DE102021123713A1

DE102021123713A1 - Gehäuseteil für einen Energiespeicher und Energiespeicher

Info

Publication number: DE102021123713A1
Application number: DE102021123713.0A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hartl; Lars Müller; Georg Haselhorst; Björn Ramdohr
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuseteil (1, 2) für einen Energiespeicher, wobei in dem Gehäuseteil zumindest eine elektrische Durchführung angeordnet ist und wobei die zumindest eine elektrische Durchführung als Fixiermaterial-Metall-Durchführung ausgebildet ist, bei der ein Metallstift mit einem Fixiermaterial in einer Öffnung eines Grundkörpers des Gehäuseteils fixiert ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Gehäuseteil mindestens eine folienförmige Anschlussfahne (20) aufweist, welche auf einer Innenseite und/oder Außenseite des Gehäuseteils (1, 2) mit dem Metallstift (4) verbunden ist wobei in einem Verbindungsbereich (22) zwischen der mindestens einen folienförmigen Anschlussfahne (20) und dem Metallstift (4) in einer ersten Variante a) eine Vielzahl von nadelartigen Strukturen ausgebildet sind, welche aus einer Mischung der Materialien der Anschlussfahne und des Metallstifts bestehen und/oder in einer zweiten Variante b) die zur Anschlussfahne weisende Oberfläche des Metallstifts eine raue Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen aufweist, welche mit einer Mischung aus dem Material der Anschlussfahne und dem Metallstift aufgefüllt sind und/oder in einer dritten Variante c) die zur Anschlussfahne (20) weisende Oberfläche des Metallstifts (4) eine raue Oberfläche mit einer Vielzahl von Gräben aufweist, welche überwiegend mit dem Material der Anschlussfahne aufgefüllt sind.Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit einem Gehäuse, welches ein solches Gehäuseteil (1, 2) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuseteil für einen Energiespeicher, insbesondere Batterie, Mikrobatterie oder Kondensator, wobei in dem Gehäuseteil zumindest eine elektrische Durchführung angeordnet ist und wobei die zumindest eine elektrische Durchführung als Fixiermaterial-Metall-Durchführung ausgebildet ist, bei der ein Metallstift mit einem Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterial in einer Öffnung des Gehäuseteils fixiert ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Energiespeicher, der ein Gehäuse mit einem solchen Gehäuseteil umfasst.
Stand der Technik
Energiespeicher, insbesondere Batterien oder Kondensatoren, umfassen üblicherweise eine oder mehrere Speicherzellen, welche die Speicherfunktionalität bereitstellen, und ein Gehäuse, welches die Speicherzellen aufnimmt. Für eine elektrische Verbindung der Speicherzelle(n) umfasst das Gehäuse zumindest eine elektrische Durchführung. Die elektrischen Durchführungen können mit Anschlussfahnen oder Lötfahnen versehen sein.
Die DE 10 2014 016 601 A1 zeigt ein Gehäusebauteil, insbesondere eines Batteriegehäuses oder Kondensatorgehäuses mit einer Durchführung, wobei durch eine Durchführungsöffnung ein Leiter, insbesondere ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter, in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial mit einer Glasmaterialau-ßenabmessung und einer Einglasungslänge hindurchgeführt wird, wobei das Bauteil im Bereich der Durchführungsöffnung eine Verstärkung mit einer Bauteildurchgangsöffnungsdicke aufweist, wobei die Bauteildurchgangsöffnungsdicke größer als die Bauteildicke ist und die Verstärkung eine Verstärkungsmaterialau-ßenabmessung aufweist.
Das Anschweißen dünner Folien, welche als Anschlussfahnen verwendet werden, an ein massives Metallgehäuse oder an massive Metallkontakte bzw. Metallstifte ist eine Herausforderung, da auf der einen Seite ausreichend Wärme eingebracht werden muss, um das Metallgehäuse bzw. den Metallkontakt anzuschmelzen, aber auf der anderen Seite bei dem Schweißvorgang die Anschlussfahnen nicht zerstört werden dürfen. Darüber hinaus besteht bei der Wahl verschiedener Materialien für die Anschlussfahne und das Metallgehäuse bzw. den Metallstift das Problem, dass bei dem Schweißvorgang intermetallische Phasen entstehen können, welche Spröde sein können und dadurch die Stabilität der Schweißstelle gefährden.
Insbesondere bei kompakten Gehäusen, wie sie für kleine Energiespeicher wie Mikrobatterien benötigt werden, sind Laserschweißverfahren für das Verbinden der Metallstifte mit den Anschlussfahnen wünschenswert, da diese Verfahren eine hohe Geschwindigkeit bei hoher Präzision vereinen. Nachteilig hierin ist jedoch, dass insbesondere bei der Verwendung dünner Folien als Anschlussfahnen das Material der Anschlussfahne an der Schweißstelle verdampft wird oder so geschwächt wird, dass die Anschlussfahne leicht von dem Metallstift abreißen kann.
In der Veröffentlichung „Characteristics of Laser Welding of a Thin Aluminum Tab and Steel Battery Case for Lithium Ion Battery“, Trinh et al., Metals 2020, 10(6), 842; https://doi.org/10.3390/met10060842 wird ein Verfahren beschrieben, um Anschlussfahnen von Lithium-Ionen Batteriezellen mit einem Batteriegehäuse zu verschweißen. Bei dem Verfahren wird ein gepulster Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm, einer Leistung von bis zu 20 W, einer Pulsdauer von 200 ns und einer Fokussgröße von 30 µm eingesetzt. Bei dem Verschweißen von Aluminium-Fahnen mit einer Dicke von 0,087 mm mit einem 0,4 mm dicken nickelbeschichteten Batteriegehäuse wurde der Laser auf die Aluminium-Fahne gerichtet, welche auf das Gehäuse gelegt wurde. Dabei wurde beobachtet, dass das Aluminiummaterial der obenliegenden Folie sowie die Nickelschicht schnell verdampft wurden und geschmolzenes Material des Batteriegehäuses nach oben gerissen wurde. Dieses nach oben gerissene Material führt zu einer mechanisch stabilen Verbindung der beiden Schichten, welche zudem einen geringen elektrischen Widerstand aufweist.
In dem Artikel „Laser beam welding of electrical contacts for the application in stationary energy storage devices“ von P. A. Schmidt et al., Journal of Laser Applications 28, 022423 (2016); https://doi.org/10.2351/1.4943908 wird ein Verfahren zum Laserschweißen mit einem Dauerstrichlaser beschrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden ein Gehäuse für einen Energiespeicher bereitzustellen, bei dem eine elektrische Durchführung mechanisch stabil mit einer folienförmigen Anschlussfahne, beispielsweise in Form einer Lötfahne, verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Gehäuseteil für einen Energiespeicher, insbesondere Batterie, Mikrobatterie oder Kondensator vorgeschlagen, wobei in dem Gehäuseteil zumindest eine elektrische Durchführung angeordnet ist und wobei die zumindest eine elektrische Durchführung als Fixiermaterial-Metall-Durchführung ausgebildet ist, bei der ein Metallstift mit einem Fixiermaterial bevorzugt bestehend aus Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterial in einer Öffnung eines Grundkörpers des Gehäuseteils fixiert ist.
Ferner ist vorgesehen, dass das Gehäuseteil mindestens eine folienförmige Anschlussfahne aufweist, welche auf einer Innenseite des Gehäuseteils mit dem Metallstift der elektrischen Durchführung verbunden ist, und/oder das Gehäuseteil mindestens eine außen am Gehäuseteil angeordnete folienförmige Anschlussfahne umfasst, insbesondere eine Lötfahne, welche auf der Außenseite des Gehäuseteils mit dem Metallstift der elektrischen Durchführung verbunden ist,
wobei in einem Verbindungsbereich zwischen der mindestens einen folienförmigen Anschlussfahne und dem Metallstift in einer ersten Variante
a) eine Vielzahl von nadelartigen Strukturen ausgebildet ist, welche aus einer Mischung der Materialien der Anschlussfahne und des Metallstifts bestehen, wobei der Anteil des Materials des Metallstifts überwiegt und wobei die nadelartigen Strukturen zumindest von der Oberfläche des Metallstifts aus gesehen in das Material der Anschlussfahne hinein ragen und bevorzugt durch die Anschlussfahne hindurch bis zur dem Metallstift abgewandten Oberfläche der Anschlussfahne geführt sind, und/oder in einer zweiten Variante
b) die zur Anschlussfahne weisende Oberfläche des Metallstifts eine raue Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen aufweist, welche mit einer Mischung aus dem Material der Anschlussfahne und dem Metallstift aufgefüllt sind, wobei der Anteil des Materials der Anschlussfahne überwiegt, und/oder in einer dritten Variante
c) die zur Anschlussfahne weisende Oberfläche des Metallstifts eine raue Oberfläche mit einer Vielzahl von Gräben aufweist, welche überwiegend mit dem Material der Anschlussfahne aufgefüllt sind.
Bei dem Gehäuseteil kann es sich insbesondere um ein Teil eines Gehäuses eines Energiespeichers handeln. Der Energiespeicher ist dabei beispielsweise als eine Batterie oder ein Kondensator ausgestaltet und umfasst entsprechend bevorzugt mindestens eine Speicherzelle, welche je nach Art des Energiespeichers als Batteriezelle oder Kondensatorzelle ausgebildet ist. Der Metallstift der mindestens einen Metall-Fixiermaterial-Durchführung ermöglicht dabei eine elektrische Verbindung der Speicherzelle durch das Gehäuse hindurch nach außen. Je nach Ausgestaltung des Energiespeichers kann dabei der Metallstift einen ersten Anschlussterminal darstellen und das Gehäuse selbst oder ein Teil des Gehäuses, der aus Metall gefertigt ist und entsprechend elektrisch leitfähig ist, kann einen zweiten Anschlussterminal darstellen. Der Energiespeicher kann aber selbstverständlich auch mehrere Fixiermaterial-Metall-Durchführung aufweisen, wobei ein erster Metallstift einen ersten Anschlussterminal darstellt und ein zweiter Metallstift einen zweiten Anschlussterminal darstellt.
Der oder die Metallstifte sind erfindungsgemäß mit zumindest einer folienförmigen Anschlussfahne versehen, wobei mit folienförmig gemeint ist, dass das Material der Anschlussfahne dünn gegenüber der Dicke des Materials des Metallstifts ist und bevorzugt so dünn ist, dass die Anschlussfahne nicht starr ist, sondern flexibel ist. Die Dicke einer Anschlussfahne liegt bevorzugt im Bereich von 25µm bis 200 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 50 µm bis 100 µm und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 60 µm bis 80 µm. Eine Anschlussfahne kann beispielsweise außen am Gehäuse angeordnet sein und beispielsweise als Lötfahne dienen, um eine elektrische Verbindung zu weiteren Komponenten außerhalb des Gehäuses herzustellen.
Eine Anschlussfahne kann alternativ oder zusätzlich auch im Inneren des Gehäuses angeordnet sein und im Inneren des Gehäuses angeordnete Komponenten elektrisch mit dem mindestens einen Metallstift verbinden.
Bei dem erfindungsgemäßen Gehäuseteil sind bevorzugt das Material des Metallstifts der mindestens einen elektrischen Durchführung und das Material der Anschlussfahne voneinander verschieden gewählt. Entsprechend weisen der Metallstift und die Anschlussfahne unterschiedliche Schmelzpunkte auf, wodurch bei Anwendung üblicher Schweißverfahren zur Verbindung dieser beiden Teile das Ausbilden einer mechanisch stabilen Verbindung erschwert ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Schmelzpunkt des Materials der Anschlussfahne niedriger ist als der Schmelzpunkt des Materials des Metallstifts. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Strukturen bzw. die erfindungsgemäß vorgesehene raue Oberfläche wird hingegen insbesondere auch bei der Auswahl von Materialien mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten eine innige Verbindung ermöglicht, welche mechanisch stabil ist und einen geringen elektrischen Widerstand aufweist.
Bevorzugt liegt ein Durchmesser der nadelartigen Strukturen gemäß Variante a), ein Durchmesser der Vertiefungen gemäß Variante b) und/oder eine Breite der Gräben gemäß Variante c) im Bereich von 5 µm bis 100 µm, bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 60 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 30 µm bis 40 µm. Durch diese feinen Strukturen kann eine besonders große Kontaktoberfläche im Verbindungsbereich geschaffen werden, durch die eine besonders innige und mechanisch stabile Verbindung erzielt werden kann.
Eine Eindringtiefe der nadelartigen Strukturen gemäß Variante a) in das Material des Metallstifts hinein ist bevorzugt größer als die Dicke der Anschlussfahne und beträgt besonders bevorzugt mindestens das doppelte der Dicke der folienförmigen Anschlussfahne und ganz besonders bevorzugt mindestens das dreifache der Dicke der Anschlussfahne. Bevorzugt erstreckt sich die nadelförmige Struktur durch die gesamte Dicke der Anschlussfahne hindurch. Von der Oberfläche des Metallstifts aus gesehen kann sich diese aber auch nur durch einen Teil der Anschlussfahne erstrecken.
Eine Tiefe der Vertiefungen in der Oberfläche des Metallstifts gemäß Variante b) und/oder der Gräben gemäß Variante c) ist bevorzugt kleiner als die Dicke der Anschlussfahne und beträgt besonders bevorzugt höchstens die Hälfte der Dicke der folienförmigen Anschlussfahne und ganz besonders bevorzugt höchstens ein Drittel der Dicke der Anschlussfahne.
Die nadelartigen Strukturen gemäß Variante a) und/oder die Vielzahl von Vertiefungen gemäß Variante b) werden bevorzugt unter Verwendung von Nanopuls-Laserschweißen erhalten. Hierbei wird ein gepulst betriebener Laser verwendet, wobei eine Pulsdauer der Laserpulse bevorzugt im Bereich von 5 ns bis 2000 ns liegt. Die Energie des Lasers wird dabei auf die Laserpulse mit vergleichsweise kurzer Pulsdauer konzentriert. Entsprechend wird hierin auch ein Verfahren zur Verbindung einer Anschlussfahne mit einem Metallstift unter Verwendung von Nanopuls-Laserschweißen offenbart.
Ein Beispiel für eine geeignete Laserquelle für das Nanopuls-Laserschweißen ist ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm.
Durch die Laserpulse des Nanopuls-Lasers wird eine Dampfkapillare erzeugt, welche das Material der Anschlussfahne vollständig durchdringt und bei der Variante a) tief in das Material des Metallstifts eindringt. Nach dem Einwirken des Laserpulses erstarrt das Material schnell, wobei eine nadelartige Struktur entsteht, welche überwiegend aus dem Material des Metallstifts besteht. Bei der Variante b) dringt die Dampfkapillare nicht tief in das Material des Metallstifts ein, so dass nur eine vergleichsweise kleine Vertiefung in der Oberfläche des Metallstifts entsteht und diese Vertiefung nach dem Erstarren des Materials überwiegend mit Material der Anschlussfahne aufgefüllt wird. Sofern eine Materialmischung zwischen dem Material der Anschlussfahne und dem Material des Metallstifts erfolgt, überwiegt in der Mischung im Fall der Variante a) das Material des Metallstifts entsprechend der hohen Eindringtiefe und im Fall der Variante b) überwiegt aufgrund der geringen Eindringtiefe entsprechend das Material der Anschlussfahne.
Die Gräben gemäß Variante c) werden bevorzugt durch CW-Laserschweißen erhalten. Beim CW-Laserschweißen wird ein Dauerstrichlaser verwendet, der auch als continous wave (CW) Laser bezeichnet wird. Entsprechend wird hierin auch ein Verfahren zur Verbindung einer Anschlussfahne mit einem Metallstift unter Verwendung von CW-Laserschweißen offenbart.
Ein Beispiel für eine geeignete Laserquelle für das CW-Laserschweißen ist ein Ytterbium dotierter Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm.
Durch den CW-Laserstrahl wird unterhalb eines aufgeschmolzenen Bereichs der Anschlussfahne nur ein im Vergleich dazu kleiner Bereich an der Oberfläche des Metallstifts aufgeschmolzen, wobei in Verbindung mit der Bewegung des Laserstrahls ein Graben in der Oberfläche des Metallstifts erzeugt wird. Dieser Graben ist bevorzugt mit dem Material der Anschlussfahne aufgefüllt, wobei eine geringe Durchmischung mit dem Material des Metallstifts möglich ist. Sofern eine Mischung vorliegt umfasst das gemischte Material nur geringe Beimischungen des Materials des Metallstifts, wobei der Anteil des Materials des Metallstifts bevorzugt kleiner als 20 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner als 10 Gew.-% ist.
Die nadelartigen Strukturen gemäß Variante a) und/oder die Vertiefungen gemäß Variante b) und/oder eine Hauptrichtung der Gräben gemäß Variante c) sind/ist bevorzugt entlang einer Spirale oder einer Schraffur angeordnet. Bei Erzeugung der nadelartigen Strukturen gemäß Variante a), der Vertiefungen gemäß Variante b) und/oder der Gräben gemäß Variante c) wird die Spirale bzw. die Schraffur über eine Strahlführung des Lasers vorgegeben. Dabei sind auch andere Anordnungen denkbar, welche durch das Führen des Laserstrahls über die Oberfläche der Anschlussfahne erhalten werden.
Eine Größe des Verbindungsbereichs, also des Bereichs, in dem die nadelartigen Strukturen, die Vertiefungen und/oder die Gräben angeordnet sind, wird durch die Strahlführung des Lasers beim Laserschweißen vorgegeben. Der Verbindungsbereich muss dabei nicht zwingend zusammenhängend sein, sondern kann sich alternativ zu einer Ausführung als einzelner zusammenhängender Bereich über mehrere voneinander beabstandete Zonen erstrecken. Bevorzugt bedeckt der Verbindungsbereich mindestens die Hälfte der Fläche des Metallstifts.
Eine Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über die Oberfläche der Anschlussfahne geführt wird, liegt bevorzugt im Bereich von 10 mm/s bis 1 000 mm/s, besonders bevorzugt im Bereich von 50 mm/s bis 500 mm/s. Im Fall von Nanopuls-Laserschweißen liegt die Vorschubgeschwindigkeit beispielsweise im Bereich von 50 mm/s bis 100 mm/s und im Fall von CW-Laserschweißen beispielsweise im Bereich von 100 mm/s bis 200 mm/s.
Insbesondere bei Verwenden eines CW-Lasers kann zusätzlich zu einer Vorschubbewegung des Laserstrahls entlang einer vorgegebenen Strahllinie eine definierte Strahloszillation verwendet werden, bei der der Laserstrahl z.B. in Form von Kreisen oder in Form einer liegenden Acht mit einer Frequenz, beispielsweise im Bereich von 500 Hz bis 2 kHz um die vorgegebene Strahllinie herum oszilliert. Durch die Strahloszillation kann der Energieeintrag insbesondere in das Material der Anschlussfahne gezielt so gesteuert werden, so dass es nicht zu einer lokalen Überhitzung kommt, bei der Material der Anschlussfahne aus dem mit dem Laser bearbeiteten Bereich ausgeworfen wird.
Eine Flächendichte der nadelförmigen Strukturen gemäß Variante a) bzw. der Vertiefungen gemäß Variante b) wird durch die Strahlführung und die Pulsrate des Lasers vorgegeben. Die Pulsrate, auch Wiederholrate genannt, liegt beispielsweise im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz und beträgt beispielsweise 30 kHz. Bei einer beispielhaften Vorschubgeschwindigkeit vom 100 mm/s und einer Pulsrate von 30 kHz werden somit pro mm Laserweg 300 nadelförmige Strukturen bzw. 300 Vertiefungen erzeugt. Bei einer spiralförmigen Strahlführung wird der Abstand der Strukturen bzw. Vertiefungen senkrecht zur Hauptvorschubrichtung durch die Steigung bzw. den Abstand zwischen zwei Windungen vorgegeben. Der Abstand zwischen zwei Windungen liegt bevorzugt im Bereich von 0,01 mm und 0,1 mm und beträgt beispielsweise 0,02 mm was 50 Windungen des Laserstrahlwegs pro mm entspricht. Grob geschätzt werden beispielsweise bei einer spiralförmigen Strahlführung mit 100 mm/s Vorschubgeschwindigkeit und 30 kHz Pulsrate 15 000 nadelförmige Strukturen bzw. Vertiefungen pro mm² erzeugt. Bevorzugt liegt diese Flächendichte im Bereich von 1 000 bis 100 000 pro mm².
Die Menge und Dichte der Gräben gemäß Variante c) wird insbesondere durch eine Strahloszillation in Verbindung mit der Vorschubbewegung des Laserstrahls vorgegeben. Beispielsweise werden in einer Richtung senkrecht zur Vorschubbewegung des Lasers bei einer Oszillation mit 2 kHz und einer Vorschubgeschwindigkeit von 100 mm/s 20 Gräben pro mm erzeugt. Der Abstand bzw. die Dichte der Gräben in einer Richtung senkrecht zur Hauptvorschubrichtung wird durch die Strahlführung vorgegeben. Bei einer spiralförmigen Strahlführung wird der Abstand senkrecht zur Hauptvorschubrichtung durch die Steigung bzw. den Abstand zwischen zwei Windungen vorgegeben. Der Abstand zwischen zwei Windungen liegt bevorzugt im Bereich von 0,01 mm und 0,1 mm und beträgt beispielsweise 0,02 mm was 50 Gräben pro mm entspricht.
Liegt ein Schmelzpunkt des Materials des Metallstifts oberhalb eines Schmelzpunkts des Materials der folienförmigen Anschlussfahne ist es bevorzugt, bei dem Laserschweißen den Energieeintrag des Lasers durch Wahl der Laserparameter, insbesondere der Strahlgeometrie, und die Strahlführung so einzustellen, dass beim Nanopuls-Laserschweißen gemäß Varianten a) und b) in dem Material der folienförmigen Anschlussfahne eine Dampfkapillare ausgebildet wird und beim CW-Laserschweißen gemäß Variante c) ein Überhitzen des Materials der folienförmigen Anschlussfahne unterbleibt.
In allen Fällen wird der Energieeintrag derart gewählt, dass es zu keinem oder nur zu einem geringen Auswurf bzw. Herausschleudern von Material aus dem vom Laser bearbeiteten Bereich kommt. Entsprechend ist insbesondere bei einem CW-Laserschweißen der Energieeintrag so gewählt, dass in einem Grenzbereich zwischen einem Wärmeleitschweißen, bei dem es nicht zu dem Ausbilden einer Dampfkapillare kommt, und dem Ausbilden einer Dampfkapillare gearbeitet wird.
Bei einem Fokusdurchmesser beispielsweise im Bereich von 20 µm bis 40 µm wird in Verbindung mit der vorgeschlagenen Vorschubgeschwindigkeit zur Erreichung des gewünschten Energieeintrags eine Laserleistung im Fall von Nanopuls-Laserschweißen beispielsweise im Bereich von 5 W bis 20 W und im Fall von CW-Laserschweißen im Bereich von 50 W bis 250 W gewählt.
Durch die vorgeschlagene Auswahl des Laserverfahrens zur Erzeugung des Verbindungsbereichs zwischen Anschlussfahne und Metallstift wird erreicht, dass die Energie des Lasers räumlich begrenzt wird und ein Aufschmelzen oder Verdampfen des Materials im Wesentlichen nur innerhalb eines durch den Laserfokus definierten Bereich erfolgt. Durch die starke räumliche Begrenzung kommt es zudem nach dem Einwirken eines Laserpulses bzw. nach dem Weiterbewegen des Laserstrahls zu einer raschen Abkühlung des Materials. Diese rasche Abkühlung trägt dazu bei, ein Vermischen der Materialien von Anschlussfahne und Metallstift zu reduzieren und wirkt dadurch der Entstehung intermetallischer Phasen entgegen. Dies ist vorteilhaft, da die intermetallischen Phasen spröde sind und den Verbindungsbereich mechanisch schwächen würden.
Das Gehäuseteil umfasst einen Grundkörper mit zumindest einer Öffnung welche zusammen mit einem Metallstift und einem Fixiermaterial eine Fixiermaterial-Metall Durchführung ausbildet. Bevorzugt ist das Material des Grundkörpers des Gehäuseteils und/oder des Metallstifts der mindestens einen elektrischen Durchführung ausgewählt aus Titan oder einer Titanlegierung, einem Nickel-Eisen-Stahl, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, AlSiC, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung oder einem Edelstahl, bevorzugt rostfreier Stahl, bevorzugt ein ferritischer Stahl, insbesondere SUS 430; 1.4016 oder ein Duplexstahl, insbesondere SUS 323 1.4362.
Bevorzugt ist das Material der Anschlussfahne ausgewählt aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Legierungen von Aluminium oder Kupfer, insbesondere Neusilber, sowie mehrlagigen Strukturen aus diesen Materialien. Insbesondere können mehrere Folien aus den genannten Materialien gestapelt und gemeinsam mit dem Metallstift verbunden sein. Dies erlaubt es insbesondere, Anschlussfahnen mehrerer im Gehäuse aufgenommener Speicherzellen mit einem einzigen Metallstift zu verbinden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Metallstift aus einem Stahl, insbesondere aus Edelstahl, mit einer Anschlussfahne aus Aluminium verbunden.
Das Gehäuseteil ist bevorzugt als ein Deckel oder als ein Becher eines Gehäuses eines Energiespeichers, insbesondere einer Mikrobatterie, ausgebildet. Im Fall eines Gehäuseteils einer Mikrobatterie liegt dabei eine Dicke des Deckels bzw. einer Wandung des Bechers bevorzugt im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,6 mm.
Das Fixiermaterial ist bevorzugt ein Glas oder eine Glaskeramik. Im Fall eines Glases ist das Fixiermaterial bevorzugt ein Aluminiumboratglas, welches Al₂O₃ und B₂O₃ umfasst.
Für das Herstellen der Fixiermaterial-Metall Durchführung kann das Fixiermaterial bzw. ein Vorläufermaterial in Gestalt eines Formkörpers bereitgestellt werden. Der Formkörper kann beispielsweise die Form eines Hohlzylinders haben. Zur Ausbildung der Fixiermaterial-Metall Durchführung wird der Metallstift in das Innere dieses Holzylinders eingesetzt und dieser wird wiederum in eine Öffnung eines Grundkörpers des Gehäuseteils eingesetzt. Durch eine Temperaturbehandlung wird anschließend der Metallstift in die Öffnung eingeglast, wobei das Fixiermaterial mit dem Material des Metallstifts und dem Material des Grundkörpers eine innige Verbindung eingeht.
Neben der Wahl der Dicke des Gehäuseteils kann eine Einglasungslänge, entlang der das Fixiermaterial mit dem Material des Grundkörpers des Gehäuseteils verbunden ist, auch über weitere Maßnahmen beeinflusst werden. Diese umfassen beispielsweise das Vorsehen verdickter Bereiche des Grundkörpers des Gehäuseteils, das Vorsehen eines Kragens und/oder das Vorsehen von Verstärkungsteilen.
In einer Variante weist das Gehäuseteil einen Kragen auf, der eine innere Wandung mit einer Höhe ausbildet, die größer ist als die übrige Materialstärke des Gehäuseteils, insbesondere einer Dicke eines als Deckel ausgebildeten Gehäuseteils oder einer Dicke einer Wandung eines als Becher ausgebildeten Gehäuseteils.
Bevorzugt ist der Kragen als ein hochgewölbter, umgeformter Kragen ausgebildet, wobei das Gehäuseteil und der Kragen insbesondere einteilig sind.
Um einen Bruch des Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterials insbesondere nach der Einglasung bespielweise aufgrund von Temperatureinwirkungen zu vermeiden ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuseteil mit der elektrischen Durchführung einen flexiblen Flansch zum Fügen des Gehäuseteils mit weiteren Bestandteilen zu einem Gehäuse, z.B. ein Batteriegehäuse umfasst. Der Flansch selbst umfasst einen Bereich, einen sogenannten Verbindungsbereich mit dem ein weiterer Gehäusebestandteil an das Gehäuseteil angeschlossen wird. Das Anschließen an das Gehäuseteil kann durch Verschweißen, insbesondere Ultraschallschweißen oder Löten erfolgen. Die Schweißverbindung wird bevorzugt derart ausgeführt, dass die Verbindung weitgehend gasdicht ist und bevorzugt eine He-Leckrate kleiner 10^-8 mbar I/sec bei 1 bar Druckunterschied zur Verfügung gestellt wird.
Der flexible Flansch kann sehr einfach erhalten werden. So kann beispielsweise der Grundkörper als ein Blechteil mit einer Dicke D₂ ausgeführt sein, welches auf die Dicke D₁, heruntergeprägt wird und nach den Herunterprägen der Abschnitt mit der Dicke D₁, so verformt werden, dass der flexible Flansch ausgebildet wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass um den Bereich der Öffnung herum die ursprüngliche Dicke D₂ erhalten bleibt, so dass der an die Öffnung angrenzende Bereich verstärkt ist. Auch ist es möglich, dass ein Blech mit einer Dicke D₁ zu einem flexiblen Flansch geformt wird und das hochgezogene Blech bzw. ein durch Umformen des Blechs gebildeter Kragen die Einglasung aufnimmt. Eine Einglasung in einen hochgezogenen flexiblen Flansch, insbesondere an einen Kragen des flexiblen Flansches, ist vor allem dann möglich, wenn der flexible Flansch und der hochgezogene Bereich als Material austenitischen Stahl oder Duplex- Stahl umfasst.
Bevorzugt ist die Fixiermaterial-Metall-Durchführung als eine Druckeinglasung ausgeführt wobei das Material des Metallstifts einen ersten Ausdehnungskoeffizienten α1, das Fixiermaterial einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten α2 und das Gehäuseteil bzw. ein Grundkörper des Gehäuseteils einen dritten Ausdehnungskoeffizienten α3 aufweist und wobei der dritte Ausdehnungskoeffizient α3 stets größer ist als der zweite Ausdehnungskoeffizient α2.
Als Glas- oder Glaskeramikmaterial wird bevorzugt ein Aluminiumborat-Glas mit den Hauptbestandteilen Al₂O₃, B₂O₃, BaO und SiO₂ eingesetzt. Bevorzugt liegt der Ausdehnungskoeffizient eines derartigen Glasmaterials im Bereich 9,0 bis 9,5 ppm/K. bzw. 9,0 bis 9,5·10^-6/K und damit im Bereich des Ausdehnungskoeffizienten des Metalls das das Gehäuseteil bzw. dessen Grundkörper ausbildet und/oder den Metallstift. Der genannte Ausdehnungskoeffizient ist vor allem bei Verwendung von Edelstahl, insbesondere ferritischem oder austenitischem Edelstahl oder Duplex-Edelstahl, vorteilhaft. In einem solchen Fall liegt ein ähnlicher Ausdehnungskoeffizient des Edelstahls wie des Aluminiumborat-Glases vor.
Werden die thermischen Ausdehungskoeffizienten des Grundkörpers, des Fixiermaterials und des Metallstifts im Wesentlichen gleich gewählt, wird eine angepasste Fixiermaterial-Metall-Durchführung erhalten. Alternativ zu einer angepassten Fixiermaterial-Metall-Durchführung kann auch eine Druckeinglasung eingesetzt werden.
Die Vorspannung für die Druckeinglasung wird im Wesentlichen durch den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuseteils, insbesondere des Grundkörpers bestimmt.
Bevorzugt liegt der dritte Ausdehnungskoeffizient α3 im Bereich 12·10^-6 1/K bis 19·10^-6 1 / K und der zweite Ausdehnungskoeffizient α2 im Bereich 9·10^-6 1 /K bis 11·10^-6 1/K.
Der zweite Ausdehnungskoeffizient α2 des Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterials kann bei Bedarf modifiziert werden, indem das Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterial mit einem Füllstoff gemischt wird. Durch Wahl der Art und Menge des Füllstoffs kann dann der thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingestellt werden.
Bevorzugt liegt der erste Ausdehnungskoeffizient α₁ im Bereich 6·10^-6 1/K bis 11·10^-6 1/K.
Durch das Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterial wird der mindestens eine Metallstift hermetisch dicht in die Öffnung des Gehäuseteils eingebracht. Unter hermetisch dicht wird eine He-Leckrate von 1.10-8 mbar I/s bei 1 bar Druckunterschied angesehen.
Üblicherweise ist an Gehäusen für einen Energiespeicher ein Sicherheitsventil und/oder eine Sollbruchstelle als Sicherheitselement vorgesehen, um im Fall eines Überdrucks im Inneren diesen kontrolliert abzubauen. Bevorzugt weist das Gehäuseteil ein solches Sicherheitselement auf. Besonders bevorzugt wird die Funktionalität des Sicherheitselements durch zumindest eine Fixiermaterial-Metall-Durchführung des Gehäuseteils bereitgestellt. Dazu ist es bevorzugt, eine Auspresskraft für den vom Fixiermaterial gehaltenen Metallstift so zu wählen, dass der Metallstift bei Überschreiten einer vorgegebenen Auspresskraft herausgedrückt wird.
Bevorzugt wird dabei die vorgegebene Auspresskraft durch eine oder mehrere der nachfolgenden Maßnahmen eingestellt:

a. Wahl der Einglasungslänge,
b. Wahl des oder der Fixiermaterialien,
c. gezieltes Schwächen des Fixiermaterials durch Einbringen von Blasen in das Fixiermaterial,
d. Strukturieren einer Oberfläche des Fixiermaterials durch Wahl der Form eines Fixiermaterialformkörpers vor dem Einglasen,
e. Strukturieren einer Oberfläche des Fixiermaterials während des Einglasens,
f. Strukturieren einer Oberfläche des Fixiermaterials nach dem Einglasen, insbesondere durch eine Laserbearbeitung,
g. ein- oder zweiseitiges Anordnen von Kerben oder Verjüngungen im Fixiermaterial und/oder
h. Anordnen von Kerben oder Verjüngungen im Metallstift und/oder Gehäuseteil.

Bevorzugt ist auf dem Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterial und/oder auf dem Grundkörper ein Isolationselement, insbesondere in Form eines Isolationsrings, angeordnet. Dieses Isolationselement ist dabei bevorzugt so angeordnet, dass es sich zwischen dem Grundkörper und der Anschlussfahne befindet und somit einen möglichen Kurzschluss zwischen Anschlussfahne und Grundkörper verhindert. Das Isolationsmaterial kann dabei identisch oder verschieden von dem Fixiermaterial gewählt werden.
Ist das Isolationsmaterial des Isolationselements mit dem Fixiermaterial identisch gewählt, können das Isolationselement und das Fixiermaterial der Durchführung auch einstückig ausgebildet sein. In einer Variante ragt das Glas-, Keramik- oder Glaskeramikmaterial über die Öffnung im Grundkörper des Gehäuseteils hinaus, wobei das Glasmaterial insbesondere ein aufschäumendes Glas sein kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist das Bereitstellen eines Energiespeichers, insbesondere Batterie, Mikrobatterie oder Kondensator, umfassend ein Gehäuse mit einem der hierin beschriebenen Gehäuseteilen. Der Energiespeicher umfasst zumindest eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Speicherzelle, wobei mindestens eine folienförmige Anschlussfahne, insbesondere eine Lötfahne, au-ßen am Gehäuse angeordnet ist, welche auf der Außenseite des Gehäuses mit einem Metallstift der elektrischen Durchführung verbunden ist und/oder die Speicherzelle mindestens eine folienförmige weitere Anschlussfahne aufweist, welche auf der Innenseite des Gehäuses mit einem Metallstift der elektrischen Durchführung verbunden ist.
Das Gehäuseteil mit der mindestens einen elektrischen Durchführung ist dabei bevorzugt hermetisch dicht mit weiteren Gehäuseteilen verbunden, so dass ein hermetisch dichtes Gehäuse für den Energiespeicher ausgebildet wird. Beispielsweise wird zur Bildung des Gehäuses ein Deckel mit einer Fixiermaterial-Metall Durchführung durch Schweißen mit einem Becher verbunden. Unter hermetisch Dicht wird hierbei verstanden, dass das Gehäuse eine He-Leckrate kleiner als 10^-8 mbar I/sec bei 1 bar Druckunterschied aufweist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und ohne Beschränkung hierauf eingehender beschrieben werden.
Es zeigen:

1: ein erstes Ausführungsbeispiel mit außen an einen Metallstift einer elektrischen Durchführung angebrachter Anschlussfahne als Lötfahne,
2: ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem im Inneren eines Gehäuses eine Anschlussfahne mit einem Metallstift verbunden ist,
3: ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem beidseitig Anschlussfahnen mit einem Metallstift verbunden sind,
4: ein viertes Ausführungsbeispiel mit über das Gehäuseteil gezogenem Glasmaterial,
5: ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuseteil im Bereich der Einglasung eine erhöhte Dicke aufweist,
6: ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuseteil im Bereich der Einglasung einen Kragen aufweist,
7: ein siebtes Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuseteil einen flexiblen Flansch aufweist,
8: einen Schnitt durch einen Verbindungsbereich zwischen einer Anschlussfahne und einem Metallstift in einer ersten Ausführungsvariante,
9: einen Schnitt durch einen Verbindungsbereich zwischen einer Anschlussfahne und einem Metallstift in einer zweiten Ausführungsvariante und
10a und 10b: einen Schnitt durch einen Verbindungsbereich zwischen einer Anschlussfahne und einem Metallstift in einer dritten Ausführungsvariante.

In 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers dargestellt. Der Energiespeicher kann insbesondere als eine Mikrobatterie ausgestaltet sein und umfasst ein Gehäuse mit einem Deckel 1 und einem Becher 2. Der Deckel 1 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel als ein flacher Grundkörper 10 ausgebildet, in dem sich eine Öffnung 3 befindet. Sowohl der Grundkörper 10 des Deckels 1 als auch der Becher 2 sind bevorzugt aus Metall gefertigt. Durch die Öffnung 3 ist ein Metallstift 4 hindurchgeführt, über den der Innenraum des Energiespeichers elektrisch mit der Außenwelt verbindbar ist. Der Metallstift 4 wird in der Öffnung 3 von einem Fixiermaterial 5 gehalten, welches aus einem Glas, einer Keramik oder einer Glaskeramik ausgewählt ist, so dass eine Fixiermaterial-Metall-Durchführung gebildet wird.
Der Deckel 1 und der Becher 2 sind dicht miteinander verbunden, um das Gehäuse des Energiespeichers auszubilden. Das Verbinden kann beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, am Rand des als Deckel 1 ausgebildeten Gehäuseteils erfolgen. Die Verschweißung erfolgt bevorzugt hermetisch dicht. Mit hermetisch dicht ist dabei gemeint, dass die He-Leckrate geringer als 10-8 mbar I/sec bei 1 bar Druckunterschied ist.
Im Inneren des Gehäuses können beispielsweise eine oder mehrere Speicherzellen des Energiespeichers aufgenommen sein, die in der 1 nicht dargestellt sind.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der Außenseite des in der Öffnung 3 des Deckels 1 in einem Fixiermaterial 5 gehaltenen Metallstifts 4 eine Anschlussfahne 20 angeschlossen. Die Anschlussfahne 20 ist bevorzugt folienförmig ausgebildet und dünner als der Metallstift 4. Hierdurch ist die Anschlussfahne 20 flexibel, wie in der 1 durch eine Biegung der Anschlussfahne 20 angedeutet.
Für eine innige Verbindung mit hoher mechanischen Stabilität und geringem elektrischen Widerstand ist die Anschlussfahne 20 an einem Verbindungsbereich 22 mit dem Metallstift 4 mittels Laserschweißen verbunden. Innerhalb des Verbindungsbereichs 22 sind eine Vielzahl von nadelartiger Strukturen, Vertiefungen und/oder Gräben ausgebildet (vergleiche 8, 9, 10a und 10b) die die stabile Verbindung zwischen dem Metallstift 4 und der Anschlussfahne 20 fördern, ohne dass der Verbindungsbereich 22 durch intermetallische Phasen geschwächt wird.
Für eine elektrische Isolation zwischen dem Grundkörper 10 des Deckels 1 und der Anschlussfahne 20 ist bevorzugt ein Isolationsmaterial 6 in Form eines Isolationsrings auf dem Grundkörper 10 angeordnet. Das Isolationsmaterial 6 kann dabei auch den vom Fixiermaterial 5 ausgefüllten Bereich ganz oder teilweise überdecken. Das Isolationsmaterial 6 bzw. der Isolationsring ist aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt, beispielsweise aus einem Kunststoff, einem Glas, einer Glaskerarmik oder einer Keramik, Grundsätzlich kann dabei das Material des Fixiermaterials 5 auch als Isolationsmaterial 6 verwendet werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers, mit einem ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführten Gehäuse. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist eine weitere Anschlussfahne 20' einer im Inneren des Gehäuses aufgenommenen Speicherzelle (in der 2 nicht dargestellt) mit dem Metallstift 4 verbunden. Umfasst das Gehäuse mehr als eine Speicherzelle, können selbstverständlich auch mehrere weitere Anschlussfahnen 20' mit dem Metallstift 4 verbunden werden. Auch ist es denkbar, zunächst die einzelnen weiteren Anschlussfahnen 20' miteinander zu verbinden und dann einen aus den weiteren Anschlussfahnen 20' gebildeten Stapel mit dem Metallstift 4 zu verbinden.
Das Verbinden der weiteren Anschlussfahne 20' der Speicherzelle mit dem Metallstift 4 erfolgt bevorzugt vor einem Verbinden des als Deckel 1 ausgestalteten Gehäuseteils mit dem als Becher 2 ausgestalteten weiteren Gehäuseteil. In einer Variante des Energiespeichers kann dabei der Metallstift 4 als ein erster elektrischer Anschluss dienen und der Becher 2 des Gehäuses kann als ein zweiter elektrischer Anschluss dienen. Hierzu kann eine zweite Anschlussfahne der Speicherzelle (nicht dargestellt) vor dem Fügen des Deckels 1 mit dem Becher 2 verbunden werden. Ein Beispiel für eine solche Ausführungsvariante ist eine zylindrische Batterie, insbesondere eine Mikrobatterie.
Für eine innige Verbindung mit hoher mechanischen Stabilität und geringem elektrischen Widerstand ist die weitere Anschlussfahne 20` an einem weiteren Verbindungsbereich 22` mit dem Metallstift 4 mittels Laserschweißen verbunden. Innerhalb des weiteren Verbindungsbereichs 22` sind eine Vielzahl von nadelartiger Strukturen, Vertiefungen und/oder Gräben ausgebildet (vergleiche 8, 9, 10a und 10b) welche eine stabile Verbindung zwischen dem Metallstift 4 und der Anschlussfahne 20 fördern, ohne dass der weitere Verbindungsbereich 22` durch intermetallische Phasen geschwächt wird.
Eine druckdichte Verbindung des als Deckel 1 ausgeführten Gehäuseteils, der die Öffnung 3 als Teil der Durchführung umfasst, mit dem als Becher 2 ausgeführten weiteren Gehäuseteil kann beispielsweise durch Verschweißen erfolgen. Wie zuvor in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der 1 erwähnt umfasst der Deckel 1 eine elektrische Durchführung mit dem in der Öffnung 3 angeordneten Metallstift 4, der über das Fixiermaterial 5 elektrisch isolierend fixiert ist.
Um eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen der im Inneren des Gehäuses angeordneten weiteren Anschlussfahne 20' und dem als Deckel 1 ausgestalteten Gehäuseteil zu vermeiden, ist in dem Ausführungsbeispiel der 2 Isolationsmaterial 6 in Form eines Isolationsrings zwischen der weiteren Anschlussfahne 20' und dem Grundkörper 10 des Deckels 1 angeordnet. Das Isolationsmaterial 6 bedeckt hier auch das Fixiermaterial 5 vollständig. Es ist aber auch denkbar, dass der Isolationsring 6 sich nicht oder zumindest nicht vollständig über den Bereich des Fixiermaterials 5 der elektrischen Durchführung erstreckt. Das Isolationsmaterial 6 ist beispielsweise aus einem Glasmaterial, einem Keramikmaterial oder einem Glaskeramikmaterial ausgewählt und kann identisch zu dem Fixiermaterial 5 gewählt sein.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem sowohl an der Außenseite des Gehäuses eine Anschlussfahne 20 mit dem Metallstift 4 verbunden ist, ähnlich wie in 1 dargestellt, als auch an der Innenseite des Gehäuses eine weitere Anschlussfahne 20' mit dem Metallstift 4 verbunden ist, wie in 2 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung wird hier nur der Deckel 1 gezeigt. Der Deckel 1 kann aber selbstverständlich mit weiteren Gehäuseteilen zu einem Gehäuse gefügt werden. In dem Beispiel der 3 wurde kein zusätzliches Isolationsmaterial 6 zwischen der Anschlussfahne 20 bzw. der weiteren Anschlussfahne 20' und dem Grundkörper 10 des Deckels 1 eingesetzt. Es ist jedoch selbstverständlich möglich, bei Bedarf wie in den 1 und 2 skizziert jeweils Isolationsmaterial 6 einzusetzen, beispielsweise in Form von Isolationsringen.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem wiederum zur Vereinfachung der Darstellung lediglich das als Deckel 1 ausgestaltete Gehäuseteil mit der elektrischen Durchführung dargestellt ist.
Der Grundkörper 10 des Deckels 1 weist wie mit Bezug zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 beschrieben eine Öffnung 3 auf, in die ein Metallstift 4 eingesetzt ist. Der Metallstift 4 wird dabei von einem Fixiermaterial 5 elektrisch isolierend in der Öffnung 3 gehalten. Der Metallstift 4 wird hierbei ähnlich wie in der 1 dargestellt an der Außenseite von einer Anschlussfahne 20 kontaktiert und zusätzlich ähnlich wie in der 2 dargestellt an der Innenseite von einer weiteren Anschlussfahne 20' kontaktiert.
Zur elektrischen Isolation der Anschlussfahne 20 von dem Grundkörper 10 des Deckels 1 ist in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das Fixiermaterial 5 nicht nur innerhalb der Öffnung 3 angeordnet, sondern ragt über den Grundkörper 10 hinaus und bedeckt als Isolationsmaterial 6 einen an die Öffnung 3 angrenzenden Teil der Oberseite des Grundkörpers 10. Dieser überdeckende Teil des Fixiermaterials 5 kann beispielsweise kreisringförmig ausgestaltet sein.
Zur Erzeugung des überdeckenden Teils des Fixiermaterials 5 kann in einer Ausführungsvariante ein aufschäumendes Glas als Fixiermaterial 5 gewählt werden.
In dem Ausführungsbeispiel der 4 ist zwischen dem Grundkörper 10 und der weiteren Anschlussfahne 20` kein Isolationsmaterial 6 angeordnet. Es ist jedoch denkbar, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel der 2 gezeigt, eine Isolationsscheibe als Isolationsmaterial 6 anzuordnen. Ebenso ist es denkbar, analog zu der Ausgestaltung der Oberseite auch an einen an der Unterseite an die Öffnung 3 angrenzenden Bereich mit dem Fixiermaterial 5 zu überdecken.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, eines Deckels 1. Der Grundkörper 10 des Deckels 1 weist wieder die Öffnung 3 auf, in der der Metallstift 4 mit dem Fixiermaterial 5 gehalten ist.
Der Grundkörper 10 des fünften Ausführungsbeispiels weist angrenzend an die Öffnung 3 einen Verstärkungsbereich 14 mit einer Dicke D₂ auf, welche größer ist, als die Dicke D₁ des Deckels 1 außerhalb des Verstärkungsbereichs 14. Der Verstärkungsbereich 14 ist beispielsweise ringförmig um die Öffnung 3 herum ausgebildet und weist eine Weite W auf.
Im Beispielfall eines Deckels 1 einer Mikrobatterie liegen typische Abmessungen für die Dicke D₁ im Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm. Um eine Ausdruckskraft des Fixiermaterials 5 zu erhöhen, wird durch die größere Dicke D₂ des Verstärkungsbereichs 14 eine gegenüber der Dicke D₁ vergrößerte Einglasungslänge EL bereitgestellt. Diese vergrößerte Einglasungslänge EL liegt im Beispielfall eines Deckels 1 einer Mikrobatterie typischerweise im Bereich von 0,4 mm bis 1 mm. Die Weite W des Verstärkungsbereichs 14 ist insbesondere bei Kombination der Ausführung der elektrischen Durchführung als Druckeinglasung im Bereich von 0,6 mm bis 1 mm gewählt, um im Rahmen einer Druckeinglasung eine Kompressionskraft auf das Fixiermaterial 5 ausüben zu können.
In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Metallstift 4 an der Außenseite mit einer Anschlussfahne 20 und an der Innenseite mit einer weiteren Anschlussfahne 20' kontaktiert. Dabei ist es alternativ selbstverständlich möglich, dass nur die Außenseite oder nur die Innenseite kontaktiert wird. Für eine elektrische Isolierung zwischen den Anschlussfahnen 20, 20' und dem Grundkörper 10 kann je nach Bedarf Isolationsmaterial 6 eingesetzt werden, wie beispielsweise in den 1 bis 3 skizziert.
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, eines Deckels 1. Der Grundkörper 10 des Deckels 1 weist wieder die Öffnung 3 auf, in der der Metallstift 4 mit dem Fixiermaterial 5 gehalten ist.
Der Grundkörper 10 des sechsten Ausführungsbeispiels weist angrenzend an die Öffnung 3 einen Kragen 16 auf, der durch Umformen des Materials des Grundkörpers 10 gebildet ist und den Bereich um die Öffnung 3 herum verstärkt. Der Kragen 16 weist durch die beiden Lagen des Materials des Grundkörpers 10 und einem gegebenenfalls zwischen den beiden Lagen angeordneten Freiraum eine Dicke D₃ auf, welche größer ist, als die Dicke D₁ des Deckels 1 außerhalb des durch den Kragen 16 verstärkten Bereichs. Der Kragen 16 ist beispielsweise ringförmig um die Öffnung 3 herum ausgebildet und weist eine Weite W auf.
Im Beispielfall eines Deckels 1 einer Mikrobatterie liegen typische Abmessungen für die Dicke D₁ im Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm. Um eine Ausdruckskraft des Fixiermaterials 5 zu erhöhen, wird durch die größere Dicke D₃ des Kragens 16 eine gegenüber der Dicke D₁ vergrößerte Einglasungslänge EL bereitgestellt. Diese vergrößerte Einglasungslänge EL und damit die Dicke d₃ liegt im Beispielfall eines Deckels 1 einer Mikrobatterie typischerweise im Bereich von 0,4 mm bis 1 mm. Die Weite W des Verstärkungsbereichs 14 ist insbesondere bei Kombination der Ausführung der elektrischen Durchführung als Druckeinglasung im Bereich von 0,6 mm bis 1 mm gewählt, um eine Kompressionskraft auf das Fixiermaterial 5 ausüben zu können.
Auch in dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Metallstift 4 an der Außenseite mit einer Anschlussfahne 20 und an der Innenseite mit einer weiteren Anschlussfahne 20' kontaktiert. Wiederum ist es alternativ selbstverständlich möglich, dass nur die Außenseite oder nur die Innenseite kontaktiert wird. Bei Bedarf kann für eine elektrische Isolierung auch Isolationsmaterial 6 angeordnet werden, wie beispielsweise in den 1 bis 3 skizziert.
7 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel, eines Deckels 1. Der Grundkörper 10 des Deckels 1 weist wieder die Öffnung 3 auf, in der der Metallstift 4 mit dem Fixiermaterial 5 gehalten ist.
Der Deckel 1 der siebten Ausführungsform weist im Bereich der Öffnung 3 einen flexiblen Flansch 12 auf. Der flexible Flansch 12 wird durch Umformen des Grundkörpers 10 des Deckels 1 erhalten und weist einen Übergangsbereich mit einer Weite W auf, innerhalb dem ein flacher Abschnitt des Grundkörpers 10 in einen Einglasungsabschnitt mit einer Dicke d₄ übergeht, welche größer ist als die Dicke d₁ des flachen Abschnitts des Grundkörpers 10. Eine Verbindung zwischen dem Deckel 1 und einem Becher 2, vergleiche 1 und 2, erfolgt am äußeren Rand des Grundkörpers 10, so dass durch den flexiblen Flansch 12 der Bereich mit der Öffnung 3 und damit der Bereich mit der elektrischen Durchführung mechanisch entkoppelt wird. Entsprechend werden mechanische Spannungen anderer Teile des Gehäuses nicht auf das Fixiermaterial 5 übertragen. Des Weiteren kann die Dicke d₄ innerhalb des Einglasungsabschnitts in einem weiten Bereich frei gewählt werden, so dass sich die Einglasungslänge unabhängig von anderen Dimensionen des Gehäuses einstellen lässt.
In dem in 7 skizzierten Ausführungsbeispiel 7 ist die Materialstärke des Grundkörpers 10 über alle Bereiche hinweg konstant. Es ist aber in weiteren Ausführungsvarianten denkbar, beispielsweise im Übergangsbereich eine geringere Materialstärke zu wählen, um die Flexibilität des flexiblen Flanschs 12 zu erhöhen.
In der in 7 dargestellten Ausführungsvariante ist beispielhaft an der Oberseite der Durchführung ein Teil des Fixiermaterials 5 als Isolationsmaterial 6 über den Rand der Öffnung 3 hinaus gezogen worden. Es kann aber beispielsweise auch ein zusätzliches Isolationsmaterial 6, beispielsweise in Form eines Isolationsrings verwendet werden, wie in den 1 und 2 skizziert. Je nach Bedarf kann selbstverständlich auch an der Unterseite Isolationsmaterial 6 angeordnet werden.
8 zeigt einen Schnitt durch einen Verbindungsbereich 22 bzw. einem weiteren Verbindungsbereich 22` zwischen einer Anschlussfahne 20 oder einer weiteren Anschlussfahne 20' und einem Metallstift 4 in einer ersten Ausführungsvariante.
In dieser ersten Ausführungsvariante werden der Metallstift 4 und die Anschlussfahne 20 bzw. die weitere Anschlussfahne 20' mittels Nanopuls-Laserschweißen miteinander verbunden. Die Laserstrahlung wird dabei auf die Anschlussfahne 20 bzw. die weitere Anschlussfahne 20' geleitet, welche auf den Metallstift 4 aufgelegt ist. Die Energiedichte ist durch Wahl der Pulslänge, des Fokusdurchmessers und der Laserleistung so gewählt, dass es zu einer Ausbildung einer Dampfkapillare, auch Keyhole genannt, kommt, wobei Material der Anschlussfahne 20 bzw. der weiteren Anschlussfahne 20' sowie des Metallstifts 4 verdampft wird. Die Tiefe des Keyholes ist dabei wesentlich größer als der Durchmesser, wobei die Eindringtiefe in den Metallstift 4 größer ist als die Dicke der Anschlussfahne 20, 20'. Bevorzugt ist der Laser so eingestellt, dass die Eindringtiefe in den Metallstift 4 mindestens doppelt so groß ist, wie die Anschlussfahne 20, 20' dick ist. Besonders bevorzugt ist die Eindringtiefe mindestens dreimal so groß wie die Dicke der Anschlussfahne 20, 20'. Die zeitliche Ausprägung des Keyholes ist jedoch gering und so kommt es unmittelbar wieder zu einem Kollabieren desselben, wodurch eine thermische Einflusszone minimiert wird sowie die kritische Verweildauer aufgeschmolzener Volumina für ein ungewünschtes Vermischen der Fügepartner auf ein geringes Maß reduziert wird. Die Leistungsdichte des Lasers ist dabei so gewählt, dass eine vergleichsweise hohe Eindringtiefe des Keyholes in das Material des untenliegenden Metallstifts 4 erzielt wird.
Einhergehend mit der hohen Eindringtiefe des Keyholes in den Metallstift 4 ist verbunden, dass nach dem wieder-Verfestigen des Materials eine nadelförmige Struktur 104 ausgebildet wird, deren Material im Wesentlichen aus dem Material des Metallstifts 4 gebildet wird und entsprechend der Anteil des Materials der Anschlussfahne 20, 20' stark gestreckt bzw. verdünnt ist. Entsprechend liegt innerhalb der nadelförmigen Strukturen 104 ein Mischbereich 108 vor, bei dem das Material des Metallstifts 4 überwiegt. Eine unerwünschte Ausbildung kritischer intermetallischer Phasen wird dadurch vermieden und eine hohe mechanische Festigkeit der Schweißung erzielt. Der Abstand zwischen zwei benachbarten nadelförmigen Strukturen 104 ist dabei durch die Pulswiederholrate und der Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über die Materialoberfläche geführt wird, gegeben.
Beispiel:
Verbinden von folienförmigen Anschlussfahnen aus Aluminium mit einem Metallstift aus Stahl.
Für Dicken der folienförmigen Anschlussfahne im Bereich von 50 µm bis 100 µm wird die Laserquelle mit Leistungen im Bereich von 5 W bis 20 W, Pulsdauern von 200 ns, einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Spotgröße im Bereich von 20 µm bis 40 µm betrieben. Eine Pulswiederholrate beträgt beispielsweise 30 kHz. Die Vorschubgeschwindigkeit liegt beispielhaft im Bereich von 50 mm/s bis 100 mm/s. Zur Erzielung der erforderlichen Anbindungsquerschnitte können beispielsweise archimedische Spiralen oder linierte bzw. schraffierte Schweißpfadgeometrien gewählt werden.
9 zeigt einen Schnitt durch einen Verbindungsbereich 22, 22' zwischen einer Anschlussfahne 20, 20' und einem Metallstift 4 in einer zweiten Ausführungsvariante.
In der zweiten Ausführungsvariante eines Verbindungsbereichs 22, 22' wird eine Anschlussfahne 20, 20' wie bei der ersten Ausführungsvariante der 8 mittels Nanopuls-Laserschweißen mit einem darunterliegenden Metallstift 4 verbschweißt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsvariante der 8 ist die Leistungsdichte des Lasers jedoch so eingestellt, dass der Laserstrahl nur eine geringe Eindringtiefe in das Material des Metallstifts 4 aufweist. Die Eindringtiefe in das Material des Metallstifts 4 ist geringer gewählt als die Dicke der Anschlussfahne 20, 20`, so dass in der Oberfläche des Metallstifts 4 eine Vielzahl von Vertiefungen 106 erzeugt wird, wobei die Tiefe dieser Vertiefungen jeweils geringer als die Dicke der Anschlussfahne 20, 20' ist. Bevorzugt beträgt die Eindringtiefe in die Oberfläche des Metallstifts 4 maximal die Hälfte der Dicke der Anschlussfahne 20, 20'. Besonders bevorzugt beträgt die Eindringtiefe maximal ein Drittel der Dicke der Anschlussfahne 20, 20'.
Durch die geringe Eindringtiefe der Laserstrahlung in das Material des Metallstifts 4 wird nur ein geringer Volumenanteil geschmolzen oder verdampft, so dass nach dem Wieder-Erstarren des Materials ein Mischbereich 108 ausgebildet wird, wobei das Material des Mischbereichs 108 die in der Oberfläche des Metallstifts 4 gebildeten Vertiefungen 106 auffüllt. Der Mischbereich 108 besteht im Wesentlichen aus dem Material der Anschlussfahne 20, 20' und umfasst nur geringe Anteile des Materials des Metallstifts 4. Hierdurch wird das Ausbilden intermetallischer Phasen stark vermindert.
Die 10a und 10b zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Verbindungsbereich 22, 22' zwischen einer Anschlussfahne 20 bzw. einer weiteren Anschlussfahne 20' und einem Metallstift 4 in einer dritten Ausführungsvariante. Bei der dritten Ausführungsvariante des Verbindungsbereichs 22, 22' wird ein Laserstrahl eines Dauerstrichlasers (CW Laser) auf die Anschlussfahne 20, 20' geleitet und entlang eines Schweißpfades über die Oberfläche geführt. Das Material der Anschlussfahne 20, 20' wird in einem Schmelzbereich 110 im Bereich des Laserfokus bis hinunter zur angrenzenden Oberfläche des Metallstifts 4 aufgeschmolzen. An der Oberfläche des Metallstifts 4 wird dieser ebenfalls innerhalb eines weiteren Schmelzbereichs 112 aufgeschmolzen. Nach dem Wieder-Erstarren des geschmolzenen Materials bildet sich in der Oberfläche des Metallstifts 4 ein Graben 102 aus, der mit geschmolzenem Material der Anschlussfahne 20, 20' aufgefüllt ist. Um einen übermäßigen Wärmeeintrag in die Schmelze des Materials der Anschlussfahne 20, 20' zu vermeiden, wird bevorzugt eine definierte Strahloszillation verwendet, bei der der Laserstrahl z.B. in Form von Kreisen oder in Form einer liegenden Acht mit einer Frequenz, beispielsweise im Bereich von 500 Hz bis 2 kHz kleine Bewegungen um den Schweißpfad herum ausführt. In Verbindung mit der Vorschubbewegung des Laserstrahls werden hierdurch, wie in 10b angedeutet, nicht nur ein Graben 102, sondern mehrere Gräben 102 erzeugt, wobei diese sich aufgrund der Oszillationsbewegung in Kombination mit dem Vorschub des Lasers mehrfach schneiden. Zusätzlich kann eine zeitliche Modulation der Laserleistung erfolgen, wodurch die Tiefe der Gräben 102 wie bei einer Steppnaht variiert wird. Der sich ergebende Schweißprozess ist idealerweise ein Grenzprozess zwischen Keyhole- und Wärmeleitschweißen.
Die Leistung des Lasers in Kombination mit dem Fokusdurchmesser und der Oszillationsbewegung ist so gewählt, dass das Volumen des weiteren Schmelzbereichs 112 wesentlich kleiner ist als das Volumen des Schmelzbereichs 110. Hierdurch wird erreicht, dass es nur zu einer geringen Vermischung der Materialien der Anschlussfahne 20, 20' und des Metallstifts 4 kommen kann. Die Bildung von intermetallischen Phasen, welche die Stabilität der Schweißverbindung stören könnten. wird reduziert.
Beispiel:
Eine Aluminium-Anschlussfahne mit einer Dicke im Bereich von 50 µm bis 100 µm wird mit einem Metallstift aus Stahl verbunden. Hierbei wird ein Grenzprozess zwischen Keyhole- und Wärmeleitschweißen anvisiert. Es wird eine Spotgröße im Bereich von 20 µm bis 40 µm verwendet. Bei einem Spotdurchmesser von 30 µm wird mit einer Laserleistung im Bereich von 50 W bis 250 W und einer Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 100 mm/s bis 200 mm/s gearbeitet. Zur gezielten Steuerung der thermischen Einflusszone wird dabei bevorzugt eine definierte Strahloszillation mit Frequenzen im Bereich von 500 Hz bis 2 kHz verwendet. Diese kann z.B. in Form von Kreisen oder auch einer liegenden Acht zur Spreizung des Energieeintrages angewendet werden, sodass die Schmelzausbildung gezielt gesteuert wird. Zur weiteren Reduktion der Schmelzbaddynamik wird Schutzgas verwendet, beispielhaft Stickstoff, bevorzugt dabei jedoch Argon.
Durch dieses Prozessregime werden dabei zwei Aspekte adressiert, die beim Laserschweißen einer solchen ungleichen Materialpaarung von Bedeutung sind. Zum einen die weitmögliche Reduktion der applizierten Streckenenergie zur Vermeidung von Überhitzung des niederschmelzenden Aluminiumvolumens im oberen Bereich des Überlappstoßes mit den Folgen von übermäßiger Schmelzbaddynamik wie Auswürfe oder Inselbildung. Zum anderen die minimale Einschweißtiefe in den untenliegenden höherschmelzenden Stahlwerkstoff, wodurch Volumenanteile mit Vermischungen beider Werkstoffe sowie Verweildauern in kritischen Temperaturbereichen weitgehend reduziert werden. Dies ist erforderlich, da im Falle von Aluminium und Eisen eine schlechte gegenseitige Löslichkeit gegeben ist, sodass sich anstatt gleichmäßiger Mischkristallausprägungen in den meisten Vermischungskonstellationen sprödharte intermetallische Phasen ausbilden. Eine überlagerte örtliche Modulation der Leistung unterstützt den Anbindungsvorgang dahingehend, dass die Überhitzung der niederschmelzenden Volumenanteile an Aluminium durch gezielte Wärmeverteilung auch in den Randbereichen besser kontrolliert werden kann. Zusätzlich kann eine zeitliche Modulation ähnlich einer Steppnaht ein Fügeregime um den grenzwertigen Bereich der Einschweißung in den untenliegenden Stahl herum betrieben werden. Dabei können sich Zonen mit etwas tieferer Eindringtiefe in den Fügepartner mit solchen abwechseln, in denen quasi nur noch eine gewisse Anschmelzung und damit tendenziell eher Anhaftung erfolgt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste

1: Deckel
2: Becher
3: Öffnung
4: Metallstift
5: Fixiermaterial
6: Isolationsmaterial
10: Grundkörper
12: flexibler Flansch
14: Verstärkungsbereich
EL: Einglasungslänge
d1: Dicke Grundkörper
d2: Dicke Verstärkungsbereich
W: Weite
16: Kragen
d3: Dicke Kragen
d4: Dicke Flansch
20: Anschlussfahne
20': weitere Anschlussfahne
22: Verbindungsbereich
22': weiterer Verbindungsbereich
102: Graben
104: nadelförmige Struktur
106: Vertiefung
108: Mischbereich
110: Schmelzbereich (Anschlussfahne)
112: weiterer Schmelzbereich (Metallstift)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014016601 A1 [0003]

Claims

Gehäuseteil (1, 2) für einen Energiespeicher, insbesondere Batterie, Mikrobatterie oder Kondensator, wobei in dem Gehäuseteil (1, 2) zumindest eine elektrische Durchführung angeordnet ist und wobei die zumindest eine elektrische Durchführung als Fixiermaterial-Metall-Durchführung ausgebildet ist, bei der ein Metallstift (4) mit einem Fixiermaterial (5) bevorzugt bestehend aus Glas-, Keramik oder Glaskeramikmaterial in einer Öffnung (3) eines Grundkörpers (10) des Gehäuseteils (1, 2) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (1, 2) mindestens eine folienförmige Anschlussfahne (20, 20') aufweist, welche auf einer Innenseite des Gehäuseteils mit dem Metallstift (4) der elektrischen Durchführung verbunden ist, und/oder das Gehäuseteil (1, 2) mindestens eine außen am Gehäuseteil (1, 2) angeordnete folienförmige Anschlussfahne (20, 20') umfasst, insbesondere eine Lötfahne, welche auf der Außenseite des Gehäuseteils (1, 2) mit dem Metallstift (4) der elektrischen Durchführung verbunden ist, wobei in einem Verbindungsbereich (22, 22') zwischen der mindestens einen folienförmigen Anschlussfahne (20, 20') und dem Metallstift (4) a) eine Vielzahl von nadelartigen Strukturen (104) ausgebildet sind, welche aus einer Mischung der Materialien der Anschlussfahne (20, 20') und des Metallstifts (4) bestehen, wobei der Anteil des Materials des Metallstifts (4) überwiegt und wobei die nadelartigen Strukturen (104) zumindest von der Oberfläche des Metallstifts (4) aus gesehen in das Material der Anschlussfahne (20, 20') hinein ragen und bevorzugt durch die Anschlussfahne (20, 20') hindurch bis zur dem Metallstift (4) abgewandten Oberfläche der Anschlussfahne (20, 20') geführt sind, und/oder b) die zur Anschlussfahne (20, 20') weisende Oberfläche des Metallstifts (4) eine raue Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen (106) aufweist, welche mit einer Mischung aus dem Material der Anschlussfahne (20, 20') und dem Metallstift (4) aufgefüllt sind, wobei der Anteil des Materials der Anschlussfahne (20, 20') überwiegt, und/oder c) die zur Anschlussfahne (20, 20') weisende Oberfläche des Metallstifts (4) eine raue Oberfläche mit einer Vielzahl von Gräben (102) aufweist, welche überwiegend mit dem Material der Anschlussfahne (20, 20') aufgefüllt sind.
Gehäuseteil (1, 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Metallstifts (4) der mindestens einen elektrischen Durchführung und das Material der Anschlussfahne (20, 20') verschieden gewählt sind.
Gehäuseteil (1, 2) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der nadelartigen Strukturen (104) gemäß Variante a), ein Durchmesser der Vertiefungen (106) gemäß Variante b) und/oder eine Breite der Gräben (102) gemäß Variante c) im Bereich von 5 bis 100 µm, bevorzugt im Bereich von 20 bis 60 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 30 µm bis 40 µm liegt.
Gehäuseteil (1, 2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eindringtiefe der nadelartigen Strukturen (104) gemäß Variante a) in das Material des Metallstifts (4) hinein mindestens das doppelte der Dicke der folienförmigen Anschlussfahne (20, 20') beträgt und/oder dass eine Tiefe der Vertiefungen (106) in der Oberfläche des Metallstifts (4) gemäß Variante b) und/oder der Gräben (102) gemäß Variante c) höchstens die Hälfte der Dicke der folienförmigen Anschlussfahne (20, 20') beträgt.
Gehäuseteil (1, 2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen (104) Strukturen gemäß Variante a) und/oder die Vertiefungen (106) gemäß Variante b) und/oder eine Hauptrichtung der Gräben (102) gemäß Variante c) entlang einer Spirale oder einer Schraffur angeordnet sind.
Gehäuseteil (1, 2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen Strukturen (104) gemäß Variante a) und/oder die Vielzahl von Vertiefungen (106) gemäß Variante b) unter Verwendung von Nanopuls-Laserschweißen erhalten wurden, wobei eine Pulsdauer der Laserpulse im Bereich von 5 ns bis 2000 ns beträgt, und/oder die Gräben (102) gemäß Variante c) durch CW-Laserschweißen erhalten wurden.
Gehäuseteil (1, 2) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmelzpunkt des Metallstifts (4) oberhalb eines Schmelzpunkts der folienförmigen Anschlussfahne (20, 20') liegt, wobei der Energieeintrag des Lasers durch Wahl der Strahlgeometrie und die Strahlführung so eingestellt wurde, dass beim Nanopuls-Laserschweißen gemäß Varianten a) und b) in dem Material der folienförmigen Anschlussfahne (20, 20') eine Dampfkapillare ausgebildet wird und beim CW-Laserschweißen gemäß Variante c) ein Überhitzen des Materials der folienförmigen Anschlussfahne (20, 20') unterbleibt.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eines Grundkörpers (10) des Gehäuseteils (1, 2) und/oder des Metallstifts (4) der mindestens einen elektrischen Durchführung ausgewählt ist aus Titan oder einer Titanlegierung, einem Nickel-Eisen-Stahl, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, AlSiC, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung oder einem Edelstahl, bevorzugt rostfreier Stahl, bevorzugt ein ferritischer Stahl, insbesondere SUS 430; 1.4016 oder ein Duplexstahl, insbesondere SUS 323; 1.4362.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Anschlussfahne (20, 20') ausgewählt ist aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Legierungen von Aluminium oder Kupfer, insbesondere Neusilber, sowie mehrlagigen Strukturen aus diesen Materialien.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Anschlussfahne (20, 20') im Bereich von 25 µm bis 200 µm, bevorzugt im Bereich von 50 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 60 µm bis 80 µm gewählt ist.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (1, 2) ein Deckel (1) eines Gehäuses eines Energiespeichers ist, insbesondere einer Mikrobatterie, mit einer Dicke d₁ im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,6 mm ist oder dass das Gehäuseteil (1, 2) ein Becher (2) eines Gehäuses eines Energiespeichers ist.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (1, 2) einen verstärkten Bereich, ein zusätzliches Verstärkungsteil und/oder einen Kragen (16) aufweist und so eine innere Wandung mit einer Höhe ausbildet, die größer ist als die übrige Materialstärke des Gehäuseteils (1, 2), insbesondere einer Dicke d₁ eines als Deckel (1) ausgebildeten Gehäuseteils (1, 2).
Gehäuseteil (1, 2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (16) ein hochgewölbter, umgeformter Kragen ist, wobei das Gehäuseteil (1, 2) und der Kragen (16) insbesondere einteilig sind.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (1, 2) einen flexiblen Flansch (12) umfasst.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermaterial-Metall-Durchführung als eine Druckeinglasung ausgeführt ist, wobei das Material des Metallstifts (4) einen ersten Ausdehnungskoeffizienten α1, das Fixiermaterial (5) einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten α2 und der Grundkörper (10) des Gehäuseteils (1, 2) einen dritten Ausdehnungskoeffizienten α3 aufweist, wobei der dritte Ausdehnungskoeffizient α3 stets größer ist als der zweite Ausdehnungskoeffizient α₂.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine vorgegebene Auspresskraft des mindestens einen Metallstifts (4) aus der Fixiermaterial-Metall-Durchführung eine Safety-Vent Funktion bereitgestellt wird, wobei die vorgegebene Auspresskraft durch eine oder mehrere der nachfolgenden Maßnahmen eingestellt wird: a. die Dicke der Einglasung, b. den Einsatz unterschiedlicher Fixiermaterialien (5), c. unterschiedliche Blasenanteil im Fixiermaterial (5), d. eine strukturierte Glasoberfläche durch die Form eines Fixiermaterialformkörpers vor dem Einglasen, e. eine strukturierte Glasoberfläche durch eines Fixiermaterialformkörpers während des Einglasen, f. eine strukturierte Fixiermaterialoberfläche durch eine Laserbearbeitung nach der Einglasung, g. Kerben oder Verjüngungen im Fixiermaterial (5) ein- oder zweiseitig und/oder h. Kerben oder Verjüngungen im Metallstift (4) und/oder Gehäuseteil (1,2).
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial ein Aluminiumboratglas ist, welches Al₂O₃ und B₂O₃ umfasst.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas- oder Glaskeramikmaterial einen Füllstoff beinhaltet, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten einzustellen.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Fixiermaterial (5) und/oder auf dem Grundkörper (10) ein Isolationselement, insbesondere in Form eines Isolationsrings, angeordnet ist.
Gehäuseteil (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixiermaterial (5) über die Öffnung (3) im Grundkörper (10) des Gehäuseteils (1, 2) hinausragt, wobei das Fixiermaterial (5) ein Glasmaterial, insbesondere ein aufschäumendes Glas, sein kann.
Energiespeicher, insbesondere Batterie, Mikrobatterie oder Kondensator, umfassend ein Gehäuse mit einem Gehäuseteil (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und zumindest eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Speicherzelle, wobei mindestens eine folienförmige Anschlussfahne (20), insbesondere eine Lötfahne, außen am Gehäuse angeordnet ist, welche auf der Außenseite des Gehäuses mit einem Metallstift (4) der elektrischen Durchführung verbunden ist und/oder die Speicherzelle mindestens eine folienförmige weitere Anschlussfahne (20`) aufweist, welche auf der Innenseite des Gehäuses mit einem Metallstift (4) der elektrischen Durchführung verbunden ist.