DE202021103495U1

DE202021103495U1 - Elektrische Einrichtung, insbesondere Mikrobatterie

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Publication number: DE202021103495U1
Application number: DE202021103495.5U
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-10-07
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: CN217444515U

Abstract

Elektrische Einrichtung, insbesondere elektrische Speichereinrichtung oder Sensorgehäuse, bevorzugt Batterie insbesondere Mikrobatterie oder Kondensator mit einer Durchführung, insbesondere durch ein Gehäuseteil (1) eines Gehäuses der Einrichtung aus einem Metall, insbesondere Eisen, Eisen-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, Stahl, rostfreier Stahl, Edelstahl, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, AISIC, Magnesium, einer Magnesiumlegierung oder Titan oder einer Titanlegierung, wobei das Gehäuseteil (1) wenigstens eine Öffnung (3) als Teil der Durchführung aufweist, wobei die Öffnung (3) sich um eine Achse erstreckt und ein erster Bereich des Gehäuseteils die Öffnung umfasst und ein zweiter Bereich des Gehäuseteiles benachbart zur Öffnung ist und die Öffnung ein leitendes Material insbesondere einen Leiter (5) in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial (7) aufnimmt, wobei der Leiter eine Auspresskraft aus der Öffnung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einglasungslänge L (L1, L1a, L1b) des leitenden Materials, insbesondere des Leiters in dem Glas- und/oder Glaskeramikmaterial derart gewählt wird, dass eine vorbestimmte Auspresskraft zur Verfügung gestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Einrichtung, insbesondere eine elektrische Speichereinrichtung, bevorzugt eine Batterie, insbesondere Mikrobatterie und/oder einen Kondensator mit einer Durchführung durch ein Gehäuseteil aus Metall, insbesondere Eisen, Eisen-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Cobalt-Legierungen, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl, wobei das eine Gehäuseteil wenigstens eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung eine Kontaktelement aus einem leitenden Material in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial aufnimmt.
Als Batterien im Sinne der Erfindung, werden sowohl eine Einwegbatterie, die nach ihrer Entladung entsorgt und/oder recycelt werden kann wie auch Akkumulatoren verstanden. Akkumulatoren, bevorzugt Lithium-Ionen-Batterien, sind für verschiedene Anwendungen vorgesehen wie beispielsweise tragbare elektronische Geräte, Mobiltelefone, Motorwerkzeuge sowie insbesondere Elektrofahrzeuge. Die Batterien können traditionelle Energiequellen wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien oder Nickel-Metallhydrid-Batterien ersetzen. Auch der Einsatz der Batterie in Sensoren ist möglich oder im Internet der Dinge.
Unter Speichereinrichtungen im Sinne der Erfindung werden auch Kondensatoren, insbesondere auch Superkondensatoren, verstanden.
Superkondensatoren, auch Supercaps genannt, sind, wie allgemein bekannt ist, elektrochemische Energiespeicher mit besonders hoher Leistungsdichte. Superkondensatoren besitzen im Unterschied zu Keramik-, Folien- und Elektrolytkondensatoren kein Dielektrikum im herkömmlichen Sinne. In ihnen sind insbesondere die Speicherprinzipien der statischen Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in einer Doppelschichtkapazität sowie die elektrochemische Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen in einer Pseudokapazität verwirklicht.
Superkondensatoren umfassen insbesondere Hybridkondensatoren, dabei insbesondere Lithium-Ionen-Kondensatoren. Deren Elektrolyt umfasst üblicherweise ein Lösungsmittel, in dem leitfähige Salze gelöst sind, üblicherweise Lithiumsalze. Superkondensatoren werden vorzugsweise in Anwendungen eingesetzt, in denen eine hohe Zahl von Lade-/Entladezyklen benötigt wird. Superkondensatoren sind insbesondere vorteilhaft im Automobilbereich einsetzbar, insbesondere im Bereich der Rekuperation von Bremsenergie. Andere Anwendungen sind natürlich ebenso möglich und von der Erfindung umfasst.
Lithium-Ionen-Batterien als Speichereinrichtung sind seit vielen Jahren bekannt. Diesbezüglich wird beispielsweise auf „Handbook of Batteries“, David Linden, Herausgeber, 2. Auflage, McCrawhill, 1995, Kapitel 36 und 39 verwiesen.
Verschiedene Aspekte von Lithium-Ionen-Batterien sind in einer Vielzahl von Patenten beschrieben.
Beispielsweise seien genannt:

US 961,672 A1 , US 5,952,126 A1 , US 5,900,183 A1 , US 5,874,185 A1 ,
US 5,849,434 A1 , US 5,853,914 A1 , sowie US 5,773,959 A1 .

Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für Anwendungen in einer Automobilumgebung, weisen in der Regel eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen auf, die miteinander in Serie geschaltet werden. Die miteinander in Reihe bzw. in Serie geschalteten Batteriezellen werden zu sogenannten Batteriepacks zusammengefasst, mehrere Batteriepacks dann zu einem Batteriemodul, das auch als Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet wird. Jede einzelne
Batteriezelle besitzt Elektroden, die aus einem Gehäuse der Batteriezelle herausgeführt werden. Gleiches gilt für Gehäuse von Superkondensatoren.
Insbesondere für die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien in der Automobilumgebung muss eine Vielzahl von Problemen wie Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit bei Unfall oder Schwingungsfestigkeit gelöst werden. Ein weiteres Problem ist die Dichtheit, insbesondere die hermetische Dichtheit, über einen langen Zeitraum.
Die Dichtheit beeinträchtigen können z. B. Undichtigkeiten im Bereich der Elektrode der Batteriezelle bzw. der Elektrodendurchführung in der Batteriezelle und/oder des Gehäuses von Kondensatoren und/oder Superkondensatoren. Derartige Undichtigkeiten könnten beispielsweise hervorgerufen werden durch Temperaturwechselbelastungen und mechanische Wechselbelastungen wie beispielsweise Vibrationen im Fahrzeug oder die Alterung des Kunststoffes.
Ein Kurzschluss oder Temperaturänderung der Batterie bzw. Batteriezelle kann zu einer verminderten Lebensdauer der Batterie bzw. Batteriezelle führen. Ebenso wichtig ist die Dichtheit im Unfall- und/oder Not-Situationen.
Um eine bessere Beständigkeit bei Unfall sicherzustellen, schlägt die DE 101 05 877 A1 beispielsweise ein Gehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie vor, wobei das Gehäuse einen Metallmantel umfasst, der auf beiden Seiten offen ist und verschlossen wird.
Der Stromanschluss bzw. die Elektrode sind durch einen Kunststoff isoliert. Nachteilig an den Kunststoffisolierungen sind die limitierte Temperaturbeständigkeit, die begrenzte mechanische Beständigkeit, die Alterung und die unsichere Dichtheit über die Lebensdauer.
Die Stromdurchführungen sind bei den Lithium-Ionen-Batterien und Kondensatoren gemäß dem Stand der Technik somit nicht hermetisch dicht in beispielsweise das Deckelteil der Lithium-Ionen-Batterie eingebaut. So wird im Stand der Technik in der Regel bei einem Druckunterschied von 1 bar eine Helium-Leckrate von maximal 1·10^-6 mbar I s^-1, abhängig von den Prüfvorgaben, erreicht. Des Weiteren sind die Elektroden verquetscht und lasergeschweißte Verbindungsbauteile mit zusätzlichen Isolatoren sind im Raum der Batterie angeordnet.
Aus der DE 27 33 948 A1 ist eine Alkalibatterie bekanntgeworden, bei der ein Isolator wie z. B. Glas oder Keramik unmittelbar durch eine Schmelzverbindung mit einem Metallteil verbunden ist.
Eines der Metallteile ist elektrisch mit einer Anode der Alkalibatterie und das andere elektrisch mit einer Kathode der Alkalibatterie verbunden. Bei den in der DE 27 33 948 A1 verwandten Metallen handelt es sich um Eisen oder Stahl. Leichtmetalle wie Aluminium sind in der DE 27 33 948 A1 nicht beschrieben. Auch die Verschmelztemperatur des Glas- oder Keramikmaterials ist in der DE 27 33 948 A1 nicht angegeben. Bei der in der DE 27 33 948 A1 beschriebenen Alkalibatterie handelt es sich um eine Batterie mit einem alkalischen Elektrolyten, der gemäß der DE 27 33 948 A1 Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid enthält. Eine Erwähnung von Li-lonen-Batterie findet sich in der DE 27 33 948 A1 nicht.
Aus der DE 698 04 378 T2 bzw. der EP 0 885 874 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von asymmetrischen organischen Karbonsäureestern und zur Herstellung von wasserfreien organischen Elektrolyten für Alkali-Ionen-Batterien bekanntgeworden. Auch Elektrolyte für wieder aufladbare Lithium-Ionenzellen sind in der DE 698 04 378 T2 bzw. EP 0 885 874 B1 beschrieben.
Materialien für den Zellsockel, der die Durchkontaktierung aufnimmt, sind nicht beschrieben, lediglich Materialien für den Anschlussstift, der aus Titan, Aluminium, einer Nickellegierung oder rostfreiem Stahl bestehen kann.
Die DE 699 23 805 T2 bzw. EP 0 954 045 B1 beschreibt eine RF-Durchführung mit verbesserter elektrischer Wirksamkeit. Bei den aus der EP 0 954 045 B1 bekannten Durchführungen handelt es sich nicht um eine Glas-Metall-Durchführung. In der EP 0 954 045 B1 werden Glas-Metall-Durchführungen, die unmittelbar innerhalb beispielsweise der Metallwand einer Verpackung ausgebildet werden, als nachteilig beschrieben, da derartige RF-Durchführungen auf Grund der Versprödung des Glases nicht dauerhaft sind.
Die DE 690 230 71 T2 bzw. EP 0 412 655 B1 beschreibt eine Glas-Metall-Durchführung für Batterien oder andere elektrochemische Zellen, wobei als Gläser mit einem SiO₂-Gehalt von ungefähr 45 Gew.-% verwandt werden und als Metalle, insbesondere Legierungen verwandt werden, die Molybdän und/oder Chrom und/oder Nickel umfassen. Die Verwendung von Leichtmetallen ist in der DE 690 23 071 T2 ebenso wenig beschrieben wie Verschmelztemperaturen bzw. Verschmelzungstemperaturen für die verwandten Gläser. Auch die Materialien für die stiftförmigen Leiter sind gemäß DE 690230 71 T2 bzw. EP 0 412 655 B1 Legierungen, die Molybdän, Niob oder Tantal umfassen.
Aus der US 7,687,200 A1 ist eine Glas-Metall-Durchführung für Lithium-Ionen-Batterien bekannt geworden. Gemäß der US 7,687,200 A1 war das Gehäuse aus Edelstahl und der stiftförmige Leiter aus Platin/Iridium. Als Glasmaterialien sind in der US 7,687,200 A1 die Gläser TA23 und CABAL-12 angegeben. Gemäß der US 5,015,530 A1 handelt es sich dabei um CaO-MgO-Al₂O₃-B₂O₃-Systeme mit Verschmelztemperaturen von 1025° C bzw. 800° C. Des Weiteren sind aus der US 5,015,530 A1 Glaszusammensetzungen für Glas-Metall-Durchführungen für Lithium-Batterien bekannt geworden, die CaO, Al₂O₃, B₂O₃, SrO und BaO umfassen, deren Verschmelztemperaturen im Bereich 650° C - 750° C liegen und damit zu hoch sind für eine Verwendung zusammen mit Leichtmetallen.
Die nachveröffentlichte US 10,910,609 B2 zeigt eine elektrische Durchführung für ein Batteriegehäuse, insbesondere eine Mikrobatterie, wobei als Glasmaterial ein Borosilikatglas eingesetzt wird. Als spezielles Glasmaterial wird ein CaBAI-12 Glas oder ein BaBAI-1 Glas erwähnt. Aussagen zu den Ausdehnungskoeffizienten von Glasmaterial, Grundkörper und Leiter sind in der US 10,910,609 B2 nicht gemacht.
Aus der US 4,841,101 A1 ist eine Durchführung bekanntgeworden, bei der ein im wesentlicher stiftförmiger Leiter mit einem Glasmaterial in einen Metallring eingeglast wird. Der Metallring wird dann wiederum in eine Öffnung beziehungsweise Bohrung eines Gehäuses eingesetzt und durch Löten beispielsweise nach Einspringen eines Lötringes, mit der Innenwand beziehungsweise Bohrung verbunden, insbesondere stoffschlüssig. Der Metallring besteht aus einem Metall, das im Wesentlichen denselben beziehungsweise einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist wie das Glasmaterial, um den hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aluminiums des Batteriegehäuses zu kompensieren. Bei der in der US 4,841,101 A1 beschriebenen Ausführungsform ist die Länge des Metallringes stets kürzer als die Bohrung beziehungsweise Öffnung im Gehäuse.
Aus der WO 2012/167921 A1 , der WO 2012/110242 A1 , der WO 2012/110246 A1 , der WO 2012/110244 A1 sind Durchführungen, die durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses für eine Speichereinrichtung hindurchgeführt werden bekannt geworden. In den Durchführungen wird ein Querschnitt in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial durch die Öffnung hindurchgeführt.
In der DE 27 33 948 A1 ist eine Durchführung durch ein Gehäuseteil einer Batterie gezeigt, wobei das Gehäuseteil wenigstens eine Öffnung aufweist wobei die Öffnung ein leitendes Material sowie ein Glas- oder Glaskeramikmaterial umfasst und das leitende Material als kappenförmiges Element ausgebildet ist. Allerdings ist in der DE 27 33 948 A1 keine Angabe gemacht aus welchem konkreten Material der Leiter besteht. Ebenso wenig ist die Dicke oder Wandstärke des kappenförmigen Elementes in der DE 27 33 948 A1 angegeben.
Aus der US 6,190,798 A1 ist eine Batterie mit einer Durchführung, die eine Öffnung aufweist bekannt geworden, wobei als Leiter in die Öffnung in einem isolierenden Material das Glas oder ein Harz sein kann, ein kappenförmiges Element eingesetzt wird. Auch in der US 6,190,798 B1 ist keine Angabe zur Dicke der Wandstärke des kappenförmigen Elements gemacht.
Die US 2015/0364 735 A1 zeigt eine Batterie mit einem kappenförmigen Deckel, der Bereiche mit reduzierter Dicke als Sicherheitsauslass bei Drucküberlastung aufweist.
Aus der WO 2014/176 533 A1 ist eine konisch ausgebildete Überdrucksicherung bekannt geworden. Eine Anwendung bei Batterien ist in der WO 2014/176 533 A1 nicht beschrieben.
Die DE 10 2007 063 188 A1 zeigt eine Batterie mit wenigstens einer von einem Gehäuse umschlossenen Einzelzelle und einer gehäuseartigen Überdrucksicherung in Form einer oder mehrerer Sollbruchstellen oder ein oder mehrerer Berstscheiben.
Die US 6,433,276 A1 zeigt eine Durchführung, bei der metallisches Gehäuseteil, Leiter und Glasmaterial im Wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Aus der CN 209691814 ist ein Gehäuse für eine elektrische Speichereinrichtung bekannt geworden, das explosionsgeschützt ist.
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 Glasmaterialaußenabmessung 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 Verstärkungsmaterialaußenabmessung aufweist.
Aus der EP 3588606 A1 ist ein Gehäusebauteil, umfassend wenigstens zwei Körper aus Leichtmetall, bekannt geworden. Gemäß der EP 3588606 A1 ist der erste Körper ein Leichtmetall und der zweite Körper ein Leichtmetall mit Schweißförderstoffen, insbesondere in Form von Legierungsbestandteile des Leichtmetalls. Eine Schweißverbindung wird zwischen erstem und zweitem Körper ausgebildet.
Die DE 10 2013 006 463 A1 zeigt eine Batteriedurchführung, bevorzugt für eine Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugter einen Lithium-Ionen-Akkumulator, mit wenigstens einem Grundkörper, der wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die wenigstens ein Leiter, insbesondere ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter, in einem elektrisch isolierenden Material, welches ein Dichtungsglas umfasst oder hieraus besteht, hindurchgeführt wird, wobei der Grundkörper ein Leichtmetall und/oder eine Leichtmetall-Legierung, bevorzugt ausgewählt aus Aluminium, Magnesium, Titan, einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung, einer Titanlegierung oder AlSiC, umfasst oder hieraus besteht. Das Dichtungsglas gemäß der DE 10 2013 006 463 A1 ist ein Titanatglas mit einem geringen Phosphatanteil.
Eine spezielle Art der Durchführung zeigt die DE 10 2017 221 426 A1 . Die aus der DE 10 2017 221 426 A1 bekannt gewordene Durchführung umfasst mehrere in einer Öffnung eingeglaste Leiter, wobei mehrere der eingeglasten Leiter durch eine Flachleiter verbunden sind.
Die WO 2020/104571 A1 zeigt eine elektrische Speichereinrichtung mit einer Durchführung, wobei die Durchführung in ein Batteriedeckelteil mit einem Kragen eingelassen ist. Des Weiteren ist aus der nachveröffentlichen WO 2020/104571 A1 bekannt geworden, im Bereich der Durchführung einen flexiblen Flansch vorzusehen.

Die DE 11 2012 000 900 B4 beschreibt für eine Durchführung ein Glas, insbesondere ein Lotglas, umfasst die nachfolgenden Komponenten in mol-%:

P₂O₅	37-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%
Al₂O₃	0-14 mol-%, insbesondere 2-12 mol-%
B₂O₃	2-10 mol-%, insbesondere 4-8 mol-%
Na₂O	0-30 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%
M₂O	0-20 mol-%, insbesondere 12-19 mol-%, wobei M=K, Cs, Rb sein kann,
Li₂O	0-42 mol-%, insbesondere 0-40 mol-%, bevorzugt 17-40 mol-%
BaO	0-20 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%, bevorzugt 5-20 mol-%
Bi₂O₃	wenigstens 1 mol-%, insbesondere 1-5 mol-%, bevorzugt 2-5 mol-%

Das Glas der DE 11 2012 000 900 B4 ist bis auf Verunreinigungen frei von Blei.
Nachteilig an allen elektrischen Einrichtungen, insbesondere Speichereinrichtungen im Stand der Technik war, dass die bekannten elektrischen Einrichtungen, insbesondere Speichereinrichtungen keine kompakten Gehäuse umfassten. Dies hat dann zu Speichereinrichtungen mit großen Abmessungen, insbesondere großen Höhen, geführt. Ein weiteres Problem bei elektrischen Einrichtungen mit herkömmlichen Durchführungen war der Einsatz von Kunststoff zur elektrischen Isolierung. So ist bspw. Nylon, Polyäthylen, Polypropylen als Isolatormaterial in der DE 27 33 948 A1 beschrieben. Weitere Nachteile waren sehr niedrige Auspresskräfte für den in das Isoliermaterial eingebrachten Metallstift.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine elektrische Einrichtung, insbesondere Speichereinrichtung anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Insbesondere soll eine kompakte und dichte Speichereinrichtung mit geringen Abmessungen angegeben werden, die als Mikrobatterie eingesetzt werden kann und bevorzugt über eine ausreichende Dichtheit verfügt. Die ausreichende Dichtheit soll auch dann gegeben sein, wenn durch die Laserschweißung das Material erwärmt wird. Des Weiteren sollen ausreichend hohe Auspresskräfte vorliegen sowie eine safety vent Funktion für den Leiter bei Überdruck im Schadensfall zur Verfügung gestellt werden.
Daneben soll eine geringe Gehäusedicke ermöglicht werden, was neben der Kompaktheit auch zu Materialeinsparungen führt. Des Weiteren soll eine sichere elektrische Isolation des in die Durchgangsöffnung des Gehäuses eingebrachten Leiters, insbesondere Metallstiftes, zur Verfügung gestellt werden. Dabei ist es ein Ziel, eine Speichereinrichtung zur Verfügung zu stellen, die selbst so kompakt aufgebaut ist, dass im Gehäuseinneren möglichst viel Volumen zur Verfügung gestellt wird, wodurch die Batterie und/oder der Kondensator eine möglichst hohe Kapazität aufweisen kann. Des Weiteren soll die erfindungsgemäße Speichereinrichtung mit Durchführung insbesondere für Mikrobatterien geeignet sein. Die Erfindung beschreibt daher auch eine hermetisch dichte Einrichtung in Form einer Mikrobatterien mit einer Durchführung wie in der Anmeldung dargestellt.
Typische Anwendungen von Mikrobatterien sind beispielsweise aktive RFID und/oder medizinische Geräte wie z.B. Hörgeräte, Blutdrucksensoren und/oder drahtlose Kopfhörer. In diesem Zusammenhang wird der Begriff häufig verwendet und ist damit allgemein bekannt. Ebenso sind Mikrobatterien für das Internet of Things von Interesse.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Einrichtung, insbesondere Speichereinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist die Einglasungslänge des Leiters im Glas-oder Glaskeramikmaterial gerade so geändert, dass eine vorbestimmte Auspresskraft zur Verfügung gestellt wird. Bevorzugt hat die Durchführung eine Innenseite und eine Außenseite. Die Innenseite ist bei einer als Deckelteil der elektrischen Einrichtung ausgebildeten Durchführung, die Seite, die in das Innere einer Speichereinrichtung bzw. Batterie gerichtet ist, d.h. die Innenseite der Durchführung schließt das Innere einer Batterie nach außen ab. Die Außenseite der Durchführung ist die nach außen, d.h. in die Umwelt gerichtete Seite des Deckels.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die durch die Länge der Einglasung zur Verfügung gestellte Auspresskraft im Bereich 10N bis 200 N, insbesondere 20 N bis 110 N, insbesondere 40 N bis 60 N liegt.
Besonders ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform so, dass die Einglasung, die in einer Einglasungsebene erfolgt nicht mit einer Deckelebene der Durchführung zusammenfällt.
Besonders bevorzugt ist es wenn es sich bei der Einglasung um eine Druckeinglasung handelt, d.h. wenn der Ausdehnungskoeffizient α₃ des Gehäusematerials stets größer als der Ausdehungskoeffizient α₂ des Glasmaterials ist.
Die elektrische Einrichtung, insbesondere Speichereinrichtung umfasst eine Durchführung mit einer Öffnung in die ein Leiter, der auch als Kontaktelement bezeichnet wird, eingeglast ist.
Das leitende Material, insbesondere der Leiter weist einen ersten Ausdehnungskoeffizienten α₁ bevorzugt bis 11·10 ^-61/K auf. Der zweite Ausdehnungskoeffizienten α ₂ des Glas- oder Glaskeramikmaterials liegt bevorzugt im Bereich 9 bis 11·10 ^-6 1/K und der Ausdehnungskoeffizient α₃ des Gehäuseteils, insbesondere des Blechteiles im Bereich 12 bis 19·10 ^-61/K.
Durch den hohen Ausdehnungskoeffizienten α ₃ des Gehäusematerials, insbesondere des Blechteiles, wird eine Spannung auf das Glasmaterial durch das Blechteil aufgebaut und eine Druckeinglasung zur Verfügung gestellt.
Gegenüber einer angepassten Durchführung bei der die Ausdehnungskoeffizienten α₁, α₂, α₃ im Wesentlichen gleich sind hat eine Druckeinglasung den Vorteil, dass die Undichtigkeiten, die bei einer angepassten Durchführung nach dem Laserschweißprozess auftreten können, sicher vermieden werden, da stets eine Vorspannung durch das die Öffnung umgebene Gehäuseteil auf die Druckeinglasung aufgebracht wird.
Die erfindungsgemäße elektrische Einrichtung, insbesondere elektrische Speichereinrichtung oder Sensorgehäuse, bevorzugt Batterie, insbesondere Mikrobatterie oder Kondensator mit einer Durchführung durch ein Gehäuseteil in Form eines Blechteiles weist eine Materialstärke oder Dicke bevorzugt im Bereich 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt 0,15 mm bis 0,8 mm, insbesondere 0,15 mm bis 0,6 mm auf. Als Material für das Gehäuseteil bzw. Blechteil und/oder Leiter wird ein Metall, insbesondere Eisen, Eisen-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, Stahl, Edelstahl, Aluminium, eine Aluminiumlegierung, AlSiC, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, eine Kupferlegierung, Kupfer oder Titan oder eine Titanlegierung verwendet. Das Gehäuseteil weist wenigstens eine Öffnung als Teil einer Durchführung auf, wobei die Öffnung ein leitendes Material, insbesondere einen Leiter aus einem leitenden Material in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial aufnimmt.
Als besonders bevorzugtes Material für das Gehäuseteil, insbesondere das Blechteil, wird ein Duplex-Edelstahl oder austenitisches Edelstahl verwendet.
Duplex-Edelstahl ist eine Stahl mit zweiphasigem Gefüge, das aus einer Ferrit-(α-Eisen-) Matrix mit Inseln aus Austenit besteht. Die Duplex-Edelstählen sind die Eigenschaften rostfreier Chromstähle (ferritisch oder martensitisch) und rostfreier Chrom-Nickel-Stähle (austenitisch) kombiniert. Sie haben höhere Festigkeiten als die rostfreuen Chrom-Nickel-Stähle, sind aber duktiler als rostfreie Chromstähle. Der Ausdehnungskoeffizient für Duplex-Edelstahl beträgt α₃ ≈ 15·10 ^-6 1/K, der von austenitischen Edelstahl α₃≈18·10 ^-6 1/K.
Der Leiter besteht bevorzugt aus einem ferritischen Edelstahl und ist als ferritischer Edelstahlstift mit einem Ausdehnungskoeffizient von α₁ ≈10 bis 11·10^-61/K ausgebildet. Das Glasmaterial ist bevorzugt ein Glasmaterial mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₂ im Bereich 9 bis 11·10^-6 1/K.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Einrichtung einen flexiblen Flansch oder schließt an einen flexiblen Flansch an.
Der flexible Flansch umfasst bevorzugt einen Verbindungsbereich, der dazu dient, das Gehäuseteil, insbesondere Blechteil mit Öffnung, mit dem in das Glas- oder Glaskeramikmaterial eingeglasten Leiter mit einem Gehäuse, z.B. einem Gehäuse einer Speichereinrichtung zu verbinden. Das Verbinden des Gehäuseteils, das die Durchführung umfasst mit dem Gehäuse kann durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen aber auch Löten erfolgen. Die Verbindung z.B. durch Schweißen ist derart, dass die He-Leckrate geringer als 1·10^-8 mbar l/s bei 1 bar Druckunterschied ist. Damit ist die He-Leckrate identisch zu der für den eingeglasten Leiter und es wird ein hermetisch dichtes Gehäuse für eine Speichereinrichtung, insbesondere Batterie, zur Verfügung gestellt.
Aufgrund des Freiraumes beim flexiblen Flansch, der z. B. zwischen dem hochgestellten Rand, der die Einglasungslänge L1, L1a, L1b zur Verfügung stellt und dem Verbindungsbereich zum angrenzenden Gehäuse ausgebildet wird, können auf das Glasmaterial wirkende Drücke zuverlässig ausgeglichen werden. Die Flexibilität des Flansches verhindert z.B. bei Temperaturschwankungen ein Brechen des Glases bzw. kompensiert Zugspannungen und Druckspannungen, die durch das Laserschweißen bedingt sind.
Besonders kompakte elektrische Speichereinrichtungen werden zur Verfügung gestellt, wenn die elektrische Speichereinrichtung eine Gesamtbauhöhe von höchstens 40 mm, bevorzugt höchstens 20 mm, insbesondere bevorzugt höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 4 mm, bevorzugt höchstens 3 mm, insbesondere im Bereich 1 mm bis 40 mm, insbesondere bevorzugt 1 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 3 mm, aufweist, wie im Fall von Mikrobatterien.
Der Durchmesser derartiger Mikrobatterien liegt im Bereich 20 mm bis 3 mm, insbesondere im Bereich 8 mm bis 16 mm.
Das Glas- oder Glaskeramikmaterial kann Füllstoffe beinhalten, welche insbesondere dazu dienen, thermische Ausdehnung des Glas- oder Glaskeramikmaterials einzustellen.
Als Glas- oder Glaskeramikmaterial wird bevorzugt ein Alumoboratglas 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^-61/K und damit im Bereich des Ausdehnungskoeffizienten des Metalls das das Gehäuse ausbildet und/oder dem 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 Alumoboratglases vor.
Die Vorspannung für die Druckeinglasung wird im Wesentlichen durch den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuseteils, insbesondere des Blechteiles bestimmt. Um eine ausreichende Vorspannung aufzubringen ist der Ausdehnungskoeffizient α₃ des Gehäuses oder Blechteiles 2 bis 6·10^-61/K größer als der Ausdehnungskoeffizient α₂ des Glasmaterials und/oder des Ausdehnungskoeffizient α₁ des Leiters.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Länge der Einglasung, die die Auspresskraft des Stiftes eine safety vent Funktion zur Verfügung gestellt wird.
Eine safety vent Funktion des Stiftes oder Leiters bedeutet, dass eine Öffnung der Batterie bei Batterie-Überdruck im Schadensfall eingestellt werden kann. Weitere Steuerungsmöglichkeiten, um die Öffnungskraft des eingeglasten Stiftes oder Leiters zu beeinflussen, wäre die Dicke der Einglasung zu ändern, die Verwendung unterschiedlicher Glasmaterialien, die Verwendung von Glasmaterialien mit unterschiedlichem Blasenanteil im Glas, das Strukturieren der Glasoberfläche durch die Form des Glasformteils vor dem Einglasen, das Strukturieren der Glasoberfläche durch die Form des Glasformteils während des Einglasen, das Strukturieren der Glasoberfläche durch eine Laserbearbeitung nach der Einglasung. Eine Strukturierung der Glasoberfläche kann beispielsweise durch das Einbringen einer oder mehrerer Kerben und/oder Verjüngungen erfolgen.
Eine derartige safety vent Funktion kann auch durch Kerben und/oder Verjüngungen des eingeglasten Stiftes und/oder des Grundkörpers erreicht werden. Die zuvor genannten Maßnahmen können einzeln oder in Kombination vorgenommen werden. Das Einbringen der Strukturierung, insbesondere der Kerben und/oder Verjüngungen kann sowohl auf einer Seite des Gehäuseteils oder Grundkörpers mit einer Ober- und Unterseite im Glas, Gehäuseteil und/oder Leiter erfolgen oder auf beiden Seiten, d. h. sowohl auf der Oberseite wie der Unterseite, d. h. beidseitig.
Der Vorteil einer Strukturierung des Glasmaterials für eine safety vent Funktion ist, dass das Glas als Formkörper genau dimensioniert ist, so dass der Auslösepunkt der safety vent Funktion sehr genau eingestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn zur safety vent Funktion in das Glasmaterial mittels Laser beispielsweise eine Rille eingebracht wird. Dann ist es möglich unabhängig von der Glasdichte und/oder der Dicke des Grundkörpers, also der Ringdicke gezielt eine Ausdruckskraft für den Leiter und damit den Auslösepunkt einzustellen.
Die Auspresskraft oder Ausdruckskraft für den Leiter wird erfindungsgemäß durch die Länge der Einglasung und/oder das Ausbilden von Meniski beeinflusst.
Mit Hilfe der safety vent Funktion des Leiters kann insbesondere ein Öffnen einer Speichereinrichtung, insbesondere Batterie bei Überdruck im Schadensfall eingestellt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und ohne Beschränkung hierauf eingehender beschrieben werden.
Es zeigen:

1a - 1d: Gehäuseteil, insbesondere Batteriedeckel mit einer Öffnung zur Einglasung eines Leiters, wobei die Einglasung über die gesamte Länge L der Öffnung erfolgt.
2a - 2c: Gehäuseteil, insbesondere Batteriedeckel mit einer Öffnung zur Einglasung eines Leiters, wobei die Einglasung nur über einen Teil der Länge L1 der Öffnung erfolgt.
3: Gehäuseteil, insbesondere Batteriedeckel, wobei unterschiedliche Einglasunglängen L1, L1a, L1b dargestellt sind.

In den 1a- 1c sind unterschiedliche Ansichten eines als Deckelteil 1 ausgebildeten Gehäuseteils gezeigt, wobei das Gehäuseteil 1 eine Öffnung 3 aufweist, in die ein Leiter 5 mit Hilfe eines Glas- bzw. Glaskeramikmaterials 7 eingeglast ist. Das Deckelteil 1 ist im Bereich der Öffnung ein in Form eines Flexflansches 9 nach oben gebogenes Deckelteil, das über eine Länge L eine Einglasung zur Verfügung stellt. Die Länge L wird daher auch als Einglasungslänge bezeichnet. Die Einglasungslänge L bestimmt im Wesentlichen die von der Innenseite 20 zur Batterieaußenseite 30 auftretenden Auspresskräfte.
Die Länge L wird daher auch als Einglasungslänge L bezeichnet.
1b und 1c zeigen nochmals detailliert die Einglasung über eine Länge L in die Öffnung des Deckelbauteils wie in 1a dargestellt. Gleiche Bauteile wie in 1a werden mit denselben Bezugsziffern in 1b und 1c bezeichnet. Gegenüber 1b zeigt 1c zusätzlich noch den Leiter 5. Bei dem in 1a bis 1d gezeigten Design ist entscheidend, dass die Deckelebene DE mit der Einglasungsebene EE im Wesentlichen übereinstimmt, d.h. die Einglasung in die Öffnung bis zu der Höhe vorgenommen wird, die mit der Deckelebene DE bestimmt wird. 1d ist eine Draufsicht auf einen Deckel gemäß der Erfindung mit einem in einem Glasmaterial 7 eingeglasten Leiter 5. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugsziffern belegt.
2 a - 2b zeigt eine fortgebildete Ausführungsform der Erfindung, bei der die Einglasungslänge erfindungsgemäß gewählt wird derart, dass eine vorbestimmte Auspresskraft aus der Öffnung zur Verfügung gestellt wird. 2a zeigt wie 1a das gesamte Deckelteil 1 mit eingeglastem Leiter 5. Die Einglasung des Leiters 5 erfolgt wiederum in eine Öffnung 3, die durch einen Flexflansch 9 zur Verfügung gestellt wird. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 1a erstreckt sich die Einglasungslänge nicht über die gesamte Länge des Leiters , sondern nur über eine reduzierte Länge L1 hinweg. Aufgrund der reduzierten Einglasungslänge L1 ist es bei der Ausgestaltung in 2a so, dass die Deckelebene DE nicht mit der Einglasungsebene EE zusammenfällt, viel mehr sind Deckelebene DE und Einglasungsebene EE um eine Länge L2 gegeneinander versetzt. Besonders gut ist dies in 2b zu erkennen. Hier werden für gleiche Bauteile dieselben Bezugsziffern wie in 2a verwendet. Deutlich zu erkennen ist die reduzierte Einglasungslänge L1 gegenüber der Einglasungslänge L in 1a. Des Weiteren geht aus 2b hervor, der Unterschied von Einglasungsebene EE zur Deckelebene DE. Der Unterschied ist in 2b wie in 2a mit L2 bezeichnet. Die Einglasung erfolgt über eine Einglasungslänge L1, die vorliegend 0,3 mm beträgt. Die Höhe L3 des Deckelbodens von der Oberkante des eingeglasten Leiters sind 0,55 mm. Somit ist der Versatz L2 von Deckelebene DE und Einglasungsebene EE in vorliegendem Fall 0,25 mm.
2c ist wiederum eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß den 2a bis 2b, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern belegt sind, d.h. das Glasmaterial mit der Bezugsziffer 7 und der Leiter mit der Bezugsziffer 5.
3 zeigt eine Einglasung mit unterschiedlichen Einglasungslängen L1, L1a und L1b. Gleiche Bauteile wie in der prinzipiellen 2a sind mit denselben Bezugsziffern belegt, d.h. der Leiter wird mit Bezugsziffer 5 und das Glas- oder Glasmaterial mit Bezugsziffer 7 gekennzeichnet. Des Weiteren deutlich zu erkennen, ist der Flexflansch 9, in dem Einglasung über die unterschiedlichen Längen L1, L1a und L1b erfolgt. Die unterschiedlichen Einglasungslängen betragen bei den in 3 dargestellten Ausführungsformen für die Länge L1 0,3 mm, für die Länge L1a 0,35 mm und für die Länge L1b 0,4 mm. Auch eine Einglasungslänge von 0,4 mm ist deutlich kürzer wie der gesamte Abstand der Oberkante der Einglasung von der Deckelebene, der vorliegend 0,55 mm beträgt.
Mit den unterschiedlichen Einglasungslängen wie in 3 dargestellt, d.h. den Einglasungslängen L1, L1a und L1b, werden unterschiedlich starke Auspresskräfte des Leiters 5 aus der Einglasung zur Verfügung gestellt, d.h. mit Hilfe der erfindungsgemäßen unterschiedlichen Einglasungslängen werden unterschiedlich hohe Auszugskräfte des eingelasten Leiters auf einfache Art und Weise zur Verfügung gestellt. Insbesondere löst die safety vent Funktion in Abhängigkeit von der Einglasungslänge bei unterschiedlichen Drücken aus.
Die erfindungsgemäße Durchführung wird insbesondere für Gehäuse von elektrischen Speichereinrichtungen, insbesondere Batterien oder Kondensatoren, verwandt. Mit einer sehr flachen Durchführung für eine elektrische Speichereinrichtung wird erreicht, dass eine elektrische Speichereinrichtung zur Verfügung gestellt werden kann mit einer Gesamtbauhöhe von höchstens 5 mm, d.h. eine Mikrobatterie.
Durch die Druckeinglasung des Leiters in das Glasmaterial wird eine hermetisch dichte Durchführung zur Verfügung gestellt.
Insbesondere wird bei Verwendung eines Flex-Flansch Designs als Druckeinglasung eine höhere Pin bzw. Leiter-Auspreßkraft erzielt, insbesondere bei Verwendung von Duplex-Edelstahl oder austentischem Stahl. Das Flex-Flansch Design als Druckeinglasung ist mechanisch desweiteren höher belastbar und zeigt höhere Auspresskräfte für den eingeglasten Leiter als herkömmliche Einglasung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Elektrische Einrichtung, insbesondere elektrische Speichereinrichtung oder Sensorgehäuse, bevorzugt Batterie insbesondere Mikrobatterie oder Kondensator mit einer Durchführung, insbesondere durch ein Gehäuseteil (1) eines Gehäuses der Einrichtung aus einem Metall, insbesondere Eisen, Eisen-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, Stahl, rostfreier Stahl, Edelstahl, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, AISIC, Magnesium, einer Magnesiumlegierung oder Titan oder einer Titanlegierung, wobei das Gehäuseteil (1) wenigstens eine Öffnung (3) als Teil der Durchführung aufweist, wobei die Öffnung (3) sich um eine Achse erstreckt und ein erster Bereich des Gehäuseteils die Öffnung umfasst und ein zweiter Bereich des Gehäuseteiles benachbart zur Öffnung ist und die Öffnung ein leitendes Material insbesondere einen Leiter (5) in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial (7) aufnimmt, wobei der Leiter eine Auspresskraft aus der Öffnung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einglasungslänge L (L1, L1a, L1b) des leitenden Materials, insbesondere des Leiters in dem Glas- und/oder Glaskeramikmaterial derart gewählt wird, dass eine vorbestimmte Auspresskraft zur Verfügung gestellt wird.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auspresskraft eine Auspresskraft von einer Innenseite (20) der Durchführung ist.
Elektrische Einrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auspresskraft, insbesondere die Auspresskraft von der Innenseite im Bereich 10 N bis 200 N, insbesondere 20 N bis 110 N, insbesondere 40 N bis 60 N liegt.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einglasung in eine Einglasungsebene (EE) erfolgt und das Gehäuseteil mit Öffnung einen Deckel in einer Deckelebene (DE) umfasst und die Deckelebene (DE) unterschiedlich zur Einglasungsebene (EE) ist.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material einen ersten Ausdehnungskoeffizienten α₁ aufweist, das Glas- oder Glaskeramikmaterial einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂ und das Gehäuseteil einen dritten Ausdehnungskoeffizienten α₃, wobei der dritte Ausdehnungskoeffizient α₃ stets größer ist als der zweite Ausdehnungskoeffizient α₂.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Ausdehnungskoeffizient α₃ im Bereich 12·10^-61/K bis 19·10 ^-61/ K und der zweite Ausdehnungskoeffizient α₂ im Bereich 9·10^-61/K bis 11·10^-6 1/K liegt.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial ein Aluminiumboratgas ist, insbesondere ein Aluminiumboratglas, das Al₂O₃ und B₂O₃ umfasst.
Elektrische Einrichtung nach einem der vorgegangenen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Einrichtung eine Gesamtbauhöhe von höchstens 40 mm, bevorzugt 20 mm, insbesondere 5 mm, insbesondere höchstens 4 mm, bevorzugt höchstens 3 mm, insbesondere im Bereich 1 mm bis 40 mm, insbesondere bevorzugt 1 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 3 mm, aufweist.
Elektrische Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil einen flexiblen Flansch (9) umfasst.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil ein Batteriedeckelteil mit einer Dicke ist, wobei die Dicke im Bereich 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 0,6 mm liegt.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auspresskraft neben der Länge der Einglasung des Leiters weiter durch eine oder mehrere der nachfolgenden Maßnahmen eingestellt wird: - den Einsatz unterschiedlicher Glasmaterialien - unterschiedliche Blasenanteil im Glas - eine strukturierte Glasoberfläche durch die Form des Glasformteils vr dem Einglasen - eine strukturierte Glasoberfläche durch die Form des Glasformteils während des Einglasen - eine strukturierte Glasoberfläche durch eine Laserbearbeitung nach der Einglasung - Kerben oder Verjüngungen im Glasmaterial ein- oder zweiseitig - Kerben oder Verjüngungen im Leiter und/oder Gehäuse oder Gehäuseteil oder Grundkörper
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einstellung der Auspresskraft des Leiters eine safety vent Funktion des Leiters, insbesondere in der Öffnung einer Speichereinrichtung, insbesondere Batterie bei Überdruck im Schadesfall eingestellt wird.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien des flexiblen Flansches (9) derart gewählt sind, dass über die Glasvorspannung, die über das Glas auch auf den Leiter wirken, die Auspresskraft des Leiters eingestellt wird.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass - das Metall des Gehäuses und/oder Leiters und/oder des flexiblen Flansches ein ferritisches Edelstahl mit einem Ausdehnungskoeffizient im Bereich 10 bis 12·10 ^-6 K ^-1 - einen Normalstrahl mit einem Ausdehnungskoeffizient im Bereich 12 bis 13 · 10^-6 K^-1 - einen Duplex-Edelstahl mit einem Ausdehnungskoeffizient im Bereich 13 bis 14·10^-6K^-1 - einen austenitischen Edelstahl mit einem Ausdehnungskoeffizient im Bereich 16 bis 18·10^-6 K ^-1 ist.
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass, die Elektrische Einrichtung eine Mikrobatterie ist.