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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem ersten Material und einem zweiten Material sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung der genannten Art bekannt. So werden z.B. zur Schaffung von Außenanschlüssen entsprechende Metallabschnitte eines Ableiters und eines Anschlusses miteinander durch Reib- oder Pressschweißen, Ultraschall-Schweißen, Laser-Schweißen, Falten, Bördeln, Verschrauben oder Vernieten miteinander verbunden werden. Dazu kann ein Endbereich eines ersten Materials dementsprechend als Stift oder Niet oder flacher Bereich ausgeführt werden, wie beispielsweise in der
DE 1 02010 027 699 B4 offenbart. In jedem der genannten Fälle sind die Vorbereitung und Ausführung des Materialübergangs jedoch aufwändig zumindest mit Blick auf zusätzliche Arbeitsschritte sowie Prozesszeit, wie auch immer ein Ableiter eines ersten Materials sowie ein elektrischer Außenanschluss bzw. ein Terminal aus einem zweiten Material ausgebildet werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische leitfähige Verbindung sowie ein Herstellungsverfahren zu schaffen, die die vorstehend genannten Nachteile hinsichtlich eines zusätzlichen Fertigungsaufwandes sowie eines Übergangswiderstandes deutlich mindern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Verbindung in mehr als nur einer Raumebene verlaufend und stoffschlüssig ausgebildet ist.
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Die Verbindung weist damit mindestens zwei Abschnitte auf, die in unterschiedlichen Raumebenen liegen, wobei die Verbindung insgesamt stoffschlüssig ausgebildet ist. Eine den vorstehenden Merkmalen genügende Geometrie weist bei sonst gleicher Geometrie eine stets gegenüber einer quasi-Linie einer Schweißverbindung oder einer Fläche einer Reibverbindung deutlich vergrößerte Fläche und damit einen geringeren Übergangswiderstand auf. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden die Werkstoffe durch Kohäsion und Adhäsion miteinander sehr intensiv verbunden, was schon für sich ebenfalls einen dauerhaften und geringen Übergangswiderstand zwischen leitfähigen Materialien verwirklicht. In der Kombination verstärken sich beide Effekte noch zusätzlich und schaffen damit eine Verbindung, die hinsichtlich ihres geringen Übergangswiderstandes wie auch einer Haltbarkeit damit alle vorstehend exemplarisch genannten Verbindungen zwischen Materialpaarungen übertrifft.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach wird eine mechanische Belastbarkeit einer erfindungsgemäßen Verbindung durch zusätzliche Ausbildung auch als formschlüssigen Verbindung noch erhöht.
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Vorzugweise ist das erste Material gewählt aus der Gruppe von Kupfer, Nickel und vergleichbaren Materialien guter elektrischer Leitfähigkeit, das zweite Material ist Aluminium. Dabei ist als ein Anwendungsfall die Schaffung eines Anschlusses an einem elektrischen Energiespeicher bekannt. Dabei stellt ein Lithium-Ionen-Akkumulator eine besondere Anforderung dahingehend dar, dass aufgrund der hier anzutreffenden Elektro-Chemie auf der negativen Anschluss-Seite Kupfer als Leitermaterial benötigt wird. Gleichwohl sollen gerade bei den heute gebräuchlichen Bauformen als prismatische Zellen mit einem Au-ßengehäuse aus Aluminium auch die elektrischen Anschlüsse aus diesem Material bestehen. Damit muss ein Übergang von einem Leiter aus Kupfer auf ein äußeres Material des elektrischen Anschlusses aus Aluminium realisiert werden. Es können dazu auch Legierungen der genannten Materialien gewählt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Endbereich des Ableiters aus dem ersten Material in das zweite Material des Außenanschlusses eingepresst. Damit kann eine konkrete Außenform des zweiten Materials zusammen mit der Schaffung einer erfindungsgemäßen Verbindung im Zuge eines Fließpressvorgangs geschaffen werden, der insbesondere unter Verwendung von Aluminium sicher beherrschbar ist nun ohne Materialerwärmung als kombinierte Formgebungs- und Verbindungstechnik statt bei Raumtemperatur nur zur Formgebung eines Aluminiumkörpers verwendet wird. Im Ergebnis ist dann ein Teil des Leiters aus dem ersten Material von einem Außenanschluss aus dem zweiten Material als Fließpressteil mit vorgegebenen Abmessungen umschlossen.
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Nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung wird ein Endbereich des Ableiters aus dem ersten Material in das zweite Material des Außenanschlusses eingegossen. Damit umschließt das zweite Material, z.B. Aluminium, des Außenanschlusses einen Endbereich des z.B. kupfernen Ableiters und schafft damit einen sicheren Materialübergang ohne weiteren Arbeitsschritt. Eine dementsprechende Vorrichtung zeichnet sich also dadurch aus, dass der Anschluss einen Teil des Ableiters umschließend als Gussteil ausgebildet ist. Dieser Ausführungsform der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Schmelzpunkte von Aluminium und Kupfer so weit voneinander unterscheiden, dass ein Stück oder ein Abschnitt eines Ableiters aus dem zweiten Material, also aus Kupfer oder Nickel, in das dünnflüssige zweite Material, vorzugsweise Aluminium, eintauchbar ist, um eine stoffliche Verbindung mit guten elektrischen Eigenschaft zu bilden, ohne dass sich das erste Material in dem zweiten Material auflöst, wie es andersherum mit einem Teil aus dem zweiten Material in flüssigem ersten Material der Fall wäre. Das partielle Eingießen und Umschließen des ersten durch das zweite Material ermöglicht die Schaffung nicht nur einer dauerhaft formschlüssigen Verbindung, sondern gibt die Möglichkeit, vergleichsweise große Übergangsflächen zwischen den beteiligten Metallen in einem Prozessschritt und zugleich auch eine erwünschte Außenkontur des Anschlusses aus dem zweiten Material zu schaffen. Der so geschaffene Kontakt weist eine große und in mehr als einer zueinander i.d.R. senkrecht stehenden Ebenen verlaufende Fläche auf, die als Übergangsfläche bzw. Kontaktbereich eine gute elektrische Verbindung mit geringen Übergangswiderständen an einem nahezu beliebig geformten äußeren Anschluss garantieren.
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Vorzugsweise ist eine Vielzahl von entsprechend geformten Vertiefungen vorgesehen, die mit einer definierten Menge von flüssigem Aluminium gefüllt sind. Hier hinein wird nun jeweils ein bestimmter Abschnitt des kupfernen Ableiters hineingehalten und fixiert, bis das Aluminium erstarrt ist. Es wird somit ein elektrischer Außenkontakt ähnlich eines „Eis am Stiel“ hergestellt. Durch eine entsprechende Ausbildung im Mehrfachnutzen ist dieses Verfahren auch für eine Massenproduktion tauglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der kupferne Ableiter in einem Kontaktbereich mit dem Aluminium des äußeren Anschlusses eine durch mindestens eine Nut und/oder eine Abflachung von einem Quader oder einem Zylinder abweichende Außenform auf. Der kupferne Ableiter wird dazu in einem Vorbereitungsschritt vor dem Vergießen mit mindestens einer Nut und/oder einer Abflachung zur Vergrößerung einer Oberfläche gegenüber der eines Quaders oder Zylinders versehen. Damit wird einerseits eine Kontaktfläche mit dem nachfolgend umschließenden Aluminium vergrößert, andererseits eine Verbesserung des Formschlusses zwischen den unterschiedlichen Materialien erzielt.
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In einer Ausführungsform dieser Alternative ist der Außenanschluss nicht nur als Gussteil aus Aluminium, sondern als Aluminium-Druckgießteil ausgeführt. Damit wird neben einem Gewicht auch eine Außenkontur des Außenanschlusses exakt und reproduzierbar festgelegt, wobei ein in einem Druckgießprozess verwendetes Werkzeug eine Vielzahl von Kavitäten zur Aufnahme von flüssigem Aluminium sowie eines definierten Abschnitts des kupfernen Zuleiters aufweist, so dass ein Herstellungsverfahren aufgrund geringer Taktzeiten großserientauglich ist.
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Vorteilhafterweise werden die mindestens eine Nut und/oder mindestens eine Abflachung an dem Ableiter nicht rotationssymmetrisch ausgeführt. Hindurch können die mechanischen Eigenschaften der Kontaktfläche zwischen dem ersten Material, z.B. Kupfer, und dem zweiten Material, Aluminium, noch verbessert werden, indem sie nun durch Formschluss z.B. noch besser ein Moment auch dauerhaft bei geringem Kontakt- und Übergangswiderstand aufnehmen können.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten prismatischen Akkumulator-Zelle;
- 2: eine teilweise geschnittene Darstellung der Zelle von 1 in einem zusammengebauten Zustand;
- 3a und 3b: Schnittdarstellungen eines Herstellungsverfahrens;
- 4: eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels in einer Draufsicht;
- 5: eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels analog der Darstellung von 4 und
- 6: eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels analog der Darstellung der 4 und 5.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur der Anwendungsfall der Schaffung eines Anschlusses an einem elektrischen Energiespeicher in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulator eingegangen, bei dem eine elektrisch sehr gut leitfähige Verbindung von einem Ableiter aus Kupfer zu einem Außenkontakt aus Aluminium herzustellen ist.
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Die Abbildung von 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus dem Stand der Technik bekannte Bauform eines Lithium-Ionen-Akkumulators 1 als prismatische Speicherzelle. In einen Becher 2 aus Aluminium werden zwei Wickel 3 mit zwei durch Isolator- und Separatorfolien 4 voneinander getrennten Schichten 5, 6 des eigentlich aktiven Speichermaterials eingeschoben. Die Schichten 5, 6 sind gegeneinander so versetzt, dass an einer Stirnseite eines jedes Wickels 3 nur ein elektrischer Pol ausgebildet ist, der über gabelartige Zinken 7 eines Ableiters 8 kontaktiert wird.
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Nach einem nicht weiter zeichnerisch dargestellten Verfüllen mit einem flüssigen Elektrolyt wird die beschriebene Anordnung durch einen Deckel 9 aus Aluminium druckdicht verschlossen. Die Ableiter 8 laufen durch den Deckel 9 hindurch zu äußeren Anschlüssen 10, von denen der eine mit dem Deckel 9 sowie dem damit durch Verschweißen leitend verbundenen Becher 2 auf dem elektrisch gleichen Potential befindet. Um einen Kurzschluss zu verhindern ist ein zweiter Anschluss 10' durch eine Isolierung 11 von dem Deckel 9 elektrisch getrennt. Damit bestehen von der Isolierung 11 abgesehen mit Becher 2, Deckel 9 und zwei äußeren Anschlüssen 10 alle Bestandteile dieses Lithium-Ionen-Akkumulators 1 aus Aluminium.
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In Ergänzung zeigt 2 eine teilweise geschnittene Darstellung der vorstehend zu 1 beschriebenen Zelle in einem zusammengebauten Zustand. Der Deckel 9 ist nun mit dem Becher 2 druckdicht verschweißt. Die äußeren Anschlüsse 10, 10' für die beiden Polaritäten sind nun die einzigen Verbindungen zu den Ableitern 8, um die Wickel 3 über ein nicht weiter dargestelltes elektronisches Management-System zu laden oder zu entladen.
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Da die elektro-chemischen Gegebenheiten innerhalb der beschriebenen Zelle 1 an der Anode einen Übergang als elektrisch leitfähige Verbindung V von Kupfer als Material des Ableiters 8 und als erstes Material A im Sinne der vorliegenden Erfindung hin auf Aluminium als Material des äußeren Anschlusses 10 und damit als zweites Material B erforderlich macht, wird nun unter Bezugnahme auf die Abbildungen der 3a und 3b ein Herstellungsverfahren zur Ausbildung einer solchen Verbindung V mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich eines Übergangswiderstands und des Fertigungsprozesses anhand von Schnittdarstellungen beschrieben. Nach Art eines Kokillengusses wird in einem ersten Schritt gemäß 3a eine bestimmte Menge von dünnflüssigem Aluminium in eine Vertiefung 12 einer Form bzw. eines Werkzeugs 13 gegossen. In einem zweiten Schritt wird gemäß 3b ein Endbereich E als Abschnitt eines Ableiters 8 aus Kupfer in das dünnflüssige Aluminium eingetaucht. Da die Schmelztemperatur von Aluminium als zweitem Material B unterhalb der von Kupfer aller erstem Material A liegt, löst sich der Ableiter 8 aus Kupfer nicht in der Aluminium-Schmelze auf, sondern die dünnflüssige Schmelze umschließt den Ableiter 8 unter Ausbildung einer großen Kontaktfläche und Verbindung V. Mit dem Erstarren des Aluminiums wird damit der bereits hinsichtlich seiner Außenkontur fertige Anschluss 10 aus Aluminium aus der Vertiefung 12 des Werkzeugs 13 entnommen, wobei der Anschluss 10 als Gussteil aus Aluminium nun einen bestimmten Teil des Ableiters 8 unlösbar umschließt. Diese Verbindung V weist eine dreidimensionale Kontur auf und ist deutlich größer als bei bekannten Verbindungsmethoden, wie Schweißen, Nieten o.ä. mit punkt-, linien- und nur in geringem Maße flächiger Ausbildung, die als Maximum auf eine Stirnfläche des Ableiters 8 beschränkt wäre. Damit weist der nun geschaffene Kontakt- und Übergangsbereich der Verbindung V auch einen dauerhaft vergleichsweise günstigeren, geringen elektrischen Übergangswiderstand auf. Dieser Vorteil wird in einem Prozessschritt zusammen mit einer definierten Ausformung des äußeren Anschlusses 10 erzielt.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels als vergrößerten Ausschnitt von 1 in einer seitlichen Ansicht. Hier ist nun im Detail erkennbar, wie eine gemäß der 3a, 3b hergestellte Einheit aus Anschluss 10 mit Ableiter 8 durch die Isolierung 11 durch den Deckel 9 hindurch über einen Verteiler 14 schließlich die gabelartige Zinke 7 elektrisch kontaktiert. Eine Dichtung 15 zwischen Deckel 9, Isolierung 11 und Verteiler 14 dichtet einen Außenbereich gegenüber dem nicht weiter dargestellten Elektrolyt ab. Dabei ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Leiterpfad von der gabelartige Zinke 7 über den als Blechstück ausgeführten Verteiler 14 zu dem zylindrischen Ableiter 8 hin einstofflich in Kupfer ausgeführt, aber aus mehreren Einzelteilen, die hier z.B. durch Laserverschweißungen 16 miteinander verbunden sind.
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5 ist eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels analog der Darstellung von 4. Im Unterschied ist hier nun der kupferne Ableiter 8 mit einer überkragenden Abflachung 17 versehen, um eine von einem Quader oder einem Zylinder abweichende Außenform zu schaffen. Im vorliegenden Beispielfall ergibt sich so eine ungefähr T-förmige Querschnittsfläche mit einer gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 4 deutlich vergrößerten Kontaktfläche zwischen dem Kupfer des Ableiters 8 und dem Aluminium des äußeren Anschlusses 10.
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6 zeigt schließlich eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels analog der Darstellung der 4 und 5. Hier ist nun an dem Ableiter 8 statt einer Abflachung 17 eine Nut 18 vorgesehen. Auch durch diese Maßnahme wird eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Kupfermaterial des Ableiters 8 und dem Aluminium des äußeren Anschlusses 10 geschaffen.
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Selbstverständlich sind auch beliebige Mischformen von Nuten 18 und Abflachungen 17 realisierbar, die in Anpassung an eine jeweilige Außenform des Anschlusses 10 auch nicht rotationssymmetrisch sein müssen. Diese Maßnahme dient einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Formschluss, da ein äußerer Anschluss z.B. beim Einbau und Anschließen einer Leitung oder während des Betriebs mechanisch durch ein Moment belastet werden kann, wobei die elektrisch gut leitende Verbindung V zwischen den in diesen Ausführungsbeispielen genannten gewählten Materialien Kupfer A und Aluminium B auch bei dynamischer Beanspruchung durch Schwingungen dauerhaft erhalten bleibt und mechanisch standhält. Das wesentliche technische Ziel bleibt dabei aber stets eine Vergrößerung der Oberfläche des Kupferkörpers des Ableiters 8 in Kontakt mit dem nach außen hin umschließenden Aluminium des Anschlusses 10, um die formschlüssige Verbindung mechanisch noch zu verbessern und andererseits einen elektrischen Übergangswiderstand durch eine möglichst große Kontaktfläche zwischen dem Kupfermaterial A des Ableiters 8 und dem Aluminium B des äußeren Anschlusses 10 dauerhaft sehr gering zu halten.
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Über alle Ausführungsbeispiele hinweg wird auch unter Verwendung eines Fließ-Press-Verfahrens bei geringem Verfahrensaufwand sowie guter Reproduzierbarkeit eine besonders belastbare und elektrisch gut leitende Verbindung V in Einheit aus Anschluss 10 mit Ableiter 8 geschaffen. Hierbei wird der Endbereich E des Leiters 8 mit einer Formgebung z.B. entsprechend 6 in das in einem Werkzeug 13 gehaltene Aluminium B des späteren äußeren Anschlusses 10 i.d.R. ohne zusätzliche Erwärmung unter Verwendung einer Presse hineingedrückt. Das fließende Aluminium B umschließt den Endbereich E des Leiters 8 unter Ausbildung einer elektrisch gut leitfähigen Verbindung V. Zugleich bildet das Aluminium B eine Außenkontur des Anschlusses 10 entsprechend der Form des Werkzeugs 13.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Speicherzelle / Lithium-Ionen Akkumulator in einer Bauform als prismatische Speicherzelle
- 2
- Becher aus Aluminium
- 3
- Wickel
- 4
- Isolatorfolie, Separatorfolie
- 5
- Schicht des eigentlich aktiven Speichermaterials
- 6
- Schicht des eigentlich aktiven Speichermaterials
- 7
- gabelartige Zinke
- 8
- Ableiter / Leiter
- 9
- Deckel aus Aluminium
- 10
- äußerer Anschluss
- 11
- Isolierung
- 12
- Vertiefung
- 13
- Werkzeug
- 14
- Verteiler
- 15
- Dichtung
- 16
- Laser-Verschweißung (einstofflich)
- 17
- Abflachung
- 18
- Nut
- A
- erstes Material / Metall des Leiters 8
- B
- zweites Material / Metall des äußeren Anschlusses 10
- E
- Endbereich des Leiters 8
- V
- Verbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027699 B4 [0002]
