电气设备、尤其微电池的制作方法

1.本实用新型涉及一种电气设备，尤其电存储设备、优选电池、尤其微电池，和/或具有通过壳体部件的馈通件的电容器，壳体部件由金属制成，尤其由铁、铁合金、铁镍合金、铁镍钴合金、钢、不锈钢或优质钢制成，其中壳体部件具有至少一个开口，其中该开口容纳在玻璃或玻璃陶瓷材料中的由导电材料制成的接触元件。


背景技术：

2.本实用新型中的电池理解为在其放电之后可被处理和/或回收的一次性电池以及蓄电池。蓄电池、优选锂离子电池用于各种应用，例如可携带的电子仪器、移动电话、电机工具以及尤其电动载具。该电池可代替例如铅酸电池、镍镉电池或镍氢电池的传统的能源。电池也可应用在传感器中或物联网中。
3.在本实用新型中，存储设备也理解为电容器、尤其超级电容器。
4.超级电容器、也称为supercaps，众所周知是具有特别高的功率密度的电化学蓄能器。与陶瓷电容器、箔电容器和电解电容器不同，超级电容器没有传统意义中的电介质。在他们之中尤其实现了通过在双层电容中的电荷分离来静态存储电能的存储器原理以及在伪电容中借助氧化还原反应通过电荷交换来电化学存储电能。
5.超级电容器尤其包括混合电容器，在此尤其为锂离子电容器。其电解质通常包含使导电盐溶解的溶剂，通常为锂盐。超级电容器优选应用于需要大量充/ 放电循环的应用中。超级电容器尤其可有利地应用在汽车领域中，尤其在制动能量回收的领域中。其他的应用自然也是可行的并且包括在本实用新型中。
6.锂离子电池作为存储设备是自多年前就已知的。对此例如参考“《电池手册》 (handbook of batteries)”；david linden编辑，第二版，mccrawhill，1995年，第 36和39章。
7.大量专利描述了锂离子电池的各种方面。
8.举例如下：
9.us 961,672 a1、us 5,952,126 a1、us 5,900,183 a1、us 5,874,185 a1、us 5,849,434a1、us 5,853,914 a1以及us 5,773,959 a1。
10.尤其应用在汽车环境中的锂离子电池通常具有大量的单个电池单元，这些单个电池单元彼此串联。彼此排成一列的即串联的电池单元组成所谓的电池组，然后多个电池组组成电池模块，该电池模块也称为锂离子电池。每个单个电池单元具有从电池单元的壳体中引出的电极。这同样适用于超级电容器的壳体。
11.尤其对于锂离子电池在汽车环境中的应用，必须解决许多问题，如耐腐蚀抗性、事故中的抗性或耐振强度。另一问题是长时间的密封性、尤其气密的密封性。
12.例如电池单元的电极区域中或电池单元中的电极馈通件的区域中和/或电容器的壳体的区域中和/或超级电容器的壳体的区域中的泄漏会损害密封性。这种泄漏例如会通过温度变化负荷和机械变化负荷引起，例如车辆中的振动或塑料的老化。
13.电池或电池单元的短路或者温度变化会导致电池或电池单元的使用寿命减少。同样重要的是在事故和/或紧急情况中的密封性。
14.为了确保在事故时有更好的抗性，de 101 05 877 a1例如提出一种用于锂离子电池的壳体，其中该壳体包括金属外罩，该金属外罩在两侧上开口并且被封闭。
15.电流接头或电极通过塑料进行绝缘。塑料绝缘的缺点是，有限的温抗性、有限的机械抗性、在使用寿命期间的老化以及不可靠的密封性。
16.因此在根据现有技术的锂离子电池和电容器中电流馈通件并没有气密密封地安装到锂离子电池的例如盖部件中。因此在现有技术中根据试验规定，通常在 1bar的压差下实现最大1
·
10-6
mbar l s-1
的氦泄漏率。此外，电极被挤压且在电池的空间中设有包括额外绝缘体的激光焊接的连接构件。
17.由de 27 33 948 a1已知一种碱性电池，其中绝缘体、例如玻璃或陶瓷通过熔融连接直接地与金属部件连接。
18.金属部件之一与碱性电池的阳极电连接并且另一金属部件与碱性电池的阴极电连接。在de 27 33 948 a1中使用的金属为铁或钢。在de 27 33 948 a1中没有描述如铝的轻金属。de 27 33 948 a1中也没有规定玻璃或陶瓷材料的熔化温度。在de 27 33 948 a1中描述的碱性电池为具有碱性电解质的电池，根据de27 33 948 a1碱性电解质包含氢氧化钠或氢氧化钾。de 27 33 948 a1中没有提及锂离子电池。
19.由de 698 04 378 t2或ep 0 885 874 b1已知用于制造非对称有机羧酸酯和用于制造碱离子电池的无水有机电解质的方法。在de 698 04 378 t2或ep 0 885874 b1中也描述了用于可再次充电的锂离子电池的电解质。
20.用于容纳电镀通孔的电池插座的材料未被描述，仅描述了用于连接销的材料，该连接销可由钛、铝、镍合金或不锈钢构成。
21.de 699 23 805 t2或ep 0 954 045 b1描述了一种具有改进的电效率的rf馈通件。在ep 0 954 045 b1中已知的馈通件不涉及玻璃金属馈通件。在ep 0 954045 b1中，直接构造在包装的例如金属壁内的玻璃金属馈通件被描述为是不利的，因为由于玻璃的脆性这种rf馈通件不是永久性的。
22.de 690 230 71 t2或ep 0 412 655 b1描述了一种用于电池或其他的电化学电池的玻璃金属馈通件，其中使用大约45重量％的sio2含量的玻璃和金属、尤其包括钼和/或铬和/或镍的合金。对轻金属的使用在de 690 230 71 t2中与所使用的玻璃的熔融温度或熔化温度一样描述地很少。根据de 690 230 71 t2或ep0 412 655 b1用于销状导体的材料是包括钼、铌或钽的合金。
23.由us 7,687,200 a1已知一种用于锂离子电池的玻璃金属馈通件。根据us7,687,200 a1壳体由优质钢制成并且销状的导体由铂/铱制成。在us 7,687,200 a1 中指定玻璃ta23和cabal-12作为玻璃材料。根据us 5,015,530a1为熔化温度为1025℃或800℃的cao-mgo-al2o
3-b2o3系统。此外，由us 5,015,530a1已知一种用于锂电池的玻璃金属馈通件的玻璃组合物，其包括cao、al2o3、b2o3、sro和bao，玻璃组合物的熔化温度在650℃-750℃的范围中，因此对于与轻金属一起使用来说过高。
24.之后公开的us 10,910,609 b2示出了一种用于电池壳体、尤其微电池的馈通件，其中使用硼硅玻璃用作玻璃材料。作为特殊的玻璃材料提及cabal-12玻璃或babal-1玻璃。
a1已知的馈通件包括在开口中玻璃封装的多个导体，其中的多个玻璃封装的导体通过扁平导体连接。
38.wo 2020/104571 a1示出了一种具有馈通件的电存储设备，其中该馈通件被引入具有凸缘的电池盖部件中。此外由公开的wo 2020/104571 a1已知在馈通件的区域中设有柔性的法兰。
39.de 11 2012 000 900 b4描述了用于馈通件的玻璃、尤其焊接玻璃，其包括以下组分(以mol％为单位)：
[0040][0041]
de 11 2012 000 900 b4的玻璃除了杂质以外没有铅。
[0042]
现有技术中的所有电气设备、尤其存储设备的缺点是，已知的电气设备、尤其存储设备没有紧凑的壳体。这引起存储设备具有大的尺寸、尤其大的高度。具有传统馈通件的电气设备中的另一问题是为电绝缘部使用塑料。因此在de 2733 948 a1中描述例如尼龙、聚乙烯、聚丙烯作为绝缘材料。其他的缺点是对引入到绝缘材料中的金属销的挤压力非常低。


技术实现要素：

[0043]
因此，本实用新型的目的是提供一种电气设备、尤其存储设备，其避免了现有技术的缺点。
[0044]
尤其应提供一种紧凑的且密封的具有小尺寸的存储设备，其可用作微电池并且优选具有足够的密封性。在通过激光焊接加热材料时也应实现足够的密封性。此外应有足够高的挤压力并且在损坏情况下应为在过压下的导体提供安全排气功能。
[0045]
还应实现更小的壳体厚度，这除了紧凑性以外也节省材料。此外应提供引入到壳体的通孔中的导体、尤其金属销的可靠的电绝缘。在此，一个目标是，提供一种存储设备，其本身紧凑构造，使得在壳体内部中提供尽可能多的空间，由此电池和/或电容器可具有尽可能高的容量。此外，根据本实用新型的具有馈通件的存储设备尤其应适用于微电池。因此，本实用新型还描述一种具有如在本技术示出的馈通件的呈微电池形式的气密密封的设备。
[0046]
微电池的典型应用例如是有源的rfid和/或医疗设备，例如助听器、血压传感器和/或无线耳机等。在本文中该术语频繁地被使用并且与此同时是通常已知的。微电池也适用于物联网。
[0047]
根据本实用新型，该目的通过如下的电气设备、尤其存储设备实现。该电气设备，
尤其电存储设备或传感器壳体，优选电池，尤其微电池或电容器，具有尤其通过所述设备的壳体的壳体部件(1)的馈通件，所述壳体部件由金属制成，尤其由铁、铁合金、铁镍合金、铁镍钴合金、kovar、钢、不锈钢或优质钢、铝、铝合金、alsic、镁、镁合金或钛或钛合金制成，其中所述壳体部件(1)具有作为所述馈通件的一部分的至少一个开口(3)，其中所述开口(3)围绕轴线延伸并且所述壳体部件的第一区域包括所述开口并且所述壳体部件的第二区域与所述开口相邻，并且所述开口容纳在玻璃或玻璃陶瓷材料(7)中的导电材料、尤其导体(5)，其中所述导体具有来自所述开口(3)的挤压力，其中在玻璃和 /或玻璃陶瓷材料(7)中的所述导电材料、尤其导体(5)的玻璃封装长度l(l1、 l1a、l1b)选择成提供预定的挤压力。
[0048]
根据本实用新型的导体在玻璃或玻璃陶瓷材料中的玻璃封装长度恰好改变为，使得提供预设的挤压力。优选地，馈通件具有内侧和外侧。在馈通件构造成电气设备的盖部件时内侧为指向存储设备或电池的内部的一侧、即馈通件的内侧将电池的内部与外部封闭。馈通件的外侧是盖的指向外、即指向环境的一侧。
[0049]
特别优选的是，通过玻璃封装的长度提供的挤压力在10n至200n、尤其 20n至110n、尤其40n至60n的范围中。
[0050]
尤其在有利的实施方式中，在玻璃封装平面中进行的玻璃封装不再与馈通件的盖平面相符。
[0051]
特别优选地，玻璃封装涉及压力玻璃封装，即壳体材料的膨胀系数α3始终大于玻璃材料的膨胀系数α2。
[0052]
电气设备、尤其存储设备包括具有开口的馈通件，在该开口中玻璃封装还称为接触元件的导体。
[0053]
导电材料、尤其导体具有优选至11
·
10-6
1/k的膨胀系数α1。玻璃或玻璃陶瓷材料的膨胀系数α2优选在9至11
·
10-6
1/k的范围中并且壳体部件、尤其板部件的膨胀系数α3在12至19
·
10-6
1/k的范围中。
[0054]
通过壳体材料、尤其板部件的高的膨胀系数α3，由板部件在玻璃材料上构建了应力并且提供了压力玻璃封装。
[0055]
相对于膨胀系数α1、α2、α3基本相同的匹配的馈通件，压力玻璃封装具有的优点是，可靠地避免了在匹配的馈通件中在激光焊接过程之后会出现的泄漏，因为始终有预应力通过包围开口的壳体部件施加到压力玻璃封装部上。
[0056]
根据本实用新型的具有穿过呈板部件形式的壳体部件的馈通件的电气设备、尤其电存储设备或传感器壳体、优选电池、尤其微电池或电容器具有优选在 0.1mm至1mm、优选0.15mm至0.8mm、尤其0.15mm至0.6mm的范围中的材料尺寸或厚度。作为壳体部件或板部件和/或导体的材料使用金属，尤其铁、铁合金、铁镍合金、铁镍钴合金、kovar(铁镍钴合金)、钢、不锈钢、铝、铝合金、 alsic、镁、镁合金、铜合金、铜或钛或钛合金。壳体部件具有至少一个开口作为馈通件的一部分，其中该开口容纳玻璃或玻璃陶瓷材料中的导电材料、尤其由导电材料制成的导体。
[0057]
作为壳体部件、尤其板部件的特别优选的材料使用双相优质钢或奥氏体优质钢。
[0058]
双相优质钢是一种具有两相结构的钢，其由铁素体(α-铁)基体和奥氏体岛构成。双相优质钢结合了不锈铬钢(铁素体和马氏体)以及不锈铬镍钢(奥氏体) 的特性。双相优质钢比不锈铬镍钢具有更高的强度，但是比不锈铬钢更具延展性。双相优质钢的膨胀系数
为α3≈15
·
10-6 1/k，奥氏体优质钢的膨胀系数为α3≈18
·
10-6 1/k。
[0059]
导体优选由铁素体优质钢构成并且构造成具有α1≈10至11
·
10-6 1/k的膨胀系数的铁素体优质钢销。玻璃材料优选是膨胀系数α2在9至11
·
10-6 1/k 范围中的玻璃材料。
[0060]
在优选的实施方式中，电气设备包括柔性的法兰或者连接在柔性的法兰上。
[0061]
柔性的法兰优选包括连接区域，该连接区域用于使具有在玻璃或玻璃陶瓷材料中玻璃封装的导体的壳体部件、尤其带有开口的板部件与壳体、例如存储设备的壳体连接。包括馈通件的壳体部件与壳体的连接可通过焊接、尤其激光焊接实现，也可通过钎焊实现。例如通过焊接的连接使得在压差为1bar 时氦泄漏率小于1
·
10-8
mbar l/s。由此氦泄漏率与玻璃封装的导体的氦泄漏率相同，并且提供了用于存储设备、尤其电池的气密密封的壳体。
[0062]
基于例如在提供玻璃封装长度l1、l1a和l1b的竖立的边缘和与邻接壳体的连接区域之间的柔性法兰中的自由空间能可靠地补偿作用到玻璃材料上的压力。法兰的柔性例如在温度波动的情况下防止玻璃断裂或补偿由激光焊接引起的拉应力和压应力。
[0063]
在电存储设备具有最高40mm、优选最高20mm、尤其优选最高5mm、尤其最高4mm、优选最高3mm、尤其在1mm至40mm范围中、尤其优选1mm至 5mm、优选1mm至3mm的范围中的总结构高度时，提供特别紧凑的电存储设备，如在微电池的情况下一样。
[0064]
这种微电池的直径在20mm至3mm的范围中、尤其在8mm至16mm的范围中。
[0065]
玻璃或玻璃陶瓷材料可包含填料，填料尤其用于调节玻璃或玻璃陶瓷材料的热膨胀。
[0066]
作为玻璃或玻璃陶瓷材优选使用具有主要组成部分为al2o3、b2o3、bao和 sio2的铝硼玻璃。优选地，这种玻璃材料的膨胀系数在9.0至9.5ppm/k的范围中或9.0至9.5
·
10-6 1/k的范围中，并且由此在形成壳体和/或金属销的金属的膨胀系数的范围中。所谓的膨胀系数主要在使用优质钢、尤其铁素体的或奥氏体的优质钢或双相优质钢时是有利的。在这种情况下优质钢与铝硼玻璃有类似的膨胀系数。
[0067]
压力玻璃封装的预紧力基本上通过壳体部件、尤其板部件的材料的不同的膨胀系数确定。为了施加足够的预应力，壳体或板部件的膨胀系数α3比玻璃材料的膨胀系数α2和/或导体的膨胀系数α1大最多6
·
10-6 1/k。
[0068]
特别有利的是，通过确定销的挤压力的玻璃封装的长度提供安全排气功能。
[0069]
销或导体的安全排气功能是指，在电池过压下在损坏情况下可以调节电池的开口。为了影响玻璃封装的销或导体的打开力的其他控制方案是改变玻璃封装的厚度，使用不同的玻璃材料、使用具有玻璃中不同气泡比例的玻璃材料、通过在玻璃封装之前玻璃成型件的成型对玻璃表面结构化、通过在玻璃封装期间玻璃成型件的成型对玻璃表面结构化、通过在玻璃封装之后的激光处理对玻璃表面结构化。对玻璃表面进行结构化例如可通过引入一个或多个刻槽和/或变窄部来进行。
[0070]
这种安全排气功能也可通过玻璃封装的销和/或基体的刻槽和/或变窄部实现。前述措施可单独地或组合地进行。结构化、尤其刻槽和/或变窄部的引入可在具有上侧和下侧的壳体部件或基体的一侧上在玻璃、壳体部件和/或导体中进行或在两侧上进行、即不仅在上侧而且在下侧、即两侧进行。
[0071]
用于安全排气功能的对玻璃材料的结构化的优点是，玻璃作为成型体精确地确定尺寸，使得能够非常精确地调节安全排气功能的触发点。特别优选的是，对于安全排气功能
借助激光例如将凹槽引入到玻璃材料中。然后可与玻璃密度和/或基体的厚度、即环厚度无关地、有针对性地调节导体的压出力以及触发点。
[0072]
根据本实用新型，通过玻璃封装的长度和/或形成新月形件(meniski)影响导体的挤压力或压出力。
[0073]
借助导体的安全排气功能可调节在过压下的存储设备、尤其电池在损坏的情况下的打开。
附图说明
[0074]
下面应根据附图描述本实用新型并且本实用新型不限于此。
[0075]
在图中：
[0076]
图1a-1d示出了壳体部件，尤其具有用于导体的玻璃封装的开口的电池盖，其中在开口的整个长度l上进行玻璃封装。
[0077]
图2a-2c示出了壳体部件，尤其具有用于导体的玻璃封装的开口的电池盖，其中仅在开口的一部分长度l1上进行玻璃封装。
[0078]
图3示出了壳体部件、尤其电池盖，其中示出了不同的玻璃封装长度l1、 l1a、l1b。
具体实施方式
[0079]
在图1a-1c中示出了构造成盖部件1的壳体部件的不同视图，其中壳体部件 1具有开口3，导体5借助玻璃或玻璃陶瓷材料7玻璃封装到开口中。盖部件1 在开口的区域中是以柔性法兰9的形式向上弯曲的盖部件，盖部件在长度l上提供玻璃封装。长度l因此也称为玻璃封装长度。玻璃封装长度l基本确定从内侧20至电池外侧30出现的挤压力。
[0080]
长度l因此也称为玻璃封装长度l。
[0081]
图1b和图1c再次详细地示出了在盖构件的开口中在长度l上的玻璃封装，如在图1a中所示。与图1a相同的构件，在图1b和图1c中用相同的附图标记表示。相对于图1b，图1c额外地还示出了导体5。在图1a至图1d示出的设计中重要的是，盖平面de与玻璃封装平面ee基本一致，即该玻璃封装在开口中实施为直至通过盖平面de确定的高度。图1d是根据本实用新型具有在玻璃材料 7中玻璃封装的导体5的盖的俯视图。相同的构件设有相同的附图标记。
[0082]
图2a-图2b示出了本实用新型的改进的实施方式，其中根据本实用新型选择玻璃封装长度，使得提供预设的从开口中的挤压力。图2a如图1a一样示出了具有玻璃封装的导体5的整个盖部件1。在开口3中对导体5玻璃封装，开口通过柔性法兰9提供。与根据图1a的实施方式不同，玻璃封装长度不是在导体的整个长度上延伸、而是仅在减小的长度l1上延伸。在图2a的设计方案中基于减小的玻璃封装长度l1使得盖平面de与玻璃封装平面ee不相符，而是盖平面 de和玻璃封装平面ee相对彼此错开长度l2。这在图2b中可特别清楚地看见。在此对于与图2a中相同的构件使用相同的附图标记。可清楚看出，相对于图1a 中的玻璃封装长度减小的玻璃封装长度l1。此外从图2b中看出玻璃封装平面 ee相对于盖平面de的差异。在图2b中与图2a中一样用l2表示该差异。在此处为0.3mm的玻璃封装长度l1上进行玻璃封装。盖底部从玻璃封装的导体的上棱边的高度l3为0.55mm。因此，盖平面de和玻璃封装平面ee的偏差l2 在这种情况下为0.25mm。
[0083]
图2c示出了根据图2a至图2b的实施方式的俯视图，其中相同的构件设有相同的附图标记，即玻璃材料设有附图标记7并且导体设有附图标记5。
[0084]
图3示出了具有不同的玻璃封装长度l1、l1a、l1b的玻璃封装。与原理图 2a中相同的构件设有相同的附图标记，即导体设有附图标记5并且玻璃或玻璃材料设有附图标记7。此外可清楚看出在不同长度l1、l1a、l1b上玻璃封装的柔性法兰9。在图3示出的实施方式中，不同的玻璃封装长度为长度l1是0.3mm、长度l1a是0.35mm以及长度l1b是0.4mm。0.4mm的玻璃封装长度明显短于玻璃封装的上棱边与盖平面的整个间距，该间距在此为0.55mm。
[0085]
借助如在图3中示出的不同的玻璃封装长度、即玻璃长度l1、l1a和l1b 提供导体5源自玻璃封装的不同强度的挤压力，即借助根据本实用新型的不同的玻璃封装长度以简单的方式提供玻璃封装导体的不同程度的挤压力。尤其在不同压力下根据玻璃封装长度触发安全排气功能。
[0086]
根据本实用新型的馈通件尤其用于电气存储设备、尤其电池或电容器的壳体。借助用于电气存储设备的非常扁平的馈通件实现可提供具有最大5mm的总结构高度的电气存储设备、即微电池。
[0087]
通过导体在玻璃材料中的压力玻璃封装提供气密密封的馈通件。
[0088]
尤其在使用柔性法兰设计作为压力玻璃封装时实现了较高的针脚或导体挤压力，尤其在使用双相优质钢或奥氏体钢的情况下。柔性法兰设计作为压力玻璃封装在机械方面也可比传统的玻璃封装承受更高负荷并且显示出对于玻璃封装的导体更高的挤压力。