KR20140020257A - 특히 배터리용 피드스루 및 초음파 용접에 의해 하우징에 피드스루를 통합하는 방법 - Google Patents

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마르틴 란덴딘거
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Abstract

본 발명은 피드스루, 특히 하우징, 특히 배터리 하우징, 바람직하게는 배터리 셀 하우징의 하우징 부품을 통과하는 피드스루에 관한 것이다. 상기 하우징 부품은 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구를 통해 적어도 하나의 도체, 바람직하게는 실질적으로 핀형인 도체가 안내된다. 상기 핀형 도체는 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 본 발명은 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체 및/또는 하우징 부품과 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료인 절연체의 적어도 하나의 결합부가 형성되고, 상기 결합부는 초음파 용접 결합부이다.

Description

특히 배터리용 피드스루 및 초음파 용접에 의해 하우징에 피드스루를 통합하는 방법{FEED-THROUGH, IN PARTICULAR FOR BATTERIES AND METHOD FOR INTEGRATING SAID FEED-THROUGH IN A HOUSING BY MEANS OF ULTRASONIC WELDING}
본 발명은 하우징, 특히 배터리 셀 하우징의 하우징 부품 또는 하우징 부분을 통과하는 피드스루로서, 상기 하우징 부품 또는 하우징 부분은 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구를 통해 적어도 하나의 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체가 안내되는, 피드스루에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 피드스루를 포함하는 특히 배터리 셀용 하우징, 피드스루를 하우징 부품 또는 하우징 부분에 제공하는 방법, 및 피드스루를 가진 적어도 하나의 개구를 포함하는 배터리 셀 하우징을 구비한 저장 장치, 특히 어큐뮬레이터에 관한 것이다.
선행 기술에 따라 전기 피드스루는 예컨대 하기 출원서
US 5,243,492
US 7,770,520
US 2010/0064923
EP 1 061 325 및
DE 10 2007 016692
에 설명된 바와 같이 절연체로서 땜납 유리를 사용해서 제조된다. 선행 기술에 공지된 모든 피드스루에서, 실질적으로 핀형인 도체는 각각의 하우징 부품과 저융점 유리의 용융에 의해 결합되었다. 이 경우 단점은 금속 재료의 열 안정성, 특히 그 융점이 사용된 유리 땜납의 최대로 가능한 용융 온도를 제한하는 것이다. 또한, 용융된 유리 땜납은 필요한 밀봉성 및 기계적 안정성을 보장하기 위해 부품의 사용된 재료를 양호하게 습윤할 필요가 있었다. 다른 요구 조건은 일반적으로 다수의 피드스루를 위한 유리 땜납이 부품들의 열 팽창이 서로 크게 차이 나지 않도록 선택되어야 한다는 것이다. 그것의 예외는 유리 또는 유리 세라믹 재료 및 주변 금속의 상이한 열 팽창들이 유리 또는 유리 세라믹 재료 및 주변 금속의 압력 또는 마찰 결합을 야기하는 특수 유리화로서 압력 유리화 또는 압력 유리 피드스루 만이다. 이러한 압력 유리 피드스루는 예컨대 에어백-점화기용 피드스루에 적용된다. 압력 유리 피드스루에서, 유리 또는 유리 세라믹 재료가 주변 금속에 달라붙기는 하지만, 유리 또는 유리 세라믹 재료와 금속 사이의 분자 결합은 이루어지지 않는다. 접착에 의해 야기된 대항력이 초과되면, 압력 결합은 사라진다.
DE 10 006 199 에는 개구를 가진 취성 재료, 특히 유리로 이루어진 성형체를 폐쇄 바디로 기밀 방식으로 밀폐하는 것이 개시되어 있으며, 여기서 성형체 및 폐쇄 바디는 영구적으로 서로 용접된다. DE 10 006 199에 따른 성형체는 바람직하게 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹으로 이루어지고, 폐쇄 바디는 바람직하게 금속, 금속 합금 또는 금속 복합 재료로 이루어진다. 이 경우, 성형체 및 폐쇄 바디의 열 팽창은 조정된다. DE 10 1006 199에 전기 피드스루는 개시되어 있지 않다.
DE 1 496 614 에는 초음파 용접에 의해 바람직하게는 유리 또는 유리 세라믹 재료를 포함하는 광학 소자와 금속 스트립과의 결합이 개시되어 있다. 결합될 금속의 재료로는 DE 1 496 614에 바람직하게 알루미늄 합금이 제시된다.
DE 1 496 614에도 피드스루는 설명되지 않는다.
어큐뮬레이터, 바람직하게는 리튬-이온 배터리는 다양한 용도, 예컨대 휴대용 전자 장치, 이동 전화, 전동 공구 및 특히 전기 차에 제공된다. 배터리들은 예컨대 납-산 배터리, 니켈-카드뮴 배터리 또는 니켈-금속수소화물 배터리와 같은 전통적인 에너지 소스를 대체할 수 있다.
본 발명에서 배터리는 방전후 폐기되거나 및/또는 재활용되는 l회용 배터리 및 어큐뮬레이터를 말한다.
리튬-이온 배터리는 수년 전부터 공지되어 있다. 이와 관련해서, 예컨대 "Handbook of Batteries, David Linden, Herausgeber, 제 2 권, McGrawhill, 1995, 36장 및 39 장"이 참고된다.
리튬-이온 배터리의 다양한 관점들은 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 5,773,959에 언급되어 있다.
특히 자동차 환경에 사용하기 위한 리튬-이온 배터리는 일반적으로 서로 직렬로 접속된 다수의 개별 배터리 셀을 포함한다. 서로 직렬로 접속된 배터리 셀들은 소위 배터리 팩으로 통합되고, 다수의 배터리 팩은 리튬-이온 배터리라고도 하는 배터리 모듈로 통합된다. 각각의 개별 배터리 셀은 배터리 셀의 하우징으로부터 안내되는 전극을 갖는다.
특히 자동차 환경에 리튬-이온 배터리를 사용하기 위해서는 내식성, 사고시 내성 또는 진동 저항성과 같은 많은 문제가 해결해야 한다. 다른 문제점은 장시간에 걸쳐 배터리 셀의 기밀 방식 밀봉이다. 밀봉성은 예컨대 배터리 셀의 전극 또는 배터리 셀의 전극 피드스루의 영역에서 누설에 영향을 줄 수 있다. 이러한 누설은 예컨대 온도 변동 부하 및 기계적 교번 부하, 예컨대 차량 내의 진동 또는 플라스틱의 에이징에 의해 야기될 수 있다. 배터리 또는 배터리 셀의 단락 또는 온도 변동은 배터리 또는 배터리 셀의 수명을 단축할 수 있다.
사고시 더 나은 내성을 보장하기 위해, DE 101 05 877 A1은 예컨대 리튬-이온 배터리용 하우징을 제시하고, 상기 하우징은 2개의 측면에서 개방되며 폐쇄되는 금속 피복을 포함한다. 전류 접속부 또는 전극은 플라스틱에 의해 절연된다. 플라스틱 절연의 단점은 제한된 온도 내성, 제한된 기계적 내성, 에이징 및 수명에 걸친 불확실한 밀봉성이다. 따라서, 선행 기술에 따른 리튬-이온 배터리에서 전류 피드스루는 예컨대 Li-이온 배터리의 커버부에 기밀 방식으로 밀봉되어 조립될 수 없다. 또한, 전극들은 배터리의 내부에서 추가 절연체와 스퀴징되고 레이저 용접된 결합 부품이다.
DE 27 33 948 A1에는 유리 또는 세라믹과 같은 절연체가 용융 결합에 의해 직접 금속 부분과 결합되는 알칼리 배터리가 개시되어 있다.
금속 부분들 중 하나가 알칼리 배터리의 애노드와 전기 접속되고 다른 금속 부분이 알칼리 배터리의 캐소드와 전기 접속된다. DE 27 33 948 A1에 사용된 금속은 철 또는 강이다. 알루미늄과 같은 경금속은 DE 27 33 948 A1에 개시되어 있지 않다. 유리 또는 세라믹 재료의 용융 온도도 DE 27 33 948 A1 에 제시되어 있지 않다. DE 27 33 948 A1에 설명된 알칼리 배터리는 DE 27 33 948 A1에 따라 나트륨하이드록사이드 또는 칼륨 하이드록실을 포함하는 알칼리 전해질을 가진 배터리이다. Li-이온 배터리의 가열은 DE 27 33 948 A1에 나타나지 않는다.
DE 698 04 378 T2 또는 EP 0 885 874 B1에는 알칼리 이온 배터리용 물 없는 유기 전해질을 제조하기 위한 그리고 비대칭 유기 탄산에스테르를 제조하기 위한 방법이 개시되어 있다. 재충전 가능한 리튬-이온 셀용 전해질도 DE 698 04 378 T2 또는 EP 0 885 874 B1에 개시되어 있다.
DE 699 23 805 T2 또는 EP 0 954 045 B1은 개선된 전기적 성능을 가진 RF-피드스루를 개시한다. EP 0 954 045 B1에 개시된 피드스루는 유리-금속 피드스루가 아니다. EP 0 954 045 B1에는, 패키지의 예컨대 금속 벽 내부에 직접 형성된 유리-금속 피드스루가 유리의 취성으로 인해 영구적이지 않다는 단점을 갖는 것으로 설명된다.
DE 690 230 71 T2 또는 EP 0 412 655 B1은 배터리 또는 다른 전기화학적 셀용 유리-금속 피드스루를 개시한다. 이 경우, 유리로서 약 45 중량%의 SiO2 함량을 가진 유리가 사용되고, 금속으로서 특히 몰리브덴 및/또는 크롬 및/또는 니켈을 포함하는 합금이 사용된다. DE 690 23 071 T2에서 경금속의 사용은 사용된 유리의 용융 온도보다 적게 설명된다. 핀형 도체의 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 이루어지고, 핀형 도체는 백금/이리듐으로 이루어진다. 유리 재료로는 US 7,687,200에 유리 TA23 및 CABAL-12가 제시된다. US 5,015,530에 따르면, 유리 재료는 1025℃ 또는 800℃의 용융 온도를 가진 CaO-MgO-Al2O3-B2O3-시스템이다. 또한, US 5,015,530에는 리튬-배터리용 유리-금속 피드스루용 유리 조성물이 개시되어 있으며, 상기 조성물은 CaO, Al2O3, B2O3, SrO 및 BaO를 포함하고, 그 용융 온도는 650℃ 내지 750℃ 범위에 있기 때문에 경금속과 함께 사용하기에 너무 높다.
또한, 바륨은 많은 용도에서 바람직하지 않은데, 그 이유는 환경에 유해하고 건강에 해로운 것으로 고려되기 때문이다. 스트론튬도 똑같이 논의되며, 앞으로 사용되지 않아야 한다.
또한, US 7,687,200에 따른 유리 조성물은 20℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 α
Figure pct00001
9·10-6/K의 팽창 계수 α를 갖는다.
본 발명의 과제는 전술한 바와 같은 선행 기술의 단점을 없애고, 특히 배터리 셀 하우징에도 사용될 수 있는, 간단히 제조되는 전기 피드스루를 제공하는 것이다. 또한, 피드스루가 높은 내성을 가져야 한다.
상기 과제는 본 발명에 따라 하우징, 특히 배터리 하우징의 하우징 부품을 통과하는 피드스루로서, 상기 하우징 부품은 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구를 통해 적어도 하나의 도체, 바람직하게는 실질적으로 핀형인 도체가 안내되며, 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체는 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 피드스루에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 피드스루는 실질적으로 핀형인 도체 및/또는 하우징 부품과 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료인 절연체와의 적어도 하나의 결합부를 포함하고, 상기 결합부는 초음파 용접 결합부이다.
초음파 용접은 바람직하게는 높은 프로세스 안전성과 더불어 신속한 프로세스 시간이 문제가 되는 경우, 특히 열가소성 및 폴리머 친화성 플라스틱에 사용되는 접합 기술이다. 초음파 용접에서 고주파의 기계적 진동은 접합 구역에서 분자 및 경계면 마찰을 야기한다. 이 경우, 용접에 필요한 열이 생기고 재료는 가소화된다. 초음파 작용 후, 접합 압력을 유지하면서 짧은 냉각 시간에 의해 접합 구역의 균일한 고화가 달성된다. 추가로, 예컨대 소노트로드의 구조 및 접합 구역의 형상이 용접 결과에 영향을 줄 수 있다. 압력 결합만이 주어지는 압력 유리화와는 달리, 유리 재료와, 상기 유리 재료와 결합되는 재료 사이의 결합은 화학적 결합이다.
초음파 용접의 중요한 특성은 다음과 같다: 매우 신속한 프로세스 시간, 용접 파라미터의 모니터링에 의한 매우 양호한 프로세스 제어 및 프로세스 안전성, 용접 프로세스의 디지털 제어에 의한 선택적 에너지 공급, 시각적으로 완벽하고 안정하며 재현 가능한 용접 시임을 가진 일정한 용접 품질 및 시각적으로 양호한 용접 시임 형상. 또한, 임의의 윤곽, 특히 2개의 재료의 임의로 폐쇄되는 윤곽을 결합하는 것이 가능하다. 바람직하게는 차가운 용접 공구가 사용될 수 있어서, 기계의 가열 시간이 고려될 필요가 없고, 용접 공구의 신속하고 간단한 교체가 가능해진다. 또한, 용접 시임은 기밀 및 액밀하다.
초음파 용접 결합으로서 실시예에 의해, 예컨대 하우징 부품의 재료의 용융 온도보다 더 높은 용융 온도를 가진 유리 또는 유리 세라믹 재료를 사용하는 것이 가능하다. 이는 습윤 거동이 하우징 부품 및/또는 핀의 사용된 재료에 맞춰진 유리 또는 유리 세라믹 재료의 선택을 가능하게 한다. 유리 및/또는 유리 세라믹 재료는 양호한 습윤 가능성으로 인해, 필요한 밀봉성 및 기계적 안정성을 제공하고, 사용된 재료의 용융 온도는 거의 자유롭게 선택될 수 있다.
유리 또는 유리 세라믹의 용융 온도는 유리 재료가 연화되어 유리 재료와 함께 용융되는 금속에 밀봉 방식으로 접촉함으로써, 유리 또는 유리 세라믹과 금속 사이의 접합이 주어지는 유리 또는 유리 세라믹의 온도를 의미한다.
용융 온도는 예컨대 공개 내용 전체가 본 출원서에 포함되는 R. Goerke, K.-J. Leers:Keram. Z. 48(1996) 300-305에 또는 DIN 51730, ISO 540 또는 CEN/TS 15404 및 15370-1에 따라 설명되는 바와 같은 반구형 변화 온도보다 높게 결정될 수 있다. 반구형 변화 온도의 측정은 DE 10 2009 011 182 A1에 상세히 설명되며, DE 10 2009 011 182 A1의 공개 내용 전체는 본 출원서에 포함된다. DE 10 2009 011 182 A1에 따라 반구형 변화 온도는 현미경 방법에서 고온 현미경으로 측정될 수 있다. 반구형 변화 온도는 원래 원통형인 시험편이 반구형 덩어리로 함께 용융되는 온도를 나타낸다. 반구형 변화 온도에는 기술 문헌에 나타나는 바와 같이 대략 log η=4.6 dPas 의 점도가 할당될 수 있다. 결정화 없는 유리가 예컨대 유리 분말의 형태로 용융되고 다시 냉각됨으로써 응고되면, 통상 동일한 용융 온도에서 다시 용융될 수 있다. 이는 결정화 없는 유리와의 접합을 위해 접합이 영구적으로 노출될 수 있는 작동 온도가 용융 온도보다 높지 않아야 한다는 것을 의미한다. 여기서 사용되는 유리 조성물은 일반적으로 종종 유리 분말로 제조되며, 상기 유리 분말은 용융되고 열 작용 하에서 결합될 부품과 접합된다. 용융 온도는 일반적으로 유리의 소위 반구형 변화 온도의 높이에 대략 상응한다. 낮은 용융 온도를 가진 유리를 유리 땜납이라고도 한다. 이 경우에는 상기 용융 온도를 땜납 온도 또는 납땜 온도라고 한다. 용융 온도 또는 땜납 온도는 반구형 변화 온도와 ±20K 만큼 차이날 수 있다.
DE 10 2009 011 182 A1에 개시된 유리 땜납은 예컨대 연료 전지에서 고온 적용에 관련된다.
본 발명에 따른 용접 결합, 특히 초음파 용접 결합에 의한 절연체, 특히 유리 재료와 주변 재료와의 결합의 다른 장점은 사용되는 재료가 비교적 자유롭게 선택될 수 있으며, 예컨대 부품들의 열 팽창들의 매칭이 중요하지 않다는 것이다. 이는 예컨대 유리 또는 유리 세라믹을 배터리 셀의 전해질에 매칭할 수 있게 한다. 특히, 화학적으로 매우 부식성인 전해질에 대한 높은 내성을 가진 재료가 선택될 수 있다. 이는 특히 절연체와 베이스 바디의 결합 및 절연체와 실질적으로 핀형인 도체의 결합이 초음파 용접에 의해 이루어지는 경우이다. 이러한 경우, 예컨대 유리 세라믹 또는 석영 유리가 절연체의 재료로서 사용될 수 있다. 유리 세라믹은 높은 강도, 높은 화학적 내성 및 낮은 팽창 계수를 갖는다. 석영 유리는 특히 대부분의 용융 유리 또는 땜납 유리에 비해 매우 높은 안정성을 갖는다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 핀형 도체는 헤드부를 포함하고, 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료는 헤드부와 하우징 부품 사이에 삽입된다. 바람직하게는 유리 또는 유리 세라믹 재료는 링형이며, 예컨대 유리 링이다. 헤드부를 가진 핀형 도체의 이러한 실시예에서, 헤드부를 가진, 예컨대 알루미늄으로 제조된 실질적으로 핀형인 도체와 링형 재료, 예컨대 유리 링 사이에 용접이 제공될 수 있다. 초음파 용접 결합은 절연체와 하우징 부품 사이에 주어질 수 있다. 2개의 결합이 용접 결합이면, 전술한 바와 같이 절연체의 재료 선택에 있어 최대 자유도가 주어진다. 헤드부를 가진 핀형 도체의 실시예는 특히 배터리 셀 내부에서 대개 매우 좁게 설정되는 설치 공간과 관련해서 장점을 갖는다. 헤드부를 가진 핀형 도체는 예컨대 일반적으로 핀형 도체의 헤드면보다 큰 헤드부의 헤드면이 전극 결합부에 접속될 수 있게 하고, 상기 전극 결합부는 배터리 셀의 애노드 또는 캐소드와 결합된다.
전극 결합부 또는 전극 결합 부품은 예컨대 용접, 특히 레이저 용접, 저항 용접, 전자빔 용접, 마찰 용접, 초음파 용접, 본딩, 접착, 납땜, 코킹, 수축, 프레스, 클램핑 및 스퀴징에 의해 헤드부와 재료 결합 방식으로 결합될 수 있다.
도체, 바람직하게는 핀형 도체의 재료로는 바람직하게 금속, 특히 Cu, CuSiC 또는 구리 합금, Al 또는 AlSiC 또는 알루미늄 합금, Mg 또는 마그네슘 합금, 금 또는 금 합금, 은 또는 은 합금, NiFe, 구리 내부 부분을 가진 NiFe-피복 및 코발트-철 합금이 있다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서 하기 재료가 바람직하게 사용된다:
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.
구리 또는 구리 합금으로서 하기 재료가 바람직하게 사용된다:
Cu-PHC 2.0070
Cu-OF 2.0070
Cu-ETP 2.0065
Cu-HCP 2.0070
Cu-DHP 2.0090
일 실시예에서, 유리 또는 유리 세라믹 재료로서 도체, 특히 핀형 도체 및/또는 하우징 부품의 용융 온도보다 더 낮은 용융 온도를 가진 재료가 선택되는 것이 바람직하다. 핀형 도체, 특히 하우징 부품의 재료에 경금속이 사용되는 것이 특히 바람직하다.
본 출원서에서 경금속은 5.0 kg/dm3 보다 작은 비중을 가진 금속을 말한다. 특히, 경금속의 비중은 1.0 kg/dm3 내지 3.0 kg/dm3 의 범위에 놓인다.
경금속이 도체, 예컨대 핀형 도체 또는 전극 결합 부품용 재료로서 사용되면, 경금속은 또한 5·106 S/m 내지 50·106 S/m 범위의 비전기 전도도를 갖는다.
압력 유리 피드스루에 사용시, 20 ℃ 내지 300 ℃의 범위에 대한 팽창 계수 α는 18·10-6/K 내지 30·10-6/K 범위에 놓인다.
일반적으로 경금속은 350 ℃ 내지 800 ℃ 범위의 용융 온도를 갖는다.
사용될 수 있는 바람직한 유리 조성물은 하기 성분을 몰%로 포함한다:
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%, 여기서 M=K, Cs, Rb 일 수 있음
PbO 0-10 몰%, 특히 0-9 몰%
Li2O 0-45 몰%, 특히 0-40 몰%, 더욱 바람직하게는 17-40 몰%
BaO 0-20 몰%, 특히 0-20 몰%, 더욱 바람직하게는 5-20 몰%
Bi2O3 0-10 몰%, 특히 1-5 몰%, 더욱 바람직하게는 2-5 몰%
하기 성분을 포함하는 조성물이 특히 바람직하다:
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%
전술한 유리 조성물은 낮은 용융 온도 및 낮은 Tg를 가질 뿐만 아니라, 예컨대 Li-이온 배터리에 사용되는 바와 같은 배터리 전해질에 대해 충분히 높은 내성을 가지며, 요구되는 장시간 내성을 보장한다.
바람직한 것으로 제시된 유리 재료는 공지된 알칼리-포스페이트 유리보다 훨씬 더 낮은 총 알칼리 함량을 가진 안정한 포스페이트 유리이다.
전술한 유리 조성물은 유리 구조 내로 삽입되는 Li를 포함한다. 이로 인해, 유리 조성물은 Li에 기초한, 예컨대 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트를 1:1로 혼합한 1 M LiPF6-용액에 기초한 전해질을 포함하는 Li-이온-저장 장치에 특히 적합하다.
저나트륨 또는 나트륨 없는 유리 조성물이 특히 적합한데, 그 이유는 알칼리 이온의 확산이 Na+>K+>Cs+ 순서로 이루어져서 바람직하게는 20 몰%보다 적은 Na2O를 가진 저나트륨 또는 나트륨 없는 유리가 전해질, 특히 Li-이온 저장 장치에 사용되는 바와 같은 전해질에 대한 내성을 갖기 때문이다.
배터리 전해질에 대한 유리 조성물의 내성은 유리 조성물이 입자 d50=10㎛를 가진 유리 분말의 형태로 분쇄되어 미리 정해진 시간, 예컨대 일주일 동안 전해질 내에서 용리됨으로써 검사될 수 있다. D50은 모든 입자의 50% 또는 유리 분말의 입자가 10 ㎛의 직경보다 작거나 같은 것을 의미한다. 비-수성 전해질로는 예컨대 전도염으로서 1 M LiPF6 과 1:1 비율로 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트로 이루어진 카보네이트 혼합물이 사용된다. 유리 분말이 전해질에 노출된 후에, 유리 분말은 필터링되고 전해질은 유리로부터 용리된 유리 성분에 대해 분석될 수 있다. 이 경우, 전술한 조성 범위의 인산염 유리에서는 놀랍게도 이러한 용리가 20 질량 퍼센트보다 적은 양으로 주어지며, 특별한 경우에 용리 < 5 질량 퍼센트가 달성되는 것으로 나타났다. 또한, 이러한 유리 조성물은 열 팽창 α(20℃-300℃) > 14·10-6/K, 특히 15·10-6/K 내지 25·10-6/K 를 갖는다. 전술한 유리 조성물의 다른 장점은 유리와 주변 경금속 또는 특히 금속 핀 형태의 도체의 금속의 용융이 보호 가스 분위기가 아닌 가스 분위기에서도 가능하다는 것이다. 지금까지의 방법과는 달리 Al-용융을 위해 진공도 필요 없다. 오히려, 이러한 용융은 공기 중에서 이루어질 수 있다. 2가지 방식의 용융에는 보호 가스로서 N2 또는 Ar 이 사용될 수 있다. 의도적으로 산화 또는 코팅된 경우, 용융을 위한 예비 처리로서, 금속, 특히 경금속이 세척 및/또는 에칭된다. 프로세스 동안 300℃ 내지 600℃의 온도가 0.1 내지 30 K/min의 가열 레이트 및 1 내지 60 min 의 가열 레이트로 사용된다.
하우징 부품을 통한 피드스루와 더불어, 본 발명에 따른 적어도 하나의 피드스루를 포함하는 하우징, 특히 배터리 셀 하우징, 예컨대 배터리 커버, 및 상기 피드스루를 가진 저장 장치, 특히 배터리가 제시된다. 피드스루 및 하우징과 더불어, 본 발명은 피드스루를 하우징 부품에 제공하는 방법을 제시한다. 본 발명의 제 1 실시예에서, 먼저 실질적으로 핀형인 도체가 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료와 함께 용융되어, 피드스루를 형성한다. 상기 피드스루는 초음파 용접에 의해 하우징 부품과 결합되고, 바람직하게는 기밀 방식으로 밀봉되게 결합된다. 이 경우, 피드스루의 실질적으로 핀형인 도체는 하우징 부품 내의 개구를 통해 안내되고, 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체가 하우징 부품을 통해 안내된 후에 피드스루는 초음파 용접에 의해 하우징 부품과 결합된다. 예컨대 하우징 부품의 특정 재료에서 용접 프로세스의 양호한 결과를 얻기 위해, 절연체와 하우징 부품의 용접 전에 절연체와 하우징 부품 사이에 접촉 재료, 예컨대 알루미늄 막이 삽입된다. 초음파 용접이 예컨대 토션 소노트로드에 의해 특히 하우징 부품의 측면으로부터 이루어지는 것이 특히 바람직하다.
배터리가 리튬-이온 배터리인 것이 바람직하다. 리튬-이온 배터리는 바람직하게 카보네이트, 바람직하게는 카보네이트 혼합물 기반의 비-수성 전해질을 포함한다. 카보네이트 혼합물은 예컨대 LiPF6 과 같은 전도염과 디메틸카보네이트와 혼합된 에틸렌카보네이트를 포함할 수 있다.
하우징 부품의 재료는 바람직하게 금속, 특히 경금속, 예컨대 알루미늄, AlSiC, 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금이다. 배터리 하우징 및 베이스바디에는 티탄 및/또는 티탄 합금, 예컨대 Ti6246 및/또는 Ti6242가 사용될 수 있다. 티탄은 신체 친화성 재료이므로, 의학적 용도에, 예컨대 치과 보철에 사용된다. 또한, 티탄은 특별한 강도, 내성 및 적은 중량 때문에 특별한 용도에, 예컨대 레이싱에 그리고 항공 및 우주 비행 용도에도 사용된다.
하우징 부품 및/또는 베이스 바디의 대안적 재료는 강, 스테인리스 강, 연강 또는 특수 강이다.
연강으로는 특히 St35, St37 또는 St38이 사용된다. 특히 바람직한 특수 강은 예컨대 X1CrMoS17, X5CrNi1810, XCrNiS189, X2CrNi1911, X12CrNi177, X5CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2, X6CrNiTi1810 및 X15CrNiSi25-20, X10CrNi1808, X2CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2, 특히 유럽 표준(EN)에 따른 재료 번호(WNr.) 1.4301, 1.4302, 1.4303, 1.4304, 1.4305, 1.4306 및 1.4307 를 가진 특수 강이다. 상기 특수 강은 특히 레이저 용접시 또는 저항 용접시 양호한 용접 가능성 및 양호한 딥드로잉 가능성을 갖는다.
재료로서, 적합한 팽창 계수를 가지며 선삭에 의해 가공될 수 있는 예컨대 재료 번호(WNr.) 1.0718를 가진 쾌삭강, 또는 스탬핑에 의해 가공될 수 있으며 하우징 및/또는 베이스 바디에 사용될 수 있는 예컨대 재료 번호(WNr.) 1.0338을 가진 구조 강이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 완전한 피드스루, 즉 절연체와 하우징 부품의 부분의 용접에 대한 대안으로서, 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료가 선행기술에 따라 하우징 부품과 함께 용융되고, 하우징 부품과 유리 또는 유리 세라믹 재료의 용융에 후속해서 핀형 도체를 초음파 용접에 의해 절연체와 결합하는, 바람직하게는 기밀 방식으로 밀봉 결합하는 것도 가능하다. 이러한 방법은 도체, 특히 핀형 도체가 헤드부를 가지며 핀형 도체의 헤드부가 초음파 용접에 의해 유리 또는 유리 세라믹 재료와 결합될 수 있는 경우 특히 바람직하다.
대안으로서, 절연체 또는 유리 또는 유리 세라믹은 하우징 부품, 예컨대 절연체를 가진 핀형 도체와, 특히 초음파 용접에 의해 용접될 수 있다. 이는 절연체의 재료 선택에서의 큰 자유도를 제공한다. 예컨대, 유리 세라믹 또는 석영 유리가 절연체용 재료로서 선택될 수 있다.
본 발명에 의해, 선행 기술의 단점을 갖지 않고, 특히 배터리 셀 하우징에도 사용될 수 있는, 간단히 제조되는 전기 피드스루가 제공된다. 또한, 피드스루는 높은 내성을 갖는다.
이하, 본 발명이 실시예를 참고로 설명되지만, 이것에 제한되지는 않는다.
도 1은 접촉 재료를 가진 본 발명의 제 1 실시예.
도 2는 접촉 재료 없는 본 발명의 제 2 실시예.
도 3은 실질적으로 핀형인 도체가 헤드부를 포함하는, 본 발명의 제 3 실시예.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 피드스루를 포함하는 배터리 셀.
도 1에는 배터리 셀 하우징의 부분인 하우징 부품(3)을 통과하는 본 발명에 따른 전기 피드스루(1)가 도시된다. 배터리 셀 하우징(3)은 개구(5)를 포함하고, 상기 개구를 통해 피드스루(1)의 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(7)가 안내된다. 하우징 부품(3)은 내부면(10.1) 및 외부면(10.2)을 포함한다. 하우징 부품(3)의 내부면(10.1)은 배터리 셀을 향한다. 실질적으로 핀형인 도체(7)는 하우징 부품(3)의 외부면(10.2)을 지나 돌출한다.
하우징 부품(3) 및 도체, 특히 핀형 도체(7)용 재료들은 상이한 금속을 포함할 수 있다. 예컨대 도체, 바람직하게는 실질적으로 핀형인 도체(7)는 높은 전기 전도도로 인해 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 한편, 예컨대 하우징 부품(3)은 나중에 다른 특수강 부품과 용접되기 위해 특수강으로 제조될 수 있다. 대안으로서, 하우징 부품용 경금속도 가능하다.
본 출원서에서, 경금속은 5.0 kg/dm3 보다 낮은 비중을 가진 금속을 의미한다. 특히, 경금속의 비중은 1.0 kg/dm3 내지 3.0 kg/dm3 범위에 놓인다.
경금속이 도체, 예컨대 핀형 도체 또는 전극 결합 부품의 재료로서 사용되면, 경금속은 또한 5·106 S/m 내지 50·106 S/m 범위의 비전기 전도도를 갖는다.
압력 유리 피드스루에 사용시, 팽창 계수 α는 20℃ 내지 300℃에서 18·10-6/K 내지 30·10-6/K 범위에 놓인다.
일반적으로 경금속은 350℃ 내지 800℃ 범위의 용융 온도를 갖는다.
본 발명에 따라 피드스루(1)는 실질적으로 핀형인 도체와 더불어 절연체(20)를 포함하며, 상기 절연체는 바람직하게 유리 또는 유리 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 실질적으로 핀형인 도체(7)는 제 1 방법 단계에서 절연체, 여기서는 유리 또는 유리 세라믹 재료와 기밀 방식으로 밀봉되게, 예컨대 용융 또는 초음파 용접에 의해 결합된다. 바람직하게 절연체는 링형이고, 예컨대 유리 링이다. 유리 링은 여기서 링형이라고 표현되지만, 이 윤곽은 반드시 필요한 것은 아니다. 오히려, 절연체(20)의 다른 윤곽, 예컨대 다각형도 가능하다. 윤곽 선택의 자유는 특히 절연체와 하우징의 결합이 초음파 용접에 의해 이루어질 수 있기 때문에 가능해진다. 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(7), 및 실질적으로 핀형인 도체가 용융된 절연체(20)로 이루어진 피드스루가 제조된 후에, 피드스루(1) 전체가 하우징 부품(3)과 특히, 용접, 바람직하게는 초음파 용접에 의해 결합된다. 실질적으로 핀형인 도체가 절연체, 예컨대 유리 링과 함께 용융되면, 절연체, 예컨대 유리 또는 유리 링의 재료 특성이 실질적으로 핀형인 도체(7)의 재료에 맞춰져야 한다. 예컨대, 용융 온도와 관련해서 절연체, 예컨대 유리 링이 초음파 용접에 의해 실질적으로 핀형인 도체와 결합되면, 절연체의 재료의 선택이 상기 경우보다 더 자유로운데, 그 이유는 절연체의 용융 온도가 실질적으로 핀형인 도체에 맞춰질 필요가 없기 때문이다. 이 경우, 절연체에 대한 재료로서 유리 세라믹 또는 석영 유리가 선택될 수 있다. 미리 가공된 피드스루(1)를 하우징 부품(3)과 결합하는 것은 도 1에 도시된 실시예에서 절연 재료(20)와 하우징 부품(3) 사이에 놓인 접촉 재료(22)를 이용한 용접에 의해 이루어진다. 접촉 재료의 사용에 의해 바람직하게는, 초음파 용접에 의해 절연체가 연성 금속, 예컨대 연성 알루미늄과 결합될 수 있을 뿐만 아니라, 다른, 특히 덜 연성인 금속, 예컨대 특수 강 또는 구리와 결합될 수 있다.
실질적으로 핀형인 도체가 초음파 용접에 의해 절연체와 결합되면, 접촉 재료, 특히 알루미늄 막이 실질적으로 핀형인 도체 둘레로 감겨진다(도시되지 않음). 접촉 재료로서 알루미늄 막은 특히 Cu 재료로 이루어진 도체에 특히 바람직하다.
접촉 재료로서, 바람직하게는 알루미늄 막이 사용될 수 있다. 피드스루의 절연체(20)와 하우징 부품(3)의 용접은 바람직하게 하우징 부품(3)의 측면으로부터 토션 소노트로드를 이용해서 초음파 결합에 의해 이루어진다.
도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(7)용 재료로서, Al, 알루미늄 합금, AlSiC와 더불어, Cu, CuSiC, 구리 합금, NiFe, 구리 성분을 가진 NiFe 피복, 은, 은 합금 및 코발트-철-합금이 사용된다.
절연체(20)의 재료, 바람직하게는 유리 또는 유리 세라믹 재료로서 특히 하기 조성을 가진 용융 유리 또는 땜납 유리가 사용된다:
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%, 여기서 M=K, Cs, Rb 일 수 있음
PbO 0-10 몰%, 특히 0-9 몰%
Li2O 0-45 몰%, 특히 0-40 몰%, 더욱 바람직하게는 17-40 몰%
BaO 0-20 몰%, 특히 0-20 몰%, 더욱 바람직하게는 5-20 몰%
Bi2O3 0-10 몰%, 특히 1-5 몰%, 더욱 바람직하게는 2-5 몰%
하기 조성이 특히 바람직하다:
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%
전술한 인산염 유리는 높은 결정화 안정성을 갖는다. 인산염 유리의 높은 결정화 안정성은 일반적으로 온도 < 600℃에서도 유리의 용융이 일반적으로 방해받지 않는 것을 보장한다.
용융 온도는 예컨대 공개 내용 전체가 본 출원서에 포함되는 R. Goerke, K.-J. Leers:Keram. Z. 48(1996) 300-305에 또는 DIN 51730, ISO 540 또는 CEN/TS 15404 및 15370-1에 따라 설명되는 바와 같은 반구형 변화 온도보다 높게 결정될 수 있다. 반구형 변화 온도의 측정은 DE 10 2009 011 182 A1에 상세히 설명되며, DE 10 2009 011 182 A1의 공개 내용 전체는 본 출원서에 포함된다. DE 10 2009 011 182 A1에 따라 반구형 변화 온도는 현미경 방법에서 고온 현미경으로 측정될 수 있다. 반구형 변화 온도는 원래 원통형인 시험편이 반구형 덩어리로 함께 용융되는 온도를 나타낸다. 반구형 변화 온도에는 기술 문헌에 나타나는 바와 같이 대략 log η=4.6 dPas 의 점도가 할당될 수 있다. 결정화 없는 유리가 예컨대 유리 분말의 형태로 용융되고 다시 냉각됨으로써 응고되면, 통상 동일한 용융 온도에서 다시 용융될 수 있다. 이는 결정화 없는 유리와의 접합을 위해 접합이 영구적으로 노출될 수 있는 작동 온도가 용융 온도보다 높지 않아야 한다는 것을 의미한다. 여기서 사용되는 유리 조성물은 일반적으로 종종 유리 분말로 제조되며, 상기 유리 분말은 용융되고 열 작용 하에서 결합될 부품과 접합된다. 용융 온도는 일반적으로 유리의 소위 반구형 변화 온도의 높이에 대략 상응한다. 낮은 용융 온도를 가진 유리를 유리 땜납이라고도 한다. 이 경우에는 상기 용융 온도를 땜납 온도 또는 납땜 온도라고 한다. 용융 온도 또는 땜납 온도는 반구형 변화 온도와 ±20K 만큼 차이날 수 있다.
하기 표 1에는 특히 바람직한 인산염 유리에 대한 실시예가 나타난다:
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 변화 온도(℃) 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 70 시간 후에 중량 손실(%) 10.7 0.37 0.1 0.13 0.13 n.B. 0.006/0.001 0.45/0.66
표 1 내의 실시예 1은 알루미늄/알루미늄 유리화, 즉 주변 알루미늄 베이스 바디 내에 도체로서 알루미늄 핀의 유리화에 특히 적합하다.
용리와 더불어 개별 유리의 내수성도 측정되었다.
내수성 테스트는 200 ml 물속에서 25℃ 및 70℃로 70 시간 동안 유리화된 유리의 저용융물이 만들어지도록(2x2 ㎝, 높이: ∼0.5 ㎝) 이루어진다. 그리고 나서, 재료 손실이 중량%로 측정되었고, 표에 제시되었다.
표 1 내의 실시예 6은 특히 Cu/Al 유리화, 즉 주변 알루미늄 베이스 바디 내에 도체로서 구리 핀의 유리화에 특히 적합하다.
몇몇 실시예들이 Cu와 접합하기에 너무 낮은 팽창 계수를 나타냄에도 불구하고 많은 량의 Li가 용융물 중에 용해될 수 있고, 이러한 유리 조성물을 가진 유리가 불안정하지 않다는 것이 명확해진다.
실시예 7 및 8(AB7 및 AB8)은 실시예 6(AB6)에서와 같이 예컨대 PbO 대신에 Bi2O3 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
놀랍게도, Bi2O3 에 의해 내수성이 현저히 상승될 수 있는 것으로 나타났다. 1 몰% Bi2O3 의 도입에 의해, 예컨대 실시예 8(AB8)에서 실시예 1(AB1)보다 10배 더 높은 내수성이 달성된다. Bi2O3 는 특히 실시예 6(AB6)에 따른 PbO 대신에도 사용될 수 있다. 불순물을 제외하고 납이 없는 유리가 그 환경 친화성으로 인해 바람직하다. 불순물을 제외하고 없다는 것은, 조성물이 100 ppm보다 적은, 바람직하게는 10 ppm 보다 적은, 더욱 바람직하게는 1 ppm 보다 적은 재료, 예컨대 납을 포함하는 것을 의미한다.
표 1에서 조성물은 몰%로, 변태 온도 Tg는 예컨대 Schott Guide to Glass, 제 2권, 1996, Chapman & Hall, 페이지 18-21에 규정된 바와 같이, 총 용리는 질량 퍼센트(Ma%)로, 팽창 계수 CTE 또는 α는 20℃에서 10-6K- 1 로, 그리고 밀도는 g/㎤로 표시된다. 총 용리는 하기에 설명되는 바와 같이 결정된다. 먼저, 유리 조성물이 입자 d50 = 10㎛를 가진 유리 분말로 분쇄되고, 일주일 동안 전도염으로서 용해된 1 몰의 LiPF6와 1:1의 비율로 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트로 이루어진 전해질에 노출되고, 이 시간 후에 전도염으로서 용해된 1 몰의 LiPF6 과 1:1의 비율로 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트로 이루어진 전해질이 유리에서 용리된 유리 성분에 대해 분석된다. 앞서 제시된 표 1에서 n.b.는 특성이 공지되지 않음을 나타낸다.
도 2에는 도 1에 대한 대안적 실시예가 도시되며, 도 2에 따른 실시예에서는 접촉 재료가 사용되지 않는다. 도 1에서와 동일한 부품은 동일한 도면 부호로 표시된다.
도 1에 도시된 바와 같은 접촉 막이 사용되지 않는 실시예는 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(7) 또는 특히 하우징 부품(3)이 알루미늄으로 이루어지는 경우 사용된다. 이러한 경우에는 추가의 층이 생략될 수 있는데, 그 이유는 용접될 금속이 연성 금속이기 때문이다. 제조 방법은 도 1에서와 같이, 먼저 핀형 도체가 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료와 함께 용융되거나 또는 초음파 용접 및 후속해서 실질적으로 핀형인 도체와 절연체(20)로 이루어진 피드스루의 제조에 의해, 전체 피드스루가 용접 방법, 특히 초음파 용접에 의해 하우징 부품(3)과 결합된다. 따라서, 도 1과는 달리 절연체(20)와 하우징 부품(3)의 내부면(10.1)의 직접적인 용접이 이루어진다. 하우징 부품의 면(10.2)은 외부면을 형성하고, 면(10.1)은 내부면, 즉 하우징 부품의 실시예에서 배터리 셀 하우징의 부분으로서 배터리의 내부로, 즉 배터리 셀을 향하는 면을 형성한다. 실질적으로 핀형인 도체(7)는 하우징 부품(5) 내의 개구(5)를 통해 외부로 안내된다.
도 3에는 본 발명의 대안적 실시예가 도시된다. 도 3에 따른 실시예에서, 도 1 및 도 2에서와 동일한 부품은 100을 더한 도면 부호로 표시된다. 피드스루(101)는 헤드부(130)를 가진 실질적으로 핀형인 도체를 포함한다. 헤드부의 면(F)은 실질적으로 핀형인 도체(7)의 면(FS)보다 훨씬 더 크다.
도 1 및 도 2에 따른 실시예와는 달리, 본 발명에 따라 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료(120)는 도 3에서 실질적으로 핀형인 도체(107)의 헤드부(130)의 면(F)과 하우징 부품의 내부면(110.1) 사이에 삽입된다.
헤드부(130)를 가진 도 3에 따른 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체는 헤드부의 영역에 전극 결합 부품이 예컨대 내부면, 즉 배터리 셀을 향한 헤드부(130)의 면(F1)에 접촉에 의해 장착되는 장점을 갖는다. 핀형 도체(107)의 헤드부(130)를 지나 돌출한 연장부(140)는 전극 결합부를 위해 예컨대 센터링 또는 비틀림 방지부로서 사용될 수 있다. 실질적으로 핀형인 도체(107)의 헤드부와 결합된, 도시되지 않은 전극 결합부는 배터리 셀 내에서 캐소드 또는 애노드에 접속된다. 도 1 및 도 2에 따른 실시예와는 달리, 본 발명에 따른 피드스루는, 먼저 절연체, 특히 링형 절연체, 바람직하게는 유리 링 형태의 절연체가 하우징 부분(103)과 함께 예컨대 종래의 방법에 따라 용융되거나 또는 초음파 용접에 의해 결합되도록, 하우징 부품과 결합될 수 있다. 절연체(120)와 하우징 외부면(110)의 용융 또는 용접에 후속해서, 실질적으로 핀형인 도체(107)가 하우징 부품(103) 내의 개구(105) 및 유리 링(120) 내의 개구를 통해 안내된다. 유리 링(120) 및 하우징 부품(103) 내의 개구를 통해 안내되는 것에 후속해서, 실질적으로 핀형인 도체(107)가 특히 헤드부의 내부면(F)의 영역에서 유리 링(120)과 용접, 특히 초음파 용접에 의해 결합된다. 전술한 바와 같이, 도체와 절연체 그리고 절연체와 하우징 부품의 용접이 바람직한데, 그 이유는 특히 절연체용 재료가 매우 자유롭게 선택될 수 있기 때문이다. 특히, 석영 유리 및 유리 세라믹이 재료로서 가능하다.
유리 및 유리 세라믹 재료와 더불어, 절연체로서 본 발명에 따른 피드스루에서 세라믹 재료도 사용될 수 있다.
세라믹의 사용시, 세라믹은 바람직하게 금속 땜납에 의해 하우징 부품 또는 실질적으로 핀형인 도체와 결합된다.
도 4a 및 도 4b에는 피드스루를 포함하는 완전한 배터리 셀이 도시된다. 이 경우, 도 4a 및 도 4b는 하나의 실시예를 도시하며, 실질적으로 핀형인 도체는 헤드부를 포함한다.
도 4a에는 배터리 셀(1000)의 기본적인 구성이 도시된다.
배터리 셀(1000)은 측벽(1110) 및 커버부(1120)을 가진 하우징(1100)을 포함한다. 개구들(1130.1, 1130.2)이 하우징(1100)의 커버부(1120) 내에 예컨대 스탬핑에 의해 형성된다. 2개의 개구부(1130.1, 1130.2)를 통해 피드스루의 실질적으로 핀형인 도체들(1140.1, 1140.2)이 안내된다.
도 4b는 개구(1130.1) 및 그 안에 삽입된 피드스루(1140.1)를 가진 배터리 커버(1120)의 부분을 상세히 도시한다.
피드스루(1140.1)는 핀형 도체(2003) 및 베이스 바디 또는 절연체를 포함한다. 베이스 바디(2200) 또는 절연체는 여기서 링형으로, 특히 유리 또는 유리 세라믹 링으로서 형성된다. 헤드부를 가진 핀형 도체(2003)는 용융 또는 초음파 용접에 의해 베이스 바디(2200)와 결합된다. 핀형 도체(2003)는 용융 또는 초음파 용접에 의해 핀형 도체(2003)와 결합된 후에 하우징(1100)의 개구(1130.1)를 통해 안내된다. 그리고 나서, 베이스 바디 또는 절연체(2200)가 용융 또는 초음파 용접에 의해 커버부(1120)의 영역에서 하우징(1100)의 내부면(1110.1)과 결합된다.
전극 결합부(2020)는 (예컨대 용접, 특히 레이저 용접, 저항 용접, 전자빔 용접, 마찰 용접, 초음파 용접에 의해) 실질적으로 핀형인 도체의 헤드부(2130)와 결합될 수 있다. 전극 결합부(2020)는 배터리(1000)의 전기 화학적 셀(2004)의 캐소드 또는 애노드에 접속을 위해 사용된다. 리튬-이온 배터리의 전기 화학적 셀은 배터리 셀(2004)이라고도 한다. 배터리 셀(2004)을 둘러싸는 하우징(1100)은 배터리 셀 하우징으로서 형성된다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 헤드부를 가진 핀형 도체의 본 발명에 따른 플랫 구성에 의해, 배터리 셀 하우징 내에 사용되지 않는 설치 공간을 최소화할 수 있다.
도체에 대한 재료들은 특히 금속, 바람직하게는 알루미늄, AlSiC, 구리, CuSiC, 마그네슘, 은, 금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 구리 합금, 은 합금, 금 합금 또는 NiFe-합금이다.
베이스 바디 및/또는 하우징 부품은 바람직하게는 경금속, 특수 강, 강, 스테인리스 강, 특히 알루미늄, AlSiC, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티탄 또는 티탄 합금을 포함한다.
헤드부 및 이것과 결합된 전극 결합 부품을 가진 핀형 도체의 실시예에 의해, 특히 진동과 같은 기계적 부하에 대한 매우 높은 안정성이 달성된다. 이 출원서에 설명된 모든 실시예의 공통점은 절연체가 실질적으로 핀형인 도체의 재료 및 하우징 부품에 맞춰질 필요가 없다는 것이다. 초음파 용접시 발생하는 낮은 온도로 인해, 특히 매우 상이한 열 팽창 및/또는 용융 온도를 가진 부품들을 결합하는 것이 가능하다. 용융된 유리의 습윤 거동은 적어도 용융이 일어나지 않는 접촉 재료 중 하나에서 부차적인 역할만을 한다. 따라서, 초음파 용접에 의한 결합으로부터 재료의 선택과 관련한 자유도 및 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료의 선택시 자유도가 주어진다. 특히, 매체, 예컨대 배터리 셀의 전해질에 대한 저항성을 갖는 유리 또는 유리 세라믹을 사용하는 것이 가능하다.
설명된 피드스루에 대한 특별한 사용 분야로는 특히 전기 피드스루가 배터리, 특히 리튬-이온 배터리에 적합하다.
본 발명에 따른 피드스루에 의해, 배터리 하우징의 변형시에도 균열을 형성하는 경향이 있는 플라스틱 피드스루와는 달리 기밀 방식으로 밀봉되는 배터리 하우징이 제공될 수 있다. 이로 인해, 본 발명에 따른 피드스루를 포함하는 배터리 하우징을 가진 배터리에서 특히 차량 사고시 높은 내화성이 제공된다. 이는 특히 자동차 분야에서 배터리, 바람직하게는 Li-이온 배터리의 사용시 중요하다.

Claims (13)

  1. 하우징, 특히 배터리 하우징, 또는 배터리 셀 하우징의 하우징 부품(3)을 통과하는 피드스루(1)로서, 상기 하우징 부품(1120)은 적어도 하나의 개구(5, 105, 1130.1, 1130.2)를 포함하고, 상기 개구를 통해 적어도 하나의 도체, 바람직하게는 실질적으로 핀형인 도체(7, 107, 1140.1, 1140.2)가 안내되고, 상기 도체는 절연체(20, 120, 2200), 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 피드스루(1)에 있어서,
    상기 도체, 특히 상기 실질적으로 핀형인 도체(7, 107, 1140.1, 1140.2) 및/또는 상기 하우징 부품(1120)과 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료인 상기 절연체(20, 120, 2200)와의 적어도 하나의 결합부가 형성되고, 상기 결합부는 초음파 용접 결합부인 것을 특징으로 하는 피드스루.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체, 바람직하게는 상기 실질적으로 핀형인 도체(107)가 헤드부(130)를 포함하고, 상기 절연체(120), 특히 상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 상기 헤드부(130)와 하우징 부품(103) 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도체, 바람직하게는 상기 실질적으로 핀형인 도체(7, 107)가 재료로서 특히 금속, 바람직하게는 Cu, CuSiC, 구리 합금, Al 또는 AlSiC, 알루미늄 합금, NiFe, 구리 성분을 가진 NiFe-피복, 마그네슘 또는 마그네슘 합금, 은, 은 합금, 금, 금 합금 및 코발트-철 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료가 하기 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루:
    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 0-29 몰%
    M2O 0-20 몰%, 특히 12-20 몰%, 여기서 M=K, Cs, Rb 일 수 있음
    PbO 0-10 몰%, 특히 0-9 몰%
    Li2O 0-45 몰%, 특히 0-40 몰%, 더욱 바람직하게는 17-40 몰%
    BaO 0-20 몰%, 특히 0-20 몰%, 더욱 바람직하게는 5-20 몰%
    Bi2O3 0-10 몰%, 특히 0-5 몰%, 더욱 바람직하게는 2-5 몰%.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료가 하기 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루:
    P2O5 38-50 몰%
    Al2O3 3-14 몰%
    B2O3 4-10 몰%
    Na2O 10-30 몰%
    K2O 10-20 몰%
    PbO 0-10 몰%.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 피드스루(1)를 포함하는 특히 배터리 셀(2004)용 하우징(3, 1100).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하우징은 금속, 특히 경금속, 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티탄, 티탄 합금, 강, 특수 강, 스테인리스 강 또는 공구 강을 포함하는 것을 특징으로 하는 하우징.
  8. 하우징, 특히 배터리 셀 하우징(1100)에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 배터리 셀(2004)을 포함하는 저장 장치, 특히 어큐뮬레이터, 바람직하게 Li-이온 배터리로서, 상기 하우징(1100)은 적어도 하나의 개구(1130.1, 1130.2)를 포함하고, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 피드스루 내의 적어도 하나의 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(7, 107, 1130.1, 1130.2)가 상기 개구(1130.1, 1130.2)를 통해 안내되는, 저장 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징은 금속, 특수 강, 강, 스테인리스 강, 공구 강, 경금속, 특히 알루미늄, AlSiC, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티탄 또는 티탄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  10. 특히 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 피드스루를 하우징 부품에제공하는 방법으로서,
    - 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(7, 107, 1140.1, 1140.2)가 절연체(20, 120, 2200), 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료와 함께 용융되거나 또는 초음파 용접에 의해 결합되어 피드스루(1)를 형성하는 단계;
    - 상기 피드스루(1)가 초음파 용접에 의해, 바람직하게는 기밀 방식으로 밀봉되게 하우징 부품(3, 1120)과 결합되는 단계를 포함하는, 피드스루를 하우징 부품에 제공하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절연체(20, 120, 200)와 상기 하우징 부품(3, 1120) 사이에 용접 전에 접촉 재료(22), 특히 알루미늄 막이 삽입되는 것을 특징으로 하는 피드스루를 하우징 부품에 제공하는 방법.
  12. 특히 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 피드스루를 하우징 부품에 제공하는 방법으로서,
    - 절연체(120), 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료가 하우징 부품(103)과 용융되거나 또는 초음파 용접에 의해 결합되는 단계;
    - 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(107)가 절연체, 특히 유리 또는 유리 세라믹 재료와 초음파 용접에 의해 바람직하게는 기밀 방식으로 밀봉되게 결합되는 단계를 포함하는, 피드스루를 하우징 부품에 제공하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 도체, 특히 상기 실질적으로 핀형인 도체(107)가 헤드부(130, 2130)를 포함하고, 상기 헤드부(130, 2130)는 상기 절연체(120), 특히 상기 유리 또는 유리 세라믹 재료와 초음파 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 피드스루를 하우징 부품에 제공하는 방법.
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