstens ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter hindurchgeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Gehäuse, insbesondere für eine Batteriezelle, mit einer Durchführung sowie ein Verfahren zum Versehen eines Gehäusebauteils bzw. Gehäuseteils mit einer Durchführung und eine Speichereinrichtung, insbesondere einen Akkumulator mit einem Batteriezellengehäuse, wobei das Batteriezellengehäuse wenigstens eine Öffnung mit einer Durchführung aufweist.
  • Gemäß dem Stand der Technik werden elektrische Durchführungen wie beispielsweise in den Anmeldungen
    US 5,243,492
    US 7,770,520
    US 2010/0064923
    EP 1 061 325 sowie
    DE 10 2007 016692
    beschrieben unter Verwendung von Lotgläsern als Isolator hergestellt. Bei sämtlichen aus dem Stand der Technik bekannten Durchführungen wurde ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter mit dem jeweiligen Gehäusebauteil durch Aufschmelzen eines niedrig schmelzenden Glases verbunden. Nachteilig dabei war, dass die thermische Stabilität der metallischen Werkstoffe, insbesondere deren Schmelzpunkt, die maximal mögliche Schmelztemperatur für das verwendete Glaslot begrenzt hatte. Des Weiteren war es erforderlich, dass das geschmolzene Glaslot die verwendeten Materialien der Bauteile gut benetzte, um die erforderliche Dichtigkeit und mechanische Stabilität zu gewährleisten. Ein weiteres Erfordernis war, dass im allgemeinen das Glaslot für die Mehrzahl der Durchführungen so ausgewählt werden musste, dass die thermische Ausdehnungen der Komponenten nicht so stark voneinander abweichten. Eine Ausnahme hiervon bilden lediglich Druckglasdurchführungen beziehungsweise Druckeinglasungen als Spezialeinglasungen, bei denen unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Glas- oder Glaskeramikmaterial und umgebendem Metall zu einer kraftschlüssigen Verbindung von Glas- oder Glaskermikmaterial und umgebendem Metall führen. Angewandt werden derartige Druckglasdurchführungen beispielsweise bei Durchführungen für Airbag-Zünder.
  • Aus der DE 10 006 199 ist bekannt geworden, einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas, mit einer Öffnung mit einem Verschlusskörper hermetisch dicht zu verschließen, wobei Formkörper und Verschlusskörper dauerhaft miteinander verschweißt werden. Der Formkörper gemäß der DE 10 006 199 besteht bevorzugt aus einem Glas, einer Glaskeramik oder einer Keramik, und der Verschlusskörper bevorzugt aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Metallverbundwerkstoff. Hierbei ist die thermische Ausdehnung von Formkörper und Verschlusskörper angepasst. Nicht gezeigt in der DE 10 006 199 ist eine elektrische Durchführung.
  • Aus der DE 1 496 614 ist ebenfalls die Verbindung eines Metallstreifens mit einem optischen Element, umfassend bevorzugt ein Glas- oder ein Glaskeramikmaterial mittels Ultraschallschweißen, bekannt geworden. Als Material für das zu verbindende Metall ist in der DE 1 496 614 bevorzugt eine Aluminiumlegierung gezeigt.
  • Auch in der DE 1 496 614 ist keine Durchführung dargestellt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere eine einfach herzustellende Durchführung durch ein Gehäuseteil anzugeben, das insbesondere bei Durchführungen für Batteriezellen Verwendung findet. Insbesondere soll die Durchführung sich durch einen niedrigen Herstellaufwand auszeichnen und ein hohes Maß an Beständigkeit bieten.
  • 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 „Handbook 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.
  • Aufgabe der Erfindung ist es somit, die Nachteile des Standes der Technik, wie oben beschrieben, zu vermeiden und eine einfach herzustellende elektrische Durchführung anzugeben, die insbesondere auch in einem Batteriezellengehäuse Verwendung finden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Durchführung, insbesondere durch ein Gehäusebauteil eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, gelöst, wobei das Gehäusebauteil wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter hindurchgeführt wird und wobei der im Wesentlichen stiftförmige Leiter von einem Isolator, insbesondere einem Glas- oder Glaskeramikmaterial wenigstens teilweise, umgeben ist. Die erfindungsgemäße Durchführung umfasst mindestens eine Verbindung des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters und/oder des Gehäusebauteils mit dem Isolator, der insbesondere ein Glas- oder Glaskeramikmaterial ist, die eine Ultraschallschweißverbindung ist. Ultraschallschweißen ist eine Fügetechnologie, die insbesondere bei thermoplastischen und polymerverträglichen Kunststoffen zum Einsatz kommt, bevorzugt dann, wenn schnelle Prozesszeiten bei hoher Prozesssicherheit gefragt sind. Beim Ultraschallschweißen verursachen hochfrequente mechanische Schwingungen Molekular- und Grenzflächenreibung in einer Fügezone. Dabei entsteht die zum Schweißen notwendige Wärme und das Material wird plastifiziert. Nach der Ultraschall-Einwirkung wird durch kurze Abkühlzeiten unter Beibehaltung des Fügedrucks schließlich eine homogene Verfestigung der Fügezone erreicht. Zusätzlich beeinflussen kann zum Beispiel die Geometrie der Sonotrode sowie die Gestaltung der Fügezone das Schweißergebnis.
  • Die wesentlichen Eigenschaften des Ultraschall-Schweißens sind: sehr schnelle Prozesszeiten sehr gute Prozesskontrolle und -sicherheit durch Überwachung der Schweißparameter, selektive Energiezufuhr mittels digitaler Steuerung des Schweißprozesses, konstante Schweißqualität mit optisch perfekten und stabilen sowie reproduzierbaren Schweißnähten und optisch ansprechende Schweißnahtgestaltung. Vorteilhaft können kalte Schweißwerkzeuge eingesetzt werden, so dass keine Aufwärmzeiten der Maschine berücksichtigt werden müssen und ein schnelles und einfaches Wechseln der Schweißwerkzeuge ermöglicht wird. Des Weiteren sind die Schweißnähte sowohl luft- als auch flüssigkeitsdicht.
  • Durch die Ausgestaltung als Ultraschallschweißverbindung ist es möglich, Glas- oder Glaskeramikmaterialien zu verwenden, die höhere Verschmelztemperaturen aufweisen als beispielsweise die Schmelztemperaturen der Materialien des Gehäusebauteils. Dies ermöglicht die Auswahl von Gläsern oder Glaskeramikmaterialien, die in ihrem Benetzungsverhalten auf die verwendeten Materialien des Gehäusebauteils und/oder des Stifts abgestimmt sind. Aufgrund der guten Benetzbarkeit stellen die Glas- und/oder Glaskeramikmaterialien dann die notwendige Dichtigkeit und mechanische Stabilität zur Verfügung, wobei die Verschmelztemperatur des verwendeten Materials dann weitgehend frei gewählt werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die verwendeten Werkstoffe relativ frei gewählt werden können und eine Abstimmung, beispielsweise der thermischen Ausdehnungen der Komponenten, nicht mehr im Vordergrund steht. Dies ermöglicht es zum Beispiel das Glas- oder die Glaskeramik an den Elektrolyten der Batteriezelle anzupassen. Insbesondere können Materialien gewählt werden, die eine hohe Beständigkeit gegenüber den chemisch meist sehr aggressiven Elektrolyten aufweisen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sowohl die Verbindung des Isolators zum Grundkörper, als auch die Verbindung des Isolators zum im Wesentlichen stiftförmigen Leiter durch Ultraschallschweißen erfolgt. In einem solchen Fall könnte z. B. auch eine Glaskeramik oder Quarzglas als Material für den Isolator verwandt werden. Die Glaskeramik zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit, hohe chemische Beständigkeit und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aus. Quarzglas weist eine sehr hohe Stabilität, insbesondere im Vergleich zu den meisten Lötgläsern auf.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der stiftförmige Leiter ein Kopfteil und der Isolator, insbesondere das Glas- oder Glaskeramikmaterial, ist zwischen das Kopfteil und das Gehäusebauteil eingebracht. Bevorzugt ist das Glas- oder Glaskeramikmaterial ringförmig, beispielsweise ein Glasring. Bei einer derartigen Ausgestaltung eines stiftförmigen Leiters mit einem Kopfteil kann die Verschweißung zwischen dem aus beispielsweise Aluminium hergestellten, im Wesentlichen stiftförmigen Leiter mit Kopfteil und dem ringförmigen Material, beispielsweise dem Glasring vorgesehen sein. Die Ultraschallschweißverbindung kann aber auch zwischen dem Isolator und dem Gehäusebauteil, vorliegt. Sind beide Verbindungen Schweißverbindungen, so ergibt sich wie oben beschrieben, die größte Freiheit in der Materialwahl des Isolators. Die Ausgestaltung des stiftförmigen Leiters mit einem Kopfteil hat insbesondere Vorteile mit Blick auf den Bauraum, der innerhalb von Batteriezellen meist sehr knapp bemessen ist. Stiftförmige Leiter mit einem Kopfteil ermöglichen beispielsweise, dass die Kopffläche des Kopfteils, die in der Regel größer ist als die Kopffläche des stiftförmigen Leiters, ein Elektrodenverbindungsteil angeschlossen werden kann, das wiederum mit der Anode oder Kathode der Batteriezelle verbunden wird.
  • Die Elektrodenverbindungsteile beziehungsweise Elektrodenverbindungsbauteile können beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Elektronenstahlschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen, Bonden, Kleben, Löten, Verstemmen, Schrumpfen, Verpressen, Verklemmen und Quetschen stoffschlüssig mit dem Kopfteil verbunden werden.
  • Als Materialien für den stiftförmigen Leiter finden bevorzugt Metalle, insbesondere Cu, CuSiC, Al oder AlSiC, NiFe, ein NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil sowie eine Kobald-Eisen-Legierung Verwendung. Bevorzugt werden in einer Ausgestaltung als Glas- oder Glaskeramikmaterial derartige Materialien ausgewählt, die eine Verschmelztemperatur aufweisen, die geringer ist als die Schmelztemperatur des stiftförmigen Leiters und/oder des Gehäusebauteils. Besonders bevorzugt sind hier Glas- oder Glaskeramikzusammensetzungen mit niedrigen Schmelztemperaturen, 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 zuvor angegebene Glaszusammensetzung zeichnet sich nicht nur durch eine niedrige Verschmelztemperatur und ein niedriges Tg aus, sondern auch dadurch, dass sie gegenüber Batterie-Elektrolyten, wie sie beispielsweise in Li-Ionenbatterien Verwendung finden, eine ausreichend hohe Beständigkeit aufweisen und soweit die geforderte Langzeitbeständigkeit gewährleisten.
  • Neben der Durchführung durch ein Gehäusebauteil wird ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriezellengehäuse, beispielsweise ein Batteriedeckel, angegeben, der wenigstens eine Durchführung gemäß der Erfindung umfasst, sowie eine Speichereinrichtung, insbesondere eine Batterie mit einer derartigen Durchführung. Neben der Durchführung und dem Gehäuse stellt die Erfindung auch ein Verfahren zum Versehen eines Gehäusebauteils mit einer Durchführung zur Verfügung. In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird zunächst ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter mit einem Isolator, insbesondere einem Glas- oder Glaskeramikmaterial verschmolzen, ergebend die Durchführung. Die Durchführung wird dann mit dem Gehäusebauteil mittels Ultraschallschweißen verbunden, bevorzugt hermetisch dicht. Hierbei wird der im Wesentlichen stiftförmige Leiter der Durchführung durch eine Öffnung im Gehäusebauteil hindurchgeführt und die Durchführung nach Hindurchführung des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters durch das Gehäusebauteil durch Ultraschallschweißen mit dem Gehäusebauteil verbunden. Um beispielsweise bei bestimmten Materialien des Gehäusebauteils ein gutes Ergebnis des Schweißprozesses zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Isolator und dem Gehäusebauteil vor Verschweißen von Isolator und Gehäusebauteil ein Kontaktmaterial, beispielsweise eine Aluminiumfolie, eingebracht wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Ultraschallschweißen beispielsweise mittels einer Torsionssonotrode erfolgt, und zwar von der Seite des Gehäusebauteils her.
  • Alternativ zum Verschweißen der fertigen Durchführung, d. h. des Isolators mit einem Teil des Gehäusebauteils, wie oben beschrieben, wäre es auch möglich, Isolator, insbesondere das Glas- oder Glaskeramikmaterial mit dem Gehäusebauteil gemäß dem Stand der Technik zu verschmelzen und anschließend an das Verschmelzen des Gehäusebauteils mit dem Glas- oder Glaskeramikmaterial den stiftförmigen Leiter durch Ultraschallschweißen mit dem Isolator zu verbinden, bevorzugt hermetisch dicht. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der stiftförmige Leiter ein Kopfteil aufweist, so dass der Kopfteil des stiftförmigen Leiters mit dem Glas- oder Glaskeramikmaterial durch Ultraschallschweißen verbunden werden kann.
  • Alternativ könnte sowohl der Isolator mit dem Gehäuseteil, wie auch der im Wesentlichen stiftförmige Leiter mit dem Isolator verschweißt werden, insbesondere durch Ultraschallverschweißung. Dies eröffnet eine große Freiheit in der Materialwahl des Isolators. Beispielsweise könnten dann Glaskeramiken oder Quarzglas als Materialien für den Isolator gewählt werden.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung hierauf beschrieben werden. Es zeigen:
  • 1 eine erste Ausgestaltung der Erfindung mit einem Kontaktwerkstoff;
  • 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung ohne Kontaktwerkstoff;
  • 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei der im Wesentlichen stiftförmige Leiter ein Kopfteil aufweist;
  • 4a + b eine Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Durchführung.
  • In 1 ist eine elektrische Durchführung 1 gemäß der Erfindung durch ein Gehäusebauteil 3 als Teil eines Batteriezellengehäuses dargestellt. Das Batteriezellengehäuse 3 umfasst eine Öffnung 5, durch die der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 7 der Durchführung 1 hindurchgeführt wird. Das Gehäuseteil 3 umfasst eine Innenseite 10.1 sowie eine Außenseite 10.2. Die Innenseite 10.1 des Gehäuseteils 3 ist zur Batteriezelle hin gerichtet. Der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 5 ragt über die Außenseite 10.2 des Gehäusebauteils 3 hinaus.
  • Die Materialien für das Gehäusebauteil 3 sowie den stiftförmigen Leiter 7 können unterschiedliche Metalle umfassen. So kann beispielsweise der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 7 aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit aus Kupfer oder Aluminium bestehen, während beispielsweise das Gehäusebauteil 3 aus Edelstahl gefertigt sein kann, um später mit anderen Edelstahlbauteilen geschweißt zu werden. Alternativ wäre auch Aluminium möglich. Erfindungsgemäß umfasst die Durchführung 1 neben dem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter einen Isolator 20, der bevorzugt aus einem Glas- oder Glaskeramikmaterial bestehen kann. Der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 7 wird mit dem Isolator, hier dem Glas- oder Glaskeramikmaterial, in einem ersten Verfahrensschritt hermetisch dicht verbunden, beispielsweise durch Verschmelzen oder Ultraschallverschweißen. Bevorzugt ist der Isolator ringförmig, z. B. ein Glasring. Nachdem die Durchführung, bestehend aus dem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 7 sowie dem Isolator 20, in dem der im Wesentlichen stiftförmige Leiter eingeschmolzen wird, hergestellt wurde, wird die Durchführung 1 als Ganzes mit dem Gehäusebauteil 3 verbunden, und zwar durch Verschweißen, insbesondere Ultraschallverschweißen. Wird der im Wesentlichen stiftförmige Leiter mit dem Isolator, beispielsweise dem Glasring verschmolzen, ist es erforderlich, die Materialeigenschaften des Isolators, beispielsweise des Glases bzw. Glasringes an den Werkstoff des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 7 anzupassen, beispielsweise in Bezug auf die Verschmelztemperatur wird auch der Isolator beispielsweise der Glasring mit dem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter durch Ultraschallschweißen verbunden, so ist die Wahl des Materials des Isolators noch freier als im vorgenannten Fall, da dann ein Anpassen der Verschmelztemperatur des Isolators an den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter nicht notwendig ist. Es kann dann als Material für den Isolator auch eine Glaskeramik oder Quarzglas gewählt werden. Die Verbindung der vorgefertigten Durchführung 1 mit dem Gehäusebauteil 3 erfolgt in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch Verschweißen mittels einer zwischen dem Isolatormaterial 20 und dem Gehäuseteil 3 liegenden Kontaktwerkstoffes 22. Durch Verwendung eines Kontaktwerkstoffs wird vorteilhafterweise erreicht, dass durch Ultraschallverschweißen der Isolator nicht nur mit einem duktilen Metall, wie beispielsweise Weichaluminium verbunden werden kann, sondern auch mit anderen insbesondere weniger duktilen Metallen, wie Edelstahl oder Kupfer.
  • Wird der im Wesentlichen stiftförmige Leiter mit dem Isolator durch Ultraschallschweißen verbunden, so kann der Kontaktwerkstoff, insbesondere die Aluminiumfolie um den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter gewickelt werden (nicht dargestellt). Eine Aluminiumfolie als Kontaktwerkstoff ist insbesondere für Leiter aus Cu-Materialien von Vorteil.
  • Als Kontaktwerkstoff kann bevorzugt eine Aluminiumfolie dienen. Die Verschweißung des Isolators 20 der Durchführung mit dem Gehäusebauteil 3 erfolgt vorzugsweise von der Seite des Gehäusebauteils 3 her mittels einer Torsionssonotrode durch Ultraschalleinkopplung.
  • Als Materialien für den im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 7 kommen neben Al oder AlSiC bevorzugt auch Cu, CuSiC, NiFe, ein NiFe-Mantel mit Kupferanteil sowie eine Kobalt-Eisen-Legierung in Frage.
  • Als Materialien für den Isolator 20 kommen bevorzugt als Glas- oder Glaskeramikmaterialien Lotgläser in Frage, insbesondere Lotgläser mit nachfolgender Zusammensetzung:
    P2O5 38–50 mol-%
    Al2O3 3–14 mol-%
    B2O3 4–10 mol-%
    Na2O 10–30 mol-%
    K2O 10–20 mol-%
    PbO 0–10 mol-%.
  • In 2 ist eine alternative Ausführungsform zu 1 dargestellt, wobei in der Ausgestaltung gemäß 2 kein Kontaktwerkstoff eingesetzt wird. Gleiche Bauteile wie in 1 sind mit denselben Bezugsziffern belegt.
  • Eine Ausgestaltung ohne die Verwendung einer Kontaktfolie, wie in 1 dargestellt, kommt insbesondere dann in Frage, wenn der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 7 bzw. insbesondere das Gehäusebauteil 3 aus Aluminium besteht. In einem solchen Fall kann auf eine zusätzliche Schicht verzichtet werden, da die zu verschweißende Metall duktile Metalle sind. Das Herstellverfahren ist wiederum, wie bei 1, d. h. zunächst wird der stiftförmige Leiter mit dem Isolator, insbesondere dem Glas- oder Glaskeramikmaterial, verschmolzen oder auch durch Ultraschallverschweißen und anschließend an die Herstellung der Durchführung aus dem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter und dem Isolator 20 die gesamte Durchführung mit dem Gehäusebauteil 3 durch ein Schweißverfahren, insbesondere Ultraschallverschweißen verbunden. Im Gegensatz zu 1 erfolgt somit eine direkte Verschweißung des Isolators 20 mit der Innenseite 10.1 des Gehäusebauteils 3. Die Seite 10.2 des Gehäusebauteils stellt die Außenseite dar, die Seite 10.1 die Innenseite, d. h. die Seite, die bei Ausgestaltung des Gehäusebauteils als Teil eines Batteriezellengehäuses in das Innere der Batterie, d. h. zur Batteriezelle hin, gerichtet ist. Wiederum wird der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 7 durch die Öffnung 5 in dem Gehäusebauteil 3 nach außen geführt.
  • In 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Bei der Ausgestaltung gemäß 3 sind gleiche Bauteile wie in 1 und 2 mit um 100 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet. Die Durchführung 101 umfasst nunmehr einen im Wesentlichen stiftförmigen Leiter mit einem Kopfteil 130. Die Fläche F des Kopfteils ist wesentlich größer als die Fläche FS des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 7.
  • Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 1 und 2 ist erfindungsgemäß der Isolator, insbesondere das Glas- oder Glaskeramikmaterial 120, bei 3 zwischen die Fläche F des Kopfteils 130 des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 107 und der Innenseite 110.1 des Gehäuseteils eingebracht.
  • Der im Wesentlichen stiftförmige Leiter gemäß 3 mit einem Kopfteil 130 hat den Vorteil, dass im Bereich des Kopfteils Elektrodenverbindungsbauteile angebracht werden können, beispielsweise durch Anliegen an der Innenfläche, d. h. der zur Batteriezelle hin gerichteten Fläche Fl des Kopfteils 130. Der über das Kopfteil 130 des stiftförmigen Leiters 107 hinausragende Fortsatz 140 kann für ein Elektrodenverbindungsteil, beispielsweise als Zentrierung bzw. Verdrehsicherung, eingesetzt werden. Das nicht dargestellte Elektrodenverbindungssteil, das mit dem Kopfteil des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters 107 verbunden wird, ist in der Batteriezelle an die Kathode bzw. Anode angeschlossen. Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 kann die erfindungsgemäße Durchführung mit dem Gehäuseteil derart verbunden werden, dass zunächst der Isolator 120, insbesondere in Form eines ringförmigen Isolators, bevorzugt eines Glasringes, mit dem Gehäusebauteil 103 wird, beispielsweise gemäß herkömmlichen Verfahren, verschmolzen oder durch Ultraschallschweißen verbunden wird. Anschließend an das Verschmelzen oder Verschweißen des Isolators 120 mit der Gehäuseaußenseite 110 wird der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 107 durch die Öffnung 105 im Gehäusebauteil 103 sowie die Öffnung im Glasring 120 hindurchgeführt. Anschließend an das Hindurchführen durch die Öffnung im Glasring 120 und im Gehäusebauteil 103 wird der im Wesentlichen stiftförmige Leiter 107 insbesondere im Bereich der Innenfläche F des Kopfteils mit dem Glasring 120 durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, verbunden. Wie zuvor ausgeführt ist das Verschweißen sowohl von Leiter mit Isolator als auch von Isolator mit Gehäusebauteil vorteilhaft, da die Materialien insbesondere für den Isolator sehr frei ausgewählt werden können. insbesondere sind auch Quarzglas und Glaskeramik als Materialien möglich.
  • Neben Gläsern und Glaskeramikmaterialien können als Isolatoren bei den erfindungsgemäßen Durchführungen auch Keramikmaterialien verwandt werden.
  • Bei der Verwendung von Keramiken werden diese bevorzugt mittels eines metallischen Lotes mit dem Gehäusebauteil oder dem im Wesentlichen stiftförmigen Leiter verbunden.
  • In den 4a und 4b sind komplette Batteriezellen dargestellt, mit eingesetzten Durchführungen. Hierbei zeigen die 4a–4b eine Ausgestaltung, wobei der im Wesentlichen stiftförmige Leiter ein Kopfteil aufweist.
  • In 4a 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. Durch die beiden Öffnungen 1130.1, 1130.2 werden die im Wesentlichen stiftförmigen Leiter 1140.1, 11402 der Durchführungen hindurchgeführt.
  • Detailliert zeigt 4b 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 beziehungsweise Isolator. Der Grundkörper 2200 beziehungsweise Isolator ist vorliegend ringförmig, insbesondere als Glas- oder Glaskeramikring ausgebildet. Der stiftförmige Leiter 2003 mit einem Kopfteil ist mit dem Grundkörper 2200 durch Verschmelzen oder Verschweißen mittels Ultraschall verbunden. Der stiftförmige Leiter 2003 wird nach dem Verbinden durch Verschmelzen oder Verschweißen mittels Ultraschall des Grundkörpers 2200 mit dem stiftförmigen Leiter 2003 durch die Öffnung 1130.1 des Gehäuses 1100 hindurchgeführt. Anschließend wird der Grundkörper beziehungsweise Isolator 2200 mit der Innenseite 1110.1 des Gehäuses 1100 im Bereich des Deckelteiles 1120 durch Verschmelzen oder Verschweißen mittels Ultraschall verbunden.
  • Mit dem Kopfteil 2130 des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters kann ein Elektrodenverbindungsteil 2020 (z. B. durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Elektronenstahlschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen) verbunden sein. Das Elektrodenverbindungsteil 2020 wiederum dient dem Anschluß an entweder an die Kathode oder 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.
  • Durch die erfindungsgemäße flache Bauweise des stiftförmigen Leiters mit Kopfteil, wie in den 4a und 4b gezeigt, gelingt es, den nicht ausgenutzten Bauraum in dem Batteriezellengehäuse zu minimieren.
  • Mit einer Ausgestaltung der stiftförmigen Leiter mit einem Kopfteil und den damit verbundenen Elektroden-Verbindungsbauteilen wird eine sehr hohe Stabilität, insbesondere auch gegen mechanische Belastung wie Vibrationen erreicht. Gemeinsam ist all den in dieser Anmeldung dargestellten Ausführungsformen, dass eine Anpassung des Isolators sowohl an den Werkstoff des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters als auch an das Gehäusebauteil nicht mehr erforderlich ist. Aufgrund der beim Ultraschallschweißen auftretenden niedrigen Temperaturen ist es insbesondere möglich, Komponenten mit deutlich unterschiedlicher thermischer Ausdehnung und/oder Schmelztemperatur zu verbinden. Auch das Benetzungsverhalten des geschmolzenen Glases spielt zumindest an einem der Kontaktwerkstoffe, an der keine Verschmelzung stattfindet, nur eine untergeordnete Rolle. Aus der Verbindung mittels Ultraschallschweißen ergeben sich somit Freiheiten betreffend die Wahl der Materialien sowie Freiheiten bei der Auswahl des Isolators, insbesondere des Glas- oder Glaskeramikmaterials. Insbesondere ist es möglich, Glas- bzw. Glaskeramikmaterialien zu verwenden, die eine Resistenz gegen Medien, beispielsweise die Elektrolyten der Batteriezelle, aufweisen.
  • Als besonderes Einsatzgebiet für die dargestellten Durchführungen sind insbesondere elektrische Durchführungen für Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, geeignet.
  • 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 5243492 [0002]
    • US 7770520 [0002]
    • US 2010/0064923 [0002]
    • EP 1061325 [0002]
    • DE 102007016692 [0002]
    • DE 10006199 [0003, 0003, 0003]
    • DE 1496614 [0004, 0004, 0005]
    • US 961672 [0009]
    • US 5952126 [0009]
    • US 5900183 [0009]
    • US 5874185 [0009]
    • US 5849434 [0009]
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    • US 5773959 [0009]
    • DE 10105877 A1 [0012]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Handbook of Batteries, David Linden, Herausgeber, 2. Auflage, McGrawhill, 1995, Kapitel 36 und 39 [0008]

Claims (10)

  1. Durchführung (1), insbesondere durch ein Gehäusebauteil (3) eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, beziehungsweise Batteriezellengehäuses, wobei das Gehäusebauteil (1120) wenigstens eine Öffnung (5, 105, 1130.1, 1130.2) aufweist, durch die wenigstens ein im Wesentlicher stiftförmiger Leiter (7, 107, 1140.1, 1140.2) hindurchgeführt wird, wobei der im Wesentlichen stiftförmige Leiter von einem Isolator (20, 120, 2200), insbesondere einem Glas- oder Glaskeramikmaterial wenigstens teilweise umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verbindung des im Wesentlichen stiftförmigen Leiters (7, 107, 1140.1, 1140.2) und/oder des Gehäusebauteils (1120) mit dem Isolator (20, 120, 2200), der insbesondere ein Glas- oder Glaskeramikmaterial ist, ausgebildet wird, wobei die Verbindung eine Ultraschallschweißverbindung ist.
  2. Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen stiftförmige Leiter (107) ein Kopfteil (130) umfasst und der Isolator (120), insbesondere das Glas- oder Glaskeramikmaterial, zwischen Kopfteil (130) und Gehäusebauteil (103) eingebracht ist.
  3. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen stiftförmige Leiter (7, 107) als Material, insbesondere ein Metall, bevorzugt Cu, CuSiC, Al oder AlSiC, NiFe, ein NiFe-Mantel mit Kupferanteil sowie eine Kobald-Eisen-Legierung ist.
  4. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas- oder Glaskeramikmaterial ein Lotglas, insbesondere ein Lotglas mit nachfolgender Zusammensetzung P2O5 38–50 mol-% Al2O3 3–14 mol-% B2O3 4–10 mol-% Na2O 10–30 mol-% K2O 10–20 mol-% PbO 0–10 mol-%
    ist.
  5. Gehäuse (3, 1100), insbesondere für eine Batteriezelle (2004), umfassend wenigstens eine Durchführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Speichereinrichtung, insbesondere Akkumulator, bevorzugt Li-Ionen-Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle (2004), die von einem Batteriezellengehäuse (1100) umschlossen wird, wobei das Batteriezellengehäuse (1100) wenigstens eine Öffnung (1130.1, 1130.2) umfasst durch die wenigstens ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter (7, 107, 1130.1, 1130.2) in einer Durchführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hindurchgeführt wird.
  7. Verfahren zum Versehen eines Gehäusebauteils mit einer Durchführung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die folgenden Schritte: – es wird ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter (7, 107, 1140.1, 1140.2) mit einem Isolator (20, 120, 2200), insbesondere einem Glas- oder Glaskeramikmaterial, verschmolzen oder mittels Ultraschallschweißen verbunden, ergebend die Durchführung (1); – die Durchführung (1) wird mit dem Gehäusebauteil (3, 1120) mittels Ultraschallschweißen verbunden, bevorzugt hermetisch dicht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Isolator (20, 120, 2200) und Gehäusebauteil (3, 1120) vor Verschweißen ein Kontaktmaterial (22), insbesondere eine Aluminiumfolie, eingebracht wird.
  9. Verfahren zum Versehen eines Gehäusebauteils mit einer Durchführung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die folgenden Schritte: – es wird ein Isolator (120), insbesondere ein Glas- oder Glaskeramikmaterial, mit dem Gehäusebauteil (103) verschmolzen oder mittels Ultraschallschweißen verbunden; – es wird ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter (107) mit dem Isolator, insbesondere dem Glas- oder Glaskeramikmaterial, mittels Ultraschallschweißen verbunden, bevorzugt hermetisch dicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Leiter (107) ein Kopfteil (130, 2130) aufweist und der Kopfteil (130, 2130) mit dem Isolator (120), insbesondere dem Glas- oder Glaskeramikmaterial, durch Ultraschallschweißen verbunden wird.
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