WO2013017436A1 - Batterie mit neuartiger poldurchführung - Google Patents

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Werner Schreiber
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery, in particular a lithium-ion battery, with a housing made of aluminum or an aluminum alloy, which has a leadthrough enclosed with a metal ring housing opening through which a connected to the electrode electrical arrester is guided, wherein the arrester and the metal ring is separated electrically and mechanically from one another by an isolatable mass, and the housing and the metal ring are connected to each other via a peripheral weld joint.
  • Batteries, accumulators and the like always have a housing in which electrodes and an electrolyte are arranged.
  • electrical arresters poles
  • An essential quality feature of such batteries is the tightness of the terminal leadthrough.
  • batteries containing corrosive components such as sulfur oxide and thionyl chloride compounds or reactive organic electrolyte solutions, a hermetic seal of the battery case is extremely important.
  • batteries are often made of metal, especially in batteries used in the automotive field, often made of aluminum or an aluminum alloy.
  • pole feedthroughs for batteries with an aluminum housing are known in which the pole leading through the housing by an isolable mass having a melting point between 300 ° C and 600 ° C, electrically and mechanically separated from the vessel is. More specifically, described here is the so-called glass-metal pole feedthrough, which is used very frequently in the automotive sector, for example.
  • Common glass-to-metal pole feedthroughs include as annular metallic components, for example, rings of steel (such as SUS 304, SUS 316 or SUS 318), glass components of borosilicate and bolt-shaped poles of an iron-nickel alloy.
  • rings of steel such as SUS 304, SUS 316 or SUS 3108
  • glass components of borosilicate and bolt-shaped poles of an iron-nickel alloy In the case of aluminum or aluminum alloy cases, there is the problem that such a steel ring can not be welded directly to the battery case. The production of a welded steel-aluminum alloy is known to be very difficult.
  • the present invention has for its object to provide a battery with an aluminum housing, which has a high mechanical stability and excellent gas and electrolyte-tight properties in the area of the terminal leadthrough.
  • a battery according to the invention comprises a housing made of aluminum or of an aluminum alloy.
  • the housing has, as a pole bushing for at least one of the electrodes, a housing opening enclosed by a metal ring, through which (as pole) an electrical absorber connected to the electrode is guided.
  • the Abieiter and the metal ring are electrically and mechanically separated from each other by an isolable mass. Connected to each other are the battery housing and the metal ring of the terminal lead through a circumferential weld.
  • the battery according to the invention is characterized in particular by the fact that the metal ring of the terminal leadthrough, in addition to an annular steel segment, also has an annular segment of aluminum or of an aluminum alloy and in that the circumferential welded connection exists between the aluminum segment and the aluminum housing of the battery.
  • the battery according to the invention is preferably a secondary battery, ie a rechargeable battery (an accumulator).
  • the battery is particularly well suited for use in the automotive sector due to its lightweight aluminum housing. In principle, it can contain a wide variety of electrochemical systems, but it is preferably a lithium-ion battery. It accordingly preferably contains a nonaqueous electrolyte.
  • both the poles connected to the positive and the negative electrodes of the battery according to the invention are comprised of metal rings with the annular segment of aluminum or of an aluminum alloy.
  • the metal ring of the terminal leadthrough is made of aluminum-clad steel. Particularly preferably, it has an annular base segment Steel clad with a layer of aluminum or an aluminum alloy, which forms the segment of aluminum or an aluminum alloy.
  • Plating is known as the application of a metal layer to another metal. This should create an inseparable connection.
  • the inseparable compound is usually achieved in particular under the influence of temperature and pressure.
  • the plating can be carried out by a variety of techniques, for example by rolling thin films, welding, casting (ion plating), dipping, explosive plating or electroplating (electroplating). Frequently preferred is the method of roll-welded plating.
  • the metal ring is particularly preferably segmented in the axial direction.
  • the segments of the steel and the aluminum or the aluminum alloy are arranged one above the other in the axial direction.
  • the segment of aluminum or an aluminum alloy in this arrangement forms one of the end faces of the metal ring.
  • the production of such an axially segmented ring is very simple, for example, it is possible to provide a steel sheet or a steel plate to plate this or this one or both sides with a layer of aluminum or an aluminum alloy and from the plated steel plate or the plated steel sheet rings in the appropriate dimensions attorneystanzen.
  • the steel segment and the aluminum segment then have correspondingly the same outer and inner radius.
  • the aluminum or aluminum alloy segment has a smaller height (measured in the axial direction) than the steel segment.
  • the steel sheet or the steel plate used in the production of the ring according to the procedure outlined above preferably has a greater thickness than the plated layer of aluminum or of the aluminum alloy.
  • the height of the segment of aluminum or of the aluminum alloy is between 1% and 25%, preferably between 1% and 10%, of the total height of the ring.
  • the metal ring of the terminal bushing has a radial segmentation. This is the case, for example, when the mentioned steel annular base segment has a jacket whose outside is plated with a layer of aluminum.
  • the isolable mass which electrically and mechanically separates the one or more electrical arresters of the battery according to the invention and the metal ring, it is preferably a solder material, in particular a glass or ceramic-based solder material.
  • the isolable mass corresponds in function to the aforementioned glass component.
  • the battery according to the invention therefore has, in preferred embodiments, like the batteries described above, a glass-metal pole leadthrough.
  • a glass solder is to be understood as meaning in particular glass solder-like solder materials or composite solder with glass components having softening temperatures between 300 ° C. and 700 ° C.
  • Ceramic-based brazing materials generally have higher processing temperatures than corresponding brazing materials. These are usually between 700 ° C and 1200 ° C.
  • a fused glass, which is suitable as isolable mass, is described for example in DE 39 35 227 C1.
  • the choice of a suitable brazing material depends in particular also on the nature of the nature of the aluminum segment. Solder materials with softening temperatures above 600 ° C., for example, can generally only be used if the aluminum segment consists of a correspondingly high-melting aluminum alloy.
  • epoxy glass weaves, laminates, mica products and mineral presses which can be processed at comparatively low temperatures can also be used as isolatable material.
  • the poles of a battery according to the invention or guided by the enclosed with the metal ring housing openings electrical Abieiter usually consist of metals or metal alloys such as copper, iron, steel, iron alloys, nickel, nickel alloys, iron-nickel alloys, etc. If the battery according to the invention to a lithium-ion battery, consist of or the electrical Abieiter preferably made of stainless steel or nickel-iron-based alloys.
  • FIG. 1 illustrates the production of a battery according to the invention or its construction in the region of the terminal leadthrough (cross-sectional illustration).
  • the battery comprises a housing 101 made of aluminum and a pole bushing for at least one of the electrodes comprising a housing opening 103 enclosed by a metal ring 102 and an isolatable mass 104 which electrically and mechanically isolates the pole 105 guided through the housing opening from the metal ring 102.
  • the housing 101 In direct contact with the housing 101 is only the aluminum segment 107 of the metal ring 102 and not the steel segment 106.
  • the contacting aluminum parts 101 and 107 can be easily welded together.

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Abstract

Beschrieben wird eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend ein Aluminiumgehäuse, das als Poldurchführung eine mit einem Metallring eingefasste Gehäuseöffnung aufweist, durch die ein mit der Batterieelektrode verbundener elektrischer Ableiter geführt ist. Der Ableiter und der Metallring sind durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt. Der Metallring umfasst ein ringförmiges Stahlsegment sowie ein ringförmiges Segment aus Aluminium. Letzteres ist mit dem Batteriegehäuse verschweißt.

Description

Beschreibung Batterie mit neuartiger Poldurchführung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, mit einem Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das als Poldurchführung eine mit einem Metallring eingefasste Gehäuseöffnung aufweist, durch die ein mit der Elektrode verbundener elektrischer Ableiter geführt ist, wobei der Ableiter und der Metallring durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt und das Gehäuse und der Metallring über eine umlaufende Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
Batterien, Akkumulatoren und dergleichen weisen stets ein Gehäuse auf, in dem Elektroden sowie ein Elektrolyt angeordnet sind. Um elektrische Energie aus dem Gehäuse ableiten zu können bzw. um den Elektroden beim Aufladen elektrische Energie zuzuführen, sind durch das Gehäuse mit den Elektroden verbundene elektrische Ableiter (Pole), meist in Form eines metallischen Stabes oder Bolzens, geführt. Ein wesentliches Qualitätsmerkmal bei derartigen Batterien ist dabei die Dichtigkeit der Poldurchführung. Insbesondere bei Batterien, die korrosive Komponenten wie Schwefeloxid- und Thionylchlorid-Verbindungen oder reaktive organische Elektrolytlösungen enthalten, ist eine hermetische Abdichtung des Batteriegehäuses außerordentlich wichtig.
Die Gehäuse von Batterien bestehen oft aus Metall, insbesondere bei Batterien, die im Automobilbereich zum Einsatz kommen, häufig auch aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
Aus der DE 100 47 206 sind Poldurchführungen für Batterien mit einem Aluminiumgehäuse bekannt, bei denen der durch das Gehäuse führende Pol durch eine isolierfähige Masse, die einen Schmelzpunkt zwischen 300 °C und 600 °C hat, vom Gefäß elektrisch und mechanisch getrennt ist. Spezifischer, beschrieben wird hier die die sogenannte Glas-Metall- Poldurchführung, die beispielsweise im Automobilbereich sehr häufig zum Einsatz kommt. Dabei wird der durch das Gehäuse geführte Pol von einem ringförmigen metallischen Bauteil sowie einem zwischen Pol und ringförmigem Bauteil angeordneten Glasbauteil, welches eine isolierende und eine abdichtende Funktion hat, umschlossen. Gebräuchliche Glas-Metall-Poldurchführungen weisen als ringförmige metallische Bauteile beispielsweise Ringe aus Stahl (wie SUS 304, SUS 316 oder SUS 318), Glasbauteile aus Borosilikat und bolzenförmige Pole aus einer Eisen-Nickel-Legierung auf. Allerdings besteht im Fall von Gehäusen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung das Problem, dass ein solcher Stahlring nicht direkt mit dem Batteriegehäuse verschweißt werden kann. Die Herstellung einer geschweißten Stahl-Aluminiumlegierung ist bekanntlich sehr schwierig.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einem Aluminiumgehäuse bereitzustellen, die im Bereich der Poldurchführung eine hohe mechanische Stabilität sowie hervorragende gas- sowie elektrolytdichte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Batterie mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 . Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 enthalten. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst ein Gehäuse aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Das Gehäuse weist als Poldurchführung für mindestens eine der Elektroden eine mit einem Metallring ein- gefasste Gehäuseöffnung auf, durch die (als Pol) ein mit der Elektrode verbundener elektrischer Abieiter geführt ist. Der Abieiter und der Metallring sind dabei durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt. Miteinander verbunden sind das Batterie- gehäuse und der Metallring der Poldurchführung über eine umlaufende Schweißverbindung.
Die erfindungsgemäße Batterie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Metallring der Poldurchführung neben einem ringförmigen Stahlsegment auch ein ringförmiges Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung aufweist und dass die umlaufende Schweißverbindung zwischen dem Aluminiumsegment und dem Aluminiumgehäuse der Batterie besteht.
Durch die Präsenz des ringförmigen Segments aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung wird eine direkte Verschweißung des Aluminiumgehäuses mit dem Metallring der Poldurchführung ermöglicht. Auf diese Weise lassen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme mit Glas-Metall-Poldurchführungen bei Batterien mit Aluminiumgehäuse umgehen.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie handelt es sich bevorzugt um eine Sekundärbatterie, also eine wiederaufladbare Batterie (einen Akkumulator). Besonders gut eignet sich die Batterie aufgrund ihres leichten Aluminiumgehäuses für den Einsatz im Automobilbereich. Grundsätzlich kann sie die unterschiedlichsten elektrochemischen Systeme enthalten, bevorzugt handelt es sich allerdings um eine Lithium-Ionen-Batterie. Sie enthält entsprechend bevorzugt einen nicht-wässrigen Elektrolyten.
Bevorzugt sind sowohl die mit der positiven als auch die mit der negativen Elektrode verbundenen Pole der erfindungsgemäßen Batterie von Metallringen mit dem ringförmigen Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie besteht der Metallring der Poldurchführung aus aluminumplattiertem Stahl. Besonders bevorzugt weist er ein ringförmiges Basissegment aus Stahl auf, das mit einer Schicht aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung plattiert ist, welche das Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bildet.
Als Plattieren bezeichnet man bekanntlich das Aufbringen einer Metallschicht auf ein anderes Metall. Dabei soll eine untrennbare Verbindung entstehen. Die untrennbare Verbindung wird in der Regel insbesondere unter Einfluß von Temperatur und Druck erzielt. Das Plattieren kann durch unterschiedlichste Techniken erfolgen, beispielsweise durch Aufwalzen von dünnen Folien, Aufschweißen, Angießen (lonenplattieren), Tauchen, Sprengplattieren oder durch galvanotechnische Verfahren (Elektroplattieren). Häufig bevorzugt ist die Methode der Walzschweiß- plattierung. Für detaillierte Informationen zu diesem Fachgebiet wird auf die einschlägige Literatur verwiesen.
Der Metallring ist in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie besonders bevorzugt in axialer Richtung segmentiert. Das bedeutet, dass die Segmente aus dem Stahl und dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung in axialer Richtung übereinander angeordnet sind. Bevorzugt bildet das Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung in dieser Anordnung eine der Stirnseiten des Metallrings.
Die Herstellung eines solchen axial segmentierten Rings ist denkbar einfach, beispielsweise ist es möglich, ein Stahlblech oder eine Stahlplatte bereitzustellen, dieses oder diese ein- oder beidseitig mit einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu plattieren und aus der plattierten Stahlplatte oder dem plattierten Stahlblech Ringe in den entsprechenden Dimensionen auszustanzen. Das Stahlsegment sowie das Aluminiumsegment weisen dann entsprechend den gleichen Außen- und Innenradius auf. Bevorzugt weist das Segment aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung eine geringere Höhe (gemessen in axialer Richtung) auf als das Segment aus Stahl. Entsprechend weist das bei der Herstellung des Rings gemäß der oben skizzierten Vorgehensweise verwendete Stahlblech bzw. die Stahlplatte bevorzugt eine größere Dicke auf als die aufplattierte Schicht aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung. Bevorzugt beträgt die Höhe des Segments aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung zwischen 1 % und 25 %, bevorzugt zwischen 1 % und 10 %, der Gesamthöhe des Rings.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Metallring der Poldurchführung eine radiale Segmentierung aufweist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das erwähnte ringförmige Basissegment aus Stahl einen Mantel aufweist, dessen Außenseite mit einer Schicht aus Aluminium plattiert ist.
Bei der isolierfähigen Masse, welche den oder die elektrischen Ableiter der erfindungsgemäßen Batterie sowie den Metallring elektrisch und mechanisch voneinander trennt, handelt es sich bevorzugt um ein Lotwerkstoff, insbesondere ein glas- oder keramikbasierten Lotwerkstoff. Die isolierfähige Masse entspricht in ihrer Funktion dem eingangs erwähnten Glasbauteil. Die erfindungsgemäße Batterie weist also in bevorzugten Ausführungsformen wie die eingangs beschriebenen Batterien eine Glas-Metall-Poldurchführung auf.
Unter einem Glaslot sollen erfindungsgemäß insbesondere glaslotähnli- che Lotwerkstoffe oder Verbundlote mit Glasanteilen mit Erweichungstemperaturen zwischen 300 °C und 700 °C verstanden werden. Keramikbasierte Lotwerkstoffe weisen in der Regel höhere Verarbeitungstemperaturen als entsprechende Glaslotwerkstoffe auf. Diese liegen in der Regel zwischen 700 °C und 1200 °C. Ein Einschmelzglas, das sich als isolierfähige Masse eignet, ist beispielsweise in der DE 39 35 227 C1 beschrieben. Im vorliegenden Fall hängt die Wahl eines geeigneten Lotwerkstoffs insbesondere auch von der Art der Beschaffenheit des Aluminiumsegments ab. So können Lotwerkstoffe mit Erweichungstemperaturen oberhalb von 600 °C in der Regel nur eingesetzt werden, wenn das Aluminiumsegment aus einer entsprechend hochschmelzenden Aluminiumlegierung besteht.
Alternativ können als isolierfähige Masse beispielsweise auch Epoxid- Glashartgewebe, Schichtpressstoffe, Glimmererzeugnisse sowie Mineralpressstoffe dienen, die sich bei vergleichweise niedrigen Temperaturen verarbeiten lassen.
Die Pole einer erfindungsgemäßen Batterie bzw. die durch die mit dem Metallring eingefassten Gehäuseöffnungen geführten elektrischen Abieiter, bestehen üblicherweise aus Metallen oder Metalllegierungen wie Kupfer, Eisen, Stahl, Eisenlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Eisen-Nickel-Legierungen etc. Handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie, bestehen der oder die elektrischen Abieiter bevorzugt aus Edelstahl oder aus Legierungen auf Nickel-Eisen-Basis.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen. Es sei an dieser Stelle explizit betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte der erfindungsgemäßen Batterie jeweils für sich allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der weiteren beschriebenen fakultativen Aspekte bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein können. Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Figurenbeschreibung
Fig. 1 illustriert die Herstellung einer erfindungsgemäßen Batterie bzw. deren Aufbau im Bereich der Poldurchführung (Querschnittsdarstellung).
Die Batterie weist ein Gehäuse 101 aus Aluminium und eine Poldurchführung für mindestens eine der Elektroden umfassend eine mit einem Metallring 102 eingefasste Gehäuseöffnung 103 und eine isolierfähige Masse 104, die den durch die Gehäuseöffnung geführten Pol 105 vom Metallring 102 elektrisch und mechanisch isoliert.
Zu ihrer Herstellung wird, wie dargestellt, eine vormontierte Einheit aus dem Pol 105, der isolierfähigen Masse 104 und dem Metallring 102, der aus dem ringförmigen Stahlsegment 106 und dem ebenfalls ringförmigen Aluminiumsegment 107 besteht, auf die in das Gehäuse 101 eingebrachte Gehäuseöffnung 103 aufgesetzt. In direktem Kontakt mit dem Gehäuse 101 steht lediglich das Aluminiumsegment 107 des Metallringes 102 und nicht das Stahlsegment 106. Die in Kontakt stehenden Aluminiumteile 101 und 107 können problemlos miteinander verschweißt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, umfassend ein Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das als Poldurchführung für mindestens eine der Elektroden der Batterie eine mit einem Metallring eingefasste Gehäuseöffnung aufweist, durch die ein mit der Elektrode verbundener elektrischer Ableiter geführt ist, wobei der Ableiter und der Metallring durch eine isolierfähige Masse elektrisch und mechanisch voneinander getrennt sind und das Gehäuse und der Metallring über eine umlaufende Schweißverbindung miteinander verbunden sind, wobei der Metallring ein ringförmiges Stahlsegment und ein ringförmiges Segment aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung umfasst und die Schweißverbindung zwischen dem Aluminiumsegment und dem Gehäuse besteht.
2. Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ring aus aluminiumplattiertem Stahl besteht.
3. Batterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring in axialer Richtung segmentiert ist.
4. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring radial segmentiert ist.
5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der isolierfähigen Masse um ein Lotwerkstoff, insbesondere um ein glas- oder keramikbasierten Lotwerkstoff, handelt.
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