KR102015740B1 - 피드스루 - Google Patents

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KR102015740B1
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Abstract

본 발명은 금속, 특히 경금속, 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 합금, AlSiC, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티티늄 합금, 강, 스테인리스 강 또는 특수 강으로 이루어진 하우징, 특히 배터리 하우징의 하우징 부품을 통과하는 피드스루에 관한 것이며, 하우징 부품은 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구를 통해 횡단면을 가진 적어도 하나의 도체가 유리 또는 유리 세라믹 재료 내에서 안내된다. 피드스루는 도체가 적어도 2개의 섹션, 즉 유리 또는 유리 세라믹 재료를 통과하는 피드스루의 영역에서 직경(ID)을 가진 실질적으로 둥근, 특히 원형의 제 1 횡단면을 가진 제 1 섹션, 및 실질적으로 둥글지 않은, 특히 실질적으로 직사각형의 제 2 횡단면을 가진 제 2 섹션을 포함하고, 도체는 일체형인 것을 특징으로 한다.

Description

피드스루{FEEDTHROUGH}
본 발명은 하우징, 특히 배터리 하우징의 하우징 부품을 통과하는 피드스루로서, 상기 하우징 부품은 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구를 통해 적어도 하나의 도체가 유리 또는 유리 세라믹 재료 내에서 안내되는, 피드스루에 관한 것이다.
본 발명의 의미에서 배터리는 방전 후에 폐기 및/또는 재활용되는 일회용 배터리 및 어큐뮬레이터를 말한다.
어큐뮬레이터, 바람직하게는 리튬-이온 배터리는 다양한 용도에, 예컨대 휴대용 전자 장치, 휴대폰, 전동 공구 및 특히 전기 차에 제공된다. 배터리는 예컨대 납-산 배터리, 니켈-카드뮴 배터리 또는 니켈-금속 수소화물 배터리와 같은 전형적인 에너지원을 대체할 수 있다.
리튬-이온 배터리는 오래전부터 공지되어 있다. 이와 관련해서 예컨대 "Handbook of Batteries, David Linden, Herausgeber, 제 2권, McGrawhill, 1995, 36 및 39 장"이 참고된다.
리튬-이온 배터리의 다양한 관점들이 다수의 특허에 개시되어 있다. 예컨대, US 961,672, US 5,952,126, US 5,900,183, US 5,874,185, US 5,849,434, US 5,853,914 및 US 5,773,959가 있다.
특히 자동차 환경에 사용하기 위한 리튬-이온 배터리들은 일반적으로 다수의 개별 배터리 셀을 포함하고, 상기 배터리 셀들은 서로 직렬로 접속된다. 서로 직렬로 접속된 배터리 셀들은 통합되어 소위 배터리 팩을 형성하고, 다수의 배터리 팩은 통합되어 리튬-이온 배터리라고도 하는 배터리 모듈을 형성한다. 각각의 개별 배터리 셀은 배터리 셀의 하우징으로부터 밖으로 안내된 전극들을 포함한다.
특히 자동차 환경에 리튬-이온 배터리를 사용하기 위해서는 내식성, 사고시 내성 또는 진동 강도와 같은 많은 문제들이 해결되어야 한다. 다른 문제는 오랜 기간에 걸친 배터리 셀의 기밀도이다. 기밀도는 예컨대 배터리 셀의 전극 또는 배터리 셀의 전극 피드스루의 영역에서 누설에 영향을 줄 수 있다. 이러한 누설은 예컨대 온도 변동 부하 및 기계적 교번 하중, 예컨대 자동차 내의 진동 또는 플라스틱의 에이징에 의해 야기될 수 있다. 배터리 또는 배터리 셀의 단락 또는 온도 변동은 배터리 또는 배터리 셀의 수명을 줄일 수 있다.
사고시 양호한 내성을 보장하기 위해, DE 101 05 877 A1은 예컨대 리튬-이온 배터리용 하우징을 제안하고, 상기 하우징은 양면에서 개방되고 폐쇄된 금속 케이싱을 포함한다. 전류 접속부 또는 전극은 플라스틱에 의해 절연된다. 플라스틱 절연의 단점은 제한된 온도 내성, 제한된 기계적 내성, 에이징 및 수명에 걸친 불확실한 기밀도이다. 선행 기술에 따른 리튬-이온 배터리에서 전류 피드스루는 예컨대 리튬-이온 배터리의 커버 부분 내로 기밀 방식으로 조립되지 않는다. 또한, 전극들은 배터리의 내부 공간에서 추가의 절연체와 스퀴징되고 레이저 용접된 결합 부품이다.
선행 기술에 따른 리튬-이온 배터리의 다른 문제는 배터리 셀들이 큰 조립 공간을 가지며 높은 전류로 인해 저항 손실에 의해 매우 신속한 가열 및 그에 따라 온도 변동을 나타낸다는 것이다.
DE 27 33 948 A1에는 절연체, 예컨대 유리 또는 세라믹이 직접 용융 화합물에 의해 금속 부분과 결합되는 알칼리 배터리가 개시되어 있다.
금속 부분들 중 하나는 알칼리 배터리의 애노드와 전기 접속되고, 금속 부분들 중 다른 하나는 알칼리 배터리의 캐소드와 전기 접속된다. DE 27 33 948 A1에 사용된 금속들은 철 또는 강이다. 알루미늄과 같은 경금속은 DE 27 33 948 A1에 개시되지 않는다. 유리 또는 세라믹 재료의 용융 온도도 DE 27 33 948 A1에 제시되지 않는다. DE 27 33 948 A1에 개시된 알칼리 배터리는 DE 27 33 948 A1에 따라 나트륨 하이드록사이드 또는 칼륨 하이드록사이드를 포함하는 알칼리 전해질을 가진 배터리이다. DE 27 33 948 A1에는 리튬-이온 배터리의 언급이 없다.
DE 698 04 378 T2 또는 EP 0 885 874 B1에는 비대칭의, 유기 카본산에스테르의 제조 및 알칼리-이온 배터리용 무수의 유기 전해질의 제조 방법이 개시되어 있다. 재충전 가능한 리튬-이온 셀용 전해질은 DE 698 04 378 T2 또는 EP 0 885 874 B1에 개시되어 있다.
관통 연결을 수용하는 셀 베이스용 재료는 개시되어 있지 않으며, 티타늄, 알루미늄, 니켈 합금 또는 스테인리스 강으로 이루어질 수 있는 접속 핀용 재료만이 개시되어 있다
DE 699 23 805 T2 또는 EP 0 954 045 B1은 개선된 전기 효율성을 가진 RF-피드스루를 개시한다. EP 0 954 045 B1에 개시된 피드스루는 유리-금속 피드스루가 아니다. EP 0 954 045 B1에는 예컨대 패키지의 금속 벽 내부에 직접 형성된 유리-금속 피드스루가 바람직하지 않은 것으로서 개시되는데, 그 이유는 그러한 RF-피드스루가 유리의 취성 때문에 영구적이지 않기 때문이다.
DE 690 230 71 T2 또는 EP 0 412 655 B1은 배터리 또는 다른 전기 화학적 셀용 유리-금속 피드스루를 개시하며, 유리로서 대략 45 중량%의 SiO2 함량을 가진 유리가 사용되고, 금속으로서 특히 몰리브덴 및/또는 크롬 및/또는 니켈을 포함하는 합금이 사용된다. 경금속의 사용은 DE 690 23 071 T2에서, 사용된 유리의 용융 온도와 마찬가지로 거의 개시되지 않는다. 핀형 도체용 재료는 DE 690230 71 T2 또는 EP 0 412 655 B1에 따라 몰리브덴, 니오븀 또는 탄탈을 포함하는 합금이다.
US 7,687,200에는 리튬-이온 배터리용 유리-금속 피드스루가 개시되어 있다. US 7,687,200에 따라 하우징은 특수 강으로 이루어졌으며 핀형 도체는 백금/이리듐으로 이루어졌다. 유리 재료로는 US 7,687,200에 유리 TA23 및 CABAL-12가 제시된다. US 5,015,530에 따라 유리 재료는 1025℃ 또는 800℃의 용융 온도를 가진 CaO-MgO-Al2O3-B2O3-시스템이다. 또한, US 5,015,530에는 CaO, Al2O3, B2O3, SrO 및 BaO를 포함하며 용융 온도가 650℃-750℃의 범위 내에 있기 때문에 경금속과 함께 사용하기에 너무 높은, 리튬 배터리용 유리-금속 피드스루의 유리 조성물이 개시되어 있다.
US 4,841,101에는 유리 재료를 가진 실질적으로 핀형의 도체가 금속링 내로 유리로 결합(유리 결합)되는 피드스루가 개시되어 있다. 금속 링은 다시 하우징의 개구 또는 홀 내로 삽입되고, 예컨대 납땜 링을 채운 후에 납땜에 의해 내벽 또는 홀과 특히 재료 결합 방식으로 결합된다. 금속 링은 배터리 하우징의 알루미늄의 높은 열 팽창 계수를 보상하기 위해 유리 재료와 실질적으로 동일한 또는 유사한 열 팽창 계수를 갖는 금속으로 이루어진다. US 4,841,101에 개시된 실시예에서, 금속 링의 길이는 항상 하우징 내의 홀 또는 개구보다 짧다. US 4,841,101에는 유리 조성이 제시되어있지 않으며, 예컨대 배터리, 특히 리튬-이온 어큐뮬레이터를 위한 피드스루의 특별한 사용도 개시되어 있지 않다.
본 발명의 과제는 선행 기술의 문제들이 해결된, 특히 저항 손실이 작게 유지되고 배터리 셀 내에 피드스루의 조립 후 단지 작은 조립 공간만이 필요한, 피드스루를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 피드스루에서 저-융점 경금속, 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티티늄 합금 또는 금속, 특히 강, 특수 강, 특히 스테인리스 강 또는 AlSiC로 이루어진 특히, 배터리 셀용 하우징의 하우징 부품 내의 개구를 통해, 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체가 유리 또는 유리 세라믹 재료 내에서 안내됨으로써 달성된다.
본 발명은 도체가 적어도 2개의 섹션, 즉 유리 또는 유리 세라믹 재료를 통과하는 피드스루의 영역에서 실질적으로 둥근, 특히 원형의 제 1 횡단면을 가진 제 1 섹션, 및 실질적으로 둥글지 않은, 특히 실질적으로 직사각형의 제 2 횡단면을 가진 제 2 섹션을 포함하고, 도체가 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예에서 도체는 배터리 셀을 향한 그 단부에서, 전기 화학적 셀용 캐소드 또는 애노드로서 사용되거나 또는 애노드 또는 캐소드와 결합 가능한 섹션을 형성한다. 도체에 별도의 전극 결합 부품이 예컨대 용접에 의해 장착된 실시예와는 달리, 제조 비용이 최소화될 수 있는데, 그 이유는 2개의 부분들이 결합될 필요가 없기 때문이다.
제 2 섹션에서 실질적으로 직사각형의 횡단면에 의해, 전기 화학적 셀이 매우 간단히 제 2 섹션의 평면 부분에 접속될 수 있다. 유리 결합의 영역 내의 제 1 섹션의 실질적으로 둥근 횡단면은 간단하고 확실한 유리 결합 가능성을 제공하며, 이는 제조를 훨씬 간단하게 한다.
바람직한 실시예에서, 제 2 섹션은 적어도 2개의 휨 부분 및 그에 따라 2개의 영역을 포함한다. 이로 인해, 전극 간격이 상이한 배터리 셀에 대해 쉽게 설정될 수 있다. 특히, 제 2 섹션은 전기 화학적 셀의 애노드 및/또는 캐소드와 결합 가능한 제 1 영역, 및 제 2 영역을 포함한다. 제 2 영역에 의해 배터리 셀 내의 전극 간격이 각각의 배터리 셀에 쉽게 맞춰질 수 있다.
배터리 셀의 내부 공간 내의 장소를 절감하기 위해, 본 발명의 개선예에서, 제 2 섹션의 제 2 영역이 실질적으로 수평으로 연장하고, 제 1 섹션에 대해 및/또는 전기 화학적 셀의 애노드 및/또는 캐소드와 결합 가능한 제 1 영역에 대해 수직으로 연장한다.
전류 라인에서 저항 손실을 피하고 그에 따라 배터리 셀의 너무 높은 열 부하를 피하기 위해, 제 1 섹션의 제 1 횡단면은 제 2 섹션의 제 2 횡단면과 실질적으로 동일한 크기이다.
특히 제 2 섹션의 영역에서 도체의 휨을 피하기 위해, 제 2 섹션은 바람직하게는 제 2 섹션의 제 2 영역에 보강부, 특히 U-프로파일을 포함한다.
피드스루의 일 실시예에서, 도체는 도체가 유리 결합되는 추가의 베이스 바디에 의해 하우징 부품을 통해 안내된다. 이러한 실시예는 피스스루가 조립식으로 생산하는 것을, 즉 도체를 베이스 바디 내로 유리 결합된 다음 하우징 부품, 특히 배터리 셀 내로 조립하는 것을 허용한다. 이 경우, 베이스 바디는 피드스루의 각각의 제조 기술 및 형태 그리고 하우징 부품의 제조 기술 및 형태에 대해 최적화될 수 있다. 특히, 조립식 생산에 의해, 직접 하우징 부품 내로 유리 결합 시보다 훨씬 더 작은 가열 장치가 사용될 수 있는데, 그 이유는 전체 하우징 부품이 예컨대 로 내에서 가열될 필요가 없고 훨씬 더 작은 치수를 가진 베이스 바디만 가열되면 되기 때문이다. 또한, 베이스 바디 및 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체로 이루어진 피드스루의 조립식 생산이 가능한, 이러한 실시예는 예컨대 하우징 부품의 가공 경화 가능성을 이용해서, 예컨대 단일 단계의 프로세스에서 하우징 부품의 개구 내로 피드스루의 경제적인 삽입을 가능하게 한다. 구체적으로 이는 먼저 하우징 부품 내로, 예컨대 커버 내로 개구가 예컨대 펀칭에 의해 형성되는 것을 의미한다. 하우징은 가열되지 않기 때문에 가공 경화된다. 이와 달리, 베이스 바디는 연화되는데, 그 이유는 핀형 도체의 유리 결합 시에 베이스 바디가 유리 또는 유리 세라믹 재료와 함께 가열되기 때문이다. 이로 인해, 예컨대 하우징 부품 내로 직접 유리 결합와는 달리 하우징 부품, 특히 커버 부분의 가공 경화의 손실이 나타나지 않기 때문에, 특히 피드스루의 영역에서 구조적으로 안정한 배터리 셀 하우징을 제조하는 것이 가능하다. 다른 장점은 하우징 부품의 재료 두께가 유리 결합이 이루어지는 베이스 바디에 비해 훨씬 더 작게 선택될 수 있다는 것이다. 예컨대, 하우징 부품의 재료 두께는 1.5 mm 이하인 반면, 베이스 바디는 강도의 이유로 2.0 mm, 특히 3.0 mm 이상의 두께를 갖는다. 하우징 또는 하우징 부품의 재료 두께는 바람직하게 1 mm 내지 3 mm, 바람직하게는 1.5 mm 내지 3 mm 이다. 베이스 바디의 두께는 2 mm 내지 6 mm, 바람직하게는 2.5 mm 내지 5 mm 이다. 베이스 바디의 두께는 항상 하우징 또는 하우징 부품, 특히 피드스루가 삽입되는 배터리 커버의 재료 두께에 맞게 선택된다. 베이스 바디 내로 유리 결합 및 후속해서 하우징 부품의 개구 내로 베이스 바디의 삽입에 대한 대안으로서, 직접 유리 결합도 가능하다. 이는 조립 공간 손실이 최소화되어야 하는 경우에 바람직하다. 물론, 하우징 및/또는 유리 재료에 대한 재료 선택은 제한된다. 베이스 바디의 사용시, 바람직하게는 베이스 바디 및 하우징 부품의 재료가 특히 재료의 품질 및 합금의 선택과 관련해서 상이하게 선택될 수 있다. 피드스루는 하우징 부품 내의 베이스 바디와 용접, 납땜, 압입, 플랜징 또는 수축에 의해 기밀 방식으로 결합될 수 있다. 예컨대 용접에 의한 피드스루와 하우징 부품의 결합시, 유리 또는 유리 세라믹 재료의 손상을 피하기 위해 온도 도입이 가능한 낮아야 한다. 기밀 방식은 본 출원서에서 직접 유리 결합에 있어서 그리고 베이스 바디 내로 유리 결합에 있어서 헬륨 누설률이 1·10-8 mbar l/sec 보다 작다는 것을 의미한다. 다단계 프로세스에서 피드스루용 플라스틱 밀봉이 제공되어야 하는 선행 기술과는 달리, 단일의 간단한 방법 단계에서 본 발명에 따른 피드스루 부품과 하우징 부품의 기밀 방식 결합이 형성될 수 있다.
또한, 베이스 바디의 선택은 하우징 부품의 재료를 고려해서 이루어질 수 있고, 이는 가장자리 실시예 및 재료 경도와 관련되며 특히 하우징의 폐쇄 방법과 관련된다. 배터리 셀의 하우징이 예컨대 알루미늄으로 이루어지면, 베이스 바디의 재료로서 알루미늄도 선택될 수 있다.
또한, 배터리 셀의 하우징의 하우징 부품 내에 피드스루에 추가해서 다른 기능, 예컨대 안전 밸브 및/또는 배터리 충전구가 제공될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서 하우징 부품 및/또는 베이스 바디, 바람직하게는 실질적으로 링형의 베이스 바디가 재료로서 금속, 특히 경금속, 예컨대 티타늄, 티타늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, 알루미늄, AlSiC, 및 강, 스테인리스 강 또는 특수 강을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 티타늄 합금으로는 예컨대 Ti6246 및/또는 Ti6242가 사용될 수 있다. 티타늄은 신체 적합성 재료이므로, 의료 용도에, 예컨대 보철 치료에 사용된다. 또한, 티타늄은 특별한 강도, 내성 및 적은 중량 때문에 특별한 용도에, 예컨대 레이싱에 그리고 항공 우주 산업에 사용된다.
베이스 바디 및/또는 하우징 부품에는 후속 열처리를 위해 제공되는 고-합금 공구 강이 사용될 수도 있다. 특수 강으로는 예컨대 X12CrMoS17, X5CrNi1810, XCrNiS189, X2CrNi1911, X12CrNi177, X5CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2, X6CrNiTi1810 및 X15CrNiSi25-20, X10CrNi1808, X2CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2가 사용될 수 있다. 레이저 용접시 및 저항 용접시 특히 양호한 용접 가능성을 제공하기 위해, 베이스 바디 및/또는 하우징 부품, 특히 배터리 셀 하우징의 재료로서 특수 강, 특히 유럽 규격(EN)에 따른 재료 번호 1.4301, 1.4302, 1.4303, 1.4304, 1.4305, 1.4306, 1.4307를 가진 Cr-Ni-강이 사용된다. 연강으로는 St35, St37 또는 St38이 사용될 수 있다.
핀형 도체가 전기 화학적 셀 또는 배터리 셀의 캐소드에 접속되면 핀형 도체에는 특히 구리(Cu) 또는 구리 합금이 사용되고, 도체, 특히 핀형 도체가 애노드에 접속되면 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금이 사용된다. 핀형 도체에 대한 다른 재료는 마그네슘, 마그네슘 합금, 구리 합금, CuSiC, AlSiC, NiFe, 구리 코어, 즉 구리 내부 부분을 가진 NiFe-케이싱, 은, 은 합금, 금, 금 합금 및 코발트-철 합금이 있다.
특히 도체용 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로는 다음과 같은 것이 있다:
EN AW-1050 A
EN AW-1350
EN AW-2014
EN AW-3003
EN AW-4032
EN AW-5019
EN AW-5056
EN AW-5083
EN AW-5556A
EN AW-6060
EN AW-6061.
특히 도체용 구리로는 다음과 같은 것이 있다:
Cu-PHC 2.0070
Cu-OF 2.0070
Cu-ETP 2.0065
Cu-HCP 2.0070
Cu-DHP 2.0090.
본 출원서에서 경금속은 5.0 kg/d㎥ 보다 작은 비중을 가진 금속을 의미한다. 특히, 경금속의 비중은 1.0 kg/d㎥ 내지 3.0 kg/d㎥ 의 범위 내에 놓인다.
경금속이 도체, 예컨대 핀형 도체 또는 전극 결합 부품의 재료로서 사용되면, 경금속은 또한 5·106S/m 내지 50·106S/m 범위의 비전기 전도성을 갖는다. 압축 유리 피드스루에 사용시 20℃ 내지 300℃ 범위에 대해 팽창 계수 α는 18·10-6/K 내지 30·10-6/K의 범위 내에 놓인다.
일반적으로 경금속은 350℃ 내지 800℃ 범위의 용융 온도를 갖는다.
바람직하게는 베이스 바디가 링형 베이스 바디로서 형성되고, 바람직하게는 원형 및 타원형 베이스 바디로서 형성된다. 타원 형태는, 피드스루가 삽입되는 개구를 가진 하우징 부품, 특히 배터리 셀의 커버 부분이 좁고 긴 형태를 가지며 도체가 개구 내에서 하우징 부품을 통해 안내되게 하는 유리 또는 유리 세라믹 재료가 베이스 바디와 도체 사이에 완전히 삽입되는 경우에 특히 바람직하다. 이러한 실시예는 실질적으로 핀형의 도체와 실질적으로 링형의 베이스 바디로 이루어진 피드스루의 조립식 생산을 허용한다.
바람직하게는 일 실시예에서 유리 또는 유리 세라믹 재료로서, 베이스 바디 및/또는 실질적인 도체의 용융 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는 재료가 선택된다. 낮은 용융 온도를 가진 유리 또는 유리 세라믹 조성물, 바람직하게는 하기 성분을 포함하는 조성물이 특히 바람직하다:
P2O5 35-50 몰%, 특히 39-48 몰%
Al2O3 0-14 몰%, 특히 2-12 몰%
B2O3 2-10 몰%, 특히 4-8 몰%
Na2O 0-30 몰%, 특히 0-20 몰%
M2O 0-20 몰%, 특히 12-20 몰%, 이 경우 M=K, Cs, Rb 일 수 있음
PbO 0-10 몰%, 특히 0-9 몰%
Li2O 0-45 몰%, 특히 0-40 몰%, 특히 바람직하게 17-40 몰%
BaO 0-20 몰%, 특히 0-20 몰%, 특히 바람직하게 5-20 몰%
Bi2O3 0-10 몰%, 특히 1-5 몰%, 특히 바람직하게 2-5 몰%.
하기 성분을 포함하는 조성물이 특히 바람직하다:
P2O5 38-50 몰%, 특히 39-48 몰%
Al2O3 3-14 몰%, 특히 2-12 몰%
B2O3 4-10 몰%, 특히 4-8 몰%
Na2O 10-30 몰%, 특히 0-20 몰%
K2O 10-20 몰%, 특히 12-19 몰%
PbO 0-10 몰%, 특히 0-9 몰%.
전술한 유리 조성물은 낮은 용융 온도 및 낮은 Tg를 가질 뿐만 아니라, 배터리 전해질에 대해 충분히 높은 내성을 가지며 그 점에서 요구되는 장기간 내성을 보장한다.
바람직한 것으로 나타나는 유리 재료는 공지된 알칼리-포스페이트 유리보다 훨씬 더 낮은 총 알칼리 함량을 가진 안정한 포스페이트 유리이다.
포스페이트 유리의 일반적으로 높은 결정화 안정성에 의해, 일반적으로 온도 < 600℃에서도 유리의 용융이 방해받지 않는 것이 보장된다. 이는 제시된 유리 조성물이 유리 땜납으로서 사용되는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 일반적으로 온도 < 600℃에서도 유리 조성물의 용융이 방해받지 않기 때문이다.
전술한 유리 조성물들은 유리 구조 내로 삽입된 Li를 포함한다. 이로 인해, 유리 조성물들은 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트의 1:1 혼합물을 포함하는 Li, 예컨대 1 M LiPF6-용액 기반의 전해질을 포함하는 Li-이온 저장 장치에 특히 적합하다.
저-나트륨 또는 나트륨 없는 유리 조성물이 특히 바람직한데, 그 이유는 알칼리 이온의 확산이 Na+ > K+ > Cs+ 의 순서로 이루어지므로 저-나트륨 또는 나트륨 없는 유리가 특히 Li-이온 저장 장치에 사용되는 바와 같은 전해질에 대해 특히 내성을 갖기 때문이다.
또한, 이러한 유리 조성물들은 20℃ 내지 300℃ 범위에서 > 14·10-6/K, 특히 15·10-6/K 내지 25·10-6/K 의 열 팽창을 갖는다. 전술한 유리 조성물의 다른 장점은 주변 경금속 또는 특히 금속 핀 형태의 도체의 금속과 유리의 용융이 보호 가스 분위기가 아닌 가스 분위기 하에서도 가능하다는 것이다. 지금까지의 방법과는 달리, Al-용융을 위한 진공도 필요 없다. 오히려, 그런 용융이 공기 하에서도 이루어질 수 있다. 2가지 방식의 용융을 위해 보호 가스로서 N2 또는 Ar이 사용될 수 있다. 금속, 특히 경금속이 산화되거나 또는 코팅되어야 하면, 용융을 위한 예비 처리로서, 상기 금속, 특히 경금속이 세척 및/또는 에칭된다. 프로세스 동안 300℃ 내지 600℃의 온도가 0.1 내지 30 K/min의 가열 속도 및 1 내지 60 분의 유지 시간으로 사용된다.
용융 온도는 예컨대 R. Goerke, K.-J. Leers: Keram. Z. 48(1996) 300-305에 개시된 또는 DIN 51730, ISO 540 또는 CEN/TS 15404 및 15370-1에 따른 반구형 변화 온도에 의해 결정될 수 있고, 상기 간행물의 공개 내용은 전체가 본 출원서에 포함된다. 반구형 변화 온도의 측정은 DE 10 2009 011 182 A1에 상세히 설명되고, 이 독일 공보의 공개 내용은 전체가 본 출원서에 포함된다. DE 10 2009 011 182 A1에 따라 반구형 변화 온도는 현미경 방법에서 발열 현미경으로 측정될 수 있다. 반구형 변화 온도는 원래 원통형 시편이 용융되어 반구형 덩어리를 형성하는 온도를 나타낸다. 반구형 변화 온도에는 기술 문헌에 나타나는 바와 같이, 대략 log η=4.6 dPas의 점성이 할당될 수 있다. 결정화 없는 유리가 예컨대 유리 분말의 형태로 용융되고 다시 냉각되면, 상기 유리가 응고되고, 통상 동일한 용융 온도에서 다시 용융될 수 있다. 이는 결정화 없는 유리와의 접합을 위해, 접합이 지속적으로 노출될 수 있는 작동 온도가 용융 온도보다 더 높지 않아야 한다는 것을 의미한다. 여기에 사용되는 유리 조성물은 일반적으로 종종 유리 분말로부터 제조되고, 상기 유리 분말은 용융되며 열 작용 하에서 결합될 부품과 접합을 형성한다. 용융 온도는 일반적으로 유리의 소위 반구형 변화 온도의 높이에 대략 상응한다. 낮은 용융 온도를 가진 유리를 유리 땜납이라고도 한다. 이 경우에는, 용융 온도 대신에 납땜 온도라고 한다. 용융 온도 또는 납땜 온도는 반구형 변화 온도와 ±20 K의 편차를 가질 수 있다.
배터리 하우징 또는 배터리 셀 하우징의 하우징 부품이 외부면 및 내부면을 갖고 피드스루의 베이스 바디가 예컨대 플랜징, 용접, 압입, 납땜 또는 수축에 의해 하우징 부품의 내부면 또는 외부면과 결합되는 것이 특히 바람직하다.
이를 위해, 베이스 바디가 돌출부를 포함함으로써, 베이스 바디의 일 부분이 하우징 부품의 개구 내로 삽입되고, 베이스 바디의 다른 부분이 개구를 지나 돌출하여 하우징 부품의 내부면 또는 외부면 상에 놓이거나 또는 거기서 하우징 부품과 결합될 수 있는 것이 특히 바람직하다.
본 발명은 피드스루와 더불어, 전기 저장 장치, 특히 배터리 셀용 하우징을 제공한다. 하우징은 적어도 하나의 개구를 가진 적어도 하나의 하우징 부품을 포함하고, 상기 하우징 부품의 개구가 베이스 바디 내로 유리 결합된 적어도 하나의 핀형 도체를 포함하는 본 발명에 따른 피드스루를 수용하는 것을 특징으로 한다.
하우징이 제공되는 배터리 셀은 리튬-이온 배터리용 배터리 셀인 것이 특히 바람직하다.
또한, 본 발명은
- 바람직하게는 둥근, 특히 원형 횡단면을 가지며 실질적으로 핀 형태일 수 있지만 반드시 핀 형태일 필요는 없는 도체가 2개의 섹션, 즉 실질적으로 둥근, 특히 원형 횡단면을 가진 제 1 섹션 및 실질적으로 둥글지 않은, 특히 직사각형 횡단면을 가진 제 2 섹션을 갖도록 변형되는 단계,
- 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체가 상기 제 1 섹션에서 유리 또는 유리 세라믹 재료 내로 유리 결합되어, 하우징, 특히 배터리 셀 하우징의 하우징 부품용 피드스루를 형성하는 단계를 포함하는
적어도 하나의 실질적으로 핀형의 도체를 가진 피드스루의 제조 방법을 제공한다.
도체가 하우징 부품의 개구 내로 삽입되기 전에 베이스 바디 내로 유리 결합된 다음, 유리 결합된 도체를 가진 베이스 바디가 하우징 부품의 개구 내로 삽입되는 것이 특히 바람직하다. 이러한 조치의 장점은 앞에 상세히 설명되어 있다.
이와 더불어, 직접 유리 결합도 가능하다. 즉, 유리 결합이 직접 하우징의 커버 부분 내로 이루어지고, 이는 특히 조립 공간의 관점 하에서 바람직하다.
전극 간격들을 설정하기 위해, 도체는 도체의 제 2 섹션이 2개의 휨 부분을 갖도록 변형된다.
도체의 제 2 섹션이 전기 화학적 셀의 애노드 및/또는 캐소드로서 사용될 수 있는 또는 애노드 및/또는 캐소드와 결합될 수 있는 제 1 영역, 및 실질적으로 수평으로 연장하고 제 1 섹션에 대해 및/또는 애노드 및/또는 캐소드와 결합될 수 있는 상기 제 1 영역에 대해 수직인 제 2 영역을 포함하도록 변형되면, 상이한 배터리 셀들에 따른 전극 간격의 조정이 매우 용이하게 이루어진다.
이와 더불어, 하우징 부품 내로 베이스 바디를 포함하는 피드스루를 삽입하는 방법이 제시되며, 이 방법은 베이스 바디 및 그 안에 유리 결합된 도체, 특히 핀형의 도체를 포함하는 피드스루에서, 베이스 바디가 용접, 바람직하게는 레이저 빔 용접, 전자 빔 용접, 초음파 용접, 저항 용접에 의해 그리고 대안으로서 납땜, 수축, 압입 또는 플랜징에 의해 하우징 부품과 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 선행 기술의 문제들이 해결되는, 특히 저항 손실이 작게 유지되고 배터리 셀 내에 피드스루의 조립 후 단지 작은 조립 공간만이 필요한, 피드스루가 제공된다.
본 발명이 이하에서 실시예 및 도면을 참고로 상세히 설명되지만, 이것에 제한되지는 않는다.
도 1a 및 도 1b는 금속 핀, 및 하우징 부품 내에 플랜지 링으로서 형성된 베이스 바디를 구비한 피드스루의 제 1 실시예.
도 2a 및 도 2b는 용접 링으로서 형성된 베이스 바디를 구비한 피드스루의 제 2 실시예.
도 3은 베이스 바디가 개구의 영역에서 레이저 용접, 납땜, 수축 또는 전기 용접에 의해 하우징 부품과 결합되는 피드스루의 제 3 실시예.
도 4a 내지 도 4c는 하우징 부품의 개구 내로 삽입된 베이스 바디로서 원추형 링을 구비한 피드스루의 제 4 실시예.
도 5a 및 도 5b는 열 차폐부 및 기계적 부하 경감부를 구비한 피드스루의 실시예.
도 6a 및 도 6b는 열 차폐부 및 기계적 부하 경감부를 구비한 피드스루의 실시예.
도 7a 및 도 7b는 2 부분의 실시예의 전극 결합 부품을 가진 피드스루 부품를 구비한 피드스루 및 배터리 셀 하우징을 포함하는 배터리 셀의 제 1 실시예.
도 8a 및 도 8b는 2 부분 실시예의 전극 결합 부품을 가진 피드스루 부품을 구비한 피드스루 및 배터리 셀 하우징을 포함하는 배터리 셀의 제 2 실시예.
도 9a 내지 도 9c는 일체형 실시예의 본 발명에 따른 피드스루 부품을 구비한 피드스루를 포함하는 배터리 셀의 배터리 셀 하우징용 커버 부분의 제 1 내지 제 3 실시예.
도 10a 내지 도 10c는 도체가 직접 커버 부분의 개구 내로 유리 결합된, 일체형 실시예의 피드스루를 구비한 배터리 셀의 배터리 셀 하우징용 커버 부분의 제 4 실시예.
도 10d 및 도 10e는 도 10a 내지 도 10c에 따른 피드스루의 도체의 확대도.
도 11a 내지 도 11c는 도체가 직접 커버 부분의 개구 내로 유리 결합된, 일체형 실시예의 피드스루를 구비한 배터리 셀의 배터리 셀 하우징용 커버 부분의 제 5 실시예.
도 11d 및 도 11e는 도 11a 내지 도 11c에 따른 피드스루의 도체의 확대도.
도 1a 내지 도 6b에는 도체, 특히 핀형 도체가 유리 결합된 베이스 바디를 포함하는 피드스루의 실시예가 도시된다. 베이스 바디를 포함하는 피드스루는 본 발명에 대한 예시이며 필수적이지 않다. 예컨대, 도 10a 내지 도 11e에 도시된 바와 같은 직접 유리 결합도 가능하다. 도 1a 내지 도 6b에는 유리 결합의 영역에서 도체만이 도시된다. 일체형 실시예로 2개의 섹션을 가진 본 발명에 따른 도체와 관련해서 도 9a 내지 도 11e가 참고된다.
도 1a에는 예컨대 도 7a 내지 도 11c에 따라 하우징, 바람직하게는 어큐뮬레이터용 하우징, 특히 리튬-이온 배터리용 배터리 셀의 하우징 부품(5)을 통과하는 피드스루(3)가 도시된다.
하우징 부품(5)은 이 하우징 부품 내에 형성된 개구(7)를 포함한다. 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체(11)의 하나의 섹션을 수용하는 베이스 바디, 특히 실질적으로 링형의 베이스 바디(9)를 포함하는 본 발명에 따른 피드스루는 개구(7) 내로 삽입된다. 도시된 실시예에서 실질적으로 링형의 베이스 바디(9) 내에, 도체의 실질적으로 둥근, 특히 원형의 횡단면을 가진 섹션, 특히 제 1 섹션이 유리 결합된다. 베이스 바디 및 그에 따라 개구(7)를 통해 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체(11)를 기밀 방식으로 안내하기 위해, 실질적으로 핀형의 도체(11)의 섹션이 유리 또는 유리 세라믹 재료로 이루어진 유리 덩어리 내로 용융된다. 즉, 베이스 바디(9) 및 실질적으로 핀형의 도체(11)가 유리(13)와 함께 용융된다. 예컨대 베이스 바디, 핀형 도체 및 유리 재료에 상이한 팽창 계수 α를 가진 재료들이 사용되면, 소위 압축 유리 피드스루가 제공될 수 있다. 압축 유리 피드스루의 장점은 유리 덩어리에 대한 높아진 하중 하에서도, 예컨대 압축 하중에서도 금속 핀을 가진 유리 덩어리가 베이스 바디 밖으로 밀려나가는 것이 방지된다는 것이다. 바람직하게는 유리 또는 유리 세라믹 재료의 용융 온도가 베이스 바디(9) 및/또는 핀형 도체의 재료의 용융 온도보다 20 K 내지 100 K 더 낮다. 베이스 바디(9)가 저-용융 금속, 특히 경금속, 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, AlSiC, 티타늄, 티타늄 합금, 및 강, 스테인리스 강 또는 특수 강으로 이루어지면, 도체가 통과하는 유리 재료는 하기 성분을 몰%로 포함하는 것이 바람직하다:
P2O5 35-50 몰%, 특히 39-48 몰%
Al2O3 0-14 몰%, 특히 2-12 몰%
B2O3 2-10 몰%, 특히 4-8 몰%
Na2O 0-30 몰%, 특히 0-20 몰%
M2O 0-20 몰%, 특히 12-20 몰%, 이 경우 M=K, Cs, Rb 일 수 있음
PbO 0-10 몰%, 특히 0-9 몰%, 특히 바람직하게 PbO 0 몰%
Li2O 0-45 몰%, 특히 0-40 몰%, 특히 바람직하게 17-40 몰%
BaO 0-20 몰%, 특히 0-20 몰%, 특히 바람직하게 5-20 몰%
Bi2O3 0-10 몰%, 특히 1-5 몰%, 특히 바람직하게 2-5 몰%.
특히 바람직한 실시예에서, 유리 조성물은 하기 성분을 몰%로 포함한다:
P2O5 38-50 몰%, 특히 39-48 몰%
Al2O3 3-14 몰%, 특히 4-12 몰%
B2O3 4-10 몰%, 특히 4-8 몰%
Na2O 10-30 몰%, 특히 14-20 몰%
K2O 10-20 몰%, 특히 12-19 몰%
PbO 0-10 몰%, 특히 0-9 몰%, 특히 바람직하게 PbO 0 몰%.
바람직한 실시예에서, 유리 조성물은 적어도 17 몰% Li2O 및 최대 35 몰% Li2O를 포함한다. 이러한 유리 조성물들은 Li를 포함하는 전해질에 대한 충분한 내성 및 충분한 결정화 안정성을 갖기 때문에, 일반적으로 온도 < 600℃에서 유리의 용융이 방해받지 않는다.
특히 바람직한 유리 조성물에서, 이 조성물은 4-8 몰% Bi2O3 를 포함한다. Bi2O3 는 특히 환경에 유해한 PbO를 대체할 수 있다. 또한, Bi2O3 의 첨가에 의해 물에 대한 내성이 현저히 높아질 수 있다. 특히, 1 몰% Bi2O3 의 첨가에 의해서도 실질적으로 동일한 알칼리 함량을 가진 알칼리-포스페이트 유리 조성물은 놀랍게도 불순물을 제외하고 Bi2O3 가 없는 알칼리-포스페이트 유리 조성물보다 약 10배의 물에 대한 내성을 가질 수 있다. 이러한 효과는 당업자에게 놀라운 것이다.
환경적 이유로, 불순물을 제외하고 Pb 가 없는, 즉 PbO가 0 몰%인 유리가 특히 바람직하다. 불순물을 제외하고 Pb가 없다는 것은 본 출원서에서 전술한 바와 같이 유리가 < 100 ppm, 바람직하게는 < 10 ppm, 특히 바람직하게는 < 1 ppm의 납을 포함하는 것을 의미한다.
이하, 전술한 유리 조성물들에 대한 8개의 실시예가 표 1에 제시된다.
표 1:
실시예 :
AB1 AB2 AB3 AB4 AB5 AB6 AB7 AB8
몰%
P2O5 47.6 43.3 43.3 43.3 37.1 40.0 42,0 46.5
B2O3 7.6 4.8 4.7 4.8 4.9 6.0 6.0 7.6
Al2O3 4.2 8.6 8.7 2.0 2 12.0 12.0 4.2
Na2O 28.3 17.3 15.0 16.0 28.3
K2O 12.4 17.3 17.3 18.0 19.0 12.4
PbO 9.0
BaO 8.7 8.7 15.4 14
Li2O 17.3 34.6 42.1
Bi2O3 5 1
반구형 변화온도(℃) 513 554 564 540 625 553 502
α(20-300℃)
(10-6/K)		 19 16.5 14.9 13.7 14.8 16.7 16.0 19.8
Tg(℃) 325 375 354 369 359 392 425 347
밀도
[g/㎤]		 2.56 3 3.02 2.63
용리
질량%		 18.7 14.11 7.66 12.63 1.47 3.7 29.01 8.43
70℃물에서 70시간 후
중량손실(%)		 10.7 0.37 0.1 0.13 0.13 n.B. 0.006/0.001 0.45/0.66
상기 특별한 유리 조성물은 유리 재료가 20℃ 내지 300℃의 온도에 대해 범위 > 15 x 10-6K-1, 바람직하게는 범위 15 x 10-6K-1 내지 25 x 10-6K-1 에 놓이기 때문에 알루미늄과 같은 경금속, 및 유리 재료를 통과하는 실질적으로 핀형의 도체(11)용 유사한 금속, 예컨대 구리의 열 팽창의 범위에 놓이는 매우 높은 열 팽창을 갖는 것을 특징으로 한다. 알루미늄은 실온에서 α= 23 x 10-6/K의 열 팽창, 구리는 16.5 x 10-6/K의 열 팽창을 갖는다. 유리 결합 시에 베이스 바디 및 경우에 따라 금속 핀의 경금속이 용융되거나 변형되는 것을 방지하기 위해, 유리 재료의 용융 온도는 베이스 바디 및/또는 도체의 재료의 용융 온도보다 낮다. 제시된 유리 조성물의 용융 온도는 250℃ 내지 650℃의 범위 내에 놓인다. 개구(7) 내로 피드스루를 삽입하기 전에 베이스 바디(9) 내로 실질적으로 핀형의 도체(11)를 유리 결합시키는 것은 유리가 도체, 특히 핀형 도체와 함께 유리의 용융 온도로 가열되므로 유리 재료가 연화되고 개구 내에서 도체, 특히 핀형 도체를 둘러싸며 베이스 바디(9)에 접촉함으로써 달성된다. 전술한 바와 같이, 예컨대 알루미늄이 융점 Tschmelz = 660.32 ℃를 가진 경금속으로서 베이스 바디(9)에 사용되면, 유리 재료의 용융 온도는 전술한 바와 같이, 바람직하게는 350℃ 내지 640℃ 범위 내에 놓인다. 핀형 도체(11)의 재료가 베이스 바디의 재료와 동일한 것이 바람직하며, 이는 베이스 바디에 대한 팽창 계수와 금속 핀에 대한 팽창 계수가 동일하다는 장점을 갖는다. 핀형 도체는 재료로서 알루미늄, 알루미늄 합금, AlSiC, 구리, 구리 합금, CuSiC 합금 또는 NiFe 합금, 구리 코어, 즉 구리 내부 부분을 가진 NiFe 케이싱 또는 CF25, 즉 코발트-철 합금, 은, 은 합금, 금 또는 금 합금을 포함할 수 있다. 유리 또는 유리 세라믹 재료의 20℃ 내지 300℃ 범위에서의 팽창 계수 α가 베이스 바디의 재료에 맞게 완전히 조정되지 않으면, 압축 유리 피드스루가 제공된다. 다른 경우에는 소위 조정된 피드스루가 제공된다.불순물을 제외하고 납이 없는 실시예들의 유리 조성물 AB1, AB2, AB3, AB4, AB5, AB7 및 AB8이 특히 바람직하다.
베이스 바디에 대한 재료로서, 알루미늄(Al), AlSiC, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금과 같은 경금속이 바람직하게 사용된다. 베이스 바디에 대한 대안적 재료는 강, 스테인리스 강, 특수 강 또는 공구 강과 같은 금속이다.
유리 또는 유리 세라믹의 용융 온도는, 유리 재료가 연화되어 유리 재료와 함께 용융될 금속에 밀착함으로써 유리 또는 유리 세라믹과 금속 사이의 접합이 주어지는 유리 또는 유리 세라믹의 온도를 의미한다.
용융 온도는 예컨대 R. Goerke, K.-J. Leers: Keram. Z. 48(1996) 300-305에 개시된 또는 DIN 51730, ISO 540 또는 CEN/TS 15404 및 15370-1에 따른 반구형 변화 온도에 의해 결정되고, 상기 간행물의 공개 내용은 전체가 본 출원서에 포함된다. 반구형 변화 온도의 측정은 DE 10 2009 011 182 A1에 상세히 설명되고, 이 독일 공보의 공개 내용은 전체가 본 출원서에 포함된다.
DE 10 2009 011 182 A1에 공개된 유리 땜납은 예컨대 연료 셀에서 고온 용도에 관련된다.
전술한 포스페이트 유리 조성물들은 45 몰% 까지, 특히 35 몰% 까지 Li 성분을 포함한다. 놀랍게도, 상기 유리 조성물들은 결정화 안정성을 갖는다. 즉, 후속하는 소결 단계에서 상기 조성물들은 결정화를 방해하지 않으며, 특히 35 몰% 미만에서는 실질적인 결정화를 나타내지 않는다.
전술한 유리 조성물들은 유리 구조 내로 삽입된 Li를 포함한다. 이로 인해, 유리 조성물들은 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트의 1:1 혼합물을 포함하는 Li 기반의, 예컨대 1 M LiPF6-용액 기반의 전해질을 포함하는 Li-이온 저장 장치에 특히 적합하다.
저-나트륨 또는 나트륨 없는 유리 조성물들이 특히 바람직한데, 그 이유는 알칼리 이온의 확산이 Na+ > K+ > Cs+ 의 순서로 이루어져서 저-나트륨 또는 나트륨 없는 유리들이 특히 Li-이온 저장 장치에 사용되는 바와 같은 전해질에 대해 특히 내성을 갖기 때문이다.
전술한 유리 조성물들은 열 팽창 α(20℃-300℃) > 14·10-6/K, 특히 15·10-6/K 내지 25·10-6/K을 갖는다. 전술한 유리 조성물의 다른 장점은 주변 경금속 또는 특히 금속 핀 형태의 도체의 금속과 유리의 용융이 보호 가스 분위기가 아닌 가스 분위기 하에서도 가능하다는 것이다. 지금까지의 방법과는 달리 Al-용융을 위한 진공도 필요 없다. 오히려, 상기 용융이 공기 하에서도 이루어질 수 있다. 2가지 방식의 용융을 위해 보호 가스로서 N2 또는 Ar이 사용될 수 있다. 금속, 특히 경금속이 산화되거나 또는 코팅되어야 하면, 용융을 위한 예비 처리로서, 상기 금속, 특히 경금속이 세척 및/또는 에칭된다. 프로세스 동안 300℃ 내지 600℃ 온도가 0.1 내지 30 K/min의 가열 속도 및 1 내지 60 분의 유지 시간으로 사용된다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 하우징, 배터리 또는 배터리 셀의 하우징 부품(5), 여기서는 전극의 피드스루용 개구를 포함하는 배터리 커버가 도시된다. 배터리 커버 또는 하우징 부품은 마찬가지로 바람직하게 알루미늄으로 제조된다. 배터리 커버 또는 하우징 부품의 재료로는 다음과 같은 것이 있다: 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, AlSiC, 티타늄, 티타늄 합금, 및 강, 스테인리스 강 또는 특수 강. 하우징 부품은 외부면(20.1) 및 내부면(20.2)을 포함한다. 외부면은 배터리 셀로부터 외부를 향해 연장되는 것을 특징으로 하고, 내부면은 예컨대 리튬-이온-어큐뮬레이터에서 배터리 셀의 전해질까지 연장되는 것을 특징으로 한다. 배터리 셀 및 피드스루를 포함하는 전체 하우징은 도 7a 내지 도 11c에 도시되며 거기서 상세히 설명된다.
리튬-이온 배터리에서, 전형적으로 카보네이트, 특히 카보네이트 혼합물, 예컨대 에틸렌카보네이트 및 디메틸카보네이트의 혼합물로 이루어지는 비-수성 전해질이 전해질로서 사용된다. 침식성, 비-수성 배터리 전해질들은 전도염, 예컨대 1-몰 용액 형태의 전도염 LiPF6 을 포함한다.
제 1 실시예에 따라 베이스 바디(3)는 돌출부(30)를 포함한다. 즉, 하우징 부품의 외부면 상의 도 1a에 따른 실시예에서 링형 바디의 벽 두께(W1)가 하우징 부품의 내부면의 영역에서 링형 베이스 바디(9)의 두께(W1)보다 커서, 링형 바디의 외부면 상에 베이스 바디의 지지부(32)가 생긴다. 링형 바디(9)는 지지부(32)의 영역에서 하우징 부품(5)과 레이저 빔 용접, 전자 빔 용접, 납땜, 개구(7) 내로 수축 및 개구(7) 내로 압입 및 플랜징에 의해 결합된다.
도 1b에는 도 1a와 유사한 피드스루 실시예가 도시되며, 동일한 부품에는 동일한 도면 부호가 사용된다.
그러나, 내부면(20.2)의 영역 내의 폭(W1)이 외부면(20.1)의 영역 내의 폭(W2)보다 더 크다.
그 밖의 점에서는 도 1b에 따른 실시예가 도 1a와 동일하다. 도 1a에서와 같이 하우징 부품(5), 여기서는 배터리 커버와 베이스 바디(30) 사이의 결합은 예컨대 전술한 바와 같이 레이저 빔 용접, 전자 빔 용접, 납땜, 개구(7) 내로 수축 또는 압입에 의해 이루어질 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 따른 베이스 바디는 실질적으로 플랜지 링인 한편, 도 2a 및 도 2b에 따른 실시예에서는 링형 베이스 바디(109)가 용접 링(170)을 구비한 링형 베이스 바디이다. 도 1a 및 도 1b에서와 동일한 부품은 100을 더한 도면 부호로 표시된다. 실질적으로 도 2a 및 도 2b에 따른 실시예는 도 1a 및 도 1b에 따른 실시예와 동일하다. 용접 링(170)을 가진 링형 베이스 바디(109)는 대안적 결합 방법에 의한 베이스 바디(109)와 하우징 부품의 결합을 가능하게 한다. 용접 링(170)의 영역에서 링형 베이스 바디와 하우징 부품의 결합은 저항 용접 또는 저항 납땜에 의해 이루어질 수 있다.
도 3은 베이스 바디를 포함한 피드스루의 다른 실시예를 도시한다. 도 1a 및 도 1b 그리고 도 2a 및 도 2b에서와 동일한 부품은 도 1a 및 도 1b에 비해 200을 더하며 도 2a 및 도 2b에 비해 100을 더한 도면 부호로 표시된다.
도 1a 및 도 1b 그리고 도 2a 및 도 2b에 따른 실시예와는 달리, 베이스 바디는 상이한 폭(W1 및 W2)을 갖지 않음으로써 지지부(32)가 형성되는 것이 아니라, 링형 베이스 바디의 폭(W)이 그 전체 높이 걸쳐 동일하다. 전체 높이에 걸쳐 동일한 폭을 가진 링형 베이스 바디(209)는 개구(207) 내로 삽입된다. 링형 베이스 바디(209), 유리 재료(213) 및 실질적으로 핀형의 도체(211)의 섹션을 포함하는, 하우징 부품(205)과 피드스루(203) 사이의 결합은 개구(207) 내로의 삽입 및 후속해서 개구(207)의 측벽(219)의 영역에서의 결합에 의해 달성되며 결합에 의해 달성되지 않는다. 본 발명은 레이저 용접, 납땜, 수축, 압입 또는 전기 용접에 의해 형성될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 하우징 부품(305) 내의 개구(307) 내로 삽입된 피드스루의 대안적 실시예를 도시한다. 이는 실질적으로 도 3에 따른 실시예에 상응하고, 동일한 부품에는 100을 더한 도면 부호가 사용된다. 도 3과는 달리, 베이스 바디(309)는 하우징 부품 내에 원추형으로 연장하는 개구(307) 내로 삽입된 원추형 링으로서 형성된다. 피드스루의 결합은 원추형 개구(307)의 측벽과 원추형 베이스 바디(309) 사이에서 예컨대 용접, 납땜, 플랜징, 수축에 의해 이루어진다. 그러나, 실질적으로 원추형으로 연장하는 링형 베이스 바디(309)를 하우징 부품(305) 내의 원추형 개구(307) 내로 압입하는 것도 가능하다. 원추형 베이스 바디는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 3개의 실시예를 포함할 수 있다. 도 4a에서 베이스 바디는 외부면(395)에서 하우징 부품(305)을 향해 원추형이고; 도 4b에서는 외부면(395)에서 그리고 핀형 도체(311)를 향한 내부면(397)에서 그리고 도 4c에서는 내부면(397)에서만 원추형이다. 개구 및 베이스 바디의 원추형 디자인에 의해, 하우징 부품(305)의 외부면(320.1) 방향으로 피드스루의 상대 운동이 방지되는데, 그 이유는 원추형 홀 및 원추형으로 형성된 베이스 바디가 흡사 바브(barb)로서 작용하고 외부면(320.1)의 방향으로 상대 운동은 피드스루(303)의 베이스 바디(309)와 개구(307)의 측벽 사이의 형상 끼워맞춤 결합을 일으키기 때문이다.
도 4a 내지 도 4c에 따른 실시예의 장점은 피드스루의 증가된 하중, 예컨대 압축 하중 하에서도 금속 핀(311)을 가진 피드스루(303)가 개구(307)로부터 밀려나오는 것이 확실하게 방지된다는 것이다. 개구(307)가 간단한 제조 방법, 예컨대 펀칭에 의해 하우징 부품(305) 내에 형성되는 것이 특히 바람직하다.
도 5a 내지 도 6b에는 베이스 바디를 통과하는 핀형 도체의 피드스루의 실시예들이 도시되며, 이 실시예에서 피드스루는 열 차폐부 및 기계적 부하 경감부를 구비한 하우징 부품, 특히 배터리 커버 내로 삽입된다.
도 5a 및 도 5b에는 베이스 바디 및 열 차폐부로서 기계적 부하 경감을 위한 부하 경감 장치를 구비한 본 발명에 따른 피드스루의 제 1 실시예가 도시된다.
도 1a 내지 도 4에 따른 실시예와는 달리, 도 8a 및 도 8b에 따른 실시예에서 베이스 바디(809)는 부하 경감 장치로서 환형 홈(850)을 포함한다. 환형 홈(850)을 가진 베이스 바디(809) 내에 실질적으로 핀형의 도체(811)가 유리 또는 유리 세라믹 재료(813)와 용융된다.
또한, 도 5a에는 하우징 부품(805), 실질적으로 배터리 셀의 커버가 나타난다. 유리 결합된, 실질적으로 핀형의 도체를 포함하는 베이스 바디(809)로 이루어진 피드스루가 영역(870)에서 하우징 부품(805)과 예컨대 용접, 특히 레이저 용접에 의해 결합된다. 환형 홈(850)은 한편으로는 열 차폐부이고, 다른 한편으로는 특히 유리 결합(813)의 영역에서 피드스루를 보호하거나 피드스루의 부하를 경감하기 위해 필요한 탄성을 제공한다. 특히, 환형 홈의 형성에 의해, 유리 또는 유리 세라믹 재료에 발생하는 기계적 및 열적 부하가 감소한다. 이로 인해, 누설을 야기할 수 있는 피드스루의 유리 또는 유리 세라믹 재료 내의 균열 형성이 현저히 줄어들 수 있다.
도 5b에 따른 실시예는 베이스 바디 내에 부하 경감 장치로서 환형 홈(850)을 가진 피드스루를 도시한다. 도 5a에 따른 실시예와는 달리, 여기서 하우징 부품(805)은 피드스루와 하우징 부품(805)의 결합 영역에 돌출부(880)를 포함한다. 이는 도 5a에 따른 실시예에 비해 더 양호한 기계적 부하 경감을 야기한다. 또한, 베이스 바디는 그 전체 두께(D)에 걸쳐 하우징 부품(805)과 결합될 수 있고, 이는 정확한 용접 프로세스를 허용한다.
도 6a 및 도 6b는 도 5a 및 도 5b에 대한 대안적 실시예를 도시하며, 도 6a 및 도 6b에서도 부하 경감부 및 열 차폐부가 제공된다. 도 5a에 따른 실시예와는 달리, 베이스 바디는 여기서 부하 경감 장치로서 환형 홈을 포함하지 않고, 돌출부(990)를 포함한다. 도 5a 및 도 5b에서와 동일한 부품은 도 5a 및 도 5b에 비해 100을 더한 도면 부호로 표시된다. 이에 따라, 핀형 도체는 911로 표시되고, 유리 또는 유리 세라믹 재료는 913으로 표시된다. 피드스루와 하우징 부품 사이의 결합 영역은 970으로 표시된다. 전술한 바와 같은 도 5a에 대한 장점은 도 6a에도 해당되고 여기에 포함된다.
도 6b는 도 6a에 대한 대안적 실시예를 도시한다. 커버 부분(905)은 실질적으로 링형의 베이스 바디(909)와 더불어, 돌출부(980)를 포함한다. 전술한 바와 같은 도 5b에 대한 장점은 도 6b에도 해당되고 여기에 포함된다.
도 7a 내지 도 8b에는 피드스루를 가진 리튬-이온 배터리용 완전한 배터리 셀이 도시된다. 이 경우, 전극 결합 부품은 도체와 결합된다. 즉, 실질적으로 핀형의 도체가 전극 결합 부품과 결합되어야 하는 2 부분의 실시예가 주어진다. 상기 결합은 도체가 도 9a 내지 도 11c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 결합 부품을 동시에 형성하는 일체형 실시예에서는 피해진다
도 7a 및 도 7b는 도체가 헤드 부분을 갖지 않는 배터리 셀을 도시한다. 도 8a 및 도 8b는 하우징 및 그 안에 조립된 피드스루를 구비한 배터리 셀을 도시하며, 이 경우 도체는 헤드 부분을 갖는다. 2가지 경우에, 전극 결합 부품은 별도의 부품이고, 상기 별도의 부품은 예컨대 용접에 의해 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체와 결합되어야 한다. 이는 복잡하고, 도 7a 및 도 7b에 나타나는 바와 같이 특히 배터리 셀 내에 조립 공간을 필요로 한다.
도 7a에는 배터리 셀(1000)의 기본적인 구성이 도시된다.
배터리 셀(1000)은 측벽(1110) 및 커버 부분(1120)을 가진 하우징(1100)을 포함한다. 하우징(1100)의 커버 부분(1120) 내에 개구(1130.1, 1130.2)가 예컨대 펀칭에 의해 형성된다. 2개의 개구(1130.1, 1130.2) 내로 피드스루들(1140.1, 1140.2)이 삽입된다.
도 7b는 개구(1130.1) 및 그 안에 삽입된 피드스루(1140.1)를 가진 배터리 커버(1120)의 섹션을 확대 도시한다.
피드스루(1140.1)는 핀형 도체(2003) 및 베이스 바디(2200)를 포함한다. 헤드 부분 없는 핀형 도체(2003)는 유리 또는 유리 세라믹 재료(2280)를 가진 베이스 바디(2200) 내로 유리 결합된다. 핀형 도체(2003)는 유리 또는 유리 세라믹 재료(2280)를 가진 베이스 바디(2200) 내로 유리 결합 후에 전체 부품으로서 개구(1130.1) 내로 삽입되며, 예컨대 바람직하게는 알루미늄으로 이루어진 피드스루의 베이스 바디(2200)가 알루미늄으로 이루어진 가공 경화된 커버 부분(1120)과 예컨대 용접에 의해 결합되는 방식으로 삽입된다. 바람직하게는 유리 결합으로 인해 베이스 바디(2200) 만이 연화된다.
핀형 도체에는 리세스(2002)가 제공되고, 상기 리세스 내로 전극 결합 부품(2020)이 삽입된다. 전극 결합 부품은 배터리 셀(1000)의 전기 화학적 셀(2004)의 캐소드 또는 애노드로서 사용된다. 배터리 셀(1000)을 둘러싸는 하우징(1100)은 배터리 셀 하우징으로서 사용된다. 따라서, 전극 결합 부품과 도체는 서로 결합되어야 하는 2개의 별도 부품이다.
도 7a에 나타나는 바와 같이, 피드스루(1140.1, 1140.2)의 디자인으로 인해, 전기 화학적 셀(2004)과 커버(120) 사이에 형성된 큰 조립 공간(2006)이 핀형 도체, 및 상기 핀형 도체의 리세스(2002) 내에 삽입된 전극 결합 부품과 결합되고, 상기 전극 결합 부품은 전기 화학적 셀(2004)과 결합된다.
배터리 셀 하우징 내의 사용되지 않는 조립 공간을 최소화하기 위해, 도체가 전극 결합 부품과 예컨대 용접에 의해 결합된 헤드부를 포함하는, 도 8a 및 도 8b에 따른 2 부분의 실시예가 제공될 수 있다. 이러한 실시예에 의해 조립 공간이 얻어질 수 있지만, 여러 부분으로 구성되기 때문에, 제조 비용이 더 높다.
도 7a 및 도7b에서와 동일한 부품은 2000을 더한 도면 부호로 표시된다.
배터리 셀 하우징(3100)의 커버(3120)의 개구(3130.1, 3130.2) 내로 피드스루들(3140.1, 3040.2)이 삽입된다. 도 7a 및 도 7b에 따른 피드스루의 피드스루 부품과는 달리, 피드스루 부품은 핀형 도체(3003) 및 헤드부(3005)를 포함한다. 헤드부는 연장부(3030), 및 헤드부(3005) 상에 용접, 납땜 또는 전술한 방법들 중 그 밖의 방법에 의해 고정 장착된 전극 결합 부품(3010)을 포함한다. 전극 결합 부품은 하나의 섹션(3140)을 포함하고, 상기 섹션(3140)은 전기 화학적 셀(4004)용 캐소드 또는 애노드로서 사용된다. 도 8a 및 도 8b에 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따른 피드스루 부품의 장점이 명확해진다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 피드스루의 구성에 의해, 배터리 셀 하우징 내부에 가능한 작은 조립 공간이 사용되지 않은 채로 남는다.
도 9a 내지 도 9c에는 피드스루를 가진 배터리 하우징의 일부의 본 발명에 따른 실시예가 도시된다. 앞선 도면에서와 동일한 부품은 5000을 더한 도면 부호로 표시된다.
도 9a 내지 도 9c에 도시된 실시예들은 도체, 실질적으로 핀형의 도체(7003.1, 7003.2, 7003.3)가 배터리 셀을 향한 단부에서 예컨대 도 7a 내지 도 8b에서와 같이 둥근 형태, 즉 둥근 횡단면을 갖지 않고, 실질적으로 직사각형 횡단면(7100)을 갖는다. 직사각형 횡단면(7100)은 애노드 및/또는 캐소드와 결합될 수 있는 전극 결합 부품으로서 사용된다. 도 7a 내지 도 8b에 따른 실시예와는 달리, 별도의 전극 결합 부품이 피드스루를 통해 안내되는, 특히 핀 형태의 도체와 결합될 필요가 없고, 도체(7003.1, 7003.2, 7003.3)가 본 발명에 따라 피드스루(8140.1, 8140.2, 8140.3) 및 유리 결합(7280)의 영역에서 제 1 섹션(8005.1, 8005.2, 8005.3)과 일체형이고, 애노드 또는 캐소드로서 사용되는 또는 전기 화학적 셀(도시되지 않음)의 애노드 또는 캐소드와 결합 가능한 제 2 섹션(8110.1, 8110.2, 8110.3)과 일체형이다. 또한, 각각의 도체(7003.1, 7003.2, 7003.3)는 2개의 휨 부분(7200, 7300)을 포함한다. 기본적으로, 도체(7003.1, 7003.2, 7003.3)는 배터리 셀을 향한 그 단부에서, 전기 화학적 셀(도시되지 않음)용 캐소드 또는 애노드로서 사용되거나 또는 캐소드 또는 애노드와 결합될 수 있는 섹션(8110.1, 8110.2, 8110.3)을 형성한다. 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체에 별도의 전극 결합 부품(도 8b에 3110으로 표시)이 예컨대 용접에 의해 장착된 도 8a 및 도 8b에 따른 실시예와는 달리, 도 9a 내지 도 9c에 따른 실시예에서는 전극 결합 부품과 실질적으로 핀형의 도체가 일체형으로 형성된다. 이는 2개의 부분이 결합될 필요가 없기 때문에 제조 관점 면에서 바람직하다. 실시예들(7003.1, 7003.2, 7003.3)은 피드스루(8140.1, 8140.2, 8140.3)의 영역에서 도체의 횡단면에 의해 실질적으로 구별된다. 도 9a에 따른 실시예에서, 유리 또는 유리 재료 내로 유리 결합(7280)의 영역에서 도체의 횡단면은 실질적으로 직사각형이다.
도 9b에 따른 실시예에서는 유리 결합(7280)의 영역에서 직사각형 횡단면 대신 횡단면이 둥글다. 이 실시예는 피드스루 또는 유리 결합(7280)의 영역에서 둥근 횡단면에 의해 간단하고 확실한 유리 결합이 가능한 적은 제조 비용으로 가능해지기 때문에 특히 바람직하다. 둥근 횡단면을 가진 도체는 도면 부호 7003.2로 표시된다. 도체는 도 9a에 따른 실시예와는 달리, 도 9b에 따른 실시예에서 배터리 셀의 외부면을 향해서도 둥근 횡단면을 갖는다.
도 9c에 따른 실시예에서, 유리 결합(7280)의 영역에서 횡단면은 도 9b에서와 같이 둥글지만, 도체(7003.3)는 배터리 하우징의 외부면과의 접속 영역에서 스퀴징되기 때문에, 횡단면이 직사각형, 바람직하게는 정사각형이다.
도 9a 내지 도 9c에서, 배터리 하우징의 커버는 8120으로, 도체(7003.1, 7003.2, 7003.3)가 유리 결합되는 베이스 바디는 8130으로 표시된다. 도 9a 내지 도 9c에 따른 일체형 실시예의 단점은 도체가 실질적으로 곧게 배터리 셀 내부로 연장한다는 것이다. 이는 한편으로는 조립 공간을 필요로 하고, 다른 한편으로는 개구를 가진 변함없는 배터리 커버에서 전극들의 간격을 설정하거나 또는 상이한 배터리 셀에 맞추는 것을 어렵게 한다.
도 10a 내지 도 10e에는 배터리 셀용 피드스루의 제 4 실시예가 일체형 실시예로 도시된다. 도 8a 내지 도 9c에 따른 실시예에서와 같이, 도체는 배터리 셀을 향한 단부에서 예컨대 도 7a 내지 도 8b에서와 같이 둥근 형태, 즉 둥근 횡단면을 갖지 않고, 실질적으로 직사각형 횡단면을 갖기 때문에, 도체는 배터리 셀을 향한 그 단부에서 이미 캐소드 또는 애노드와 결합될 수 있는 섹션(9110)을 형성한다. 도체(9003.1), (9003.2) 및 전극 결합 부품(9110)은 이 실시예에서, 도 8a 내지 도 9c에서와 같이, 일체형으로 형성된다. 도 8a 내지 도 9c에 도시된 바와 같은 실시예와는 달리, 특히 도 9a 내지 도 9c에 따른 실시예와는 달리, 도 10a 내지 도 10e에 따른 실시예는 전극 간격을 설정하고 동시에 배터리 셀 커버 내에 개구의 위치를 유지할 수 있는 가능성을 갖는다. 도 9a 내지 도 9c에서와 동일한 부품들은 1000 또는 2000을 더한 도면 부호로 표시된다.
도 10a는 본 발명에 따른 2개의 피드스루를 가진 배터리 하우징의 커버(9120)를 사시도로 도시한다. 배터리 커버(9120)는 본 발명에 따른 도체(9003.1, 9003.2)가 통과하는 2개의 개구(9007.1, 9007.2)를 포함한다. 도체(9003.1, 9003.2)는 2개의 섹션, 즉 둥근, 특히 원형 횡단면을 가진 제 1 섹션(9005.1, 9005.2), 및 실질적으로 직사각형 횡단면(9100)을 가진 제 2 섹션(9009.1, 9009.2)을 포함한다. 실질적으로 직사각형 횡단면을 가진 도체의 제 2 섹션(9009.1, 9009.2)은 특히 스퀴징에 의해 생기며 직접 전기 화학적 셀(도시되지 않음)용 캐소드 또는 애노드로서 사용되거나 또는 전기 화학적 셀의 캐소드 또는 애노드와 예컨대 용접에 의해 결합될 수 있다. 실질적으로 직사각형의 도체 횡단면(9100)의 면적이 바람직하게 제 1 영역(9005.1)에서 도체의 원형 횡단면의 면적과 일치하므로, 도체 횡단면 변동으로 인한 라인 손실이 확실하게 방지된다. 특히, 이로 인해 배터리 셀의 허용되지 않은 가열이 피해진다.
도체(9005.1, 9005.2)의 제 1 섹션은 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료 내로 유리 결합의 영역에서 실질적으로 원형 횡단면을 갖는다. 조립 공간을 가능한 적게 잃어버리기 위해, 도 10a 내지 도 11c에 따른 실시예에서 유리 결합은 직접 개구(9007.1, 9007.2) 내로 이루어진다. 하우징 또는 배터리 커버에 대한 재료로서 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용되면, 낮은 용융 온도, 특히 250℃ 내지 650℃ 범위의 용융 온도를 가진 유리 재료가 사용된다.
도 9a 내지 도 9c에 따른 실시예와는 달리, 도체의 제 2 섹션(9009.1, 9009.2)은 2개의 영역, 즉 전기 화학적 셀의 애노드 및/또는 캐소드로서 사용될 수 있거나 또는 애노드 및/또는 캐소드와 결합될 수 있는 제 1 영역(9022.1, 9022.2), 및 실질적으로 수평으로 연장하며 제 1 섹션(9005.1, 9005.2) 및/또는 상기 제 1 영역(9022.1, 9022.2)에 대해 수직인 제 2 영역(9020.1, 9020.2)을 포함한다. 제 2 영역(9020.1, 9020.2)의 선택에 의해, 배터리 커버의 개구들이 일정할 때 전극 간격이 쉽게 설정될 수 있다. 도 10a 내지 도 10e에 따른 실시예에서, 배터리 커버를 통과하는 피드스루의 영역에서 횡단면이 원형이다.
도 10b에는 배터리 커버의 단면도가 도시된다. 2개의 섹션, 즉 유리 또는 유리 세라믹 재료를 통한 피드스루의 영역에서 원형 횡단면을 가진 제 1 섹션(9005.1, 9005.2), 및 캐소드 또는 애노드로서 사용될 수 있고 및/또는 캐소드 또는 애노드와 결합될 수 있는 배터리 셀 내부에 직사각형 횡단면을 가진 제 2 섹션(9009.1, 9009.2)을 포함하는 도체(9003.1, 9003.2)가 양호하게 나타난다. 제 2 섹션의 영역에서 배터리 셀 접속부와의 결합시, 초음파 용접, 저항 용접 또는 레이저 용접이 사용될 수 있다.
제 1 섹션과 동일한 횡단면을 가진, 즉 원형 횡단면을 가진 제 2 섹션의 제 2 영역이 명확히 나타난다. 원형 횡단면으로 인해, 비교적 많은 조립 공간이 사라진다. 조립 공간 손실은 바람직하게는 5 mm 내지 8 mm 보다 큰 범위에 놓인, 도 10b의 높이 H로 표시될 수 있다. 실질적으로 수평으로 연장하는 제 2 영역과 배터리 커버 사이의 간격(A)은 바람직하게 1 mm 내지 2 mm 이다. 단락을 방지하기 위해, 도체의 제 2 영역(9020.1, 9020.2)은 절연 재료를 포함할 수 있다.
도 10c는 배터리 커버(9120)의 평면도를 도시한다. 배터리 커버의 평면도에는 실질적으로 원형 횡단면을 가진 도체(9003.1, 9003.2)의 제 1 섹션(9005.1, 9005.2)이 직접 유리 결합되는 개구(9007.1, 9007.2)가 명확히 나타난다. 유리 및/또는 유리 세라믹 재료는 9200으로 표시된다. 유리 결합의 영역에서 원형 횡단면에 의해 간단하고 확실한 유리 결합이 이루어진다.
도 10c의 평면도에는 도체의 제 2 섹션의 제 1 영역 내의 직사각형 도체 횡단면(9100), 및 도체의 제 2 섹션 내에 수직으로 연장하는 제 2 영역(9020.1, 9020.2)이 잘 나타난다.
도 10d 및 도 10e에는 도체가 확대되어 도시된다. 도 10d는 전방으로부터 도체의 평면도이고, 도 10e는 도 10d의 선 A-A을 따른 단면도이다. 도 10d 및 도 10e에는 피드스루의 영역에서 직경(ID)을 가진 실질적으로 원형의 횡단면(9005.1, 9005.2)을 가진 제 1 섹션, 및 캐소드 및/또는 애노드와 결합될 수 있는 배터리 셀의 내부에 실질적으로 직사각형의 횡단면을 가진 제 2 섹션이 명확히 나타난다. 제 2 섹션(9009.1), (9009.2)은 스퀴징, 즉 원형 횡단면을 가진 도체로부터의 변형에 의해 횡단면의 유지 하에 형성된다. 도체 횡단면이 변하지 않기 때문에, 열 손실이 방지될 수 있다.
도 10e에는 원형 횡단면을 가진 제 1 섹션과 직사각형 횡단면을 가진 제 2 섹션 간의 차이가 명확히 나타난다. 도 10e에는 제 2 섹션(9009.1) 내의 평면 전극 형태가 명확히 나타난다. 제 1 섹션에 대해 실질적으로 수직으로 연장하는 제 2 섹션 내의 제 2 영역은 9020.1로 표시되고 실질적으로 원형 횡단면을 갖는다.
도 11a 내지 도 11e에는 도 10a 내지 도 10e에 도시된 실시예에 비해 개선된 실시예가 도시된다. 도 11a 내지 도 11e에 따른 실시예는 도 10a 내지 도 10d에 따른 실시예와 실질적으로 일치하지만, 훨씬 더 작은 조립 공간 손실과 동시에 상이한 배터리 셀 구성에 따른 전극의 조정 가능성이 달성되는 것을 특징으로 한다.
도 10a 내지 도 10d에서와 동일한 부품은 1000을 더한 도면 부호로 표시된다. 작은 조립 공간은 도체가 배터리 셀 하우징에 대해 실질적으로 평행하게 또는 제 1 섹션(10005.1, 10005.2)에 대해 수직으로 연장하는 제 2 영역(10020.1, 10020.2) 내의 제 2 섹션(10009.1, 10009.2)에서 도 10a 내지 도 10e에 따른 실시예에서와 같이 원형 횡단면으로 형성되지 않고, 캐소드 및/또는 애노드에 접속될 수 있는 제 2 섹션의 영역의 직사각형 횡단면과 실질적으로 일치하는 직사각형 횡단면을 갖는다.
도 11a는 배터리 커버를 통과하는 베이스 바디(10007.1, 10007.2) 내의 개구를 통해 안내되는 도체(10003.1, 10003.2)를 가진 배터리 커버(10120)의 사시도를 도 10a와 같이 도시한다. 도체의 제 1 섹션(10005.1, 10005.2)은 도 10a에 따른 실시예에서와 같이, 원형 횡단면을 갖고, 유리 또는 유리 재료 내에서 직접 개구(10007.1. 10007.2) 내로 유리 결합된다. 도체의 제 2 섹션(10009.1, 10009.2)은 직사각형 횡단면(10100)을 갖는다. 도 10a 내지 도 10c와는 달리, 직사각형 횡단면이 전체 제 2 섹션(10009.1, 10009.2)에 걸쳐, 즉 배터리 커버(10120)에 대해 실질적으로 평행하게 연장하며 10020.1, 10020.2 로 표시된 제 2 영역에서와 같이, 애노드 및/또는 캐소드와 결합 가능한 제 1 영역(10022.1, 1022.2)에서 구현된다.
도 11a에서와 동일한 도면 부호가 사용되는, 도 11b에 명확히 나타나는 바와 같이, 직사각형 횡단면을 가진 제 2 영역(10020.1, 10020.2)의 실시예에 의해 도체에 의해 사라지는 높이 H가 현저히 줄어들고 특히, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 실시예에 비해 그리고 높이 H = 3 mm 내지 5 mm, 바람직하게는 4 mm로 약 1/3 줄어든다. 도 10a 내지 도 10c에 따른 실시예에서와 같이, 배터리 커버와 도체의 제 2 영역 사이의 단략을 피하기 위해, 도체의 제 2 영역에 절연 재료가 제공된다.
도체는 도 10a 내지 도 10e에 따른 실시예에서 그리고 특히 도 11a 내지 도 11e에 따른 실시예에서 특히 케이블 재료로 실질적으로 원형 횡단면으로 가장 간단한 변형, 즉 절삭 없는 성형에 의해 대량으로 저렴하게 제조될 수 있다. 또한, 도 11a 내지 도 11e에 따른 실시예는 피드스루의 영역 내의 둥근 횡단면으로부터 캐소드 또는 애노드의 영역 내의 또는 캐소드 또는 애노드와 결합될 수 있는 영역 내의 평면 횡단면으로 장소 절감 방식 전환을 가능하게 한다.
변형 단계에서 제 2 영역(10020.1, 10020.2)의 길이를 자유로이 선택할 수 있는 가능성에 의해, 전극 간격(EA)을 각각의 배터리 셀에 따라 조정하는 것이 가능해진다. 캐소드 또는 애노드 또는 도체의 제 2 섹션과 캐소드 또는 애노드와의 결합은 용접, 예컨대 초음파-저항 용접 또는 레이저 용접에 의해 이루어진다.
도 11c에는 장착된 도체를 가진 도 11a에 따른 배터리 커버의 평면도가 도시된다. 동일한 부품들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도체들은 배터리 커버 내의 개구들 내로 직접 유리 결합된다.
도 11d 및 도 11e는 본 발명에 따른 도체를 확대도로 도시한다.
도 11d에는 전극의 정면도가 도시되며, 도 11e에는 도 11d의 A-A에 따른 단면도가 도시된다. 도 11d에 나타나는 바와 같이, 직경(ID)의 원형 횡단면을 가진 제 1 섹션(10005.1)이 변형 또는 절삭 없는 가공에 의해 직사각형 횡단면을 가진 제 2 섹션(10009.1)으로 바뀐다. 이 경우, 도체의 일정한 라인 횡단면이 보장된다. 도체 횡단면이 전체 도체에 걸쳐 실질적으로 일정하기 때문에, 전체 라인 섹션에 걸쳐 손실 열이 발생하지 않는다. 특히 제 2 영역(10020.1)의 휨을 방지하기 위해, 보강 엠보싱이 평면 전극 형태에 제공된다. 평면 전극 형태의 영역에서 폭(B)이 예컨대 5 mm이면, 예컨대 1 mm 내지 2 mm 폭 및 0.5 mm 깊이의 엠보싱이 이루어진다. 보강 엠보싱에 의해 휨이 방지되기 때문에, 배터리 셀 하우징을 향한 제 2 영역(10020.1)의 부분에서 단락이 확실히 방지될 수 있다. 캐소드 및/또는 애노드와 결합될 수 있거나 또는 캐소드 및/또는 애노드를 형성하는 제 1 영역(10022.1)이 둥근 전극 형태와는 달리, 가요성으로 형성될 수 있다. 각진 전극 형태(10400)는 가요성으로 형성 가능한 결합 구역을 형성하고, 상기 결합 구역은 배터리 셀 접속부의 각각의 위치에 따라 조정될 수 있으며 배터리 셀 접속부와 전극의 간단한 결합을 가능하게 한다. 도 11d에 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 셀에 따라 조정될 수 있는 가변적으로 선택 가능한 폭(B)에도 불구하고, 결합 영역은 충분히 크게 형성된다. 전극 재료로서, 즉 도체용 재료로서, 바람직하게는 금속,특히 구리 또는 알루미늄 또는 그 합금이 사용된다.
본 발명에 의해, 조립식으로 생산될 수 있으며 특히 배터리 셀 하우징의 하우징 부품에 사용하기에 적합한 하우징, 특히 배터리 셀 하우징, 바람직하게는 리튬-이온 배터리용 피드스루가 제공된다. 배터리 셀 하우징은 바람직하게 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, AlSiC, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금과 같은 경금속을 포함한다. 그러나, 배터리 셀 하우징의 재료로서 강 또는 특수강, 특히 스테인리스 강 또는 공구 강과 같은 금속도 가능하다. 상기 경우에, 베이스 바디 및/또는 실질적으로 핀형의 도체의 재료들이 매칭된다.
본 발명에 따른 해결책은 또한 경제적인 제조 방법 및 기본 재료를 제공한다.
제 1 실시예에서 전체 피드스루는 금속 핀이 고정 재료, 예컨대 유리 덩어리에 의해 베이스 바디 내로 용융된 후에 하우징 부품 내로 삽입되는 조립식 부품으로서 형성될 수 있다. 이로 인해, 하우징 부품의 가공 경화의 손실이 나타나지 않는 것이 보장된다. 또한, 하우징 부품 및 베이스 바디의 재료 두께 및 재료가 독립적으로 선택될 수 있다. 부하 경감 장치를 구비한 특별한 실시예에 의해, 피드스루의 기계적 및 열적 부하가 경감될 수 있다.
이에 대한 대안으로서, 조립 공간을 절감하는 직접적인 유리 결합이 이루어질 수 있다. 직접적인 유리 결합 시에, 유리 재료는 하우징 재료에 맞춰진 용융 온도를 가져야 한다. 하우징 재료는 충분한 강도를 갖도록 선택된다.
본 발명에 의해 전극 간격들은 상이한 배터리 셀에 따라 간단히 조정될 수 있다.
또한, 피드스루 영역 및 전극 접속 영역에서 일정한 라인 횡단면에 의해, 라인 손실이 최소화됨으로써 열 손실도 최소화된다.
유리 결합의 영역에서 도체의 둥근 횡단면에 의해, 확실한 유리 결합이 제공된다.

Claims (25)

  1. 하우징의 하우징 부품을 통과하는 피드스루로서,
    상기 하우징 부품은 경금속, 알루미늄, 알루미늄 합금, AlSiC, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 강, 스테인리스 강 또는 특수 강으로부터 선택된 금속으로 이루어지고, 상기 하우징 부품은 적어도 하나의 개구(1130.1, 1130.2, 3130.1, 3130.2)를 가지고, 상기 개구를 통해 적어도 하나의 도체가 유리 또는 유리 세라믹 재료(2280)를 통과하며,
    상기 도체는 별도 부품으로서의 전극 결합 부품(2020, 3140)에 결합되고,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 하기 성분을 몰%로 포함하며:
    P2O5 35-50 몰%
    Al2O3 0-14 몰%
    B2O3 2-10 몰%
    Na2O 0-30 몰%
    M2O 0-20 몰%, 여기서 M=K, Cs, Rb일 수 있음
    Li2O 0-45 몰%
    BaO 0-20 몰%
    Bi2O3 0-10 몰%,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 불순물을 제외하고 Pb가 없는 것인 피드스루.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 도체는 상기 하우징 부품의 내부에서 상기 전극 결합 부품에 결합되는 것인 피드스루.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 도체는 상기 전극 결합 부품을 수용하기 위한 리세스(2002)를 포함하는 것인 피드스루.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 도체는 상기 전극 결합 부품과 결합하기 위한 헤드 부분을 포함하는 것인 피드스루.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 도체는 용접, 납땜, 또는 용접 및 납땜에 의해 상기 전극 결합 부품에 고정 결합된 것인 피드스루.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 도체는 핀형으로 형성된 것인 피드스루.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전극 결합 부품은 섹션(3140)을 포함하는 것인 피드스루.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 섹션은 애노드, 캐소드, 또는 애노드 및 캐소드로서 형성되는 것인 피드스루.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 도체는 재료로 구리, CuSiC, 구리 합금, 알루미늄, AlSiC 또는 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금, NiFe, 구리 내부 부분을 가진 NiFe 케이싱, 은, 은 합금, 금, 금 합금 및 코발트-철 합금으로부터 선택된 금속을 포함하는 것인 피드스루.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 도체는 상기 개구(1130.1, 1130.2, 3130.1, 3130.2)의 영역에서 유리 또는 유리 세라믹 재료 내에 삽입되는 것인 피드스루.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 피드스루는 베이스 바디(9)를 포함하고, 상기 베이스 바디는 상기 하우징의 개구에 의해 수용되며, 상기 베이스 바디와 상기 도체 사이에 유리 또는 유리 세라믹 재료가 삽입되는 것인 피드스루.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 상기 베이스 바디(9), 상기 도체, 또는 상기 하우징의 재료의 용융 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는 것인 피드스루.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 하기 성분을 몰%로 포함하는 것인 피드스루:
    P2O5 38-50 몰%
    Al2O3 3-14 몰%
    B2O3 4-10 몰%
    Na2O 10-30 몰%
    K2O 10-20 몰%.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 하우징 부품은 외부면 및 내부면을 가지고, 상기 베이스 바디는 상기 하우징 부품의 내부면, 외부면, 또는 내부면 및 외부면에 결합되는 것인 피드스루.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 적어도 하나의 피드스루를 포함하는 하우징.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 피드스루를 포함하는 저장 장치.
  17. 적어도 하나의 도체를 구비한 피드스루를 제조하는 방법으로서,
    도체를 유리 또는 유리 세라믹 재료 안에 결합시켜 하우징의 하우징 부품을 위한 피드스루를 형성하는 단계; 및
    전극 결합 부품을 상기 도체와 결합시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 하기 성분을 몰%로 포함하며:
    P2O5 35-50 몰%
    Al2O3 0-14 몰%
    B2O3 2-10 몰%
    Na2O 0-30 몰%
    M2O 0-20 몰%, 여기서 M=K, Cs, Rb일 수 있음
    Li2O 0-45 몰%
    BaO 0-20 몰%
    Bi2O3 0-10 몰%,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 불순물을 제외하고 Pb가 없는 것인 피드스루 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 전극 결합 부품과 상기 도체의 결합은 용접, 납땜, 또는 용접 및 납땜에 의해 구현되는 것인 피드스루 제조 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 도체는 베이스 바디 내에 유리로 결합되고, 결합된 상기 도체를 가진 상기 베이스 바디는 상기 하우징 부품의 개구 내로 삽입되는 것인 피드스루 제조 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 전극 결합 부품은 섹션(3140)을 포함하는 것인 피드스루 제조 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 섹션(3140)은 전기 화학적 셀의 애노드, 캐소드, 또는 애노드 및 캐소드로서 이용될 수 있거나, 애노드, 캐소드, 또는 애노드 및 캐소드에 결합될 수 있는 있는 것인 피드스루 제조 방법.
  22. 청구항 17에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 하기 성분을 몰%로 포함하는 것인 피드스루 제조 방법:
    P2O5 38-50 몰%
    Al2O3 3-14 몰%
    B2O3 4-10 몰%
    Na2O 10-30 몰%
    K2O 10-20 몰%.
  23. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 피드스루를 구비한 배터리 셀(1000)을 제공하는 방법으로서,
    피드스루를 마련하는 단계;
    베이스 바디 내의 유리 또는 유리 세라믹 재료 안에 도체를 결합시키는 단계;
    결합된 상기 도체와 함께 상기 베이스 바디를 하우징에 결합시키는 단계; 및
    전극 결합 부품을 상기 도체에 결합시키는 단계
    를 포함하는 배터리 셀의 제공 방법.
  24. 삭제
  25. 삭제
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