DE102014226806B3

DE102014226806B3 - Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen, von mindestens zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Fügepartnern

Info

Publication number: DE102014226806B3
Application number: DE102014226806.0A
Authority: DE
Inventors: Maurice Langer; Eckhard Beyer; Irene Jansen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt i) die Oberflächen der Fügepartner im jeweiligen Kontaktbereich einer definierten Oberflächenbehandlung unterzogen werden, bei der Verunreinigungen, Fremdschichten und/oder insbesondere Oxidschichten entfernt werden. Dabei wird mindestens eine Oberfläche im Kontaktbereich, die eine Oberflächenstrukturierung mit Erhebungen und Vertiefungen aufweist oder eine solche Oberflächenstrukturierung in diesem Verfahrensschritt ausgebildet. Im Anschluss an diesen Verfahrensschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt ii) ein adhäsiv wirkendes Polymer oder Polymergemisch, in dem keine elektrisch leitenden Partikel enthalten sind, auf mindestens eine Oberfläche im Kontakt- und Fügebereich mindestens eines der Fügepartner aufgetragen. Woraufhin im Verfahrensschritt iii) die beiden Fügepartner zumindest im Fügebereich in unmittelbaren Kontakt zueinander gebracht und beim Verfahrensschritt iv) wird eine Druckkraft aufgebracht, mit der die Fügepartner, mindestens für die Dauer der chemischen Aushärtung (Polymerisation) des Polymers oder Polymergemischs gegeneinander verspannt werden und nach einer chemischen Aushärtung (Polymerisation) des Polymers oder Polymergemischs eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet wird, die einen elektrischen Verbindungswiderstand unterhalb des spezifischen elektrischen Widerstandes des Polymers oder Polymergemischs aufweist und dabei Gütefaktoren ≤ 1 der Verbindung erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen, von mindestens zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Fügepartnern, z. B. für die Fixierung sowie elektrische Kontaktierung während des Stapelns von Elektroden (elektrische Stromsammler). Es können auch Kontaktfahnen in Batteriezellen/Akkumulatoren (z. B. Lithium-Ionen-Zellen) oder Stringer bei der Herstellung eines Solarmoduls (Verbindung Solarzelle mit dem Zellverbinder) durch Fügen miteinander verbunden werden.
Für das Herstellen elektrisch leitender Verbindungen, bei denen hohe elektrische Ströme mit geringen Verlusten übertragen werden können, sind neben kraft- und formschlüssigen, insbesondere stoffschlüssige Verbindungsverfahren, wie das Schweißen und das Löten etabliert.
Beim Fügen der Verbindungen durch Löten und Schweißen werden die Materialien mit hohen Temperaturen beansprucht. Infolge dessen kann es zur Ausbildung intermetallischer Phasen oder Gefügeänderungen (Rekristallisierung usw.) kommen. Zudem wird beim Löten ein Zusatzwerkstoff eingesetzt, dessen Werkstoff bzw. Werkstoffzusammensetzung vom Werkstoff der elektrischen Kontaktpartner abweicht. Dies kann zur Beeinflussung des Kontaktmaterials führen und die Lebensdauer reduzieren.
Einzelzellen für Batterieanwendungen, wie aus der DE 42 40 339 C1 bekannt, die als Flachzellen ausgeführt sind, sind als Elektrodenfolien mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichteten Aluminium und Kupferfolien ausgebildet. Die Elektrodenfolien sind zu einem Elektrodenstapel zusammengefasst, wobei die einzelnen Elektrodenfolien durch einen Separator, voneinander elektrisch und auch räumlich getrennt sind.” Für eine Kontaktierung der Elektrodenfolien nach außen wird üblicherweise eine Stromableiterfahne an die Elektrodenfolie angeschweißt. Bei mehreren Elektroden, insbesondere Elektrodenfolien sind die zugehörigen Stromableiterfahnen einer Einzelzelle üblicherweise untereinander und auch mit der Stromableiterfahne zu einem Pol miteinander verschweißt.
Durch zu hohe Wärmeeinträge beim Fügen, kann es neben einer Veränderung der Fügeteilwerkstoffe auch zu einer Schädigung/Beeinflussung etwaiger Beschichtungen, des Vorsiegelbandes (z. B. auf der Stromableiterfahne/Pol bei Pouchzellen) oder vorhandener Aktivmaterialen auf den Elektroden (z. B. in Lithium-Ionen-Zellen) kommen, die deren Dichtheit oder die Leistungsfähigkeit der Zelle negativ beeinflussen. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeefizienten zwischen dem Silizium der Solarzelle und dem Kupferband beim Fügen von Stringern verursachen Verschiebungen und Spannungen in der Solarzelle, welche zur Rissbildung in der Solarzelle führen können.
Bei der Herstellung von Pouchzellen für Batterieanwendungen ist nach dem derzeitigen Stand der Technik erst nach dem Stapeln eine problemlose Kontaktierung der Elektrodenstapel seitens der Anoden und Kathoden mit den jeweiligen Kontaktfahnen möglich. Die eingesetzten Elektroden sind vorzugsweise so ausgeführt, dass die Stromsammler/Ableiterfolien nicht vollständig mit aktiver Masse/Aktivmaterial (z. B. Lithium-Ionen-Zellen aber auch andere...) beschichtet sind. Die Elektroden können Ableiter(fähnchen) aufweisen, über die die Elektroden mit einem/r Batteriepol/Kontaktfahne verbunden werden können.
Bis zu diesem Zeitpunkt muss eine sehr genaue Fixierung des gesamten Stapels aus sich abwechselnden Lagen von Anodenelektroden, Separatoren und Kathodenelektroden erfolgen. Damit kann neben einer Verbesserung der Handhabbarkeit bereits während des Stapelns gegenüber herkömmlichen Verfahren eine elektrische Kontaktierung der Elektroden untereinander als auch mit den Kontaktfahnen ermöglicht werden. Die Elektroden werden so gestapelt, dass sich die Ableiterfolien nicht gleichnamiger Elektroden nicht berühren.
Es ist nicht möglich, bereits während des Stapelns die einzelnen Stromsammler miteinander zu verbinden/kontaktieren und somit bereits an dieser Stelle eine Fixierung und zugleich sehr gute Kontaktierung der Stromsammler untereinander, als auch mit den Kontaktfahnen zu realisieren Die Kontaktierung der elektrischen Kontaktfahnen/Ableiter der Anode oder/und Kathode in Batteriezellanwendungen erfolgt dabei vorzugsweise beginnend oder am Schluss des Zellstapelns, da die dort eingesetzten Leiterdicken zumeist massiver/dicker sind, als die einzelner Stromsammler und somit ein geringerer Verfahrensaufwand besteht, um diese während des Fügens nicht zu beschädigen.
Bei kraftschlüssigen Verbindungen werden durch zusätzliche Verbindungselemente (Schrauben), mechanisches Pressen oder Verformen hergestellt. Bei derartigen Verbindungen reduziert sich abhängig vom Verbindungssystem, der Temperatur und der Zeit die Verbindungskraft, durch Spannungsrelaxation und/oder Kriechen. Verringert sich die Verbindungskraft unter einen kritischen Wert, erhöht sich der elektrische Widerstand im Bereich der Verbindung. Dies kann zum Ausfall der elektrisch leitenden Verbindung führen.
Beim Kleben entfällt die Notwendigkeit einer Querschnittsverminderung durch eingebrachte Bohrungen, wie etwa beim Schrauben. Eine geklebte Verbindung ermöglicht eine gleichmäßige kraft- und Spannungsverteilung. Derartige Verbindungssysteme führen bei der Verwendung in Batteriezellen zu einer enormen Verschlechterung der gravimetrischen Energiedichte.
Insbesondere in der Halbleitertechnik aber auch bei anderen Anwendungen, bei denen kleine elektrische Ströme (Signale) und elektrische Leistungen über elektrisch leitende Verbindungen übertragen werden sollen, werden bereits Klebstoffe eingesetzt.
Gegenüber den Anforderungen der Hochstromtechnik werden hierbei geringere Anforderungen an den elektrischen Verbindungswiderstand und die Adhäsionskräfte, die mit einer solchen Verbindung erreicht werden können, gestellt. Üblicherweise werden über diese Verbindungen nur kleine elektrische Ströme im Bereich weniger mA und kleiner elektrischer Leistung übertragen, so dass es zu keiner nennenswerten Erwärmung im Bereich der so hergestellten elektrisch leitenden Verbindung, durch die Übertragung der elektrischen Leistung selbst kommt und damit auch der polymere Anteil des jeweiligen Klebstoffes, wenn überhaupt durch die einsatzbedingte Erwärmung nur geringfügig nachteilig beeinflusst wird.
Die Verwendung elektrisch isotrop leitfähiger als auch elektrisch anisotroper leitfähiger Klebstoffe kann unter Gleichstrombelastung zur Partikelmigration führen. Weiterhin kann dies unter elektrochemischen Bedingungen (im Elektrolyten) zu einer ungewollten Beeinflussung der Zellchemie in elektrochemischen Energiespeichern führen. Dies soll mit der Erfindung ebenfalls vermieden werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, elektrisch leitende Verbindungen für Fügepartner zur Verfügung zu stellen, die eine Alternative zu den zuvor genannten Verfahrensrestriktionen darstellen, die einfach herstellbar sind und bei denen wenn überhaupt nur eine geringfügige Beeinflussung der Kontaktwerkstoffe über die Lebensdauer auftritt und außerdem hohe elektrische Ströme und elektrische Leistungen reproduzierbar und langzeitstabil übertragen werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen angegebenen Merkmalen realisiert werden.
Das Besondere bei der Erfindung ist, dass mit dem Verfahren elektrisch leitende Verbindungen hergestellt werden können, deren elektrische Leitfähigkeit im Bereich konventionell gefügter Verbindungen (Ultraschall- oder Lasergeschweißt) liegen, und dass eingesetzte zum stoffschlüssigen Verbinden eingesetzte Polymer oder Polymergemisch allein elektrisch isolierend ist und dabei auch unterschiedliche Materialdicken und Werkstoffe selektiv miteinander gefügt und elektrisch leitend miteinander verbunden werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird so vorgegangen, dass in einem ersten Verfahrensschritt

i) die Oberflächen der Fügepartner im jeweiligen Kontaktbereich einer bevorzugt genau definierten Oberflächenbehandlung unterzogen werden, bei der Verunreinigungen, Fremdschichten und/oder insbesondere Oxidschichten entfernt werden, wobei mindestens eine Oberfläche im Kontaktbereich eine Oberflächenstrukturierung mit Erhebungen und Vertiefungen aufweist oder eine solche Oberflächenstrukturierung in diesem Verfahrensschritt ausgebildet wird.

Im Anschluss an diesen Verfahrensschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt

ii) ein adhäsiv wirkendes Polymer oder Polymergemisch, in dem keine elektrisch leitenden Partikel enthalten sind, das vorteilhaft keine oxidierende Wirkung auf die Substratoberfläche aufweist, auf mindestens eine Oberfläche im Kontakt- und Fügebereich, z. B. mittels Tauchen oder mittels Spritzköpfen für Raupenauftrag, Flächenköpfe, Sprühköpfe, Dosierventilen, Dispenser, Jetten, Rakeln oder Drucken eines der Fügepartner aufgetragen,

iii) die beiden Fügepartner zumindest im Fügebereich in unmittelbaren Kontakt zueinander gebracht werden und

iv) eine Druckkraft aufgebracht wird, mit der die Fügepartner, mindestens für die Dauer der chemischen Aushärtung (Polymerisation), gegeneinander verspannt werden. Die dabei wirkenden Druckkräfte sollten optimaler Weise vollflächig im Fügebereich aufgebracht werden.

Nach einer chemischen Aushärtung (Polymerisation) des Polymers oder Polymergemischs wird eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet, die einen elektrischen Verbindungswiderstand unterhalb des spezifischen elektrischen Widerstandes des Polymers oder Polymergemischs aufweist, eine elektrische Leistung größer 5 W, bevorzugt größer 10 W übertragbar ist und die im Temperaturbereich zwischen –190°C bis +150°C einsetzbar ist. Es können elektrische Ströme größer 1 A übertragen werden.
Die derzeitig Grenztemperaturen für beschichtete elektrische Verbindungen beschränken sich bisher lediglich auf den Bereich zwischen –40°C bis +115°C (115°C maximal zulässige Grenztemperatur nach der Hochspannungsschaltgerätenorm IEC 62271-1).
Beim Verfahrensschritt iv) sollte eine Druckkraft aufgebracht werden, bei der im Fügebereich eine mechanische Spannung erreicht wird, die zur plastischen Verformung von Erhebungen und damit zur Ausbildung elektrisch leitender Mikrokontakte zwischen den Fügepartnern im Fügebereich führt. Das heißt, es sollte eine mechanische Spannung in der Verbindungsfläche zwischen den Mikrokontakten erreicht werden, die mindestens dem Rp0,2 des Werkstoffs der Fügepartner entspricht. Der Rp0,2-Wert ist eine spezifische Werkstoffgröße eines Werkstoffs für die Dehngrenze. Es sollte bei dem Fügeverfahren der höhere Rp0,2-Wert des Werkstoffs eines der Fügepartner berücksichtigt werden. Die mechanischen Spannungen sollten durch die Druckkräfte vollflächig im Fügebereich wirken. Die jeweils eingesetzten Druckkräfte können vorteilhaft die jeweilige Dicke des/der Fügepartner, zwischen denen die elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden soll, berücksichtigen. Geringfügig höhere Kräfte können zu einer besseren Reproduzierbarkeit führen. Sie sollten jedoch nicht maßgeblich zu einer Querschnittsverminderung, Reduzierung der Dicke oder eine Zerstörung der Fügepartner führen. Der Querschnitt bzw. die Dicke sollte um maximal 10%, bevorzugt maximal 5% verringert werden.
In bestimmten Fällen kann durch erhöhte Temperaturen auch die erforderliche Zeit bis zum Aushärten bzw. vollständigen Polymerisieren verkürzt werden. Des Weiteren werden durch die äußere mechanische Belastung, die zu plastischen Verformungen der Oberflächenstruktur im Füge- und/oder Kontaktbereich führt, „wahre” metallische Kontaktpunkte ausgebildet, die bei einer chemischen Aushärtung (Polymerisation) erhalten bleiben und vom Polymer oder Polymergemisch schützend umgeben werden. Der Mechanismus beruht dabei maßgeblich auf der direkten metallischen Kontaktierung von Mikrokontakten der Fügepartner. In nach der Verformung verbliebenen Rauigkeitstälern kann das eingesetzte Polymer oder Polymergemisch eine ausreichende Adhäsion zwischen den Fügeteilen aufbauen.
Beim Verfahrensschritt i) sollte die Oberflächenbehandlung materialspezifisch erfolgen. Um eine entsprechende Haftung zwischen Polymer oder Polymergemisch, das auch als Klebstoff bezeichnet werden kann, und Fügeteiloberfläche zu erzielen, sollten die Oberflächen Fett und staubfrei sein. Bereits geringste organische und anorganische Kontaminationen können die Klebfestigkeit deutlich vermindern. Für metallische Werkstoffe eignen sich insbesondere chemische Verfahren, wie z. B. Beizen aber auch andere Verfahren ohne oberflächenoxidierende Wirkung. Im einfachsten Fall können grobe Verunreinigungen und Fette in einem ersten Schritt mit Isopropanol, Ethanol oder besser Aceton und einem fusselfreien Tuch entfernt werden. Eine hinreichende Beseitigung vorhandener Oberflächenoxidschichten sollte in jedem Fall erforderlich.
Einfache organische Komponenten können mit geeigneten Lösungsmitteln entfernt werden. Bei beschichteten Kontakt- oder Fügeflächen insbesondere Silberschichten vereinfacht sich die Vorbehandlung deutlich, da in der Regel keine Oxidschichten vorhanden sind. Bei beschichteten Kontakt- oder Fügeflächen sollten die physikalischen Eigenschaften des Schichtmaterials spezifisch berücksichtigt werden. Im Falle von Kupfer- oder Nickeloberflächen sind die Oxidschichten sehr weich (Cu2O) und lassen sich beispielsweise mit einem Schleifvlies (z. B. ScotchBrite 3M mit 220er Körnung) beseitigen. Dabei können Anhaftungen, Schichten und insbesondere Oxidschichten entfernt werden.
Günstig ist es, wenn beim Verfahrensschritt i) oder bei der Herstellung der zu fügenden Partner die Oberfläche im Fügebereich mikrostrukturiert wird, so dass alternierend Erhebungen und Vertiefungen für die Oberflächenstrukturierung ausgebildet werden.
Mit den Erhebungen können während der Verfahrensschritte iii) und/oder iv) definierte „wahre” metallische Kontaktpunkte, als sogenannte Mikrokontakte unmittelbar zwischen den Fügepartnern im Fügebereich ausgebildet werden. Bereiche zwischen den ausgebildeten Mikrokontakten können mit dem elektrisch isolierenden Polymer oder Polymergemisch als Schicht ausgefüllt werden, wobei diese Schicht von den Mikrokontakten lokal unterbrochen worden ist, so dass es zur Ausbildung elektrischer Kontakte kommt. Solche Mikrokontakte sollten auf mindestens 3% bevorzugt mindestens 5% der Oberfläche im Kontakt- oder Fügebereich ausgebildet werden.
Die Strukturierung sollte in regelmäßiger Form und mit elektrisch und klebtechnisch optimierten Parametern erfolgen. Eine definierte Rillengeometrie mit einem Rillenabstand im Bereich 2 μm bis 150 μm, einer Rillentiefe im Bereich 2 μm bis 20 μm und einem Rillenplateau mit einer Breite im Bereich 1 μm bis 75 μm aufweisen, haben sich dabei bei flächigen Kontakten als elektrisch günstig herausgestellt.
Bei dieser Rillengeometrie ist der Interaktionsanteil zwischen den Mikrokontakten sehr gering, bei gleichzeitig maximaler erreichbarer Anzahl an Mikrokontakten. Die Rillen sollten bei den Fügepartnern um 90° versetzt sein und können z. B. durch Walzen einbracht werden. So ist es möglich, mittels der definierten Struktur der Oberfläche stabile Mikrokontakte im Fügebereich auszubilden.
Bevorzugt ist eine Oberflächenstrukturierung mit Erhebungen und Tälern, die in zufällig verteilter Anordnung über die Fläche ausgebildet ist.
Alternative Verfahren zur Oberflächenstrukturierung sind beispielsweise chemische Verfahren (z. B. lokal definiertes Ätzen), Walzen (Prägen)oder eine Laserstrukturierung.
Die Oberflächen der Fügepartner können im Kontakt- oder Fügebereich auch eine Rauheit 3. bis 4. Ordnung nach DIN 4760:1982 aufweisen. Diese Oberflächenrauheit kann auch im Verfahrensschritt i) erreicht werden. Dadurch kann eine Verdrängung des Polymers oder Polymergemischs im Kontakt- oder Fügebereich bzw. der Fügezone erreicht werden, die zu elektrisch leitenden metallischen Kontaktflächen in Form von Mikrokontakten führt und trotzdem die adhäsive Wirkung des Polymers oder Polymergemischs ausgenutzt werden kann.
Bei der Ausbildung von elektrisch leitenden Mikrokontakten können flach-, linien- und/oder punktförmige Mikrokontakte im Bereich der Berührungsflächen zwischen den Fügepartnern ausgebildet werden. Die makroskopische Berührungsfläche soll als scheinbare Kontaktfläche AS bezeichnet werden. Infolge der Oberflächenrauheit kann die Kontaktkraft lediglich an mikroskopisch kleinen Berührungsflächen mit einem Flächenanteil weit kleiner als 50 der scheinbaren Kontaktfläche (flächige Kontakte) übertragen werden. Diese weisen einen Bruchteil der Größe der scheinbaren Kontaktfläche AS auf und können als mechanisch tragende Kontaktfläche AT bezeichnet werden. Infolge von Fremdschichten, wie z. B. Oxidschichten, als auch dem elektrisch isolierenden Polymer oder Polymergemisch selbst, kann die elektrische Leitfähigkeit in einem ausreichenden Maß nur in Bereichen erreicht werden, an denen derartige Fremdschichten durch die wirkenden Druckkräfte durchbrochen worden sind. Diese Bereiche werden als wahre metallische Kontaktflächen AW bezeichnet In diesem Bereich werden die Stromlinien in so genannten aspots/Mikrokontakten eingeengt. Dieser Sachverhalt ist der 4 zu entnehmen.
Im Gegensatz zu anderen bekannten stoffschlüssigen und mechanischen Fügeverfahren kann im Fügebereich auch die Schutzwirkung des eingesetzten Polymers oder Polymergemischs an den vorab gereinigten Verbindungsflächen ausgenutzt werden. Dadurch können diese Bereiche dauerhaft vor Oxidation, Feuchtigkeit und Korrosion geschützt werden.
Ein zusätzlicher Schutz kann während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden, indem das Verfahren zumindest bei einigen der Verfahrensschritte in inerter Atmosphäre oder unter Schutzgaseinfluss durchgeführt wird oder die Fügeteiloberflächen vorbeschichtet werden. Bevorzugt ist dies mindestens bei den Verfahrensschritten i) und ii) der Fall.
Im Falle des Einsatzes zur elektrischen Kontaktierung von Stromsammlern untereinander sowie mit den Kontaktfahnen/Ableitern der Anoden sowie Kathoden in Batteriezellen, kann entweder eine dauerhafte chemische Beständigkeit insbesondere gegen den eingesetzten flüssigen Elektrolyten durch das eingesetzte Polymer oder Polymergemisch erreicht oder nach dem Verfahrensschritt iv) durch Beschichtung/Laminierung der Fügeverbindung eine Schutzschicht aufgebracht werden, die vorzugsweise durch Einsatz einer mit der Batterie-Zellchemie nicht reaktiven oder löslichen Polymerbasis, jedoch gegen den eingesetzten Elektrolyten dichten und haftfesten Barriere Schicht die stoffschlüssige Verbindung ausbildet. Besonders Vorteilhaft ist die Erfindung unter Anwendung fester Elektrolyten, da auftretende Lösungs- und Quellvorgänge in der Klebverbindung vernachlässigt werden können.
Es muss beim Verfahrensschritt iv) eine plastische Verformung von Erhebungen erreicht werden. Hierfür können geeignet dimensionierte Erhebungen bei der Strukturierung der Oberfläche zumindest eines der Fügepartner im Fügebereich, in Verbindung mit der ausgeübten Druckkraft mit der die beiden Fügepartner zusammen gepresst werden, ausgenutzt werden, um Mikrokontakte mit erhöhter Kontaktfläche und damit reduziertem elektrischen Widerstand zur Verfügung stellen zu können. Vorteilhaft erfolgt dabei auch die Ausbildung mikromechanischer Verklammerungen. Dabei kann ausgenutzt werden, dass durch die mit den Erhebungen erreichten kleinen Kontaktflächen die Hertzsche Pressung bei relativ kleinen wirkenden Druckkräften eine ausreichende Verformung ermöglicht und dabei andere Bereiche im Kontakt- oder Fügebereich von den wirkenden Druckkräften nicht, zumindest nahezu nicht beeinflusst werden, so dass in diesen Bereichen keine oder nur sehr kleine vernachlässigbare Verformungen auftreten.
Mit der Erfindung können Gütefaktoren ku ≤ 1 erreicht werden.
Dabei bestimmt sich der Gütefaktur ku nach der Gleichung ku = Rv/RSch(Iv/Isch).
Rv ist der elektrische Verbindungswiderstand und RSch der elektrische Widerstand des unbeeinflussten Leiters. Rsch wird an einem homogenen Leiterstück gleicher Geometrie und mit der Länge der Überlappung beider Fügepartner ermittelt.
Bei einem Gütefaktor ku = 1 ist der elektrische Verbindungswiderstand gleich dem Widerstand eines homogenen Leiterstücks und damit ist trotz Stromeinengung in den Mikrokontakten die hervorgerufene elektrische Verlustleistung in der elektrisch leitenden Verbindung genauso hoch, wie in einem homogenen elektrischen Leiter. Für Werte kleiner < 1 wirkt die Verbindung gegenüber dem elektrischen Leiter als Temperatursenke.
So liegt die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer bei ca. 58 MS/m, von Aluminium bei ca. 36 MS/m und für einen elektrisch isolierenden Klebstoff, der als Polymer oder Polymergemisch eingesetzt werden kann, bei ca. 5·10–12 S/m bzw. einem spezifischer elektrischer Widerstand von 2 × 10¹³ Ohm/cm. Die Perkolationsschwelle ist nicht überschritten. Da auf elektrisch leitende und auch andere ggf. im Polymer oder Polymergemisch enthaltene Partikel verzichtet wird, sind die Kosten reduziert und es kann so auch eine Partikelmigration vermieden werden.
Die elektrische Leitfähigkeit des Polymers liegt also um mehrere Zehnerpotenzen niedriger, als die einsetzbarer elektrischer Leiterwerkstoffe. Ein bei der Erfindung einsetzbarer Klebstoff ist unter der Handelsbezeichnung Permabond TA459 von der Firma Permabond Engineering Adhesives Ltd. kommerziell erhältlich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine thermische Beeinflussung gegenüber stoffschlüssigen Verbindungen, wie Schweißen und Löten vollständig sowie die Spannungsrelaxation der Fügepartner kraftschlüssiger Verbindungen sich ergebender Mikrokontakte im Bereich der Fügeverbindung zumindest teilweise vermieden werden.
Es können haftfeste und gegenüber vielen Einflüssen stabile Polymere oder Polymergemische eingesetzt werden. Diese umfassen beispielsweise Methylmethacrylat-Klebstoffe oder anaerob-härtende Acrylat Klebstoffsysteme. Ein einsetzbares Polymer oder Polymergemisch sollte in einer Zeit kleiner 300 s aushärten.
Der Einsatz von Methylmethacrylat Polymeren oder Polymergemischen zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen für die Kontaktierung in Lithium-Ionen-Zellen ist besonders vorteilhaft, da damit gleichzeitig mehrere elektrisch leitende Verbindungen an Kontaktfahnen hergestellt werden können.
Ein Einsatz eines elektrisch selbst nicht leitfähigen kalthärtenden und partikelfreien Methylmethacrylat oder anaerob-härtenden Acrylat Klebstoffsystem, als Polymer oder Polymergemisch zum Fügen metallischer Vollmaterialien untereinander, als auch mit oder von Metallschaumstrukturen zur Übertragung höherer elektrischer Ströme (> 1 A) und elektrischer Leistungen, z. B. für die Fixierung sowie elektrische Kontaktierung während des Stapelns der Elektroden (Stromsammler) sowie dem Fügen dieser mit den Kontaktfahnen in Batteriezellen/Akkumulatoren (z. B. Lithium-Ionen-Zellen) aber auch anderer metallischer Leiter und Anwendungen, insbesondere die Herstellung elektrisch leitender Verbindungen (Stringern) an Solarzellen, ist besonders vorteilhaft.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann an Elektrodenstapeln untereinander sowie mit den Kontaktfahnen, z. B. in einem „Li-Akkumulator eingesetzt werden. Li-Akkumulator, die einen Stapel enthalten, können als Elektrolyten Lithiumsalze mit großen Anionen in Carbonaten als Lösungsmittel aufweisen. Geeignete Lithiumsalze sind z. B. LiClO₄, LiBF₄, LiAsF₆ oder LiPF₆, wobei LiPF₆ besonders bevorzugt ist. Als Salze für Lösungsmittel geeignete organische Carbonate sind z. B. Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat oder Diethylcarbonat oder Mischungen davon.
Es können Fügepartner aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen bei der Erfindung eingesetzt und diese elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Dadurch kann auch die Korrosion im Fügebereich, durch die Dichtwirkung des Klebstoffs gegenüber Umgebungsmedien, bei unterschiedlichen Werkstoffen der Fügepartner verringert und vorteilhaft berücksichtigt werden.
Die Fügepartner können unterschiedlich dimensioniert und/oder geometrisch gestaltet sein, was insbesondere auch deren Dicke im Fügebereich betrifft. So kann einer der Fügepartner erheblich dünner als ein jeweils anderer Fügepartner sein. Es können Vollmaterialien aber auch poröses Material, insbesondere Metallschäume eingesetzt werden.
Es kann auch eine gute statische und dynamische Verbundfestigkeit durch gleichmäßigere mechanische Spannungsverteilung in der Verbindung mit einem gewissen Maß an Elastizität des eingesetzten Polymers oder Polymergemischs erreicht werden.
Durch geeignete Auswahl eines Polymers oder Polymergemischs kann eine Anpassung an ein gewünschtes Aushärteverhalten unter Berücksichtigung der Fügepartner und den jeweiligen Einsatz- und Herstellungsbedingungen erfolgen.
So ist es vorteilhaft, ein Polymer oder Polymergemisch einzusetzen, dass zwischen den Verfahrensschritten iii) und iv) eine Adhäsionskraft zwischen den beiden Fügepartnern erreicht wird, die mindestens 10% der Adhäsionskraft nach Durchführung aller Verfahrensschritte entspricht. Dadurch kann auf eine aufwändige Justierung während der Durchführung des gesamten Verfahrens verzichtet werden, da die Fügepartner vor der vollständigen Aushärtung (Polymerisation) bereits mit einer bis dahin ausreichenden Festigkeit miteinander verbunden sind.
Die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindungen erfordert einen geringen Aufwand, da großflächig auf bekannte technologische Grundlagen und -Mittel zurückgegriffen werden kann. Zumindest ein Teil der Verfahrensschritte kann automatisiert durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft weiter vorteilhaft die Verwendung eines kalthärtenden, lösungsmittelfreien, elektrisch nicht leitenden und nicht korrosivem Polymers oder Polymergemischs, in dem keine elektrisch leitfähigen Partikel enthalten sind, zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen mindestens zwei Fügepartnern, bei der ein spezifischer elektrischer Widerstand der Fügeverbindung von wenigen Hundert μΩ bei einem fließenden elektrischen Strom von wenigen (z. B. mindestens 1 A) bis mehreren A (z. B. mehr als 10 A) erreicht werden kann.
An Hand der Figuren soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf die dort beispielhaft abgebildeten Ausführungsarten beschränkt sein soll.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäß ausgebildete elektrisch leitende Verbindung zwischen Vollmaterialien;
2 in schematischer Form eine erfindungsgemäß ausgebildete elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Vollmaterial mit einer Metallschaumstruktur;
3 in schematischer Form eine Verbindung mit Bestimmung des Gütefaktors ku;
4 in schematischer Form eine für ein Beispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektrisch leitenden Verbindung unter Benennung der Kontaktflächen und
5 ein Diagramm der Verhältnisse der ausgeübten Fügekraft und der Oberflächenrauheit auf den elektrischen Widerstand der ausgebildeten elektrisch leitenden Verbindung für Kupferfolien mit 9 μm Dicke senkrecht zur Walzrichtung und
6 ein Diagramm der Verhältnisse der ausgeübten Fügekraft und der Oberflächenrauheit auf den elektrischen Widerstand der ausgebildeten elektrisch leitenden Verbindung für Kupferfolien mit 10 μm Dicke senkrecht zur Walzrichtung.
Bei einem Beispiel können innerhalb eines Zellgehäuses angeordnete Elektroden, insbesondere Elektrodenfolien, vorhanden sein, die zu einem Elektrodenstapel zusammengefasst sind. Die Elektroden sind als mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichtete Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder aus Folien einer derartigen Legierung ausgeführt. Elektroden ungleicher Polarität sind durch einen Separator, insbesondere eine Separatorfolie, elektrisch isolierend voneinander getrennt. An jeder Elektrode ist eine Stromableiterfahne elektrisch leitend ausgebildet. Die jeweilige Stromableiterfahne ist als ein nach außen geführter Randbereich der jeweiligen Elektrode ausgeführt. Dazu sind die Elektroden bzw. der Pol bereits während des Stapelns sowohl fixierend geklebt als auch elektrisch leitend miteinander verbunden gefügt, wobei das zum Kleben eingesetzte Polymer oder Polymergemisch selbst elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Einzelne Klebungen als stoffschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen Fügepartnern umfassen dabei sowohl jeweils benachbarte Stromableiterfahnen der Elektrodenfolien im Elektrodenstapel sowie mit der Kontaktfahne/Pol.
Bei der Bestimmung des Gütefaktors gilt: ku = Rv/RSch(Iv = Isch). Zwei Fügepartner 1 und 2, die jeweils in Form einer Überlappverbindung ausgebildet sind, wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrisch leitend miteinander verbunden.
Zur Herstellung der Fixierungen sowie der elektrischen Kontaktierung der Fügepartner wurde das kommerziell erhältliche Klebstoffsystem Permabond TA459 der Firma Permabond Engineering Adhesives, auf Basis eines Methacrylats, als elektrisch isolierendes Polymer eingesetzt. Gemäß Herstellerangaben hat dieses Klebstoffsystem einen spezifischen elektrischen Volumenwiderstand von 2·10¹³ Qcm bei Raumtemperatur. Durch Verwendung des Initiators 41 kann eine schnellere Polymerisation in kürzerer Zeit erzielt werden.
Beispiel 1: Fügen walzharter Kupferfolien, Dicke 9 μm
Beim Verfahrensschritt i) wurden die Kontaktflächen der Fügepartner 1 und 2 (Kupfer Reinheitsgrad min. 99,8% (Copper Foil for Battery Anode Substrate (190 m L × 280 mm W × 9 μm thick) – EQ-bccf-9u, Fa. MIT Corporation)) mit den Abmessungen 50 mm × 10 mm mit Aceton und einem Schleifvlies (ScotchBrite 3M – 220) gereinigt, um Verunreinigungen und Oxidschichten zu entfernen.
Das Klebstoffsystem wurde im Fügebereich, der eine Überlappungsfläche von 10 mm × 10 mm aufweist, in einer Schichtdicke von 200 μm aufgetragen. Die Applikation des Klebstoffs erfolgte einseitig mittels Rakelauftrag. Zur sicheren Ausfüllung des Klebspaltes, wurde mehr Klebstoff verwendet als für den eigentlichen Prozess benötigt werden.
Bei dem Verfahrensschritt iii) wurden die beiden Fügepartner 1 und 2 unmittelbar mit ihren aufeinander zu gewandten Oberflächen in Kontakt gebracht. Durch Pressen mit 10 mm/min, wurde dann gemäß Verfahrensschritt iv) eine Druckkraftkraft auf die beiden Fügepartner 1 und 2 in Höhe von 6,7 kN aufgebracht und für 300 s gehalten.
Die elektrischen Verbindungswiderstände Rv gemessener elektrischer Verbindungen nach dem Fügen betrugen zwischen 1,05 mΩ bzw. 1,24 mΩ bei 20°C. Die daraus resultierenden Anfangsgütefaktoren ku0 betragen 0,56 bzw. 0,67.
Nach dem Entspannen wurde die geklebte Verbindung über mehre 100 h bei einer Temperatur von 80°C im Wärmeschrank gelagert und abhängig von der Zeit der elektrische Verbindungswiderstand bestimmt.
In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindung in einer Schnittdarstellung schematisch gezeigt. Dabei ist zwischen den beiden metallischen Fügepartnern 1 und 2 eine Schicht 3, die aus dem elektrisch isolierendem Polymer besteht, ausgebildet.
Die Oberfläche des Fügepartners 1 und 2 wurde im Fügebereich durch das Schleifvlies mikrostrukturiert (Kernrautiefe ca. Rk = 2,5 μm), so dass Erhebungen und Täler an dieser Oberfläche ausgebildet worden sind.
Bereits mit den Erhebungen aus der Schleifvliesbehandlung konnten im gefügten Zustand Mikrokontakte 4 aus dem Werkstoff des Fügepartners 1 zur Oberfläche des zweiten Fügepartners 2 im Fügebereich ausgebildet werden, wie dies aus der vergrößerten Darstellung in 1 erkennbar ist. In nicht dargestellter Form können solche Strukturelemente auch an der entsprechenden Oberfläche des zweiten Fügepartners 2 vorhanden sein. In diesem Fall sollte eine versetzte Anordnung von Erhebungen an den beiden Fügepartnern 1 und 2 gewählt werden, so dass zwei gegenüberliegend angeordnete Erhebungen an dem jeweils anderen Fügepartner direkt aufeinander treffen, wenn diese Oberflächen miteinander in Kontakt gebracht werden und die Fügeverbindung hergestellt wird.
3 stellt ein Beispiel für die Bestimmung des Gütefaktors ku dar. Dabei sind an zwei Fügepartnern 1 und 2 die Bereiche eingezeichnet an denen der elektrische Widerstand Rv und RL gemessen wird.
Allgemein kann die 3 auch für eine Definition des Fügebereichs (3) herangezogen werden. So zeigt der für Rv eingezeichnete Bereich die Länge des Fügebereichs auf. Seine Breite ist dann der Kontakt- oder Fügebereich der beiden Fügepartner 1 und 2 in die Zeichnungsebene hinein. Der Fügebereich entspricht der scheinbaren Kontaktfläche der beiden Fügepartner 1 und 2.
Beispiel 2: Fügen walzharter Kupferfolien, Dicke 9 μm
Beim Verfahrensschritt i) wurden die Kontaktflächen der Fügepartner 1 und 2 (Kupfer Reinheitsgrad min. 99,8% (Copper Foil for Battery Anode Substrate (190 m L × 280 mm W × 9 μm thick) – EQ-bccf-9u, Fa. MIT Corporation)) mit den Abmessungen 50 mm × 10 mm im Ultraschallbad mit Aceton für 30 min bei 50°C gereinigt.
Das Klebstoffsystem wurde im Fügebereich, der eine Überlappungsfläche von 10 mm × 10 mm aufweist, in einer Schichtdicke von 200 μm aufgetragen. Die Applikation des Klebstoffes erfolgte einseitig mittels Rakelauftrag. Zur sicheren Ausfüllung des Klebspaltes, wurde mehr Klebstoff verwendet als für den eigentlichen Prozess benötigt werden.
Die Oberflächen der verwendeten Cu-Folien wiesen herstellungsbedingt auf der Ober- und Unterseite unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten/strukturen auf.
Die Oberfläche der glatten Seite (gS) wies eine Kernrautiefe Rk = 0,8 μm auf und die der matten Seite (mS) wies eine Kernrautiefe Rk = 2,4 μm auf. 5 gibt beispielhaft ermittelte Einflüsse zwischen den Oberflächenrauheiten und der verwendeten Fügekraft auf den Verbindungswiderstand wieder. Ab einer Mindestkraft von ca. 3,5 kN konnten reproduzierbar Anfangsgütefaktoren ku0 ≤ 1 erzielt werden. Durch weiteres Erhöhen der Presskraft können sowohl geringere als auch reproduzierbare Verbindungswiderstände erzielt werden.
Die erhaltenen Gütefaktoren für verwendete Kräfte << 3,5 kN können zugleich als Vergleich für herkömmliche Klebungen ohne ausreichende Annäherung zum Aufbau der Mikrokontakte herangezogen werden. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen Kernrautiefe und Presskraft zur Erzielung von Gütefaktoren ≤ 1 veranschaulicht. Zu hohe Presskräfte sind jedoch zu vermeiden, da diese insbesondere bei dünnen Folien zu einer negativen Querschnittsverminderung führen können.
Beispiel 3: Fügen walzharter Kupferfolien, 10 μm, mit chromhaltigen Oberflächenschutz
Beim Verfahrensschritt i) wurden die Kontaktflächen der Fügepartner 1 und 2 (Schlenk, PHC Kupferband SE-Cu58, walzhart beidseitiges Cu-Treatment, gem. DIN EN 1652 entfettet + chromhaltiger Oberflächenschutz) mit den Abmessungen 50 mm × 10 mm im Ultraschallbad mit Aceton für 30 min bei 50°C gereinigt.
Das Klebstoffsystem wurde im Fügebereich, der eine Überlappungsfläche von 10 mm × 10 mm aufweist, in einer Schichtdicke von 200 μm aufgetragen. Die Applikation des Klebstoffes erfolgte einseitig mittels Rakelauftrag. Zur sicheren Ausfüllung des Klebspaltes, wurde mehr Klebstoff verwendet als für den eigentlichen Prozess benötigt werden.
Die Oberflächen wies eine Kernrautiefe Rk = 6 μm auf. 6 gibt beispielhaft ermittelte Einflüsse der verwendeten Fügekraft auf den elektrischen Verbindungswiderstand wieder. Ab einer Mindestkraft von ca. 3,5 kN konnten reproduzierbar Anfangsgütefaktoren ku0 << 1 erzielt werden. Durch weiteres Erhöhen der Presskraft können sowohl geringere als auch reproduzierbare Verbindungswiderstände erzielt werden. Gegenüber Beispiel 2 wirkt sich die chemische Oberflächenbehandlung mit chromhaltigen Oberflächenschutz sowie die höhere Kernrautiefe der Kupferfolie sowohl positiv auf die Reproduzierbarkeit als auch erzielbaren Anfangsgütefaktoren aus. Die ermittelten elektrischen Verbindungswiderstände bei 20°C betrugen für eine Fügekräfte von 1,3 kN → Rv = 3,8 mΩ (ku0 = 2,3); 3,6 kN → Rv = 1,2 mΩ (ku0 = 0,75); 5,7 kN → Rv = 1,04 mΩ (ku0 = 0,61); 8,8 kN → Rv = 0,99 mΩ (ku0 = 0,58); 10,8 kN → Rv = 0,98 mΩ (ku0 = 0,57); 15,8 kN 4 Rv = 1,01 mΩ (ku0 = 0,59); 20,8 kN → Rv = 1,09 mΩ (ku0 = 0,64).
Beispiel 4: Fügen walzharten Kupferfolie, Dicke 10 μm, mit chromhaltigen Oberflächenschutz gegen Nickelband, Dicke 100 μm
Beim Verfahrensschritt i) wurden die Kontaktflächen der Fügepartner 1 (Schlenk, PHC Kupferband SE-Cu58, walzhart beidseitiges Cu-Treatment, gem. DIN EN 1652 entfettet + chromhaltiger Oberflächenschutz) und 2 (Nickel 99,5%, Dicke 100 μm Alfa Aesar, CAS 7440-02-0) mit den Abmessungen 50 mm × 10 mm mit Aceton und einem Schleifvlies (ScotchBrite 3M – 220) gereinigt, um Verschmutzungen und etwaige Oxidschichten zu entfernen.
Das Klebstoffsystem wurde im Fügebereich, der eine Fläche von 10 mm × 10 mm aufweist, in einer Schichtdicke von 200 μm aufgetragen. Die Applikation erfolgte nickelseitig mittels Rakelauftrag.
Bei dem Verfahrensschritt iii) wurden die beiden Fügepartner 1 und 2 unmittelbar mit ihren aufeinander zu gewandten Oberflächen in Kontakt gebracht. Durch Pressen, mit 10 mm/min wurde dann gemäß Verfahrensschritt iv) eine Druckkraftkraft auf die beiden Fügepartner 1 und 2 in Höhe von 4 kN aufgebracht und für 300 s gehalten. Der elektrische Verbindungswiderstand Rv gemessener Verbindungen betrug 0,47 mΩ bei 20°C. Der daraus resultierende Anfangsgütefaktor kU0, ausschließlich bezogen auf den Fügepartner 1 beträgt ku0 = 0,33 sowie ausschließlich bezogen auf den Fügepartner 2 ku0 = 0,82.
Nach dem Entspannen wurde die geklebte Verbindung über mehre 100 h bei einer Temperatur von 80°C im Wärmeschrank gelagert und abhängig von der Zeit der elektrische Verbindungswiderstand bestimmt.
Die Oberfläche der Fügepartners 1 und 2 wurde im Fügebereich durch das Schleifvlies mikrostrukturiert (Kernrautiefe Rk = 2,5 μm), so dass Erhebungen und Täler an dieser Oberfläche ausgebildet worden sind.
Beispiel 5: Fügen walzharter Kupferbänder CU-ETP, Dicke 100 μm
Beim Verfahrensschritt i) wurden die Kontaktflächen der Fügepartner 1 und 2 (Cu-ETP) mit den Abmessungen 70 mm × 12 mm mit Aceton und einem Schleifvlies (ScotchBrite 3M – 220) gereinigt, um Verschmutzungen und etwaige Oxidschichten zu entfernen.
Das Klebstoffsystem wurde im Fügebereich, der eine Fläche von 12 mm × 15 mm aufweist, in einer Schichtdicke von 200 μm aufgetragen. Die Applikation erfolgte einseitig mittels Rakelauftrag. Zur sicheren Ausfüllung des Klebspaltes, wurde mehr Klebstoff verwendet als für den eigentlichen Prozess benötigt werden.
Bei dem Verfahrensschritt iii) wurden die beiden Fügepartner 1 und 2 unmittelbar mit ihren aufeinander zu gewandten Oberflächen in Kontakt gebracht. Durch Pressen mit 10 mm/min, wurde dann gemäß Verfahrensschritt iv) eine Druckkraftkraft auf die beiden Fügepartner 1 und 2 in Höhe von 3,5 kN aufgebracht und für 300 s gehalten.
Der elektrische Verbindungswiderstand Rv gemessener Verbindungen betrug 136,8 μΩ, 137,4 μΩ bzw. 137,8 μΩ bei 20°C. Der resultierende Anfangsgütefaktor beträgt ku0 = 0,62.
Die Oberfläche des Fügepartners 1 und 2 wurde im Fügebereich durch das Schleifvlies mikrostrukturiert (Kernrautiefe Rk = 2,5 μm), so dass Erhebungen und Täler an dieser Oberfläche ausgebildet worden sind.
Beispiel 6: Fügen einer walzharten Kupferfolie, Dicke 10 μm, mit chromhaltigen Oberflächenschutz gegen einen Metallschaum aus Kupfer
Beim Verfahrensschritt i) wurden die Kontaktflächen der Fügepartner 1 (Schlenk, PHC Kupferband SE-Cu58, walzhart beidseitiges Cu-Treatment, gem. DIN EN 1652 entfettet + chromhaltiger Oberflächenschutz) und Fügepartner 2 (Firma AlCarbon Produkt: EMPORE^® Metallschäume Typ: Kupferschäume matt offenporig, Dichte Al-Schaum: 90 ppi, ca. 420 g/m², Porengröße 800 μm ± 60 μm, Dicke 1,8 mm, vorkalandriert auf 0,9 mm) im Ultraschallbad mit Aceton für 30 min bei 50°C gereinigt und im Anschluss das Lösungsmittel verdunstet.
Das Klebstoffsystem wurde im Fügebereich, der eine Fläche von 10 mm × 10 mm aufweist, in einer Schichtdicke von 200 μm aufgetragen. Die Applikation erfolgte auf Seiten der Kupferfolie mittels Rakelauftrag. Zur sicheren Ausfüllung des Klebspaltes, wurde mehr Klebstoff verwendet als für den eigentlichen Prozess benötigt werden.
Bei dem Verfahrensschritt iii) wurden die beiden Fügepartner 1 und 2 unmittelbar mit ihren aufeinander zu gewandten Oberflächen in Kontakt gebracht. Durch Pressen mit 10 mm/min, wurde dann gemäß Verfahrensschritt iv) eine Druckkraftkraft auf die beiden Fügepartner 1 und 2 in Höhe von 6 kN aufgebracht und für 300 s gehalten.
Der Verbindungswiderstand Rv gemessener Verbindungen betrug 0,67 mQ bei 20°C. Der daraus resultierende Anfangsgütefaktor ku0 ausschließlich bezogen auf den Fügepartner 1 beträgt ku0 = 0,48 sowie ausschließlich bezogen auf den Fügepartner 2 ku0 = 1,13.
Nach dem Entspannen wurde die geklebte Verbindung über mehre 100 h bei einer Temperatur von 80°C im Wärmeschrank gelagert und abhängig von der Zeit der elektrische Verbindungswiderstand bestimmt.
Die Oberfläche des Fügepartners 1 wurde im Fügebereich durch das Schleifvlies mikrostrukturiert (Kernrautiefe Rk = 2,5 μm), so dass Erhebungen und Täler an dieser Oberfläche ausgebildet worden sind.
In 2 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindung in einer Schnittdarstellung schematisch gezeigt. Dabei ist zwischen den beiden metallischen Fügepartnern 1/4 und 2/5 eine Schicht 3/6, die aus dem elektrisch isolierenden Polymer besteht, ausgebildet. Dabei entsprechen die Bezugszeichen 4 und 5 den beiden Fügepartnern 1 und 2 und 6 der Schicht 3 aus Polymer in der vergrößerten Detaildarstellung von 2. Beispielhaft sind außerdem unter dem Bezugszeichen 7 Poren oder Porenbereiche innerhalb der Metallschaumstruktur gekennzeichnet, welche nicht vom Klebstoff benetzt werden.
Während der Ausbildung wahrer metallischer Kontakte durch aufbringen einer Presskraft, erfolgt materialspezifisch insbesondere auch eine Deformation der metallischen Schaumstruktur: Die Presskraft darf dabei nicht so hoch sein, dass ein Bruch der zur elektrischen Leitung benötigten Stegstrukturen innerhalb des Metallschaums verursacht wird oder über eine Perforierung des Fügepartners hinaus eine Schädigung desselben erfolgt. Der innerhalb des Fügebereiches für die metallische Kontaktierung zur Verfügung stehende Interaktionsanteil ist maßgeblich abhängig von Deformationsvermögen/Festigkeit sowie Porenstruktur der Metallstruktur sowie der Grundfestigkeit des Vollmaterials.

Claims

Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt i) die Oberflächen der Fügepartner (1, 2) im jeweiligen Kontaktbereich einer definierten Oberflächenbehandlung unterzogen werden, bei der Verunreinigungen, Fremdschichten und/oder insbesondere Oxidschichten entfernt werden und dabei mindestens eine Oberfläche im Kontaktbereich eine Oberflächenstrukturierung mit Erhebungen und Vertiefungen aufweist oder eine solche Oberflächenstrukturierung in diesem Verfahrensschritt ausgebildet wird; im Anschluss an diesen Verfahrensschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt ii) ein adhäsiv wirkendes Polymer oder Polymergemisch (3), in dem keine elektrisch leitenden Partikel enthalten sind, auf mindestens eine Oberfläche im Kontakt- und Fügebereich mindestens eines der Fügepartner (1, 2) aufgetragen, woraufhin im Verfahrensschritt iii) die beiden Fügepartner (1, 2) zumindest im Fügebereich in unmittelbaren Kontakt zueinander gebracht und beim Verfahrensschritt iv) eine Druckkraft aufgebracht wird, mit der die Fügepartner (1, 2), mindestens für die Dauer der chemischen Aushärtung (Polymerisation) des Polymers oder Polymergemischs (3) gegeneinander verspannt werden und nach einer chemischen Aushärtung (Polymerisation) des Polymers oder Polymergemischs (3) eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet wird, die einen elektrischen Verbindungswiderstand unterhalb des spezifischen elektrischen Widerstandes des Polymers oder Polymergemischs (3) aufweist und dabei Gütefaktoren ≤ 1 der Verbindung erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrokontakte auf mindestens 3% der Oberfläche mindestens eines Fügepartners (1 und/oder 2) im Kontakt- oder Fügebereich ausgebildet oder vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Rillengeometrie mit einem Rillenabstand im Bereich 2 μm bis 150 μm, einer Rillentiefe im Bereich 2 μm bis 20 μm und einem Rillenplateau mit einer Breite im Bereich 1 μm bis 75 μm bei der Oberflächenstrukturierung eingehalten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Fügepartner (1, 2) im Kontakt- oder Fügebereich eine Rauheit 3. bis 4. Ordnung nach DIN 4760:1982 aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Verfahrensschritte i) und ii) in inerter Atmosphäre oder unter Schutzgaseinfluss durchgeführt werden und/oder die Fügeteiloberflächen vorbeschichtet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Fügepartner (1, 2) nichtoxidierendes, lösungsmittelfreies und/oder bei einer Temperatur unterhalb 50°C aushärtendes Polymer oder Polymergemisch (3) eingesetzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Methylmethacrylat-Klebstoff oder ein anaerob-härtendes Acrylat Klebstoffsystem als Polymer oder Polymergemisch (3) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Verbindungen an Akkumulatoren, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen oder Solarzellen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Ströme ≥ 1 A übertragbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten iii) und iv) mit dem adhäsiv wirkenden Polymer oder Polymergemisch eine Adhäsionskraft zwischen den beiden Fügepartnern (1 und 2) erreicht wird, die mindestens 10% der Adhäsionskraft nach Durchführung aller Verfahrensschritte entspricht.