EP4466725A1 - Elektrische durchführung und energiespeicher mit einer solchen durchführung - Google Patents

Elektrische durchführung und energiespeicher mit einer solchen durchführung

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EP4466725A1
EP4466725A1 EP22835422.1A EP22835422A EP4466725A1 EP 4466725 A1 EP4466725 A1 EP 4466725A1 EP 22835422 A EP22835422 A EP 22835422A EP 4466725 A1 EP4466725 A1 EP 4466725A1
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EP
European Patent Office
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base body
electrical
electrically conductive
fixing material
core
Prior art date
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Pending
Application number
EP22835422.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Hartl
Björn Ramdohr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Definitions

  • the invention relates to an electrical feedthrough, in particular for an electrical storage device, comprising a base body with a through-opening and a connecting pin which is arranged in the through-opening and is held in the through-opening in an electrically insulating manner by means of a fixing material.
  • a further aspect of the invention relates to an electrical energy store which comprises at least one such bushing.
  • the electrical energy stores such as batteries or capacitors, the latter including supercapacitors, are used in a variety of electrical energy storage and delivery applications.
  • the electrical energy stores usually include a housing and at least one storage cell accommodated in the housing.
  • the storage cell can be electrically contacted from the outside via at least one electrical feedthrough in the housing.
  • Batteries within the meaning of the invention are understood to be both disposable batteries, which can be disposed of and/or recycled after they have been discharged, and accumulators.
  • Accumulators preferably lithium-ion batteries, are provided for various applications such as portable electronic devices, mobile phones, power tools and, in particular, electric vehicles.
  • the batteries can replace traditional power sources such as lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries or nickel-metal hydride batteries.
  • the battery can also be used in sensors or in the Internet of Things.
  • supercapacitors also called supercaps
  • supercaps are electrochemical energy stores with a particularly high power density.
  • foil and Electrolytic capacitors are not a dielectric in the traditional sense.
  • the storage principles of static storage of electrical energy by charge separation in a double-layer capacitance and electrochemical storage of electrical energy by charge exchange with the aid of redox reactions in a pseudo-capacitance are implemented in them.
  • Supercapacitors include, in particular, hybrid capacitors, in particular lithium-ion capacitors. Their electrolyte usually comprises a solvent in which conductive salts, usually lithium salts, are dissolved. Supercapacitors are preferred in applications that require a high number of charge/discharge cycles. Supercapacitors can be used particularly advantageously in the automotive sector, in particular in the area of recuperation of braking energy. Other applications are of course also possible and encompassed by the invention.
  • Lithium-ion batteries as a storage device have been known for many years. In this regard, reference is made, for example, to "Handbook of Batteries", David Linden, editor, 2nd edition, McCrawhill, 1995, chapters 36 and 39.
  • a microbattery is known from WO2021/185648 A1, which is characterized by a particularly compact design.
  • a metal fixing material leadthrough for an electrical connection of the microbattery can be formed as a pressure encapsulation so that the leadthrough is sealed particularly reliably.
  • an object of the invention is an electrical to provide a technical feedthrough in which the terminal pin can be adapted both to the needs of the battery and to the needs of the metal-fixing material feedthrough.
  • the electrical feedthrough comprises a base body with a through-opening and a connecting pin which is arranged in the through-opening and is held in the through-opening in an electrically insulating manner by means of a fixing material.
  • the terminal pin has a core made of a first electrically conductive material and that at least on a first side of the electrical feedthrough a first end face of the core is covered with a covering material made of a second electrically conductive material, the terminal pin and the fixing material being designed and arranged in such a way that the first electrically conductive material of the core is inaccessible on the first side of the electrical feedthrough.
  • the fixing material is directly adjacent to the covering material.
  • the base body, the fixing material and the connecting pin form a metal-fixing material bushing, through which the through-opening of the base body is closed.
  • the leadthrough formed is preferably hermetically sealed.
  • a He leak rate of 1 ⁇ 10 -8 mbar l/s at a pressure difference of 1 bar is regarded as hermetically sealed.
  • the base body can in particular be a housing part for forming a housing for an electrical storage device.
  • the base body can be designed as a cover part that can be joined together with a cup-shaped housing part to form a housing for an electrical storage device.
  • the electrical storage device can be a battery or a capacitor, including a supercapacitor, with one or more storage cells usually being accommodated in the housing and being able to be electrically contacted from the outside via the electrical bushing as a connection terminal.
  • the feedthrough can also be designed as a multi-pole feedthrough, in which the base body has a plurality of through-openings and a connecting pin is held in each of the through-openings via a fixing material.
  • the first side of the electrical feedthrough on which the first electrically conductive material of the core is inaccessible is the side which faces inwards when a housing is formed.
  • the first end face with covering material thus faces inwards when a housing is formed.
  • the proposed connector pin comprises at least two different materials, with the first electrically conductive material of the core preferably being selected according to the requirements of the metal-fixing-material bushing.
  • the first electrically conductive material can be selected in particular with regard to the thermal expansion coefficient and the resistance to deformation.
  • the second electrically conductive material is preferably selected according to the requirements of the electrical storage device.
  • the second electrically conductive material can be selected with regard to chemical resistance to materials of the memory cell and electrochemical potentials.
  • the connecting pin can, for example, have the shape of a circular cylinder, with the lateral surfaces of the cylinder pointing towards the fixing material and at least one of the end faces is covered with the covering material.
  • the connection pin can have, for example, what is known as a nailhead shape, which can be formed, for example, by two cylinders adjoining one another. A first end face of such a nail-head-shaped connecting pin is formed by an end face of the cylinder with the larger end face and a second end face by an end face of the cylinder with the smaller end face.
  • the covering material In addition to covering a first end face of the core with the covering material, provision can also be made to cover a second end face of the core opposite the first end face with a further covering material made of a third electrically conductive material.
  • the third electrically conductive material can be selected to be identical to or different from the second electrically conductive material.
  • the second electrically conductive material can be adapted to the requirements of the materials of a storage cell and the third electrically conductive material can be optimized for simple and secure connection to electrical connections, for example. For example, welding properties or soldering properties can be used as a criterion for the selection of material.
  • a lateral surface of the core pointing towards the fixing material is at least partially not covered with covering material and is directly adjacent to the fixing material.
  • the lateral surface of the core is preferably completely free of the covering material.
  • the surface of the core is completely covered with covering material, so that in particular the lateral surface is also completely covered with covering material.
  • a melting point of the fixing material is preferably selected to be lower than the melting point of all the materials of the connecting pin. This ensures that the connecting pin is not damaged when the metal fixing material is produced using a temperature treatment step, for example for sintering or vitrifying the fixing material.
  • the fixing material can be obtained from a compact that comprises, for example, a glass powder or a glass ceramic powder or a ceramic powder.
  • the glass powder can consist of or comprise a partially crystallizable glass, so that the partially crystallizable glass is ceramized during a temperature treatment and a glass ceramic is obtained.
  • the second electrically conductive material and/or the third electrically conductive material is/are preferably applied to the end face of the core by means of plating, electroplating, coating, vapor deposition, welding or soldering. If only comparatively small thicknesses of the covering material are applied, electroplating, coating and vapor deposition are preferred. Conversely, plating, welding and brazing are preferred when relatively high thicknesses of masking material are applied.
  • the starting materials for example the covering material and the material of the core
  • the starting materials are usually provided in the form of plates or strips and are placed one on top of the other and connected to one another by rolling.
  • the covering material can be placed on the core material in the form of a metal sheet or a foil and welded or soldered to it.
  • PVD Physical vapor deposition methods
  • CVD chemical vapor deposition methods
  • PECVD plasma-enhanced methods
  • the covering material is preferably arranged so that it is free of openings or defects, so that the corresponding end face of the core is completely covered. In particular, this is intended to prevent the first conductive material from coming into contact with materials from the interior of an energy store.
  • the cover material is preferably selected and arranged in such a way that it is suitable for soldering or welding on electrical contacts such as contact lugs. Accordingly, the covering material is preferably designed in such a way that it is suitable for soldering or welding on electrical contacts and no cracks or openings occur in the covering material.
  • connection pin One end face or both end faces of the connection pin are preferably arranged flush with a surface of the base body. If the base body has areas with different thicknesses, it is preferred that one or both end faces terminate flush with the surface of the base body adjacent to the through-opening. In particular when combined with a fixing material that is flush with the surface of the base body, a planar form of the electrical leadthrough is thereby achieved and the leadthrough advantageously has the lowest possible overall height.
  • connection pin it is preferred that one end face or both end faces of the connection pin are arranged so as to protrude beyond a surface of the base body. If the base body has areas with different thicknesses, it is preferred that one or both end faces protrude beyond the surface of the base body adjacent to the through-opening. Here- This creates an increased contact surface, which allows simple electrical contacting of the connection pin, for example by welding on contact lugs.
  • the material of the base body and/or the first electrically conductive material of the core of the connecting pin are preferably selected from steel, in particular ferritic, austenitic or duplex steel, stainless steel, stainless steel, stainless steel, iron-nickel alloys, iron-nickel-cobalt alloys, KOVAR, molybdenum, titanium, titanium alloy, aluminum or aluminum alloy.
  • a preferred example has a body made of austenitic steel and a terminal pin with a core made of ferritic steel.
  • the second electrically conductive material and/or the third electrically conductive material of the connection pin is preferably selected from aluminum, an aluminum alloy, AlSiC, copper, a copper alloy, molybdenum, nickel or nickel alloys, palladium, silver or gold.
  • a preferred example of a connecting pin according to the invention has a core made of high-grade steel, in particular a ferritic high-grade steel, and a cover material made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the fixing material is preferably a glass, a glass ceramic or a ceramic or comprises a glass, a glass ceramic or a ceramic.
  • Preferred glasses include technical glasses, in particular oxidic glasses, which are preferably chemically resistant to common materials in connection with electrical energy stores.
  • the fixing material is, for example, an aluminum borate glass, which includes Al2O3 and B2O3, or a bismuth glass, which includes, for example, Bi2O3 as a glass former.
  • glasses containing lead oxide as a glass former in particular glasses from the PbO-B2O3 system, or glasses containing vanadium can also be used as fixing material.
  • Glass that is suitable as a fixing material for glass-metal feedthroughs is selected according to its properties such as melting point and/or coefficient of expansion. Glasses with a low melting temperature can be advantageous. A glass whose melting point is below the melting point of aluminum or an aluminum alloy is particularly advantageous. It can be preferred if, in an electrical feedthrough for an electrical storage device, for example a battery, a capacitor or a supercapacitor, the fixing material comprises or consists of a bismuth-based glass which comprises Bi 2 O 3 as a glass former, or a lead-based glass which comprises PbO as a glass former.
  • the fixing material or a precursor material can be provided in the form of a molded body.
  • the shaped body can have the shape of a hollow cylinder, for example.
  • the connecting pin is inserted into the interior of this hollow cylinder and this in turn is inserted into an opening in a base body.
  • the metal pin is then glazed into the opening by means of a temperature treatment, with the fixing material forming an intimate bond with the material of the connecting pin and the material of the base body.
  • the base body is designed as a housing part for an electrical energy storage device, eg as a cover part of a microbattery, then the base body has a thickness in the range from 0.1 mm to 1 mm, preferably from 0.2 mm to 0.6 mm.
  • the base body preferably has a first thickness di outside the area of the through-opening and an increased second thickness d2 in a reinforcement area with a width W adjoining the through-opening.
  • the width W is selected in such a way that sufficient pressure forces can be exerted on the fixing material by the base body.
  • the width W is selected in the range from 0.6 mm to 1 mm.
  • This increased thickness of the reinforcement area can be achieved, for example, by providing thicker areas of the base body of the housing part, providing a collar and/or providing reinforcement parts.
  • the glazing length along which the fixing material is connected to the material of the base body of the housing part can be influenced by the choice of the thickness of the base body or the provision of thickened areas.
  • the housing part has a collar that forms an inner wall with a height that is greater than the remaining material thickness of the housing part, in particular a thickness of a housing part designed as a cover or a thickness of a wall of a housing part designed as a cup.
  • the collar is preferably designed as a high-arched, deformed collar, with the housing part and the collar being in particular in one piece.
  • the base body includes a flexible flange for joining the base body to other components such as parts of a housing.
  • the flange itself includes an area, a so-called connection area, with which another component is connected to the base body.
  • the connection to the base body can be done by welding, in particular ultrasonic welding or soldering.
  • the welded connection is preferably designed in such a way that the connection is largely gas-tight and a He leak rate of less than 10′8 mbar l/sec at a pressure difference of 1 bar is preferably made available.
  • the base body can be designed as a sheet metal part with a thickness d2, which is embossed down to the thickness di, and after the embossing the section with the thickness di, is deformed such that the flexible flange is formed. Provision can be made here for the original thickness d2 to be retained around the area of the opening, so that the area adjoining the opening is reinforced. It is also possible for a metal sheet with a thickness di to be formed into a flexible flange and for the raised metal sheet or a collar formed by forming the metal sheet to receive the glazing. Glazing into a raised flexible flange, in particular on a collar of the flexible flange, is primarily possible when the flexible flange and the raised area comprise austenitic steel or duplex steel as the material.
  • a relief device can be provided in the base body instead of or in addition to a flexible flange.
  • the relief device advantageously includes at least one groove or depression, preferably at least one circumferential groove or circumferential depression. Instead of a groove, a sequence of adjacent punctures can also be provided.
  • the relief device can reduce thermal flow through the base body, i.e. create a thermal barrier, and/or mechanical stress on the base body perpendicular to the axis of the connecting pin can be reduced, since the base body can be deformed, preferably reversibly deformed, in the direction perpendicular to the axis of the connecting pin.
  • fewer stresses are introduced into the fixing material, in particular no tensile stresses that act on the fixing material and thereby reduce the compression on the fixing material, as a result of which the tightness of the leadthrough is improved under thermal and mechanical loads.
  • the relief device in particular a groove or depression, is arranged on the second side of the electrical feedthrough, which faces outward when a housing is formed.
  • the relief device in particular a groove or indentation, is arranged on the first side of the electrical feedthrough, which faces inwards when a housing is formed.
  • the relief device comprises at least two grooves or indentations arranged on opposite sides of the base body.
  • an aluminum borate glass with the main components Al2O3, B2O3, BaO and SiO2 is used as the glass or glass-ceramic material.
  • the coefficient of expansion of such a glass material is preferably in the range from 9.0 to 9.5 ppm/K. and 9.0 to 9.5 10' 6 /K, respectively. If, for example, a bismuth glass is used, the coefficient of expansion is approximately 10.5-10 -6 /K.
  • the electrical feedthrough can be designed in the form of a pressure encapsulation.
  • a thermal expansion coefficient of the base body is selected to be greater than a thermal expansion coefficient of the fixing material, so that after a temperature treatment in which the fixing material is vitrified in the through-opening, the base body contracts more than the fixing material. As a result, compressive forces are permanently exerted on the fixing material by the base body. These pre-tension the fixing material and ensure a particularly durable seal.
  • a thermal expansion coefficient of the base body is greater than a thermal expansion coefficient of the fixing material.
  • the thermal expansion coefficient of the base body is particularly preferably selected to be at least 5%, preferably at least 10%, particularly preferably at least 20% and most preferably at least 50% greater than the thermal expansion coefficient of the fixing material.
  • the prestress for pressure glazing is essentially determined by the difference in the expansion coefficients between the material of the base body and the fixing material.
  • the coefficient of expansion of the base body is preferably in the range from 12 ⁇ 10 ⁇ 6 1/K to 19 ⁇ 10 ⁇ 6 1/K and the coefficient of expansion of the fixing material in the range from 9 ⁇ 10 ⁇ 6 1/K to 11 ⁇ 10 ⁇ 6 1/K.
  • the coefficient of expansion of the glass, ceramic or glass-ceramic material can be modified, if necessary, by mixing the glass, ceramic or glass-ceramic material with a filler. By choosing the type and quantity of the filler, the coefficient of thermal expansion can then be adjusted.
  • the coefficient of expansion of the core of the connecting pin is preferably in the range 6 ⁇ 10′ ⁇ 6 1/K to 11 ⁇ 10′ ⁇ 6 1/K.
  • the coefficient of expansion of the core is preferably adapted to the coefficient of expansion of the fixing material when the implementation is carried out as pressure encapsulation, or it is selected to be somewhat smaller.
  • an austenitic steel with an expansion coefficient of approx. 16 -10' 6 1/ K can be combined with a bismuth-based glass with an expansion coefficient of approx. 10.5 -10' 6 1/ K and a core made of ferrous steel with an expansion coefficient of approx. 10' 6 1/ K.
  • the coefficient of expansion of the base body and the coefficient of expansion of the fixing material can be matched to one another. In this case, it is preferred if the difference in the expansion coefficients is less than 5%.
  • an adapted implementation is understood to mean that the coefficients of expansion essentially differ by at most 1* 10′6 1/K, in particular essentially the same.
  • the coefficient of expansion of the core of the terminal pin is preferably adapted to the coefficient of expansion of the fixing material in the same way.
  • a safety valve and/or a predetermined breaking point is usually provided as a safety element on housings for an energy storage device, in order to reduce this in a controlled manner in the event of overpressure inside.
  • the electrical feedthrough preferably has such a security element.
  • Such an adjustment of the squeezing force is known, for example, from DE 2020 20106 518 U1.
  • the fixing material and its connection to the wall of the through-opening and the connecting pin is designed in such a way that a safety valve function is provided above a predetermined ejection force, with the predetermined ejection force being set by one or more of the following measures: a. selecting the thickness of the glazing, b. Selection of the fixing material, c. Selecting the proportion of bubbles in the fixing material, d. Structuring of the surface of the fixing material by adjusting the shape of a fixing material shaped body before glazing, e. structuring of the surface of the fixing material during glazing, f. laser processing of the surface of the fixing material after glazing, g. one- or two-sided incorporation of notches or tapers in the fixing material and/or h. Introduction of notches or tapers in the terminal pin and / or the body.
  • the second electrically conductive material and/or the fixing material are preferably selected in such a way that they are resistant to electrolytes, in particular aqueous and/or non-aqueous electrolytes.
  • the materials of the bushing have a high chemical resistance to non-aqueous battery electrolytes, in particular to carbonates, preferably carbonate mixtures with a conductive salt, preferably comprising LiPFe.
  • the proposed electrical storage device is designed in particular as a battery or as a capacitor, including a supercapacitor, and includes a housing with at least one of the electrical feedthroughs described herein. Furthermore, the electrical storage device preferably comprises at least one storage cell, in particular a battery cell or a capacitor cell.
  • the base body of the electrical feedthrough is preferably designed as a housing part, in particular as a cover, which is preferably connected to other housing parts in a hermetically sealed manner, so that a hermetically sealed housing is formed for the electrical storage device.
  • a cover is connected to the electrical feedthrough by welding to a cup.
  • Hermetically sealed is understood here to mean that the housing has a He leak rate of less than 10′ 8 mbar l/sec at a pressure difference of 1 bar.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an electrical feedthrough with surfaces of the connecting pin protruding beyond a base body
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of an electrical feedthrough with a completely coated core of the connecting pin
  • FIG. 6 shows a sixth exemplary embodiment of an electrical feedthrough with a flexible flange
  • FIG. 7 shows a seventh exemplary embodiment of an electrical feedthrough with a relief device.
  • FIG. 10 A first exemplary embodiment of an electrical feedthrough 10 is shown in FIG.
  • the electrical feedthrough 10 includes a base body 12 with a through-opening 14 into which a terminal pin 20 is inserted.
  • the connecting pin 20 is held in the through opening 14 in an electrically insulating manner by means of a fixing material 16 .
  • the fixing material 16 seals both against an inner wall of the through-opening 14 and against the connecting pin 20, so that the through-opening 14 is tightly closed by the fixing material 16 and a metal-fixing-material feedthrough is formed.
  • the illustrated electrical bushing 10 is particularly suitable for use in connection with electrical storage devices such as batteries, in particular micro batteries, and capacitors.
  • the base body 12 can be a component part of a housing for such an electrical storage device, for example a battery cover.
  • connection pin 20 then forms, for example, a connection terminal of the electrical storage device.
  • the base body 12 of the electrical feedthrough is joined to other housing parts.
  • a housing for an electrical storage device can be formed by joining the cover part to a cup part.
  • At least one storage cell such as a battery cell or a capacitor cell, is usually arranged inside such a storage device.
  • one terminal of such a storage cell can be electrically conductively connected to the terminal pin 20 and another terminal to another housing part.
  • connection pin 20 must be adapted in its material properties, in particular with regard to its thermal expansion coefficient, to the requirements of the formed metal-fixing material feedthrough.
  • the material of the connection pin 20 should also be matched to the materials used in the storage cell, such as the materials of the current conductors, electrode materials and electrolytes.
  • the invention provides that the connecting pin 20 has a core 22 made of a first electrically conductive material, which is adapted to the requirements of the metal-fixing-material feedthrough, and a covering material 24 on one end made of a second electrically conductive material, which is adapted to the requirements of the storage cell in order to avoid or at least reduce corrosion.
  • the covering material 24 and the fixing material 16 are arranged in the electrical bushing 10 in such a way that the core material 22 of the connecting pin is inaccessible on a first side of the bushing on which the covering material 24 is located.
  • the covering material 24 is directly adjacent to the fixing material 16 .
  • the covering material 24 is located on the side of the electrical feedthrough 10 which faces inwards when a housing is formed.
  • the second electrically conductive material can be applied to the end face of the core 22 of the terminal pin 20 by means of plating, for example.
  • thin metal sheets or foils made of the second electrically conductive material can be connected to the core 22 by welding or soldering, or the second electrical material can be applied by galvanic coating or a vapor deposition process.
  • an outer surface of the core 22 of the connecting pin 20 remains free of the covering material 24. This ensures that the covering material 24 does not change the properties of the metal-fixing-material bushing.
  • the two materials can thus be selected completely independently of one another in order to achieve optimal adaptation to the requirements of the storage cells inside the housing and to the formation of the metal-fixing-material feedthrough.
  • aluminum can be used as the covering material 24 .
  • the first electrically conductive material for the core 22 of the connection pin can be stainless steel, for example, so that the core 22 does not deform under the pressure forces that occur.
  • the total thickness of the connecting pin 20 here thus corresponds to the thickness of the base body 12 .
  • the surface of the fixing material 16 here is flush with the surfaces of the base body 12 and the end faces of the connecting pin 20 .
  • the fixing material 16 it would also be conceivable for the fixing material 16 to protrude beyond the surfaces and partially cover adjacent areas of the connection pin 20 and/or the base body 12 .
  • one or both end faces of the connecting pin 20 protrude beyond the corresponding surfaces of the base body 12 . This is shown in FIG. 2 by way of example.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the electrical feedthrough 10 with surfaces of the connecting pin 20 protruding beyond the base body 12.
  • the structure of the electrical feedthrough 10 corresponds to the first embodiment described with reference to FIG. Deviating from this, the connection pin 20 is designed and arranged in such a way that its end faces are not arranged flush with the corresponding surfaces of the base body 12 .
  • the overall thickness of the terminal pin 20 is therefore greater than the thickness of the base body 12.
  • the thickness of the covering material 24 is selected to be so large that, in combination with the fixing material 16, the first electrically conductive material of the core 22 is not accessible from this side of the electrical feedthrough 10.
  • the fixing material 16 is also directly adjacent to the covering material 24 here.
  • the covering material 24 protrudes beyond the surface of the base body 12
  • comparatively large thicknesses for the covering material 24 are preferred. This can be achieved in particular by plating the core 22 or connecting a metal sheet or a foil to the core 22 by means of welding or soldering.
  • one of the two end faces of the terminal pin 20 is arranged flush with the corresponding surface of the base body 12, so that the terminal pin 20 protrudes beyond the base body 12 on only one of the two sides.
  • FIG. 10 A third exemplary embodiment of the electrical feedthrough 10 is shown in FIG. As described with reference to the first embodiment of FIG. 1, the electrical feedthrough 10 has a base body 12 with a through-opening 14 in which a connecting pin 20 is held in an insulating manner via a fixing material 16 .
  • another covering material 25 made of a third electrically conductive material is additionally arranged on a second end face of core 22, so that both end faces of core 22 of connecting pin 20 are covered with covering material 24, 25.
  • the further covering material 25 is also directly adjacent to the fixing material 16 so that in this embodiment the first electrically conductive material of the core 22 is completely enclosed within the electrical feedthrough 10 .
  • the third electrically conductive material can be selected to be different from or identical to the second electrically conductive material. Identical materials are shown as examples.
  • the basic body 12 is also designed differently from the first two exemplary embodiments.
  • the base body 12 of the third exemplary embodiment has a reinforcement area with a width W, which adjoins the through opening 14 and within which the base body 12 has an increased thickness d2. Outside of the reinforcement area, the base body 12 has the smaller thickness di.
  • the basic body 12 has a high mechanical stability, which is also suitable for the formation of the metal fixing material implementation as pressure encapsulation.
  • the width W is selected in such a way that the pressure forces required for this can be built up.
  • the design of the base body 12 with a reinforcement area can of course be combined with other exemplary embodiments, so that, for example, deviating from the illustration in Figure 3, one or both end faces of the connecting pin 20 can protrude beyond the surfaces of the base body 12 adjoining the through opening 14 (see Figure 7) or only a first end face of the core 22 is covered with a covering material 24.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of an electrical feedthrough 10.
  • the core 22 of the terminal pin 20 is provided with covering material 24, 25 on both end faces, as shown in the third exemplary embodiment in FIG.
  • the further covering material 25 with the third electrically conductive material is chosen to be different from the covering material 24 with the second electrically conductive material.
  • the base body 12 of the fourth exemplary embodiment also includes a flexible flange 30, via which the base body 12 can be connected to other elements, for example to other components of a housing.
  • the flexible flange 30 is formed, for example, by reshaping the base body pers 12 and has a transition area with a width W, within which a flat section of the base body 12 transitions into a glazing section with a thickness d2, which is greater than the thickness di of the flat section of the base body 12.
  • the base body 12 is flexible and yielding in the transition area, so that the area with the through-opening 14 is mechanically decoupled by the flexible flange 30.
  • mechanical stresses from other parts of the housing are not transferred to the fixing material 16 .
  • the thickness d2 within the glazing section can be freely selected within a wide range, so that a glazing length can be set independently of other dimensions of the base body 12 or a housing with the base body.
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of an electrical feedthrough 10, which is designed similarly to the first exemplary embodiment in FIG.
  • the core 22 of the connecting pin 20 is completely coated, so that all surfaces of the core 22 are covered by the covering material 24 .
  • both end faces and a lateral surface of the core 22 are covered by the covering material 24 .
  • FIG. 6 shows a sixth exemplary embodiment of an electrical feedthrough 10, which is designed similarly to the fourth exemplary embodiment in FIG. 4 and includes a flexible flange 30, the design and function of which have already been described above.
  • the core 22 of the connecting pin 20 with the first electrically conductive material is provided with covering material 24, 25 on both end faces, as shown in the fourth exemplary embodiment in FIG.
  • the connection pin 20 is designed and arranged in such a way that its end faces are not arranged flush with the corresponding surfaces of the base body 12, but protrude beyond them.
  • the overall thickness of the connecting pin 20 is therefore greater than the thickness of the base body 12 in the area of the leadthrough.
  • the arrangement of the core 22 and the thickness of the covering material 24 with the second electrically conductive material are chosen so large that, in combination with the fixing material 16, the first electrically conductive material of the core 22 is not accessible from one side of the electrical feedthrough 10.
  • the fixing material 16 is also directly adjacent to the covering material 24 here.
  • the covering material 24 is located on the first side of the electrical feedthrough 10, which faces inwards when a housing is formed.
  • the first electrically conductive material of core 22 is accessible on the opposite, second side of bushing 10, which faces outward when a housing is formed, since fixing material 16 is not directly adjacent to covering material 25 here.
  • connection pin 20 has a core 22 made of ferritic steel as the first electrically conductive material and on both sides of the core 22 a covering material 24, 25 made of aluminum or an aluminum alloy as the second electrically conductive material.
  • the base body 12 consists of a steel with a higher coefficient of expansion than the material of the core 22, in particular austenitic steel is selected as the material for the base body 12. If a low-melting bismuth-based fixing material 16 is selected, in combination with a base body 12 made of austenitic stainless steel, a hermetically sealed pressure encapsulation can be provided.
  • connection pin 20 is adapted to the requirements of the formed metal I fixing material feedthrough with regard to its material properties, in particular with regard to its thermal expansion coefficient.
  • the core 22 is provided with a covering material 24 made of aluminum or an aluminum alloy on its side which faces inwards when forming a housing and is thereby adapted to the required ments of the materials of a storage cell, eg chemical resistance, electrochemical potentials, adapted.
  • a covering material 25 made of aluminum or an aluminum alloy on its opposite side, which faces outwards when a housing is formed terminal pin 20 can be optimized, for example, for simple and secure connection, eg soldering or welding, to electrical connections.
  • FIG. 7 shows a seventh exemplary embodiment of an electrical feedthrough 10, which is designed similarly to the third exemplary embodiment in FIG.
  • the base body 12 of the seventh exemplary embodiment also has a reinforcement area with a width W, which adjoins the through opening 14 and within which the base body 12 has an increased thickness d2. Outside of the reinforcement area, the base body 12 has the smaller thickness di.
  • a relief device 31 is provided in the base body 12, which is designed here, for example, as a groove or depression, preferably as a circumferential groove or circumferential depression.
  • the groove of the relief device 31 is arranged, for example, on the second side of the electrical feedthrough 10, which faces outwards when a housing is formed. Of course, it could also be arranged on the other side of the housing.
  • Two grooves or indentations arranged on opposite sides of the base body can also serve as a relief device 31 .
  • a sequence of adjacent punctures can also be provided.
  • the relief device 31 reduces thermal flow through the base body 12, ie creates a thermal barrier, and/or mechanical stress on the base body 12 is reduced perpendicularly to the axis of the connecting pin 20, since the base body 12 is perpendicular to the direction Axis of the terminal pin 20 is deformable, preferably reversibly deformable. This results in fewer stresses being introduced into the fixing material 16, in particular no tensile stresses that act on the fixing material 16 and thereby reduce the compression on the fixing material 16, thereby ensuring the tightness of the bushing 10 under thermal and mechanical loads.
  • connection pin 20 of the seventh exemplary embodiment is designed and arranged here as in the sixth exemplary embodiment.
  • the covering material 24 with the second electrically conductive material is located on the first side of the electrical feedthrough 10, which faces inwards when a housing is formed, so that the core 22 of the connecting pin 20 is not accessible from the inside.
  • the first electrically conductive material of the core 22 is also accessible here on the opposite, second side of the leadthrough 10, which points outwards when a housing is formed, since the fixing material 16 is not directly adjacent to the covering material 25 here.
  • the advantageous combination of materials mentioned in connection with the sixth exemplary embodiment can also be advantageous for an embodiment of a bushing 10 with a relief device 31 .

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Abstract

Es wird eine elektrische Durchführung (10), insbesondere für eine elektrische Speichereinrichtung bereitgestellt. Die elektrische Durchführung (10) umfasst einen Grundkörper (12) mit einer Durchgangsöffnung (14) und einen in der Durchgangsöffnung (14) angeordneten Anschlussstift (20), der über ein Fixiermaterial (16) elektrisch isolierend in der Durchgangsöffnung (14) gehalten ist. Ferner ist vorgesehen, dass der Anschlussstift (20) einen Kern (22) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material aufweist und dass zumindest an einer ersten Seite der elektrischen Durchführung (10) eine erste Stirnfläche des Kerns (22) mit einem Abdeckmaterial (24) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material bedeckt ist, wobei der Anschlussstift (24) und das Fixiermaterial (16) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass an der ersten Seite der elektrischen Durchführung (10) das erste elektrisch leitfähige Material des Kerns (22) unzugänglich ist.

Description

Elektrische Durchführung und Energiespeicher mit einer solchen Durchführung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung, insbesondere für eine elektrische Speichereinrichtung, umfassend einen Grundkörper mit einer Durchgangsöffnung und einen in der Durchgangsöffnung angeordneten Anschlussstift, der über ein Fixiermaterial elektrisch isolierend in der Durchgangsöffnung gehalten ist. Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, der zumindest eine solche Durchführung umfasst.
Elektrische Energiespeicher wie Batterien oder Kondensatoren, wobei letztere Superkondensatoren einschließen, werden in einer Vielzahl von Anwendungen zur Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie verwendet. Die elektrischen Energiespeicher umfassen üblicherweise ein Gehäuse und mindestens eine in dem Gehäuse aufgenommene Speicherzelle. Über zumindest eine elektrische Durchführung in dem Gehäuse kann die Speicherzelle von außen elektrisch kontaktiert werden.
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.
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.
Aus WO2021/185648 A1 ist eine Mikrobatterie bekannt, welche sich durch eine besonders kompakte Bauform auszeichnet. Eine Metall-Fixiermaterial-Durchfüh- rung für einen elektrischen Anschluss der Mikrobatterie kann als eine Druckein- glasung ausgebildet werden, so dass eine besonders zuverlässige Abdichtung der Durchführung bewirkt wird.
Nachteilig an den bekannten Metall-Fixiermaterial-Durchführungen mit Druckeinglasungen oder angepassten Durchführung ist, dass diese bisher nicht zuverlässig mit einem Anschlussstift aus beliebigen Materialien hergestellt werden kann. Dabei wären Anschlussstifte aus einem an die Materialien einer Batterie oder eines Kondensators angepassten Material wünschenswert, um beispielsweise Korrosion zu vermeiden. Es ist entsprechend eine Aufgabe der Erfindung eine elekt- rische Durchführung bereitzustellen, bei der der Anschlussstift sowohl an die Bedürfnisse der Batterie als auch an die Bedürfnisse der Metall-Fixiermaterial Durchführung angepasst werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine elektrische Durchführung vorgeschlagen, insbesondere für eine elektrische Speichereinrichtung. Die elektrische Durchführung umfasst einen Grundkörper mit einer Durchgangsöffnung und einen in der Durchgangsöffnung angeordneten Anschlussstift, der über ein Fixiermaterial elektrisch isolierend in der Durchgangsöffnung gehalten ist. Ferner ist vorgesehen, dass der Anschlussstift einen Kem aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material aufweist und dass zumindest an einer ersten Seite der elektrischen Durchführung eine erste Stirnfläche des Kems mit einem Abdeckmaterial aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material bedeckt ist, wobei der Anschlussstift und das Fixiermaterial derart ausgebildet und angeordnet sind, dass an der ersten Seite der elektrischen Durchführung das erste elektrisch leitfähige Material des Kems unzugänglich ist. Hierzu grenzt das Fixiermaterial direkt an das Abdeckmaterial an.
Der Grundkörper, das Fixiermaterial und der Anschlussstift bilden hierbei eine Metall-Fixiermaterial-Durchführung aus, durch die die Durchgangsöffnung des Grundkörpers verschlossen ist. Bevorzugt ist die gebildete Durchführung hermetisch dicht. Unter hermetisch dicht wird eine He-Leckrate von 1 ■ 10-8 mbar l/s bei 1 bar Druckunterschied angesehen.
Bei dem Grundkörper kann es sich insbesondere um ein Gehäuseteil zum Bilden eines Gehäuses für eine elektrische Speichereinrichtung handeln. Beispielsweise kann der Grundkörper als ein Deckelteil ausgebildet sein, der zusammen mit einem becherförmigen Gehäuseteil zu einem Gehäuse für eine elektrische Speichereinrichtung gefügt werden kann. Bei der elektrischen Speichereinrich- tung kann es sich insbesondere um eine Batterie oder einen Kondensator, einschließlich Superkondensator, handeln, wobei in dem Gehäuse üblicherweise eine oder mehrere Speicherzellen aufgenommen wird und über die elektrische Durchführung als Anschlussterminal von außen elektrisch kontaktiert werden kann. Die Durchführung kann auch als eine mehrpolige Durchführung ausgebildet sein, bei der der Grundkörper mehre Durchgangsöffnungen aufweist und in jeder der Durchgangsöffnungen jeweils ein Anschlussstift über ein Fixiermaterial gehalten ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die erste Seite der elektrischen Durchführung, an der das erste elektrisch leitfähige Material des Kems unzugänglich ist, die Seite ist, welche bei Bildung eines Gehäuses nach innen weist. Die erste Stirnfläche mit Abdeckmaterial weist somit bei Bildung eines Gehäuses nach innen. Eine alternative Anordnung, bei welcher das erste elektrisch leitfähige Materials des Kerns von der bei Bildung eines Gehäuses nach außen weisenden Seite unzugänglich ist, ist selbstverständlich ebenfalls möglich und ebenfalls vorteilhaft.
Der vorgeschlagene Anschlussstift umfasst zumindest zwei verschiedene Materialien, wobei das erste elektrisch leitfähige Material des Kems bevorzugt nach den Anforderungen der Metall-Fixiermaterial-Durchführung ausgewählt ist.
Hierzu kann das erste elektrisch leitfähige Material insbesondere in Hinblick auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Beständigkeit gegenüber Verformung ausgewählt werden. Das zweite elektrisch leitfähige Material wird bevorzugt nach den Anforderungen der elektrischen Speichereinrichtung ausgewählt. Insbesondere kann das zweite elektrisch leitfähige Material in Hinblick auf eine chemische Beständigkeit gegenüber Materialien der Speicherzelle und elektrochemische Potentiale ausgewählt werden.
Der Anschlussstift kann beispielsweise eine Kreiszylinderform aufweisen, wobei die Mantelflächen des Zylinders zum Fixiermaterial weisen und zumindest eine der Stirnflächen mit dem Abdeckmaterial überdeckt ist. Neben der Kreiszylinderform sind auch allgemeine Zylinderformen mit anderen Stirnflächenformen denkbar. Beispielsweise sind ovale Formen oder Rechtecke mit abgerundeten Ecken denkbar. Des Weiteren kann der Anschlussstift beispielsweise eine sogenannte Nagelkopf-Form aufweisen, die beispielsweise durch zwei aneinander angrenzende Zylinder gebildet werden kann. Dabei wird eine erste Stirnfläche eines solchen nagelkopfförmigen Anschlussstifts durch eine Stirnfläche des Zylinders mit der größeren Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche durch eine Stirnfläche des Zylinders mit der kleineren Stirnfläche gebildet.
Zusätzlich zu dem Bedecken einer ersten Stirnfläche des Kerns mit dem Abdeckmaterial kann vorgesehen sein auch eine der ersten Stirnfläche gegenüberliegende zweite Stirnfläche des Kems mit einem weiteren Abdeckmaterial aus einem dritten elektrisch leitfähigen Material zu bedecken. Das dritte elektrisch leitfähige Material kann identisch oder verschieden zu dem zweiten elektrisch leitfähigen Material gewählt sein. Bei verschiedener Wahl kann insbesondere das zweite elektrisch Leitfähige Material an die Erfordernisse der Materialien einer Speicherzelle angepasst werden und das dritte elektrisch leitfähige Material kann beispielsweise auf ein einfaches und sicheres Verbinden mit elektrischen Anschlüssen optimiert werden. Als ein Kriterium für die Materialauswahl können beispielsweise Schweißeigenschaften oder Löteigenschaften herangezogen werden.
Eine zum Fixiermaterial weisende Mantelfläche des Kems ist in einer Variante der Erfindung zumindest teilweise nicht mit Abdeckmaterial bedeckt und grenzt direkt an das Fixiermaterial an. Bevorzugt ist die Mantelfläche des Kems vollständig frei von dem Abdeckmaterial. In einer anderen Variante der Erfindung ist Oberfläche des Kems vollständig mit Abdeckmaterial überdeckt, so dass insbesondere auch die Mantelfläche vollständig mit Abdeckmaterial bedeckt ist. Bevorzugt ist ein Schmelzpunkt des Fixiermaterials geringer gewählt als der Schmelzpunkt aller Materialien des Anschlussstifts. Dadurch wird gewährleistet, dass bei Herstellung der Metall-Fixiermaterial Durchführung unter Verwendung eines Temperaturbehandlungsschrittes, beispielsweise zum Sintern oder Einglasen des Fixiermaterials, der Anschlussstift nicht geschädigt wird.
Bei einem solchen Temperaturbehandlungsschritt kann das Fixiermaterial aus einem Pressling erhalten werden, der beispielsweise ein Glaspulver oder ein Glaskeramikpulver oder ein Keramikpulver umfasst. Das Glaspulver kann aus einem teilweise kristallisierbaren Glas bestehen oder dieses umfassen, so dass bei einer Temperaturbehandlung das teilweise kristallisierbare Glas keramisiert wird und eine Glaskeramik erhalten wird.
Bevorzugt ist das zweite elektrisch leitfähige Material und/oder das dritte elektrisch leitfähige Material mittels Plattieren, Galvanisieren, Beschichten, Aufdampfen, Schweißen oder Löten auf die Stirnfläche des Kems aufgebracht. Werden nur vergleichsweise geringe Dicken des Abdeckmaterials aufgebracht, werden Galvanisieren, Beschichten und Aufdampfen bevorzugt. Umgekehrt werden Plattieren, Schweißen und Löten bevorzugt, wenn vergleichsweise hohe Dicken des Abdeckmaterials aufgebracht werden.
Beim Plattieren werden üblicherweise die Ausgangsmatenalien, also beispielsweise das Abdeckmaterial und das Material des Kerns in Form von Platten oder Bändern bereitgestellt und übereinandergelegt und durch Walzen miteinander verbunden. Beim Verlöten oder Verschweißen kann beispielsweise das Abdeckmaterial in Form eines Blechs oder einer Folie auf das Kernmaterial aufgelegt werden und mit diesem verschweißt oder verlötet werden.
Als Aufdampfverfahren kommen beispielsweise physikalische Dampfphasenabscheidungsverfahren (physical vapor deposition, PVD) wie Sputtern, chemische Aufdampfverfahren (chemical vapor deposition, CVD) oder Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) in Frage.
Unabhängig von der Art des Aufbringens ist das Abdeckmaterial bevorzugt frei von Öffnungen oder Fehlstellen angeordnet, so dass die entsprechende Stirnfläche des Kems vollständig überdeckt wird. Insbesondere soll hierdurch vermieden werden, dass das erste leitfähige Material mit Materialien aus dem Inneren eines Energiespeichers in Berührung kommt.
Des Weiteren wird das Abdeckmaterial bevorzugt derart ausgewählt und angeordnet, dass es für ein Anlöten oder Anschweißen elektrischer Kontakte wie beispielsweise Kontaktfahnen geeignet ist. Entsprechend ist das Abdeckmaterial bevorzugt derart ausgestaltet, dass es für das Anlöten oder Anschweißen elektrische Kontakte geeignet ist und dabei keine Risse oder Öffnungen in dem Abdeckmaterial entstehen.
Bevorzugt ist eine Stirnseite oder sind beide Stirnseiten des Anschlussstifts bündig zu einer Oberfläche des Grundkörpers angeordnet. Weist der Grundkörper Bereiche mit unterschiedlichen Dicken auf, so ist es bevorzugt, dass die eine oder beide Stirnseiten bündig mit der an die Durchgangsöffnung angrenzende Oberfläche des Grundkörpers abschließen. Insbesondere bei Kombination mit einem bündig mit der Oberfläche des Grundkörpers abschließenden Fixiermaterial wird dadurch eine ebene Form der elektrischen Durchführung erreicht und die Durchführung weist vorteilhafterweise eine möglichst geringe Bauhöhe auf.
Alternativ hierzu ist es bevorzugt, dass eine Stirnseite oder beide Stirnseiten des Anschlussstifts über eine Oberfläche des Grundkörpers hinausragend angeordnet sind. Weist der Grundkörper Bereiche mit unterschiedlichen Dicken auf, so ist es bevorzugt, dass die eine oder beide Stirnseiten über die an die Durchgangsöffnung angrenzende Oberfläche des Grundkörpers hinausragen. Hier- durch wird eine erhöhte Kontaktfläche geschaffen, welche ein einfaches elektrisches Kontaktieren des Anschlussstifts erlaubt, beispielsweise durch Anschweißen von Kontaktfahnen.
Das Material des Grundkörpers und/oder das erste elektrisch leitfähige Material des Kems des Anschlussstifts sind bevorzugt ausgewählt aus Stahl, insbesondere ferritischer, austenitischer oder Duplex-Stahl, rostfreier Stahl, Edelstahl, Edelstahl, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, Molybdän, Titan, Titan-Legierung, Aluminium oder Aluminium-Legierung.
Ein bevorzugtes Beispiel weist einen Grundkörper aus austenitischem Stahl und einen Anschlussstift mit einem Kern aus ferritischem Stahl auf.
Das zweite elektrisch leitfähige Material und/oder das dritte elektrisch leitfähige Material des Anschlussstifts ist bevorzugt ausgewählt aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, AlSiC, Kupfer, eine Kupferlegierung, Molybdän, Nickel oder Nickellegierungen, Palladium, Silber oder Gold.
Ein bevorzugtes Beispiel für einen erfindungsgemäßen Anschlussstift weist einen Kem aus einem Edelstahl, insbesondere einem ferritischen Edelstahl, und ein Abdeckmaterial aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung auf.
Aber auch andere Matenalkombinationen, bei denen ein Schmelzpunkt des zweiten elektrisch leitfähigen Materials und/oder des dritten elektrisch leitfähigen Materials geringer ist als ein Schmelzpunkt des ersten elektrisch leitfähigen Materials des Kems des Anschlussstifts sind bevorzugt.
Bevorzugt ist das Fixiermaterial ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik oder umfasst ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik. Bevorzugte Gläser umfassen technische Gläser, insbesondere oxidische Gläser, welche bevorzugt gegen übliche Materialien im Zusammenhang mit elektrischen Energiespeichern chemisch beständig sind.
Im Fall eines technischen Glases ist das Fixiermaterial beispielsweise ein Aluminiumboratglas, welches AI2O3 und B2O3 umfasst, oder ein Bismut-Glas, welches beispielsweise Bi2Ö3 als Glasbildner umfasst. Alternativ können auch Gläser, die Bleioxid als Glasbildner umfassen, insbesondere Gläser aus dem PbO-B2Ö3- System, oder Vanadium-haltige Gläser als Fixiermaterial zum Einsatz kommen.
Für Glas-Metall Durchführungen werden als Fixiermaterial geeignete Gläser nach ihren Eigenschaften wie Schmelztemperatur und/oder Ausdehnungskoeffizient ausgewählt. Vorteilhaft können Gläser mit niedriger Schmelztemperatur sein. Besonders vorteilhaft ist ein Glas, dessen Schmelztemperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium bzw. einer Aluminium-Legierung liegt. Bevorzugt kann es sein, wenn in einer elektrischen Durchführung für eine elektrische Speichereinrichtung, beispielsweise eine Batterie, einen Kondensator oder einen Superkondensator, das Fixiermaterial ein Bismut-basierendes Glas, das Bi2O3 als Glasbildner umfasst, oder ein Blei-basierendes Glas, das PbO als Glasbildner umfasst, aufweist oder daraus besteht.
Für das Herstellen der elektrischen 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 elektrischen Durchführung wird der Anschlussstift in das Innere dieses Holzylinders eingesetzt und dieser wird wiederum in eine Öffnung eines Grundkörpers eingesetzt. Durch eine Temperaturbehandlung wird anschließend der Metallstift in die Öffnung eingeglast, wobei das Fixiermaterial mit dem Material des Anschlussstifts und dem Material des Grundkörpers eine innige Verbindung eingeht. Ist der Grundkörper als ein Gehäuseteil für eine elektrische Energiespeichereinrichtung ausgebildet, z.B. als ein Deckelteil einer Mikrobatterie, so weist der Grundkörper beispielsweise eine Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,6 mm auf.
Bevorzugt weist der Grundkörper außerhalb des Bereichs der Durchgangsöffnung eine erste Dicke di auf und in einem an die Durchgangsöffnung angrenzenden Verstärkungsbereich mit einer Breite W eine vergrößerte zweite Dicke d2 auf. Wird die Metall-Fixiermaterial-Durchführung als eine Druckeinglasung ausgebildet, so wird die Breite W so ausgewählt, dass durch den Grundkörper ausreichende Druckkräfte auf das Fixiermaterial ausgeübt werden können. Beispielsweise wird dazu die Breite W im Bereich von 0,6 mm bis 1 mm gewählt.
Diese vergrößerte Dicke des Verstärkungsbereichs kann beispielsweise durch das Vorsehen verdickter Bereiche des Grundkörpers des Gehäuseteils, das Vorsehen eines Kragens und/oder das Vorsehen von Verstärkungsteilen erreicht werden. Durch die Wahl der Dicke des Grundkörpers bzw. das Vorsehen verdickter Bereiche kann die Einglasungslänge beeinflusst werden, entlang der das Fixiermaterial mit dem Material des Grundkörpers des Gehäuseteils verbunden ist.
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 Glaskeramikmatenals insbesondere nach der Einglasung bespielweise aufgrund von Temperatureinwirkungen zu vermeiden ist es vorteilhaft, wenn der Grundkörper einen flexiblen Flansch zum Fügen des Grundkörpers mit weiteren Komponenten wie Bestandteilen eines Gehäuses umfasst. Der Flansch selbst umfasst einen Bereich, einen sogenannten Verbindungsbereich mit dem ein weitere Komponenten an den Grundkörper angeschlossen wird. Das Anschließen an den Grundkörper 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 l/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 di , heruntergeprägt wird und nach den Herunterprägen der Abschnitt mit der Dicke di , 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 di 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.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann in dem Grundkörper anstelle von oder zusätzlich zu einem flexiblen Flansch eine Entlastungseinrichtung vorgesehen sein. Die Entlastungseinrichtung umfasst vorteilhaft mindestens eine Nut oder Vertiefung, vorzugsweise mindestens eine umlaufende Nut oder umlaufende Vertiefung. Anstelle einer Nut kann auch eine Folge nebeneinander liegender Einstiche vorgesehen sein.
Durch die Entlastungseinrichtung kann ein thermischer Fluss durch den Grundkörper reduziert, also eine thermische Barriere geschaffen, und/oder mechanische Belastung des Grundkörpers senkrecht zur Achse des Anschlussstiftes verringert werden, da der Grundkörper in Richtung senkrecht zur Achse des Anschlussstiftes verformbar, bevorzugt reversibel verformbar ist. Dies führt dazu, dass in das Fixiermaterial weniger Spannungen, insbesondere keine Zugspannungen, die auf das Fixiermaterial wirken und dadurch die Kompression auf das Fixiermaterial reduzieren, eingebracht werden, wodurch die Dichtheit der Durchführung bei thermischen und mechanischen Belastungen verbessert wird.
In einer vorteilhaften ersten Variante ist die Entlastungseinrichtung, insbesondere Nut oder Vertiefung, auf der zweiten Seite der elektrischen Durchführung, welche bei Bildung eines Gehäuses nach außen weist, angeordnet. In einer vorteilhaften alternativen zweiten Variante ist die Entlastungseinrichtung, insbesondere Nut oder Vertiefung, auf der ersten Seite der elektrischen Durchführung, welche bei Bildung eines Gehäuses nach innen weist, angeordnet. In einer besonders vorteilhaften dritten Variante umfasst die Entlastungsvorrichtung mindestens zwei an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeordnete Nuten oder Vertiefungen.
Als Glas- oder Glaskeramikmaterial wird beispielsweise ein Aluminiumborat-Glas mit den Hauptbestandteilen AI2O3, B2O3, BaO und SiÜ2 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. Wird beispielsweise ein Bismut-Glas verwendet, liegt der Ausdehnungskoeffizient beispielsweise bei ca. 10,5-10-6/K. Um eine besonders gute Abdichtung zwischen den Metallteilen, also dem Grundkörper und dem Anschlussstift, und dem Fixiermaterial zu erreichen, kann die elektrische Durchführung in Form einer Druckeinglasung ausgebildet werden. Dabei wird ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers größer gewählt als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Fixiermaterials, so dass sich nach einer Temperaturbehandlung, bei der das Fixiermaterial in der Durchgangsöffnung eingeglast wird, der Grundkörper stärker zusammenzieht als das Fixiermaterial. Hierdurch werden dauerhaft Druckkräfte durch den Grundkörper auf das Fixiermaterial ausgeübt. Diese spannen das Fixiermaterial vor und sorgen für eine besonders beständige Abdichtung.
Entsprechend ist es bevorzugt, dass ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers größer ist als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Fixiermaterials. Besonders bevorzugt wird bei einer Druckeinglasung der thermische Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers mindestens 5%, bevorzugt mindestens 10%, besonders bevorzugt mindestens 20% und am meisten bevorzugt mindestens 50% größer gewählt als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Fixiermaterials.
Die Vorspannung für die Druckeinglasung wird im Wesentlichen durch den Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material des Grundkörpers und dem Fixiermaterial bestimmt.
Bevorzugt liegt der Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers im Bereich 12- 10-6 1/K bis 19- 10-6 1/ K und der Ausdehnungskoeffizient des Fixiermaterials im Bereich 9 10-6 1/K bis 11 -10-6 1/K.
Der Ausdehnungskoeffizient 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 Ausdehnungskoeffizient des Kems des Anschlussstifts im Bereich 6 10’6 1/K bis 11 ■ 10’6 1/K. Entsprechend ist der Ausdehnungskoeffizient des Kems bei Ausführung der Durchführung als Druckeinglasung bevorzugt an den Ausdehnungskoeffizienten des Fixiermaterials angepasst oder wird etwas kleiner gewählt.
Für eine Druckeinglasung kann beispielsweise ein austenitischer Stahl mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ca. 16 -10’6 1/ K mit einem Bismut-basierenden Glas mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ca. 10,5 -10’6 1/ K und einem Kem aus femtischem Stahl mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ca. 10 ’6 1/ K kombiniert werden.
Alternativ zu einer Druckeinglasung können der Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers und der Ausdehnungskoeffizient des Fixiermaterials aneinander angepasst sein. Dabei ist es bevorzugt, wenn eine Differenz der Ausdehnungskoeffizienten kleiner ist als 5%.
Insbesondere wird unter einer angepassten Durchführung verstanden, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen um höchstens 1 * 10 ’6 1/K, insbesondere im Wesentlichen gleich sind. Der Ausdehnungskoeffizient des Kems des Anschlussstifts wird bevorzugt in gleicher Weise an den Ausdehnungskoeffizient des Fixiermaterials angepasst.
Soweit oben im Zusammenhang mit einer Druckeinglasung oder einer angepassten Einglasung für Materialien Werte für den Ausdehnungskoeffizienten genannt wurden, beziehen sich diese auf den im Zusammenhang mit Glas-Metall-Durch- führungen üblicherweise angegebenen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten a im Temperaturintervall 20-300°C. Üblicherweise ist an Gehäusen für eine Energiespeichereinrichtung ein Sicherheitsventil und/oder eine Sollbruchstelle als Sicherheitselement vorgesehen, um im Fall eines Überdrucks im Inneren diesen kontrolliert abzubauen. Bevorzugt weist die elektrische Durchführung ein solches Sicherheitselement auf. Dazu ist es bevorzugt, eine Auspresskraft für den vom Fixiermaterial gehaltenen Anschlussstifts so zu wählen, dass der Anschlussstift bei Überschreiten einer vorgegebenen Auspresskraft herausgedrückt wird. Ein derartiges Anpassen der Auspresskraft ist beispielsweise aus der DE 2020 20106 518 U1 bekannt.
Bevorzugt ist das Fixiermaterial und dessen Verbindung mit der Wandung der Durchgangsöffnung und dem Anschlussstift derart ausgeführt ist, dass über einer vorgegebenen Auspresskraft eine Sicherheitsventilfunktion bereitgestellt wird, wobei die vorgegebene Auspresskraft die vorgegebene Auspresskraft durch eine oder mehrere der nachfolgenden Maßnahmen eingestellt wird: a. Auswählen der Dicke der Einglasung, b. Auswahl des Fixiermaterials, c. Auswählen des Blasenanteils im Fixiermaterial, d. Strukturieren der Oberfläche des Fixiermaterials durch Einstellen der Form eines Fixiermaterialformkörpers vor dem Einglasen, e. Strukturieren der Oberfläche des Fixiermaterials während des Einglasens, f. Laserbearbeitung der Oberfläche des Fixiermaterials nach der Einglasung, g. ein- oder zweiseitiges Einbringen von Kerben oder Verjüngungen in das Fixiermaterial und/oder h. Einbringen von Kerben oder Verjüngungen in den Anschlussstift und/oder den Grundkörper.
Bevorzugt sind das zweite elektrisch leitfähige Material und/oder das Fixiermaterial derart ausgewählt, dass es gegen Elektrolyten, insbesondere wässrige und/oder nicht-wässrige Elektrolyten beständig ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Materialien der Durchführung eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber nicht wässrigen Batterieelektrolyten, insbesondere gegenüber Carbo- naten, bevorzugt Carbonatmischungen mit einem Leitsalz, bevorzugt umfassend LiPFe aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist das Bereitstellen einer elektrischen Speichereinrichtung. Die vorgeschlagene elektrische Speichereinrichtung ist insbesondere als Batterie oder als Kondensator, einschließlich Superkondensator, ausgebildet und umfasst ein Gehäuse mit mindestens einer der hierin beschriebenen elektrischen Durchführung. Des Weiteren umfasst die elektrische Speichereinrichtung bevorzugt zumindest eine Speicherzelle, insbesondere eine Batteriezelle oder eine Kondensatorzelle.
Bevorzugt ist dabei der Grundkörper der elektrischen Durchführung als ein Gehäuseteil, insbesondere als ein Deckel ausgebildet, der bevorzugt hermetisch dicht mit weiteren Gehäuseteilen verbunden ist, so dass ein hermetisch dichtes Gehäuse für die elektrische Speichereinrichtung ausgebildet wird. Beispielsweise wird zur Bildung des Gehäuses ein Deckel mit der elektrischen Durchführung durch Schweißen mit einem Becher verbunden. Unter hermetisch dicht wird hierbei verstanden, dass das Gehäuse eine He-Leckrate kleiner als 10’8 mbar l/sec bei 1 bar Druckunterschied aufweist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und ohne Beschränkung hierauf eingehender beschrieben werden.
Es zeigen: Fig. 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung mit bündiger Ausführung des Anschlussstifts,
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung mit über einen Grundkörper herausragenden Oberflächen des Anschlussstifts,
Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung mit beidseitiger Bedeckung des Kerns des Anschlussstifts und einem Verstärkungsbereich,
Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung mit einem flexiblen Flansch,
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung mit vollständig beschichtetem Kem des Anschlussstifts,
Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung mit einem flexiblen Flansch, und
Fig. 7 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung mit einer Entlastungseinrichtung.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung 10 dargestellt. Die elektrische Durchführung 10 umfasst einen Grundkörper 12 mit einer Durchgangsöffnung 14, in die ein Anschlussstift 20 eingesetzt ist. Der Anschlussstift 20 wird über ein Fixiermaterial 16 elektrisch isolierend in der Durchgangsöffnung 14 gehalten. Dabei dichtet das Fixiermaterial 16 sowohl gegen eine innere Wandung der Durchgangsöffnung 14 als auch gegen den Anschlussstift 20 ab, so dass die Durchgangsöffnung 14 durch das Fixiermaterial 16 dicht verschlossen wird und eine Metall-Fixiermaterial-Durchführung ausgebildet wird. Die dargestellte elektrische Durchführung 10 ist insbesondere für die Verwendung im Zusammenhang mit elektrischen Speichereinrichtungen wie Batterien, insbesondere Mikrobatterien, und Kondensatoren geeignet. Entsprechend kann es sich bei dem Grundkörper 12 um einen Bestandteil eines Gehäuses für eine solche elektrische Speichereinrichtung handeln, beispielsweise um einen Batteriedeckel. Der Anschlussstift 20 bildet dann beispielsweise ein Anschlussstermi- nal der elektrischen Speichereinrichtung aus. Zum Bilden eines Gehäuses für die elektrische Speichereinrichtung wird der Grundkörper 12 der elektrischen Durchführung mit weiteren Gehäuseteilen zusammengefügt. Im Fall der Ausgestaltung des Grundkörpers 12 als ein Deckelteil kann durch Fügen des Deckelteils mit einem Becherteil ein Gehäuse für eine elektrische Speichereinrichtung gebildet werden. Im Inneren einer solchen Speichereinrichtung ist üblicherweise zumindest eine Speicherzelle, wie beispielsweise eine Batteriezelle oder eine Kondensatorzelle, angeordnet. Für das Herstellen einer elektrischen Verbindung kann ein Anschluss einer solchen Speicherzelle mit dem Anschlussstift 20 und ein weiterer Anschluss mit einem weiteren Gehäuseteil elektrisch leitend verbunden werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, in einem Grundkörper 12 mehrere Durchgangsöffnungen 14 auszubilden und mehrere Anschlussstifte 20 anzuordnen, so dass eine mehrpolige Durchführung bereitgestellt wird.
Der Anschlussstift 20 muss in seinen Materialeigenschaften, insbesondere betreffend seinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, an die Erfordernisse der gebildeten Metall-Fixiermaterial-Durchführung angepasst sein. Um Korrosion des Anschlussstifts 20 zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, sollte zudem das Material des Anschlussstifts 20 an die in der Speicherzelle verwendeten Materialien wie die Materialien der Stromableiter, Elektrodenmaterialen und Elektrolyte angepasst sein. Um beide Anforderungen zu erfüllen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Anschlussstift 20 einen Kem 22 aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material aufweist, welches an die Anforderungen der Metall-Fixiermate- rial-Durchführung angepasst ist, und an einer Stirnseite ein Abdeckmaterial 24 aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material aufweist, welches an die Erfordernisse der Speicherzelle angepasst ist, um Korrosion zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Das Abdeckmaterial 24 und das Fixiermaterial 16 sind dabei in der elektrischen Durchführung 10 derart angeordnet, dass an einer ersten Seite der Durchführung, an der sich das Abdeckmaterial 24 befindet, das Kernmaterial 22 des Anschlussstifts unzugänglich ist. Dazu grenzt das Abdeckmaterial 24 direkt an das Fixiermaterial 16 an. Das Abdeckmaterial 24 befindet sich dabei auf der Seite der elektrischen Durchführung 10, welche bei Bildung eines Gehäuses nach innen weist. Das zweite elektrisch leitfähige Material kann beispielsweise mittels Plattieren auf die Stirnseite des Kerns 22 des Anschlussstifts 20 aufgebracht sein. Es sind aber auch andere Varianten denkbar, um das zweite elektrisch leitfähige Material aufzubringen. So können beispielsweise dünne Bleche oder Folien aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material mittels Verschweißen oder Verlöten mit dem Kem 22 verbunden werden oder das zweite elektrische Material kann durch galvanisches Beschichten oder ein Aufdampfverfahren aufgebracht werden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel der Figur 1 bleibt eine Mantelfläche des Kems 22 des Anschlussstifts 20 frei von dem Abdeckmaterial 24. Hierdurch wird erreicht, dass das Abdeckmaterial 24 die Eigenschaften der Metall-Fixiermate- rial-Durchführung nicht verändert. Die beiden Materialien können somit jeweils völlig unabhängig voneinander gewählt werden, um eine optimale Anpassung an die Anforderungen der Speicherzellen im Inneren des Gehäuses und an das Ausbilden der Metall-Fixiermaterial-Durchführung zu erzielen. Beispielsweise kann im Fall einer Ausgestaltung der elektrischen Durchführung 10 für die Verwendung in einer Lithium-Ionen Batterie Aluminium als Abdeckmaterial 24 eingesetzt werden. Wird die Metall-Fixiermaterial Durchführung als Druckeinglasung ausgebildet, so kann das erste elektrisch leitfähige Material für den Kem 22 des Anschlussstifts beispielsweise ein Edelstahl sein, so dass der Kem 22 sich bei den auftretenden Druckkräften nicht verformt. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der elektrische Durchführung 10 sind beide Stirnflächen des Anschlussstifts 20 bündig mit den entsprechenden Oberflächen des Grundkörpers 12 ausgeführt. Die Gesamtdicke des Anschlussstifts 20 entspricht hier somit der Dicke des Grundkörpers 12. Zudem schließt hier die Oberfläche des Fixiermaterials 16 bündig an die Oberflächen des Grundkörpers 12 und die Stirnflächen des Anschlussstifts 20 an. Es wäre aber auch denkbar, dass das Fixiermaterial 16 über die Oberflächen hinausragt und angrenzende Bereiche des Anschlussstifts 20 und/oder des Grundkörpers 12 teilweise überdeckt. Des Weiteren ist es alternativ denkbar, dass eine oder beide Stirnflächen des Anschlussstifts 20 über die entsprechenden Oberflächen des Grundkörpers 12 hinausragen. Dies ist in beispielhaft in Figur 2 dargestellt.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der elektrischen Durchführung 10 mit über den Grundkörper 12 herausragenden Oberflächen des Anschlussstifts 20. Der Aufbau der elektrischen Durchführung 10 entspricht der mit Bezug zur Figur 1 beschriebenen ersten Ausführungsform. Abweichend davon ist der Anschlussstift 20 derart ausgestaltet und angeordnet, dass dessen Stirnflächen nicht bündig zu den entsprechenden Oberflächen des Grundkörpers 12 angeordnet sind. Die Gesamtdicke des Anschlussstifts 20 ist somit größer als die Dicke des Grundkörpers 12. In der Figur 2 ist zu erkennen, dass die Dicke des Abdeckmaterials 24 so groß gewählt ist, dass im Zusammenspiel mit dem Fixiermaterial 16 dennoch von dieser Seite der elektrischen Durchführung 10 aus das erste elektrisch leitfähige Material des Kems 22 nicht zugänglich ist. Entsprechend grenzt auch hier das Fixiermaterial 16 direkt an das Abdeckmaterial 24 an.
Ragt, wie in diesem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, das Abdeckmaterial 24 über Oberfläche des Grundkörpers 12 hinaus, sind vergleichsweise große Dicken für das Abdeckmaterial 24 bevorzugt. Diese können insbesondere durch Plattieren des Kems 22 oder Verbinden eines Blechs oder eine Folie mit dem Kem 22 mittels Verschweißen oder Verlöten erzielt werden. Selbstverständlich ist es denkbar, dass eine der beiden Stirnflächen des Anschlussstifts 20 bündig mit der entsprechenden Oberfläche des Grundkörpers 12 angeordnet wird, so dass der Anschlussstift 20 nur an einer der beiden Seiten über den Grundkörper 12 hinausragt.
In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der elektrischen Durchführung 10 dargestellt. Wie mit Bezug zur ersten Ausführungsform der Figur 1 beschrieben weist die elektrische Durchführung 10 einen Grundkörper 12 mit einer Durchgangsöffnung 14 auf, in der über ein Fixiermaterial 16 ein Anschlussstift 20 isolierend gehalten ist.
Abweichend von der ersten Ausführungsform der Figur 1 ist zusätzlich auf einer zweiten Stirnfläche des Kerns 22 ein weiteres Abdeckmaterial 25 aus einem dritten elektrisch leitfähigen Material angeordnet, so dass beide Stirnflächen des Kems 22 des Anschlussstifts 20 mit Abdeckmaterial 24, 25 bedeckt sind. Auch das weitere Abdeckmaterial 25 grenzt dabei unmittelbar an das Fixiermaterial 16 an, so dass in dieser Ausführungsform das erste elektrisch leitfähige Material des Kems 22 vollständig innerhalb der elektrischen Durchführung 10 eingeschlossen ist. Das dritte elektrisch leitfähige Material kann verschieden oder identisch zu dem zweiten elektrisch leitfähigen Material gewählt sein. Exemplarisch dargestellt sind identische Materialien.
In dem dritten Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist zudem der Grundkörper 12 abweichend von den ersten beiden Ausführungsformen ausgebildet. Der Grundkörper 12 des dritten Ausführungsbeispiels weist einen Verstärkungsbereich mit einer Breite W auf, der an die Durchgangsöffnung 14 angrenzt und innerhalb dem der Grundkörper 12 eine erhöhte Dicke d2 aufweist. Außerhalb des Verstärkungsbereichs weist der Grundkörper 12 die geringere Dicke di auf. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau der elektrischen Durchführung 10 erhalten, der sich insbesondere für Mikrobatterien eignet. Dennoch bietet der Grund- körper 12 eine hohe mechanische Stabilität, die auch für das Ausbilden der Me- tall-Fixiermaterial Durchführung als Druckeinglasung geeignet ist. Hierzu wird die Breite W derart gewählt, dass die dazu erforderlichen Druckkräfte aufgebaut werden können.
Die Ausführung des Grundkörpers 12 mit einem Verstärkungsbereich kann selbstverständlich mit anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden, so dass beispielsweise abweichend von der Darstellung der Figur 3 eine oder auch beide Stirnflächen des Anschlussstifts 20 über die an die Durchgangsöffnung 14 angrenzenden Oberflächen des Grundkörpers 12 hinausragen können (siehe Figur 7) oder nur eine erste Stirnfläche des Kerns 22 mit einem Abdeckmaterial 24 bedeckt ist.
Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung 10. Wie mit Bezug zur ersten Ausführungsform der Figur 1 beschrieben weist die elektrische Durchführung 10 einen Grundkörper 12 mit einer Durchgangsöffnung 14 auf, in der über ein Fixiermaterial 16 ein Anschlussstift 20 isolierend gehalten ist. Der Kem 22 des Anschlussstifts 20 ist wie in dem dritten Ausführungsbeispiel der Figur 3 gezeigt auf beiden Stirnseiten mit Abdeckmaterial 24, 25 versehen, wobei in dem gezeigten Beispiel die Stirnflächen des Anschlussstifts bündig mit einer an die Durchgangsöffnung 14 angrenzenden Oberfläche des Grundkörpers 12 abschließen. Wie in der Figur zu erkennen, ist in diesem Beispiel exemplarisch das weitere Abdeckmaterial 25 mit dem dritten elektrisch leitfähigen Material verschieden zu dem Abdeckmaterial 24 mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material gewählt.
Der Grundkörper 12 des vierten Ausführungsbeispiels umfasst zusätzlich einen flexiblen Flansch 30, über den der Grundkörper 12 mit weiteren Elementen verbunden werden kann, beispielsweise mit weiteren Bestandteilen eines Gehäuses. Der flexible Flansch 30 wird beispielsweise durch Umformen des Grundkör- pers 12 erhalten und weist einen Übergangsbereich mit einer Weite W auf, innerhalb dem ein flacher Abschnitt des Grundkörpers 12 in einen Einglasungsab- schnitt mit einer Dicke d2 übergeht, welche größer ist als die Dicke di des flachen Abschnitts des Grundkörpers 12. Der Grundkörper 12 ist in dem Übergangsbereich flexibel und nachgiebig, so dass durch den flexiblen Flansch 30 der Bereich mit der Durchgangsöffnung 14 mechanisch entkoppelt wird. Entsprechend werden mechanische Spannungen anderer Teile des Gehäuses nicht auf das Fixiermaterial 16 übertragen. Des Weiteren kann die Dicke d2 innerhalb des Einglasungsabschnitts in einem weiten Bereich frei gewählt werden, so dass sich eine Einglasungslänge unabhängig von anderen Dimensionen des Grundkörpers 12 bzw. eines Gehäuses mit dem Grundkörper einstellen lässt.
Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung 10, welche ähnlich zum ersten Ausführungsbeispiel der Figur 1 ausgebildet ist. Abweichend von dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Kern 22 des Anschlussstifts 20 vollständig beschichtet, so dass alle Oberflächen des Kems 22 von dem Abdeckmaterial 24 bedeckt sind. Entsprechend sind insbesondere beide Stirnseiten und eine Mantelfläche des Kems 22 von dem Abdeckmaterial 24 bedeckt.
Figur 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung 10, welche ähnlich zum vierten Ausführungsbeispiel der Figur 4 ausgebildet ist und einen flexiblen Flansch 30 umfasst, dessen Ausbildung und Funktion oben bereits beschrieben wurden. Der Kem 22 des Anschlussstifts 20 mit dem ersten elektrisch leitfähigen Material ist, wie in dem vierten Ausführungsbeispiel der Figur 4 gezeigt, auf beiden Stirnseiten mit Abdeckmaterial 24, 25 versehen, wobei hier beispielhaft die Abdeckmaterialien 24, 25 identisch sind. Abweichend von dem vierten Ausführungsbeispiel ist der Anschlussstift 20 derart ausgestaltet und angeordnet, dass dessen Stirnflächen nicht bündig zu den entsprechenden Oberflächen des Grundkörpers 12 angeordnet sind, sondern darüber hinausragen. Die Gesamtdicke des Anschlussstifts 20 ist somit größer als die Dicke des Grundkörpers 12 im Bereich der Durchführung. In der Figur 6 ist zu erkennen, dass die Anordnung des Kerns 22 und die Dicke des Abdeckmaterials 24 mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material so groß gewählt sind, dass im Zusammenspiel mit dem Fixiermaterial 16 das erste elektrisch leitfähige Material des Kems 22 von einer Seite der elektrischen Durchführung 10 aus nicht zugänglich ist. Entsprechend grenzt auch hier das Fixiermaterial 16 direkt an das Abdeckmaterial 24 an. Das Abdeckmaterial 24 befindet sich dabei auf der ersten Seite der elektrischen Durchführung 10, welche bei Bildung eines Gehäuses nach innen weist. Auf der gegenüberliegenden zweiten Seite der Durchführung 10, die bei Bildung eines Gehäuses nach außen weist, ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das erste elektrisch leitfähige Material des Kems 22 zugänglich, da hier das Fixiermaterial 16 nicht direkt an das Abdeckmaterial 25 angrenzt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des sechsten Ausführungsbeispiels weist der Anschlussstift 20 einen Kem 22 aus ferritischem Stahl als erstes elektrisch leitfähiges Material und auf beiden Seiten des Kems 22 ein Abdeckmaterial 24, 25 aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als zweites elektrisch leitfähiges Material auf. Der Grundkörper 12 besteht aus einem Stahl mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten als das Materials des Kems 22, insbesondere wird als Material für den Grundkörper 12 austenitischer Stahl gewählt. Bei Wahl eines niedrigschmelzenden Bismut-basierenden Fixiermaterials 16 kann in Kombination mit einem Grundkörper 12 aus austenitischem Edelstahl eine hermetisch dichte Druckeinglasung bereitgestellt werden.
Bei Wahl des Kems 22 aus ferritischem Stahl ist der Anschlussstift 20 im Hinblick auf seine Materialeigenschaften, insbesondere betreffend seinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, an die Erfordernisse der gebildeten Metal I-Fi- xiermaterial-Durchführung angepasst. Um Korrosion des Anschlussstifts 20 zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, ist der Kem 22 an seiner Seite, welche bei Bildung eines Gehäuses nach innen weist, mit einem Abdeckmaterial 24 aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung versehen und dadurch an die Erforder- nisse der Materialien einer Speicherzelle, z.B. chemische Beständigkeit, elektrochemische Potentiale, angepasst. Wenn der Kem 22 an seiner gegenüberliegenden Seite, welche bei Bildung eines Gehäuses nach außen weist, mit einem Abdeckmaterial 25 aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung versehen ist, kann der Anschlussstift 20 beispielsweise auf ein einfaches und sicheres Verbinden, z.B. Löten oder Verschweißen, mit elektrischen Anschlüssen optimiert sein.
Figur 7 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung 10, welche ähnlich zum dritten Ausführungsbeispiel der Figur 3 ausgebildet ist. Der Grundkörper 12 des siebten Ausführungsbeispiels weist ebenfalls einen Verstärkungsbereich mit einer Breite W auf, der an die Durchgangsöffnung 14 angrenzt und innerhalb dem der Grundkörper 12 eine erhöhte Dicke d2 aufweist. Außerhalb des Verstärkungsbereichs weist der Grundkörper 12 die geringere Dicke di auf. Die Vorteile einer solchen Ausführungsform wurden weiter oben bereits beschrieben.
In dem Grundkörper 12 ist bei dem siebten Ausführungsbeispiel eine Entlastungseinrichtung 31 vorgesehen, die hier beispielhaft als Nut oder Vertiefung, vorzugsweise als um laufende Nut oder um laufende Vertiefung, ausgebildet ist. Die Nut der Entlastungseinrichtung 31 ist exemplarisch auf der zweiten Seite der elektrischen Durchführung 10, welche bei Bildung eines Gehäuses nach außen weist, angeordnet. Selbstverständlich könnte sie auch an der anderen Seite des Gehäuses angeordnet sein. Auch zwei an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeordnete Nuten oder Vertiefungen können als Entlastungseinrichtung 31 dienen. Anstelle einer Nut kann auch eine Folge nebeneinander liegender Einstiche vorgesehen sein.
Durch die Entlastungseinrichtung 31 wird ein thermischer Fluss durch den Grundkörper 12 reduziert, also eine thermische Barriere geschaffen, und/oder mechanische Belastung des Grundkörpers 12 senkrecht zur Achse des Anschlussstiftes 20 verringert, da der Grundkörper 12 in Richtung senkrecht zur Achse des Anschlussstiftes 20 verformbar, bevorzugt reversibel verformbar ist. Dies führt dazu, dass in das Fixiermaterial 16 weniger Spannungen, insbesondere keine Zugspannungen, die auf das Fixiermaterial 16 wirken und dadurch die Kompression auf das Fixiermaterial 16 reduzieren, eingebracht werden, wodurch die Dichtheit der Durchführung 10 bei thermischen und mechanischen Belastungen sichergestellt wird.
Abweichend von dem dritten Ausführungsbeispiel ist der Anschlussstift 20 des siebten Ausführungsbeispiels hier wie bei dem sechsten Ausführungsbeispiel ausgebildet und angeordnet. Auch hier befindet sich das Abdeckmaterial 24 mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material auf der ersten Seite der elektrischen Durchführung 10, welche bei Bildung eines Gehäuses nach innen weist, so dass der Kem 22 des Anschlussstiftes 20 von innen nicht zugänglich ist. Auf der gegenüberliegenden zweiten Seite der Durchführung 10, die bei Bildung eines Gehäuses nach außen weist, ist auch hier das erste elektrisch leitfähige Material des Kems 22 zugänglich, da hier das Fixiermaterial 16 nicht direkt an das Abdeckmaterial 25 angrenzt. Die im Zusammenhang mit dem sechsten Ausführungsbeispiel genannte vorteilhafte Materialkombination kann auch für eine Ausführung einer Durchführung 10 mit Entlastungseinrichtung 31 vorteilhaft sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar, insbesondere indem die anhand von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale (wie z.B. Ausbildung des Grundkörpers - mit Verstärkungseinrichtung, Entlastungseinrichtung, flexiblem Flansch -, Ausbildung und Anordnung des Anschlusspins, Wahl der Materialien der Bauteile) zu weiteren Beispielen, die von der erfindungsgemäßen technischen Lehre Gebrauch machen, zusammengestellt werden. Bezugszeichenliste
10 elektrische Durchführung
12 Grundkörper
14 Durchgangsöffnung
16 Fixiermaterial
20 Anschlussstift
22 Kern
24 Abdeckmaterial
25 weiteres Abdeckmaterial
30 flexibler Flansch
31 Entlastungseinrichtung d1 erste Dicke d2 zweite Dicke
W Breite

Claims

Patentansprüche Elektrische Durchführung (10), insbesondere für eine elektrische Speichereinrichtung, umfassend einen Grundkörper (12) mit einer Durchgangsöffnung (14) und einen in der Durchgangsöffnung (14) angeordneten Anschlussstift (20), der über ein Fixiermaterial (16) elektrisch isolierend in der Durchgangsöffnung (14) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstift (20) einen Kem (22) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material aufweist und dass zumindest an einer ersten Seite der elektrischen Durchführung (10) eine erste Stirnfläche des Kerns (22) mit einem Abdeckmaterial (24) aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material bedeckt ist, wobei der Anschlussstift (24) und das Fixiermaterial (16) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass an der ersten Seite der elektrischen Durchführung (10) das erste elektrisch leitfähige Material des Kems (22) unzugänglich ist. Elektrische Durchführung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine der ersten Stirnfläche gegenüberliegende zweite Stirnfläche des Kems (22) mit einem weiteren Abdeckmaterial (25) aus einem dritten elektrisch leitfähigem Material bedeckt ist, welches identisch oder verschieden zu dem zweiten elektrisch leitfähigem Material gewählt ist. Elektrische Durchführung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine zum Fixiermaterial (16) weisende Mantelfläche des Kems (22) zumindest teilweise nicht mit Abdeckmaterial (24, 25) bedeckt ist und direkt an das Fixiermaterial (16) angrenzt. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmelzpunkt des Fixiermaterials (16) geringer gewählt ist als der Schmelzpunkt aller Materialien des Anschlussstifts Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitfähige Material und/oder das dritte elektrisch leitfähige Material mittels Plattieren, Galvanisieren, Beschichten, Aufdampfen, Schweißen oder Löten auf die Stirnfläche des Kems (22) aufgebracht ist. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) einen flexiblen Flansch (30) aufweist. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) außerhalb des Bereichs der Durchgangsöffnung (14) eine erste Dicke di aufweist und in einem an die Durchgangsöffnung (14) angrenzenden Bereich eine vergrößerte zweite Dicke d2 aufweist. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite oder beide Stirnseiten des Anschlussstifts (20) bündig zu einer Oberfläche des Grundkörpers (12) angeordnet sind. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite oder beide Stirnseiten des Anschlussstifts (20) über eine Oberfläche des Grundkörpers (12) hinausragend angeordnet sind. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Grundkörpers (12) und/oder das erste elektrisch leitfähige Material des Kems (22) des Anschlussstifts (20) ausgewählt sind aus Stahl, insbesondere ferritischer, austenitischer oder Duplex-Stahl, rostfreier Stahl, Edelstahl, Edelstahl, Eisen-Nickel-Legierun- gen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, Molybdän oder Titan. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitfähige Material und/oder das dritte elektrisch leitfähige Material des Anschlussstifts (20) ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, AlSiC, Kupfer, eine Kupferlegierung, Molybdän, Nickel oder Nickellegierungen, Palladium, Silber oder Gold. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmelzpunkt des zweiten elektrisch leitfähigen Materials und/oder des dritten elektrisch leitfähigen Materials geringer ist als ein Schmelzpunkt des ersten elektrisch leitfähigen Materials des Kems (22) des Anschlussstifts (20). Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixiermaterial (16) ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik ist oder dass das Fixiermaterial (16) ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik umfasst. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers (12) größer ist als ein zweiter Ausdehnungskoeffizient des Fixiermaterials (16) oder dass die Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers (12) und des Fixiermaterials (16) aneinander angepasst sind. Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixiermaterial (16) und dessen Verbindung mit der Wandung der Durchgangsöffnung (14) und dem Anschlussstift (20) derart ausgeführt ist, dass über einer vorgegebenen Auspresskraft eine Sicherheitsventilfunktion bereitgestellt wird, wobei die vorgegebene Auspresskraft die vorgegebene Auspresskraft durch eine oder mehrere der nachfolgenden Maßnahmen eingestellt wird: a. Auswählen der Dicke der Einglasung, b. Auswahl des Fixiermaterials (16), c. Auswahlen des Blasenanteils im Fixiermaterial (16), d. Strukturieren der Oberfläche des Fixiermaterials (16) durch Einstellen der Form eines Fixiermaterialformkörpers vor dem Einglasen, e. Strukturieren der Oberfläche des Fixiermaterials (16) während des Einglasens, f. Laserbearbeitung der Oberfläche des Fixiermaterials (16) nach der Einglasung, g. ein- oder zweiseitiges Einbringen von Kerben oder Verjüngungen in das Fixiermaterial (16) und/oder h. Einbringen von Kerben oder Verjüngungen in den Anschlussstift (20) und/oder den Grundkörper (12). Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) eine Entlastungseinrichtung (31 ) aufweist. Elektrische Speichereinrichtung, insbesondere eine Batterie oder ein Kondensator, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einer elektrischen Durchführung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
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