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KR20140003563A - 피드스루 - Google Patents

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KR20140003563A
KR20140003563A KR1020137022127A KR20137022127A KR20140003563A KR 20140003563 A KR20140003563 A KR 20140003563A KR 1020137022127 A KR1020137022127 A KR 1020137022127A KR 20137022127 A KR20137022127 A KR 20137022127A KR 20140003563 A KR20140003563 A KR 20140003563A
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feedthrough
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프란크 크롤
헬무트 하르틀
안드레아스 로터스
하우케 에제만
디터 괴데케
울프 달만
자비네 피흘러-빌헬름
마르틴 란덴딘거
린다 요한나 바크네스
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쇼오트 아게
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Priority claimed from DE102011103975A external-priority patent/DE102011103975A1/de
Priority claimed from DE102011103976A external-priority patent/DE102011103976A1/de
Priority claimed from DE102011106873A external-priority patent/DE102011106873A1/de
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Abstract

본 발명은 특히, 바람직하게는 디스크형 금속 부분의 형태인 베이스 바디를 포함하는 피드스루에 관한 것이다. 상기 베이스 바디는 적어도 하나의 개구를 포함하며, 상기 개구를 통해 유리 또는 유리 세라믹 재료 내에 매립된 적어도 하나의 도체, 특히 실질적으로 핀형의 도체가 안내된다. 본 발명은 베이스 바디가 저융점 재료, 특히 경금속을 포함하고, 유리 또는 유리 세라믹 재료는 그 용융 온도가 베이스 바디의 저융점 재료의 용융 온도보다 낮게 선택되는 것을 특징으로 한다.

Description

피드스루{FEED-THROUGH}
본 발명은 특히, 디스크형 금속 부분의 형태인 베이스 바디, 및 상기 베이스 바디 내 개구를 통해 안내되며 유리 또는 유리 세라믹에 의해 둘러싸인 도체, 특히 핀형 도체를 포함하는 피드스루에 관한 것이다.
도체, 특히 금속 핀 형태의 도체를 베이스 바디, 특히 알루미늄과 같은 경금속으로 이루어진 디스크형 금속 부분 내로 삽입할 때, 지금까지는 기밀 방식으로 밀봉된 피드스루는 불가능했다. 알루미늄은 어큐뮬레이터, 바람직하게는 리튬-이온 배터리용 재료로서 논의된다. 리튬-이온 배터리는 다양한 용도, 예컨대 휴대용 전자 장치, 이동 전화, 전동 공구 및 특히 전기차에 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 관점은 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 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 배터리를 사용하기 위해서는 내식성, 사고시 내성 또는 진동 저항성과 같은 많은 문제가 해결해야 한다. 다른 문제점은 장시간에 걸쳐 배터리, 특히 리튬-이온 배터리의 기밀 방식 밀봉이다. 밀봉성은 배터리 수명을 단축하는, 예컨대 배터리의 전극 또는 배터리의 전극 피드스루의 영역에서 누설, 배터리 단락 또는 온도 변동에 영향을 미칠 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 접속부는 플라스틱에 의해 절연된다. 플라스틱 절연의 단점은 제한된 온도 내성 및 수명에 걸친 불확실한 밀봉성이다.
DE 27 33 948 A1에는 유리 또는 세라믹과 같은 절연체가 용융 결합에 의해 직접 금속 부분과 결합되는 알칼리 배터리가 공지되어 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 948에 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 공지되어 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.
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 선행 기술의 문제점을 갖지 않는 피드스루를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 특히, 바람직하게는 디스크형 금속 부분의 형태인 베이스 바디를 포함하고, 상기 베이스 바디는 적어도 하나의 개구를 포함하며, 상기 개구를 통해 유리 또는 유리 세라믹 재료 내의 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체가 안내되는, 피드스루가 제공됨으로써 달성된다. 디스크형 금속 부분은 임의의 형상을 가질 수 있고, 특히 둥글거나, 타원형이거나 또는 각지게 형성될 수 있다.
유리화시 베이스 바디 및 경우에 따라 금속 핀의 금속, 특히 경금속이 용융되거나 또는 변형되는 것을 피하기 위해, 유리 또는 유리 세라믹 재료는 베이스 바디의 저융점 재료의 용융 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는다.
본 실시예에서와 같이 접합 또는 압력 유리화를 제공하기 위해 사용되는 유리 또는 유리 세라믹 재료를 유리 땜납이라고도 한다. 본 발명에 따른 피드스루에서 용융 온도는 예컨대 400℃ 내지 650℃의 범위에 놓인다.
압력 유리 피드스루에서, 유리 또는 유리 세라믹 재료는 마찰 결합 방식으로 또는 압력 결합 방식으로 주변 금속에 결합한다. 압력 결합은 정지 마찰에 의해 야기된 대항력이 초과되면 사라진다.
유리 또는 유리 세라믹의 용융 온도는 유리 재료가 연화됨으로써 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 공지된 유리 땜납은 예컨대 연료 전지에서 고온 적용에 관련된다.
개구 내로 도체, 특히 핀형 도체의 유리화는 하기와 같이 실시된다:
먼저, 유리 또는 유리 세라믹 재료가 핀형 도체와 함께 베이스 바디 내의 개구 내로 삽입된다. 그 다음에, 유리가 핀형 도체와 함께 유리의 용융 온도로 가열됨으로써, 유리 또는 유리 세라믹 재료는 연화되고 개구 내에서 핀형 도체를 둘러싸며 베이스 바디에 접촉한다. 베이스 바디의 재료 및 핀형 도체의 용융 온도가 유리 또는 유리 세라믹 재료의 용융 온도보다 높기 때문에, 베이스 바디 및 도체, 특히 핀형 도체는 고체 상태로 주어진다. 바람직하게는 유리 또는 유리 세라믹 재료의 용융 온도는 베이스 바디 또는 핀형 도체의 재료의 용융 온도보다 20 내지 150 K 낮다. TSCHMELZ = 660.32℃의 융점을 가진 경금속으로서 예컨대 알루미늄이 사용되면, 반구형 변화 온도보다 높게 결정될 수 있는, 유리 또는 유리 세라믹 재료의 융점은 350℃ 내지 640℃, 바람직하게는 450℃ 내지 600℃의 범위에 놓인다. 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금과 같은 경금속에 대한 대안으로서, 베이스 바디의 재료로는 Al로 침투된 SiC 매트릭스가 사용될 수 있다. 이러한 재료를 AlSiC 라고도 한다. AlSiC는 A1이 침투된 SiC 코어를 포함한다. Al의 양에 의해 특성, 특히 팽창 계수가 세팅될 수 있다. 특히, AlSiC가 순수한 알루미늄보다 더 낮은 열팽창을 갖는다.
베이스 바디의 다른 재료는 티탄, 티탄 합금, 특히 Ti6246 또는 Ti6242 이다. 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.
베이스 바디의 다른 재료는 금속, 특히 강, 스테인리스 강, 특수 강 또는 후속 열처리를 위해 제공되는 공구 강이다. 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 매우 양호한 용접 가능성을 제공하기 위해, 베이스 바디 및/또는 하우징 부분, 특히 배터리 셀 하우징에 대한 재료로서 특수 강, 특히 유럽 표준(EN)에 따른 재료 번호(WNr.) 1.4301, 1.4302, 1.4303, 1.4304, 1.4305, 1.4306, 1.4307를 가진 Cr-Ni 강이 사용된다. 연강으로서 St35, St37 또는 St38 이 사용될 수 있다.
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.
경금속의 미리 주어진 정의는 특히 350 ℃ 내지 700 ℃ 범위의 융점 또는 용융 온도, 10·106 S/m 내지 40·106 S/m 범위의 전기 전도도, 18·10-6/K 내지 26·10-6/K 범위의 팽창 계수 및 2.5 kg/dm3 내지 2.9 kg/dm3 범위의 비중을 가진 알루미늄 및 알루미늄 합금을 말하며 350 ℃ 내지 800 ℃ 범위의 융점 또는 용융 온도, 5·106 S/m 내지 50·106 S/m 범위의 전기 전도도, 20·10-6K-1 내지 30·10-6K-1 범위의 팽창 계수 및 1.0 kg/dm3 내지 3.0 kg/dm3 범위의 비중을 가진 마그네슘 및 마그네슘 합금을 포함한다.
본 발명에 따른 피드스루는 저융점 베이스 바디 또는 저융점 재료로 이루어진 베이스 바디 내로 유리화, 특히 압력 유리화가 가능하다는 것을 특징으로 한다.
도체, 특히 핀형 도체의 재료는 베이스 바디의 재료와 동일할 수 있다. 즉, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, AlSiC, 마그네슘 또는 마그네슘 합금이다. 이는 베이스 바디와 금속 핀의 팽창 계수가 동일하다는 장점을 갖는다. 유리 또는 유리 세라믹 재료의 팽창 계수 α는 하나의 재료에만 맞춰지면 된다. 압력 유리 피드스루가 제공되어야 하면, αGlas는 상이하게 αGrundkoerper 및/또는 αMetallstift 로 된다. αG l as 가 대략 αGrundkoerper 또는 αMetallstift 이면, 적합한 피드스루가 주어진다. 적합한 피드스루에서, 재료의 실질적으로 동일한 팽창 계수로 인해 온도 변동시 절연체, 특히 유리 재료와 베이스 바디 또는 금속 핀 사이에 응력이 나타나지 않는다. 이러한 거동은 바람직할 수 있다.
이에 대한 대안으로서, 핀형 도체는 Cu 또는 CuSiC 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
도체, 특히 핀형 도체의 다른 재료는 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금, 금 또는 금 합금, 은 또는 은 합금, NiFe, 구리 내부 부분을 가진 NiFe-피복 및 코발트-철 합금이다.
도체용 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.
도체용 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
베이스 바디 및 금속 핀이 상이한 재료를 포함하는 경우, 예컨대 αGrundkoerper≥αGlas ≥ αMetallstift 이다. 팽창 계수를 가진 단일 유리 재료에 대한 대안으로서, 개선 실시예에서는 유리 또는 유리 세라믹 재료가 제 1 팽창 계수 α1 를 가진 제 1 유리 또는 유리 세라믹 재료 그리고 제 2 팽창 계수α2 를 가진 제 2 유리 또는 유리 세라믹 재료를 포함하고, 제 1 유리 또는 유리 세라믹 재료의 팽창 계수 α1 는 베이스 바디의 재료의 팽창 계수에 맞춰지고, 팽창 계수 α2 는 핀형 도체의 재료의 팽창 계수에 맞춰진다. 다수의 상이한 유리로 이루어진 유리 부분은 예컨대 다수의 유리 재료로 이루어진 유리 성형품으로서 제조될 수 있다.
제 1 금속이 경금속, 예컨대 알루미늄이고 제 1 유리 재료는 팽창 계수 α가 알루미늄의 팽창 계수(20℃에서 대략 α= 23 x 10-6K-1)에 맞춰지도록 선택되면, 특히 바람직하다. 따라서, 팽창 계수 α1 의 값이 20℃ 내지 300℃ 온도에서 (16 내지 25) x 10-6K-1 범위에 놓이는 것이 바람직하다.
이러한 팽창 계수 α1 를 가진 유리 재료로는 특히 유리 패밀리로서 실리케이트티타네이트, 술포포스페이트, 텔루르화물, 붕산염, 바나듐산염, 불화물, 인산염 및 규산염이 적합하다.
상기 유리 재료들은 팽창 조정을 위해, 특히 팽창 계수의 조정을 위해 충전제를 포함할 수 있다. 또한, 팽창 계수를 세팅하기 위해, 유리에 알칼리 또는 알칼리토류의 첨가도 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 개선 실시예에서 핀형 도체가 20℃에서 대략 α= 16 x 10-6K- 1 의 팽창 계수를 가진 구리 또는 구리 합금이면, 제 2 유리 재료는 팽창 계수 α2 가 금속 핀의 팽창 계수의 범위에 놓이도록, 즉 20 ℃에서 12 내지 18 x 10-6K-1 이도록 선택되는 것이 바람직하다.
이러한 팽창 계수를 갖는 유리 또는 유리 세라믹 재료는 예컨대 실리케이트티타네이트, 술포포스페이트, 텔루르화물, 붕산염, 바나듐산염, 불화물, 인산염 및 규산염의 유리 패밀리이다.
팽창 조정을 위해, 유리에 첨가물, 알칼리 또는 알칼리토류가 제공될 수 있다.
유리 재료로서, 공지된 알칼리-인산염-유리보다 훨씬 더 낮은 총 알칼리 함량을 가진 안정한 인산염 유리가 특히 바람직하다.
인산염 유리의 일반적으로 높은 결정화 안정성에 의해, 온도 < 600 ℃에서 유리의 용융이 방지되지 않는 것이 보장된다. 이는 하기에 제시된 유리 조성물이 유리 땜납으로서 사용될 수 있게 하는데, 그 이유는 유리 조성물의 용융이 일반적으로 온도 < 600℃에서도 방지되지 않기 때문이다.
도체, 특히 핀형 도체가 관통하는 유리 재료가 적어도 하기 성분을 몰%로 포함하는 것이 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 12-19 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 더욱 특히 바람직하다:
P2O5 38-50 몰%, 특히 39-48 몰%
Al2O3 3-14 몰%, 특히 4-12 몰%
B2O3 4-10 몰%, 특히 5-8 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%
놀랍게도, 45 몰% 까지의, 특히 35 몰% 까지의 Li-양을 가진 본 발명에 따른 유리 조성물이 결정화에 안정한 것으로, 즉 후속 소결 단계에서 방해 결정화 또는 실질적인 결정화가 나타나지 않는 것으로 나타났다.
전술한 유리 조성물은 유리 구조 내로 삽입되는 Li를 포함한다. 이로 인해, 유리 조성물은 특히 Li에 기초한, 예컨대 에틸렌카보네이트와 디메틸카보네이트를 1:1로 혼합한 1 M LiPF6-용액에 기초한 전해질을 포함하는 Li-이온-저장 장치에 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 조성물 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 금속과의 용융이 보호 가스 분위기가 아닌 가스 분위기에서 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.
유리가 IR-가열에 접근하기 쉽게 하기 위해, 상기 유리가 적외선, 특히 IR-소스의 적외선의 범위에서 방출 최대치를 갖는 도펀트를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 대한 예시적 재료들은 Fe, Cr, Mn, Co, V, 안료이다. 적외선에 의해 그렇게 처리된 유리 또는 유리 세라믹 재료가 국부적으로 의도적으로 가열될 수 있다. IR-가열의 장점은 베이스 바디의 재료, 특히 디스크형 금속 부분 및/또는 베이스 바디 내 개구를 통해 안내되는 핀형 도체의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 가진 유리 또는 유리 세라믹을 사용하는 것이 가능하다는 것이다.
배터리의 전해질 용액에 대한 화학적 내성을 제공하기 위해, 핀형 도체가 관통하는 유리 또는 유리 세라믹 재료가 매우 양호한 HF-내성을 가진 제 3 유리 재료로 커버링되는 것이 바람직하다. 이러한 유리 재료는 예컨대 인산염 유리이다. 코팅, 즉 커버링 재료로서 유리 대신에 HF-내성을 가진 플라스틱이 사용될 수 있다. 커버링 유리의 내성은 실질적으로 예컨대 HF와 같은 산에 대해 주어져야 한다. H2O 에 대한 내성도 바람직하다.
커버 유리의 팽창 계수는 제 1 및/또는 제 2 유리 재료로 이루어진 유리 마개의 유리 또는 유리 세라믹 재료의 팽창 계수에 맞춰진다.
핀형 도체가 관통하는 유리 마개가 상이한 팽창 계수 α1, α2 를 가진 적어도 2개의 유리 재료로 유리 성형품으로서 제조되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 피드스루는, 단일 유리 재료가 사용되며 상기 유리 재료가 일반적으로 20℃에서 α
Figure pct00002
16 x 10-6K- 1 의 팽창 계수를 가진 구리 또는 대략 α
Figure pct00003
23 x 10-6K- 1 의 팽창 계수를 가진 알루미늄을 포함할 수 있는 핀형 도체의 재료에 맞춰지도록, 형성된다.
적외선에 의해 가열될 수 있는 유리 재료에 대한 대안으로서, 개선 실시예에서 유리 재료가 초음파 용접에 의해 금속 부분에 제공될 수 있다. 바람직하게는 유리 또는 유리 세라믹 재료는 적외선에 의한 가열시 또는 초음파 용접시 핀형 도체, 특히 금속 핀과 동일한 팽창 계수 α를 갖는다. 베이스 바디로서 금속 부분이 초음파 용접에 의해 금속 핀과 그리고 유리 재료와 결합시 다양한 실시예가 가능하다. 제 1 실시예에서, 유리 재료가 금속 부분에 제공되고 초음파에 의해 금속 부분과 결합된다. 금속 핀은 금속 부분 상의 두꺼워진 부분과 용접된다.
금속 핀의 더 높은 기계적 내성을 달성하고 더 높은 압력을 금속 핀 상에 가할 수 있기 위해, 관통 개구가 원추형으로 형성될 수 있다. 또한, 금속 핀은 다각형 외형을 가질 수 있기 때문에, 토크가 금속 핀에 가해진다. 즉, 금속 핀 또는 핀형 도체는 비틀리지 않게 개구 내에 고정된다.
저융점 베이스 바디 내로 유리화를 달성할 수 있는 다른 가능성은 먼저 유리 또는 유리 세라믹 재료를 금속 핀의 재료와 함께 용융하는 것이다. 그 다음에, 저융점 재료, 예컨대 알루미늄으로 이루어진 베이스 바디가 다이캐스팅에 의해 제조된다. 이를 위해, 금속 핀이 유리 또는 유리 세라믹 재료와 함께 저융점 재료, 특히 경금속, 예컨대 알루미늄으로 인서트 몰딩되어, 저융점 재료, 특히 알루미늄으로 이루어진 베이스 바디를 형성하고, 이 경우 저융점 재료는 유리 또는 유리 세라믹 재료 상에 수축된다. 바람직하게는 다이캐스팅 기계 내에서 다이캐스팅에 의해 실시되는 인서트 몰딩 후 냉각에 의해, 다이캐스팅에 의해 제조되는 베이스 바디의 예비 응력이 핀형 도체를 가진 유리 또는 유리 세라믹 재료에 제공된다.
다른 개선 실시예에서, 팽창을 유리 또는 각각의 유리 종류에 더 양호하게 맞추기 위해, 지지 장치가 개구의 영역 내에 제공된다. 지지 장치에 의해, 베이스 바디의 팽창을 유리에 그리고 각각의 유리 종류에 맞추고 압축을 유리에 제공하는 것이 가능해진다. 이로 인해, 유리 또는 유리 종류가 베이스 바디의 재료에만 맞춰지는 경우와는 다른 유리 또는 유리 종류가 사용될 수 있다.
이로 인해, 단 하나의 유리 종류를 가진 기밀 방식으로 밀봉된 피드스루가 제공될 수 있다. 지지 장치는 지지 링의 형태로 형성될 수 있거나 또는 대안으로서 금속 부분이 복합 재료로서 형성될 수 있다.
본 발명에 의해, 피드스루, 특히 전기 저장 장치, 바람직하게는 배터리용 피드스루가 제공되고, 상기 피드스루는 특히 밀봉 재료로서 플라스틱을 가진 선행 기술에 따른 피드스루와는 달리 높은 온도 내성, 특히 온도 변동 내성을 갖는다. 특히, 온도 변동시에도 기밀 방식 밀봉성이 제공되며, 이 밀봉성은 액체, 특히 배터리액이 배출될 수 있거나 및/또는 습기가 하우징 내로 침투하는 것을 방지한다. 기밀 방식 밀봉성은 1 바아의 압력 차이에서 헬륨 누설률 < 1·10-8mbar ls-1, 바람직하게는 < 1·10-9mbar ls- 1 인 것을 의미한다. 본 발명에 의해 기밀 방식으로 밀봉된 피드스루가 제공되기 때문에, 전기 저장장치, 특히 배터리 셀의 수명이 훨씬 연장된다. 특히 기밀 방식 밀봉성은 유리 또는 유리 세라믹 재료를 관통하는 핀형 도체가 높은 전류로 인해 및/또는 단락시 단시간에 강하게 가열되는 경우에도 보장된다.
피드스루와 더불어, 본 발명은 본 발명에 따른 피드스루를 포함하는, 전기 저장 장치, 특히 배터리, 바람직하게는 배터리 셀용 하우징을 제공한다. 하우징은 바람직하게 베이스 바디와 동일한 재료, 특히 경금속으로 이루어진다. 베이스 바디는 배터리 셀에서 바람직하게 배터리 하우징의 부분이다. 바람직하게는 배터리가 리튬-이온 배터리이다.
본 발명에 의해, 선행 기술의 문제점을 갖지 않는 피드스루가 제공된다.
이하, 본 발명이 실시예를 참고로 설명되지만, 이 실시예에 제한되지는 않는다.
도 1은 다성분 유리를 가진 본 발명에 따른 피드스루.
도 2는 블랭크로서 다성분 유리.
도 3은 지지 링을 가진 피드스루.
도 4는 지지 링으로서 금속 부분을 위한 복합 재료를 가진 피드스루.
도 5는 피드스루 개구 내에 초음파로 용접된 유리 재료 접속부를 가진 본 발명에 따른 피드스루.
도 6은 금속 부분 상에 초음파로 용접된 유리 재료를 가진 본 발명에 따른 피드스루.
도 7은 적외선을 흡수하는 재료를 가진 본 발명에 따른 피드스루.
도 1에는 본 발명에 따른 피드스루(1)가 도시된다. 피드스루(1)는 핀형 도체로서 금속 핀(3)을 포함하고, 상기 금속 핀은 바람직하게는 구리를 포함하는 재료, 및 베이스 바디(5)로서 금속 부분으로 이루어지며, 상기 금속 부분은 본 발명에 따라 저융점 금속, 즉 경금속, 특히 알루미늄, 알루미늄 합금, 티탄, 티탄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 이루어진다. 여기서 사용되는 경금속은 밀도 < 5 kg/d㎥, 특히 1.0 kg/d㎥ 내지 3.0 kg/d㎥ 범위의 밀도를 갖는다. 경금속이 도체용 재료로서 사용되면, 전기 전도도는 5·106 S/m 내지 50·106 S/m의 범위 내에 있다. 경금속의 팽창 계수 α(20℃-300℃)는 18·10-6/K 내지 30·10-6/K 의 범위 내에 놓인다.
금속 핀(3)은 금속 부분(5)을 관통하는 개구(7)를 통해 안내된다. 하나의 금속 핀이 개구를 통해 안내되는 것이 도시되지만, 본 발명을 벗어나지 않으면서 다수의 금속 핀들이 상기 개구를 통해 안내되는 것도 가능하다.
개구(7)의 외곽은 바람직하게 둥글거나 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 개구(7)는 베이스 바디 또는 금속 부분(5)의 전체 두께(D)를 관통한다. 금속 핀(1)은 유리 또는 유리 세라믹 재료(10) 내로 유리화되고, 유리 또는 유리 세라믹 재료(10) 내에서 베이스 바디(5) 내 개구(7)를 통해 안내된다. 베이스 바디(5) 내에 개구(7)가 예컨대 절삭 공정, 바람직하게는 펀칭에 의해 형성된다. 개구(7)를 통해 금속 핀(3)을 기밀 방식으로 안내하기 위해, 금속 핀(3)은 유리 또는 유리 세라믹 재료로 이루어진 유리 마개 내에 용융된다. 이 제조 방식의 중요한 장점은 유리 마개에 대한 증가된 부하 하에서도, 예컨대 압축 하중에서도 개구(7)로부터 금속 핀을 가진 유리 마개가 밀려나오는 것이 방지된다는 것이다. 바람직하게는 유리 또는 유리 세라믹 재료의 용융 온도가 베이스 바디(5) 및/또는 핀형 도체의 재료의 용융 온도보다 20K 내지 100K 더 낮다.
도시된 실시예에서는 제한 없이 유리 마개(10)가 단일 재료로 이루어지지 않고, 다수의 재료로 이루어진다. 즉, 다성분 유리가 다루어진다. 바람직하게는 구리로 이루어진 금속 핀의 팽창 계수 αCu가 20℃에서 예컨대 16 x 10-6K-1 범위에 놓이고, 베이스 바디 또는 바람직하게는 알루미늄으로 제조된 금속 부분의 팽창 계수 αAl는 23 x 10-6K-1 범위에 놓이기 때문에, 유리 마개는 베이스 바디 또는 금속 부분을 향한 유리 재료(10)의 측면에 제 1 유리 재료(20.1)를 포함하고, 상기 제 1 유리 재료의 팽창 계수 α1i는 금속 부분(5)의 팽창 계수의 범위에 놓인다. 금속 부분이 알루미늄으로 제조되는 경우, 팽창 계수 α1은 16 내지 25 x 10-6K-1 범위에 놓인다.
여기서 유리 마개는 다수의 재료, 즉 상이한 팽창 계수 α1, α2 를 가진 제 1 및 제 2 유리 재료로 이루어지지만, 이것이 절대적으로 필요한 것은 아니다. 단일 재료도 가능하며, 이 경우 바람직하게는 용융 온도가 주변 경금속의 용융 온도보다 낮다.
다성분 유리의, 금속 핀을 향한 제 2 유리 재료(20.2)는 실질적으로 금속 핀(3)의 팽창 계수 α2 를 갖는다. 금속 핀(3)이 구리 핀이면, 제 2 유리 재료(20.2)의 팽창 계수 α2 는 12 내지 18 x 10-6K- 1 이다.
예컨대 불화 수소산(HF) 및/또는 물에 대한 다성분 유리(10)의 화학적 내성을 높이기 위해, 제 1 및 제 2 유리 재료(20.1, 20.2)로 이루어진 유리 층 상에 커버 유리(20.3) 또는 플라스틱 층이 제공된다.
외부 유리(20.1)에 대한 제 1 유리 재료는 바람직하게 실리케이트티타네이트, 술포포스페이트, 텔루르화물, 붕산염, 바나듐산염, 불화물, 인산염 및 규산염일 수 있다. 이 경우, 유리들은 팽창 조정을 위한 충전제 또는 알칼리 또는 알칼리토류를 포함할 수 있다. 내부 유리, 즉 금속 핀(3)을 향한 제 2 유리 재료에는 실리케이트티타네이트, 술포포스페이트, 텔루르화물, 붕산염, 바나듐산염, 불화물, 인산염 및 규산염이 사용되고, 여기서도 팽창 조정을 위한 충전제 또는 알칼리 또는 알카리 토류가 제공될 수 있다. 커버 유리들은 바람직하게 예컨대 불화 수소산 HF에 대한 충분한 화학적 내성을 가진 제 3 유리 재료 또는 플라스틱이다. 리튬 이온 배터리의 커버 유리는 바람직하게 인산염 유리이다. 유리들은 저융점 베이스 바디의 용융 온도보다 낮은 용융 온도과 더불어, 특히 산, 특히 HF 및/또는 물에 대한 필요한 내성을 갖는지에 따라 선택된다.
도 2에는 도 1에서 사용될 수 있는 바와 같은 유리 마개가 상세히 도시된다. 유리 마개는 3중 유리 또는 다성분 유리 블랭크로서 제조되고, 전체적으로 3개의 유리들, 즉 예컨대 (16 내지 25) x 10-6K-1 범위의 팽창 계수 α1 를 가진 제 1 유리 재료(20.1), 예컨대 (12 내지 18) x 10-6K-1 범위의 팽창 계수 α2 를 가진 제 2 유리 재료(20.2), 및 예컨대 불화 수소산 및/또는 물에 대해 충분한 내성을 가진 커버 유리로서 제 3 유리 재료(20.3)를 포함한다.
다성분 유리를 가진 실시예에 대한 대안으로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 단일 유리를 사용하는 것도 가능하다.
유리 마개가 단일 유리 재료 또는 단일 유리 조성물로 이루어지면, 특히 공지된 알칼리-인산염-유리보다 훨씬 더 낮은 총 알칼리 함량을 갖는 일반적으로 안정한 인산염 유리가 사용된다.
인산염 유리의 일반적으로 높은 결정화 안정성에 의해, 온도 < 600℃에서도 유리의 용융이 방해받지 않는 것이 보장된다. 이로 인해, 제시된 유리 조성물이 유리 땜납으로서 사용될 수 있는데, 그 이유는 일반적으로 온도 < 600℃에서도 유리 조성물의 용융이 가능하기 때문이다.
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 결정된다. 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 dPas의 점도가 할당될 수 있다.
특히 바람직하게는 핀형 도체가 관통하는 유리 재료가 적어도 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 5-8 몰%
Na2O 0-30 몰%, 특히 0-20 몰%
M2O 0-20 몰%, 특히 12-19 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 표 1 에는 이러한 유리의 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
Al2O3 4.2 8.6 8.7 2.0 2 12.0 12.0 4.2
B2O3 7.6 4.8 4.7 4.8 4.9 6.0 6.0 7.6
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
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.
표 1 내의 실시예 6은 특히 Cu/Al 유리화, 즉 주변 알루미늄 베이스 바디 내에 도체로서 구리 핀의 유리화에 특히 적합하다.
용리 후에, 비-수성 전해질에 대한 내성의 척도로서 개별 유리의 내수성이 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.
몇몇 실시예들이 Cu와 접합하기에 너무 낮은 팽창 계수를 나타냄에도 불구하고 많은 량의 Li가 용융물 중에 용해될 수 있고, 이러한 유리 조성물을 가진 유리는 불안정하지 않다는 것이 명확해진다.
실시예 AB7 및 AB8은 실시예 6에서와 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 AB1에서 10배 더 높은 내수성이 달성된다. Bi2O3 는 특히 실시예 6에 따른 PbO 대신에도 사용될 수 있다. 불순물을 제외하고 PbO 가 없는, 즉 100 ppm보다 적은, 바람직하게는 10 ppm 보다 적은, 더욱 바람직하게는 1 ppm 보다 적은 PbO를 포함하는 유리 조성물이 특히 바람직하다.
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 α는 20℃ 내지 300℃의 온도에서 10-6K- 1 로, 그리고 밀도는 g/㎤로 표시된다.
총 용리는 하기에 설명된 바와 같이 측정된다. 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.
바람직하게는 예컨대 상이한 팽창을 수용하기 위한, 금속 부분용 지지 장치가 제공된다. 도 3에서 도 1 및 도 2에서와 동일한 부품은 동일한 도면 부호로 표시된다. 금속 핀(3)은 금속 핀(3)에 맞춰진 팽창 계수 α를 가진 유리 재료를 가진 단일 재료(20.2)로 구현되며 금속의 용융 온도보다 20 K 내지 100 K 낮은 용융 온도를 가진 유리화부(10) 내에 배치된다. 유리 재료(20.2)의 팽창 계수 α2 는 금속 핀이 구리로 이루어지면 바람직하게 (12 내지 18) x 10-6K- 1 인데, 그 이유는 구리의 팽창 계수 αCu가 20℃에서 대략 16 x 10-6K- 1 이기 때문이다.
베이스 바디(5) 또는 금속 부분은 개구(7)를 포함한다. 베이스 바디(5)는 바람직하게는 경금속, 특히 알루미늄이며, 알루미늄의 경우 20℃에서 약 23 x 10-6K-1 의 팽창 계수 αAl를 갖는다.
예비 응력을 유리 및 각각의 유리 종류에 맞추고 압축력을 유리(10)에 제공하기 위해, 지지 장치(50), 여기서는 스테인리스 강으로 형성될 수 있는 지지 링(52)이 제공된다. 베이스 바디(5)는 이를 위해 변형되고, 지지 링(52)과 유리 재료(20.2) 사이에 놓인다.
도 3에 따라 지지 장치로서 지지 링(52)을 가진 실시예에 대한 대안으로서, 금속 부분(5)에 복합 재료가 제공될 수 있다. 복합 재료는 알루미늄-금속 복합 재료이다. 알루미늄 부분(200) 상에 강(202)이 백금 도금된다. 도 3에 따른 실시예에서와 같이, 유리 재료(10)는 금속 핀(3)에 맞춰진 팽창 계수 α 및 상응하는 Tg를 가진 전술한 바와 같은 단일 성분 유리(20.2)이다. 금속 핀(3)이 구리 재료이면, 유리 재료(20.2)의 팽창 계수 α는 (12 내지 18) x 10-6K- 1 이다.
도 5 및 도 6에는 본 발명의 다른 실시예로서, 초음파 용접을 이용한 금속 부분(5)과 유리 재료의 결합에 의해 제조되는 피드스루가 도시된다. 원추형 개구(70)에 유리 마개(10)의 초음파 용접은 원추형 개구(70)로 인해 압력이 금속 핀(3)에 형성될 수 있고 금속 핀(3)의 더 높은 기계적 내성이 달성된다는 장점을 갖는다. 또한, 토크가 금속 핀의 영역(60)에서 다각형 형상에 의해 금속 핀에 제공될 수 있다. 유리 마개(10)와 금속 부분(5) 사이의 초음파 용접 결합은 62로 표시된된다. 유리 재료(10)의 팽창 계수는 금속 핀에 맞춰지며, 금속 핀(3)이 구리로 제조되는 경우에 α2
Figure pct00004
(12 내지 18) x 10-6K- 1 이다.
도 6에는 초음파 용접에 의해 제조된 피드스루의 대안적 실시예가 도시된다. 도 6에 도시된 피드스루에서 금속 핀(3)은 크라운(100)을 갖는다. 금속 핀(3)은 금속 부분(5)의 개구(7)를 통해 안내된다. 크라운(100)의 직경은 개구(7)의 직경보다 크다. 따라서, 금속 핀(3)과 고정 결합된 크라운(100)은 초음파 용접에 의해 금속 부분(5)의 상부면(110)에 고정된다. 초음파 용접 결합, 즉 베이스 바디 또는 금속 부분(5)/유리(10)의 결합 구역은 도면 부호 62로 표시된다. 크라운과 결합 구역 사이에 유리 재료(10)가 삽입된다. 유리 재료(10)는 금속 핀의 재료의 팽창 계수에 상응하는 팽창 계수 α2, 즉 α2
Figure pct00005
(12 내지 18) x 10-6K- 1 를 갖는다.
도 7에는 본 발명의 다른 실시예가 도시된다.
도 7에서 금속 핀은 3으로, 베이스 바디는 5로 그리고 개구는 7로 표시된다.
개구에서 유리 재료(10)는 금속 핀(7)과 베이스 바디(5), 특히 금속 부분 사이에 삽입된다. 유리 재료(10)는 금속 핀(3)의 팽창 계수에 실질적으로 맞춰진 유리 재료이다. 금속 핀이 구리 핀이면, 금속 핀의 팽창 계수는 대략 16 x 10-6K- 1 이다. 이에 따라, 유리 재료(10)는 (12 내지 18) x 10-6K- 1 의 팽창 계수 α2를 갖는다.
도 7에 따른 실시예에서, 유리 재료(10)는 적외선 범위에서 방출 최대치를 갖는 도펀트와 혼합된다. 상기 도펀트는 특히 철, 크롬, 코발트, 바나듐이다.
도펀트로 인해 유리는 예컨대 적외선-방사체에 의해 방출된 적외선에 의해 매우 강하게 가열된다. 가열이 유리에 적외선의 흡수에만 기초하기 때문에, 이는 유리의 온도를 금속 부분 또는 금속 핀의 용융 온도보다 높게 상승시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 특히 베이스 바디로서 경금속의 처리시, 이것이 바람직하다.
본 발명에 의해, 금속 핀이 경금속을 통해 안내되고 밀봉 방식으로 폐쇄되는 피드스루가 제공된다. 이는 한편으로는 경금속의 용융 온도보다 낮은 용융 온도를 가진 유리에 의해 달성되고, 상기 유리는 바람직하게 금속 핀의 팽창 계수에 맞춰진다. 유리화에 대한 대안적 방법은 초음파 용접 또는 적외선 가열이고, 이 경우 유리 재료는 적외선 흡수 재료로 도핑된다.
본 발명에 따른 피드스루에 의해, 균열 형성의 경향을 가진 플라스틱 피드스루와는 달리 배터리 하우징의 변형시에도 기밀 방식으로 밀봉되는 배터리 하우징이 제공될 수 있다. 이로 인해, 본 발명에 따른 피드스루를 포함하는 배터리 하우징을 가진 배터리에서, 특히 차량 사고시에 높은 내화성이 제공된다. 이는 특히 자동차 부분에 배터리, 바람직하게는 Li-이온-배터리의 사용시 중요하다.

Claims (29)

  1. 특히, 바람직하게는 디스크형 금속 부분의 형태인 베이스 바디(5)를 포함하는 피드스루로서, 상기 베이스 바디(5)는 적어도 하나의 개구(7)를 포함하며, 상기 개구를 통해 유리 또는 유리 세라믹 재료 내의 적어도 하나의 도체, 특히 실질적으로 핀형인 도체(3)가 안내되는, 피드스루에 있어서,
    상기 베이스 바디(5)는 저융점 재료, 특히 경금속을 포함하고, 상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 그 용융 온도가 베이스 바디의 저융점 재료의 용융 온도보다 낮도록 선택되는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체, 특히 상기 실질적으로 핀형인 도체가 저융점 금속, 특히 경금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 경금속은 비중 < 5 kg/dm3, 특히 1.0 kg/dm3 내지 3.0 kg/dm3 의 범위의 비중을 갖는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경금속은 350℃ 내지 800℃, 바람직하게는 350℃ 내지 700℃ 범위의 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    경금속은 5·106 S/m 내지 50·106 S/m, 바람직하게는 10·106 S/m 내지 40·106 S/m 범위의 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경금속은 18·10-6/K 내지 30·10-6/K 범위의 팽창 계수 α(20 ℃ 내지 300 ℃)를 갖는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경금속은 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티탄 또는 티탄 합금인 것을 특징으로 하는 피드스루.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도체, 특히 상기 실질적으로 핀형인 도체는 상기 베이스 바디의 재료와는 다른 추가 재료, 특히 금속, 바람직하게는 구리, CuSiC, 구리 합금, AlSiC, 은, 은 합금, 금 또는 금 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료(10)는 상이한 팽창 계수 α(20 ℃ 내지 300 ℃)를 가진 적어도 2개의 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.1, 20.2), 제 1 유리 또는 유리 세라믹 재료 및 제 2 유리 또는 유리 세라믹 재료를 포함하고, 상기 제 1 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.1)는 그 팽창 계수 α1 가 상기 베이스 바디, 특히, 바람직하게는 디스크형 금속 부분의 형태인 베이스 바디의 재료의 팽창 계수에 맞춰지고, 상기 제 2 유리 또는 유리 세라믹 재료는 그 팽창 계수 α2(20 ℃ 내지 300 ℃) 가 상기 핀형 도체의 재료의 팽창 계수에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 유리 또는 유리 세라믹 재료의 팽창 계수 α1 는 20 ℃ 내지 300 ℃에서 (16 내지 25) x 10-6K- 1 의 범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.1)는 하기 유리 재료로부터 선택된 유리 재료인 것을 특징으로 하는 피드스루:
    실리케이트티타네이트
    술포포스페이트
    텔루르화물
    붕산염
    바나듐산염
    불화물
    인산염
    규산염:
    모든 상기 재료는 선택적으로
    팽창 조정을 위한 충전제
    알칼리 및/또는 알칼리 토류
    적외선의 방출 최대치의 범위에 놓인 도펀트, 특히 Fe, Cr, Co, V를 포함.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.2)의 팽창 계수 α2 는 20 ℃ 내지 300 ℃에서 (12 내지 18) x 10-6K-1 범위에 놓이는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 제 3 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.3)를 포함하고, 상기 제 3 유리 또는 유리 세라믹 재료는 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.1, 20.2)를 커버하며 높은 화학적 내성을 갖는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.3)는 인산염 유리인 것을 특징으로 하는 피드스루.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제 1 유리 또는 유리 세라믹 재료(20.1) 및 제 2 유리 재료(20.2)로 이루어진 상기 유리 또는 유리 세라믹 재료(10)는 다성분 유리, 특히 유리 블랭크인 것을 특징으로 하는 피드스루.
  16. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 재료는 단일 유리 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 단일 유리 조성물은 인산염 유리인 것을 특징으로 하는 피드스루.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 단일 유리 조성물은 하기 성분을 몰%로 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 0-20 몰%
    M2O 0-20 몰%, 특히 12-19 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%.
  19. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료(10)는 적외선에 의해 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료(10)는 적외선 범위에서 방출 최대치를 갖는 도펀트, 특히 Fe, Cr, Co, V를 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 또는 유리 세라믹 재료(10)는 초음파로 용접될 수 있는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구의 영역에 지지 장치(50)가 제공되는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 지지 장치(50)는 지지 링(52)을 포함하고, 상기 지지 장치(50)는 특히 알루미늄, AlSiC 또는 크래드 강으로 이루어진 금속 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 바디는 다이캐스팅에 의해 제조되고, 이 경우 상기 유리 또는 유리 세라믹 재료는 상기 핀형 도체와 함께 용융된 다음, 상기 핀형 도체가 상기 유리 재료와 함께 바람직하게는 다이캐스팅 기계 내에서 저융점 재료로 인서트 몰딩되는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  25. 전기 저장 부재, 특히 배터리용 특히, 바람직하게는 디스크형 금속 부분의 형태인 베이스 바디(5)를 포함하고, 상기 금속 부분은 둥글거나 또는 각지게 형성될 수 있고, 상기 베이스 바디(5)는 적어도 하나의 개구(7)를 포함하고, 상기 개구를 통해 유리 또는 유리 세라믹 재료 내의 적어도 하나의 실질적으로 핀형인 도체(3)가 안내되는, 특히 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 피드스루에 있어서,
    상기 피드스루는 1 바아의 압력 차이에서 헬륨 누설률 < 1·10-8mbar ls-1, 바람직하게는 < 1·10-9mbar ls-1 을 갖는 것을 특징으로 하는 피드스루.
  26. 전기 저장 장치, 특히 배터리용 하우징에 있어서,
    상기 하우징은 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 피드스루를 포함하는 것을 특징으로 하는 하우징.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬-이온 배터리인 것을 특징으로 하는 하우징.
  28. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 피드스루를 포함하는 저장 장치, 특히 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 어큐뮬레이터.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 저장 장치, 특히 배터리는 비-수성 전해질, 특히 카보네이트, 바람직하게는 특히 바람직하게 에틸렌카보네이트 및 디메틸카보네이트를 포함하는 카보네이트 혼합물을 특히 LiPF6 형태의 전도염과 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
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