DE102018220118A1

DE102018220118A1 - Durchführung

Info

Publication number: DE102018220118A1
Application number: DE102018220118.8A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hartl
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchführung, insbesondere durch ein Gehäuseteil (1) eines Gehäuses, insbesondere einer Speichereinrichtung, bevorzugt einer Batterie oder eines Kondensators aus einem Metall, insbesondere einem Leichtmetall, bevorzugt Aluminium, eine Aluminiumlegierung, AlSiC, Magnesium, einer Magnesiumlegierung, KOVAR, Titan, Titanlegierungen, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl, wobei das Gehäuseteil wenigstens eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung ein leitendes Material in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial (2) aufnimmt. Die Erfindung ist gekennzeichnet, dass das leitende Material ein kappenförmiges Element (3) ist.

Description

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

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

Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für Anwendungen in einer Automobilumgebung, weisen in der Regel eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen auf, die miteinander in Serie geschaltet werden. Die miteinander in Reihe bzw. in Serie geschalteten Batteriezellen werden zu sogenannten Batteriepacks zusammengefasst, mehrere Batteriepacks dann zu einem Batteriemodul, das auch als Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet wird. Jede einzelne Batteriezelle besitzt Elektroden, die aus einem Gehäuse der Batteriezelle herausgeführt werden. Gleiches gilt für Gehäuse von Superkondensatoren.
Insbesondere für die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien in der Automobilumgebung muss eine Vielzahl von Problemen wie Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit bei Unfall oder Schwingungsfestigkeit gelöst werden. Ein weiteres Problem ist die Dichtheit, insbesondere die hermetische Dichtheit, über einen langen Zeitraum.
Die Dichtheit beeinträchtigen können z. B. Undichtigkeiten im Bereich der Elektrode der Batteriezelle bzw. der Elektrodendurchführung in der Batteriezelle und/oder des Gehäuses von Kondensatoren und/oder Superkondensatoren. Derartige Undichtigkeiten könnten beispielsweise hervorgerufen werden durch Temperaturwechselbelastungen und mechanische Wechselbelastungen wie beispielsweise Vibrationen im Fahrzeug oder die Alterung des Kunststoffes.
Ein Kurzschluss oder Temperaturänderung der Batterie bzw. Batteriezelle kann zu einer verminderten Lebensdauer der Batterie bzw. Batteriezelle führen. Ebenso wichtig ist die Dichtheit im Unfall- und/oder Not-Situationen.
Um eine bessere Beständigkeit bei Unfall sicherzustellen, schlägt die DE 101 05 877 A1 beispielsweise ein Gehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie vor, wobei das Gehäuse einen Metallmantel umfasst, der auf beiden Seiten offen ist und verschlossen wird.
Der Stromanschluss bzw. die Elektrode sind durch einen Kunststoff isoliert. Nachteilig an den Kunststoffisolierungen sind die limitierte Temperaturbeständigkeit, die begrenzte mechanische Beständigkeit, die Alterung und die unsichere Dichtheit über die Lebensdauer.
Die Stromdurchführungen sind bei den Lithium-Ionen-Batterien und Kondensatoren gemäß dem Stand der Technik somit nicht hermetisch dicht in beispielsweise das Deckelteil der Lithium-Ionen-Batterie eingebaut. So wird im Stand der Technik in der Regel bei einem Druckunterschied von 1 bar eine Helium-Leckrate von maximal 1 · 10^-6 mbar I s^-1, abhängig von den Prüfvorgaben, erreicht. Des Weiteren sind die Elektroden verquetscht und lasergeschweißte Verbindungsbauteile mit zusätzlichen Isolatoren sind im Raum der Batterie angeordnet.
Aus der DE 27 33 948 A1 ist eine Alkalibatterie bekanntgeworden, bei der ein Isolator wie z. B. Glas oder Keramik unmittelbar durch eine Schmelzverbindung mit einem Metallteil verbunden ist.
Eines der Metallteile ist elektrisch mit einer Anode der Alkalibatterie und das andere elektrisch mit einer Kathode der Alkalibatterie verbunden. Bei den in der DE 27 33 948 A1 verwandten Metallen handelt es sich um Eisen oder Stahl. Leichtmetalle wie Aluminium sind in der DE 27 33 948 A1 nicht beschrieben. Auch die Verschmelztemperatur des Glas- oder Keramikmaterials ist in der DE 27 33 948 A1 nicht angegeben. Bei der in der DE 27 33 948 A1 beschriebenen Alkalibatterie handelt es sich um eine Batterie mit einem alkalischen Elektrolyten, der gemäß der DE 27 33 948 A1 Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid enthält. Eine Erwähnung von Li-lonen-Batterie findet sich in der DE 27 33 948 A1 nicht.
Aus der DE 698 04 378 T2 bzw. der EP 0 885 874 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von asymmetrischen organischen Karbonsäureestern und zur Herstellung von wasserfreien organischen Elektrolyten für Alkali-Ionen-Batterien bekanntgeworden. Auch Elektrolyte für wieder aufladbare Lithium-Ionenzellen sind in der DE 698 04 378 T2 bzw. EP 0 885 874 B1 beschrieben.
Materialien für den Zellsockel, der die Durchkontaktierung aufnimmt, sind nicht beschrieben, lediglich Materialien für den Anschlussstift, der aus Titan, Aluminium, einer Nickellegierung oder rostfreiem Stahl bestehen kann.
Die DE 699 23 805 T2 bzw. EP 0 954 045 B1 beschreibt eine RF-Durchführung mit verbesserter elektrischer Wirksamkeit. Bei den aus der EP 0 954 045 B1 bekannten Durchführungen handelt es sich nicht um eine Glas-Metall-Durchführung. In der EP 0 954 045 B1 werden Glas-Metall-Durchführungen, die unmittelbar innerhalb beispielsweise der Metallwand einer Verpackung ausgebildet werden, als nachteilig beschrieben, da derartige RF-Durchführungen auf Grund der Versprödung des Glases nicht dauerhaft sind.
Die DE 690 230 71 T2 bzw. EP 0 412 655 B1 beschreibt eine Glas-Metall-Durchführung für Batterien oder andere elektrochemische Zellen, wobei als Gläser mit einem SiO_2-Gehalt von ungefähr 45 Gew.-% verwandt werden und als Metalle, insbesondere Legierungen verwandt werden, die Molybdän und/oder Chrom und/oder Nickel umfassen. Die Verwendung von Leichtmetallen ist in der DE 690 23 071 T2 ebenso wenig beschrieben wie Verschmelztemperaturen bzw. Verschmelzungstemperaturen für die verwandten Gläser. Auch die Materialien für die stiftförmigen Leiter sind gemäß DE 690230 71 T2 bzw. EP 0 412 655 B1 Legierungen, die Molybdän, Niob oder Tantal umfassen.
Aus der US 7,687,200 ist eine Glas-Metall-Durchführung für Lithium-Ionen-Batterien bekannt geworden. Gemäß der US 7,687,200 war das Gehäuse aus Edelstahl und der stiftförmige Leiter aus Platin/Iridium. Als Glasmaterialien sind in der US 7,687,200 die Gläser TA23 und CABAL-12 angegeben. Gemäß der US 5,015,530 handelt es sich dabei um CaO-MgO-Al₂O₃-B₂O₃-Systeme mit Verschmelztemperaturen von 1025° C bzw. 800° C. Des Weiteren sind aus der US 5,015,530 Glaszusammensetzungen für Glas-Metall-Durchführungen für Lithium-Batterien bekannt geworden, die CaO, Al₂O₃, B₂O₃, SrO und BaO umfassen, deren Verschmelztemperaturen im Bereich 650° C - 750° C liegen und damit zu hoch sind für eine Verwendung zusammen mit Leichtmetallen.
Aus der US 4,841,101 ist eine Durchführung bekanntgeworden, bei der ein im wesentlicher stiftförmiger Leiter mit einem Glasmaterial in einen Metallring eingeglast wird. Der Metallring wird dann wiederum in eine Öffnung beziehungsweise Bohrung eines Gehäuses eingesetzt und durch Löten beispielsweise nach Einspringen eines Lötringes, mit der Innenwand beziehungsweise Bohrung verbunden, insbesondere stoffschlüssig. Der Metallring besteht aus einem Metall, das im Wesentlichen denselben beziehungsweise einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist wie das Glasmaterial, um den hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aluminiums des Batteriegehäuses zu kompensieren. Bei der in der US 4,841,101 beschriebenen Ausführungsform ist die Länge des Metallringes stets kürzer als die Bohrung beziehungsweise Öffnung im Gehäuse.
Aus der WO 2012/167921 , der WO 2012/110242 , der WO 2012/110246 , der WO 2012/110244 sind Durchführungen, die durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses für eine Speichereinrichtung hindurchgeführt werden bekannt geworden. In den Durchführungen wird ein Querschnitt in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial durch die Öffnung hindurchgeführt.
Nachteilig an all den bekannten Durchführungen für Speichereinrichtungen im Stand der Technik ist, dass die Leiter, die durch das Glas- oder Glaskeramikmaterial in der Öffnung des Gehäuses hindurch geführt wurden, massive Materialien, beispielsweise massive Stifte, die beispielsweise durch Abschneiden aus Draht erhalten wurden, waren.
Nachteilig an den massiven Stiften ist zum einen der hohe Materialeinsatz. Ein weiterer Nachteil der als Massivteil ausgebildeten Stifte ist deren starre Verbindung mit dem Glas sowie die Tatsache, dass sie im Falle des Gehäuses in einer Speichereinrichtung verwendet werden, relativ viel Bauraum beanspruchen, wodurch Bauraum, beispielsweise im Gehäuse der Speichereinrichtung, vorliegend im Batteriegehäuse, verloren geht. Insbesondere drückt der als Vollmaterial ausgebildete Stift im Falle von Querbelastungen auf das Glas die z.B. bei mechanischer und/oder Druckbelastung der Speichereinrichtung auftreten können, was dazu führen kann, dass das Glas bricht bzw. Risse entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Durchführung anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Insbesondere soll eine Durchführung angegeben werden, die eine Kontaktierung eines Leiters ermöglicht, die möglichst viel Bauraum im Innern des Gehäuses ermöglicht, die hermetisch dicht ausgeführt werden kann und die insbesondere bei mechanischer und/oder Druckbelastung insbesondere im Bereich zwischen Kontakt und Dichtungsmaterial eine verbesserte Kompatibilität zum sprödbrüchigen Dichtungsmaterial aufweist. Die Durchführung soll Verwendung in einem Gehäuseteil, beispielsweise in einem Batterie- und/oder Kondensatordeckel finden. Die Vergrößerung des Bauraums kann insbesondere dazu beitragen, die Kapazität der Speichereinrichtung zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Durchführung, insbesondere durch ein Gehäuseteil eines Gehäuses, wobei das Gehäuseteil wenigstens eine Öffnung aufweist, in die Öffnung ein leitendes Material sowie ein Glas- oder Glaskeramikmaterial als elektrisch isolierendes Dichtungsmaterial eingesetzt wird. Das leitende Material, das in das Glas- oder Glaskeramikmaterial eingesetzt wird ist erfindungsgemäß kein massives Bauteil, insbesondere kein massiver stiftförmiger Leiter, sondern lediglich ein kappenförmiges Element. Als Material für das kappenförmige Element kommt bevorzugt KOVAR, Titan, Titanlegierung, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl, Aluminium, eine Aluminiumlegierung, AlSiC, Magnesium sowie eine Magnesiumlegierung zum Einsatz.
Die Ausgestaltung als kappenförmiges Element, das in das Glas- oder Glaskeramikmaterial eingesetzt wird, hat den Vorteil, dass auf Grund der vergleichsweise dünnen Seitenwände des kappenförmigen Elementes, die Kombination dieses kappenförmigen Elements mit dem Glas- oder Glaskeramikmaterial beständiger gegenüber mechanischen Querbelastungen ist, die insbesondere bei thermischen Beanspruchungen auftreten, aber auch bei Druckbelastungen im Innern des Gehäuses. So kann das kappenförmige Element aufgrund seiner Elastizität Querbelastungen ausgleichen, so dass ein Druck auf das Glas- oder das Glaskeramikmaterial und damit ein Versagen des Dichtungsmaterials vermieden wird. Des Weiteren wird durch eine derartige Ausgestaltung eine wesentliche Materialeinsparung gegenüber einem massiven Stift erreicht. Durch die Ausgestaltung als kappenförmiges Element wird zusätzlicher Bauraum im Gehäuse, beispielsweise im Batteriegehäuse, geschaffen. Dies ermöglicht insbesondere größere Flächen des kappenförmigen Leiters und damit des Anschlussbereichs bei gleichzeitig vergrößertem verfügbaren Bauraum. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird außerdem eine höhere thermische Beständigkeit gegenüber einer Ausgestaltung einer Durchführung mit einem massiven Stift erreicht. Des Weiteren wird der Gehäusebauraum erhöht, da die Leiterkontaktierung in dem kappenförmigen Element erfolgt. Hierdurch ist es möglich, eine höhere Batterieenergiedichte bei erhöhtem Gesamtvolumen bei gleichen Außenabmessungen zu erreichen.
Besonders bevorzugt weist das kappenförmige Element eine Anschlussfläche und Seitenwände, insbesondere dünne Seitenwände, sowie einen Kappenhohlraum auf.
Das kappenförmige Element gemäß der Erfindung kann insbesondere auch in Form eines gezogenen Bauteiles, d.h. eines Ziehteiles hergestellt werden. Bevorzugt wird das Ziehteil durch Tiefziehen hergestellt. Beim Tiefziehen handelt es sich um ein Zug-Druck-Umformen und ein bedeutendste Blech-Umform-Verfahren, was insbesondere in der Massenfertigung eingesetzt wird. Das Tiefziehen lässt sich mit Hilfe von Formwerkzeugen, Wirkmedien oder Wirkenergie erreichen. Das dadurch erzeugte kappenförmige Element ist insbesondere vorteilhaft einstückig.
Auf Grund der Massenfertigung ist die durch Tiefziehen hergestellte Kappe besonders kostengünstig, materialsparend und damit rationell herstellbar.
Um einen Leiter mit dem kappenförmigen Element elektrisch und/oder mechanisch zu verbinden, kann vorgesehen sein, dass die Kappe eine Zunge umfasst, die insbesondere mit der dem Kappenhohlraum zugewandten Anschlussfläche und/oder der Seitenwand verbunden ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, dass der Kappenhohlraum des kappenförmigen Elementes dazu dient, Sensoreinrichtungen, beispielsweise Temperatur- und/oder Druckfühler, aufzunehmen. Die Temperatur- und/oder Druckfühler können Teil von Sicherheitseinrichtungen sein.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das kappenförmige Element zumindest eine Bodenprägung, insbesondere zur Druckauslösung aufweist. Im Bereich der Bodenprägung ist die Materialstärke reduziert; die Wandstärke der Kappe ist im Bereich der Bodenprägung somit geringer als in den übrigen Bereichen. Im Belastungsfall fungiert die Bodenprägung sozusagen als Sollbruchstelle. Die Bodenprägung kann auf der dem Kappenhohlraum zugewandten oder abgewandten Seite des kappenförmigen Elements eingebracht sein. Auch Kombinationen dieser Anordnung sind möglich und von der Erfindung umfasst. Mit Hilfe der Bodenprägung kann dementsprechend ein Sicherheitsventil und/oder Sicherheitsauslass ausgebildet werden. Der Begriff Sicherheitsventil umfasst im Sinne der Beschreibung auch den Begriff eines Sicherheitsauslass. Durch die Wahl der Restwandstärke im Bereich der Bodenprägung kann eingestellt werden, ab welcher Belastung, insbesondere ab welchem Druck das Sicherheitsventil auslöst. So erfolgt bei großer Restwandstärke eine Auslösung bei hohen Drücken, bei geringer Restwandstärke erfolgt die Auslösung auch schon bei sehr geringen Drücken. Die Wandstärke bzw. Dicke der Kappe im Bereich außerhalb der Bodenprägung liegt bei den verwandten dünnen Blechen vorteilhaft im Bereich 0,1 mm bis 0,3 mm. Aufgrund der reduzierten Dicke im Bereich der Bodenprägung öffnet sich der Deckel aufgrund von Druckbelastungen insbesondere im Überlastungsfall sehr rasch, so dass das kappenförmige Element als Sicherheitsventil wirkt. Die Dicke der Kappe im Bereich der Bodenprägung, d.h die Restwandstärke oder Restmaterialstärke, liegt bevorzugt im Bereich µm, bevorzugt 10 µm bis 50 µm, abhängig davon, bei welchem Druck das Sicherheitsventil auslösen soll. Die Bodenprägung ist dementsprechend bevorzugt ein Sicherheitsauslass bei Drucküberlastung.
Alternativ zur Ausgestaltung der Bodenprägung als Sicherheitsventil ist es auch möglich, die Seitenwände der Kappen entsprechend auszugestalten, beispielsweise konisch auszubilden, damit diese im Versagensfall der Batterie und/oder des Kondensators zu einer Druckauslösung führen. Durch die Größe des Konus ist es möglich festzulegen, bei welchem Druck der Konus öffnet.
Generell gilt, dass dann, wenn der Konus in Öffnungsrichtung größer wird, der Öffnungsdruck geringer wird und umgekehrt.
Das Vorhandensein des Sicherheitsventils hat den Vorteil, dass im Fall der Auslösung der Druck an einer definierten Stelle entweichen kann. Andernfalls kann das Gehäuse großflächig aufreißen und/oder explodieren und so in der Nähe befindliche Personen oder Gegenstände durch Schrapnellwirkung gefährden.
Ebenso möglich ist es, dass durch das Umformen, insbesondere das Tiefziehen des kappenförmigen Elements der Übergangsbereich zwischen Anschlussfläche und Seitenwand eine Schwächung erfährt, so dass im Fall der Überbelastung ein Riss in diesem Übergangsbereich auftritt und so ebenfalls ein kontrollierter Druckaustritt mit reduziertem Gefährdungspotential ermöglicht wird.
Bevorzugt ist das kappenförmige Element ringförmig mit einem Durchmesser ausgebildet, wobei der Durchmesser bevorzugt im Bereich 1,5 mm bis 5 mm, insbesondere von 2,0 mm und 4,0 mm, liegt.
Bevorzugt handelt es sich bei der vorliegenden Durchführung um eine sogenannte angepasste Durchführung, das heißt, der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses (α₁) und des Glas- und/oder Glaskeramikmaterials (α₂) sowie die kappenförmigen Elementes (α₃) ist im Wesentlichen gleich. Bevorzugt liegt dieser bei Verwendung von KOVAR, Nickel-Eisen-Kobalt-Legierungen, wie beispielsweise NiCo 2918 mit einem Anteil von 29 % Ni und 18 % Co, im Bereich 3 bis 7*10 ^-6/K, bevorzugt bei 4,5 bis 5,5 * 10 ^-6/K. Alternative Materialien sind Eisen, Eisen-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl sowie Titan, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, AlSiC, Magnesium, Magnesiumlegierungen.
Neben der Durchführung stellt die Erfindung auch ein Gehäuse mit einer derartigen Durchführung, insbesondere ein Gehäuseteil mit einer derartigen Durchführung, zur Verfügung. Das Gehäuse ist insbesondere ein Gehäuse für eine elektrische Speichereinrichtung, die sowohl eine Batterie als auch ein Kondensator sein kann. Des Weiteren beansprucht die Erfindung auch eine Speichereinrichtung, insbesondere eine Batterie oder einen Kondensator, mit einem derartigen Gehäuse mit Durchführung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und der Beschränkung hierauf eingehender beschrieben werden.
Es zeigen:

1: einen Querschnitt durch ein Gehäuseteil, insbesondere einem Batteriedeckel mit einer erfindungsgemäßen Durchführung.
2: ein Detail der erfindungsgemäßen Durchführung gemäß Ausschnitt X
3: einen Teil des Batteriedeckels gemäß Ausschnitt Y
4: eine dreidimensionale Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Durchführung
5: eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Durchführung mit zwei sich kreuzenden Einprägungen

In 1 ist im Schnitt eine erfindungsgemäße Durchführung dargestellt. Das Gehäuseteil, insbesondere der Batteriedeckel, trägt die Bezugsziffer 1. Der Batteriedeckel mit einer Breite D3 ist verformt, bzw. nach oben gezogen so dass eine Öffnung mit Rand ausgebildet wird. In die Öffnung mit Rand ist ein Glas- oder Glaskeramikmaterial eingebracht, das mit Bezugsziffer 2 belegt ist. Die StärkeT des Batteriedeckels beträgt bevorzugt lediglich 0,1 mm bis 0,3 mm. Der hochgezogene Rand mit Radius R stellt trotz der möglichen geringen Materialstärke des Deckels eine geeignete Einglasungslänge zur Verfügung. Der Deckel eines Kondensators kann im Wesentlichen genauso oder zumindest sehr ähnlich ausgebildet sein.
Die im Wesentlichen ringförmige Öffnung mit Rand besitzt einen Durchmesser, der in 1 mit D2 bezeichnet ist. In die Öffnung mit Durchmesser D2 ist zum einen das Glas- oder Glaskeramikmaterial eingesetzt, zum andern das erfindungsgemäße, kappenförmige Element, das mit Bezugsziffer 3 bezeichnet ist. Das erfindungsgemäße kappenförmige Element ist in das Glasmaterial eingesetzt und bevorzugt ein Element, dass durch Tiefziehen erhalten wird. Das Material des Elementes 3 ist bevorzugt eine Nickel-Eisen-Legierung, insbesondere eine Nickel-Eisen-Cobalt-Legierung.
Wie die Öffnung ist auch das kappenförmige Element 3 in dieser Ausführungsform im Wesentlichen rund und weist einen Durchmesser D1 auf. Wie in 1 dargestellt, verfügt das kappenförmige Element 3 über dünne Seitenwände 10 mit beispielsweise einer Dicke im Bereich 0,1 bis 0,3 mm sowie über einen Kappenhohlraum, der üblicherweise dem Innern des Gehäuses zugewandt ist. Die Seitenwände des kappenförmigen Elements und Anschlussfläche weisen bevorzugt eine im Wesentlichen gleiche Materialstärke wie der Deckel 1 auf.
Die dünnen Seitenwände 10 des kappenförmigen Elementes 3, deren Dicke auf die Dicke des Deckels 1 abgestimmt sind, bevorzugt eine Dicke im Bereich 0,1 bis 0,3 mm aufweisen, haben den Vorteil, dass sie mechanische Querbelastungen, die insbesondere bei thermischen Beanspruchungen auftreten, aufnehmen können, im Gegensatz zu massiven Stiften. So gibt im Gegensatz zu einem massiven Stift das vergleichsweise dünne Blech bei Querbelastungen nach, besonders vorteilhaft elastisch federnd, wohingegen ein massiver PIN auf das Glas drückt und dort zu Beschädigungen führen kann. Eine weitere Reduzierung der Belastung auf das Glas wird bevorzugt erreicht, indem sämtliche Teile, nämlich das Gehäuseteil mit der Öffnung, das Glasmaterial und das kappenförmige Element im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, nämlich im Bereich 3 bis 7 * 10 ^-6/K, aufweisen.
Materialien der Kappe sind bevorzugt KOVAR, Nickel-Eisen-Kobalt-Legierungen aber auch Eisen, Eisen-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, Titan, Titanlegierungen, Stahl, rostfreier Stahl oder Edelstahl, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, AlSiC.
Des Weiteren gut zu erkennen ist in 1 der Kappenhohlraum der erfindungsgemäßen Kappe. Der Kappenhohlraum kann zur Aufnahme verschiedener Sicherheitseinrichtungen dienen, wie beispielsweise Temperatur- und/oder Druckfühlern. Diese sind somit mit der erfindungsgemäßen Lösung besonders gut in das Gehäuse integrierbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kappe 3 mit einer beschriebenen Bodenprägung versehen ist, mittels der die Druckauslösung im Belastungsfall, insbesondere Versagensfall der Batterie eingestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kontaktierung eines Leiters im Innern des Gehäuses mit der Kappe über Zungen erfolgt, die insbesondere mit der Kappe 3 im Bereich des Kappenhohlraums flächig verbunden sind. Die Kontaktierung mittels Zungen hat den Vorteil gegenüber einer Kontaktierung mittels Stift, dass die Kontaktflächen größer sind und damit einhergehend ein geringerer Übergangswiderstand vorliegt. Darüber hinaus kann die Verbindung mit Zungen dauerhaft widerstandsfähiger gegenüber Scherbelastungen sein.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Kappe 3 bevorzugt rund ausgebildet mit einem Durchmesser D1. Der Durchmesser D1 der Kappe liegt beispielhaft im Bereich 1,5 mm bis 5 mm, bevorzugt zwischen 2,0 mm und 4,0 mm. Der beispielhafte Durchmesser D2 der Öffnung ist wesentlich größer und liegt im Bereich zwischen 8 mm und 4,0 mm, insbesondere bei 5 mm. Die Einglasungslänge H der erfindungsgemäßen Kappe in die Öffnung beträgt bevorzugt zwischen 0,4 mm und 1 mm, bevorzugt 0,6 mm. Alle Maßangaben sind beispielhaft und stellen keine Beschränkung dar.
In 2 ist ein Ausschnitt X aus 1 gezeigt, hier in der Ausführungsform mit einer Bodenprägung 50. Deutlich zu erkennen ist der gebogenen Deckel 1, der zur Öffnung mit Rand führt, die erfindungsgemäße Kappe 3 sowie das Glas- oder Glaskeramikmaterial 2. Alle drei Teile bilden bevorzugt miteinander eine sogenannte angepasste Durchführung aus, bei der der thermische Ausdehnungskoeffizient sowohl des Gehäuseteils wie des Glas- und/oder Glaskeramikmaterials und die Kappe im Wesentlichen gleich ist.
Des Weiteren in 2 gezeigt ist die Bodenprägung 50, die in das Blech 40 der Kappe 3 eingebracht ist. Die Stärke bzw. Dicke des kappenförmigen Elements 3 liegt in dieser Ausführung im Bereich 0,1 bis 0,3 mm.
Im Bereich der Prägung 50 ist die Materialstärke stark reduziert und liegt vorteilhaft im µm-Bereich, abhängig von den Anforderungen, ab welchem Druck eine Druckauslösung erfolgen soll. Beispielhafte Materialstärken, d.h. Dicken des Bleches im Bereich der Prägung liegen ohne Beschränkung hierauf im Bereich 10 µm bis 50 µm, so wie in dieser Ausführungsform verwendet. Die Materialstärken im Bereich der Prägung sind somit Restmaterialstärken.
In 3 ist das Detail Y des Deckels 1 gezeigt. Der beispielhafte Deckel 1 selbst hat eine Stufung, mit der er an andere Gehäuseteile beispielsweise angeschweißt oder angelötet werden kann. Eine derartige Stufung ist vorteilhaft, aber nicht notwendig. Auch Ausgestaltungen ohne Stufe sind denkbar.
In 4 ist eine dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Durchführung in runder Außenform gezeigt. Gleiche Bauteile wie in den 1 bis 3 sind mit denselben Bezugsziffern belegt. 4 zeigt den gesamten Deckel 1 in einem Glasmaterial 2, eingebrachter Kappe 3.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kappe 3 in einem Glasmaterial 2. Gleiche Bauteile sind wiederrum mit den selben Bezugsziffern belegt. Deutlich in 5 zu erkennen sind die beiden Bodenprägungen 50.1, 50.2, die in das Blech der Kappe eingebracht sind. Die Bodenprägungen 50.1, 50.2 verlaufen über den gesamten Durchmesser der Kappe 3. Im Beispiel ohne Beschränkung hierauf sind zwei Bodenprägungen 50.1, 50.2 gezeigt, die sich rechtwinklig schneiden, insbesondere kreuzförmig ausgebildet sind.
Mit der Erfindung wird erstmals eine Durchführung zur Verfügung gestellt, die sich durch eine höhere Beständigkeit gegenüber mechanischen und/oder druckbedingten Querbelastungen auszeichnet. Weiterhin hat die erfindungsgemäße Durchführung den Vorteil, dass sie rationell herzustellen ist, dass sie ein erhöhtes Gehäuseinnenvolumen und somit höhere Batterie- oder Kondensatorkapazitäten ermöglicht und gleichzeitig durch den Verzicht auf Material zur Gewichtsreduktion beiträgt.
Des Weiteren kann die Durchführung so ausgebildet werden, dass die Kappe eine Sicherheitsfunktion, insbesondere bezüglich des Batterie- oder Kondensatorinnendrucks ausbildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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WO 2012/110246 [0024]
WO 2012/110244 [0024]

Claims

Durchführung, insbesondere durch ein Gehäuseteil (1) eines Gehäuses, insbesondere einer Speichereinrichtung, bevorzugt einer Batterie oder eines Kondensators, aus einem Metall, insbesondere Eisen, Eisen-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, KOVAR, Stahl, rostfreier Stahl, Edelstahl, Aluminium, eine Aluminiumlegierung, AlSiC, Magnesium, eine Magnesiumlegierung oder Titan oder eine Titanlegierung, wobei das Gehäuseteil wenigstens eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung ein leitendes Material in einem Glas- oder Glaskeramikmaterial (2) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material ein kappenförmiges Element (3), insbesondere mit einer Dicke oder Wandstärke im Bereich 0,1 mm bis 0,3 mm ist.
Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kappenförmige Element (3) Seitenwände (10), bevorzugt dünne Seitenwände, und/oder einen Kappenhohlraum umfasst.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kappenförmige Element (3) ein Ziehteil ist.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung des Weiteren zumindest einen Leiter, insbesondere in Form einer Zunge umfasst, der mit dem kappenförmigen Element (3) elektrisch und/oder mechanisch, bevorzugt im kappenförmigen Element (3), bevorzugt im Kappenhohlraum, verbunden ist.
Durchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kappenhohlraum des kappenförmigen Elementes (3) Sensoreinrichtungen, insbesondere Temperatur- und/oder Druckfühler angeordnet sind.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das kappenförmige Element (3) zumindest einen Bereich mit lokal reduzierter Dicke aufweist, insbesondere eine Bodenprägung (50), insbesondere mit einer Dicke im Bereich 10 µm bis 50 µm, als Sicherheitsauslass bei Drucküberlastung.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand des kappenförmigen Elementes (3) konisch ausgebildet ist.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das kappenförmige Element (3), bevorzugt rund, mit einem Durchmesser ausgebildet ist, insbesondere einem Durchmesser im Bereich 1,5 mm bis 5,0 mm, bevorzugt 2,0 mm bis 4,0 mm.
Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁, das Glas- und/oder Glaskeramikmaterial (2) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₂ und das kappenförmige Element (3) einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₃ aufweist und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁, α₂ und α₃ im Wesentlichen gleich sind und bevorzugt im Bereich 3 bis 7 * 10 ^-6 1/K, bevorzugt 4,5 bis 5,5 * 10 ^-6 1/K liegen.
Gehäuse, insbesondere Gehäuse für eine elektrische Speichereinrichtung, insbesondere eine Batterie oder Kondensator, mit einer Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Speichereinrichtung, insbesondere Batterie oder Kondensator, mit einem Gehäuse oder Gehäuseteil nach Anspruch 10.