穿通件的製造方法與工藝
2023-06-01 13:18:46 3
本發明涉及一種穿通件，該穿通件具有尤其是片狀金屬部件形式的基體以及穿過基體中的開口的由玻璃或玻璃陶瓷包圍的導體，尤其是銷狀導體。
背景技術：
在將尤其是金屬銷形式的導體引入尤其是片狀金屬部件形式的由輕金屬（例如鋁）構成的基體中時，目前密閉密封的穿通件是不可能的。然而討論到將鋁作為尤其用於蓄電池，優選用於鋰離子電池的材料。鋰離子電池設置用於不同應用，例如可攜式電子設備、行動電話、電機工具以及尤其是電動車。這種電池可以代替傳統的能源，例如鉛酸電池、鎳鎘電池或鎳金屬氫化物電池。根據本發明，電池不僅被理解為在放電之後丟棄和/或回收的一次性電池，而且還被理解為蓄電池。多年來公知有多種鋰電子電池。對此例如參見「HandbookofBatteries，DavidLinden，Herausgeber，第2版，McGrawhill，1995，第36和39章」。在大量專利中對鋰離子蓄電池的不同方面進行了描述。例如US961,672、US5,952,126、US5,900,183、US5,874,185、US5,849,434、US5,853,914以及US5,773,959都提到過。尤其對於汽車環境中的電池，優選鋰離子蓄電池的應用，必須解決大量問題，例如耐腐蝕性、在事故中的耐受性或耐振性。另一問題是電池，尤其是鋰離子電池在長時間內的密閉密封性。例如電池電極或電池電極穿通件區域內的洩露、電池短路或溫度變化（這些導致電池壽命縮短）可能損害密封性。為了保證事故中更好的耐受性，DE10105877A1提出例如用於鋰離子電池的殼體，其中，殼體包括金屬套，該金屬套在兩側打開並且被封閉。電流接頭由塑料絕緣。塑料絕緣的缺點在於有限的耐熱性和使用壽命內的不安全的密封性。由DE2733948A1公知了一種鹼金屬電池，其中，絕緣體例如玻璃或陶瓷通過熔融連接直接與金屬部件連接。其中一個金屬部件與鹼金屬電池的陽極電連接，而另一個金屬部件與鹼金屬電池的陰極電連接。DE2733948A1中使用的金屬為鐵或鋼。DE2733948A1中沒有描述輕金屬例如鋁。DE2733948A1中也未說明玻璃材料或陶瓷材料的熔接溫度。DE2733948A1中描述的鹼金屬電池為具有鹼性電解質的電池，根據DE2733948A1該鹼性電解質包含氫氧化鈉或氫氧化鉀。DE2733948A1中沒有鋰離子電池的加熱。由DE69804378T2或EP0885874B1公知了一種用於製造不對稱有機羧酸酯和用於製造用於鹼金屬離子電池的無水有機電解質的方法。DE69804378T2或EP0885874B1也描述了用於可再充電的鋰離子電池的電解質。DE69923805T2或EP0954045B1描述了一種具有改進的電作用的RF穿通件。由EP0954045B1公知的穿通件不是玻璃金屬穿通件。在EP0954045B1中，在例如包裝的金屬壁內部直接構造的玻璃金屬穿通件被描述為是不利的，因為這種RF穿通件由於玻璃脆化是不耐用的。DE69023071T2或EP0412655B1描述了一種用於電池或其他電化學單元的玻璃金屬穿通件，其中，使用二氧化矽含量為約45重量%的玻璃作為玻璃，並且尤其使用含鉬和/或鉻和/或鎳的合金作為金屬。DE69023071T2中像針對用於所使用的玻璃的熔接溫度或熔接溫度一樣同樣基本沒有描述輕金屬的使用。根據DE69023071T2或EP0412655B1，用於銷狀導體的材料為含鉬、鈮或鉭的合金。US7,687,200公開了一種用於鋰離子電池的玻璃金屬穿通件。按照US7,687,200殼體由特種鋼製成，銷狀導體由鉑/銥製成。US7,687,200中說明玻璃TA23和CABAL-12作為玻璃材料。根據US5,015,530，玻璃材料在此為熔接溫度為1025°C或800°C的CaO-MgO-Al2O3-B2O3-體系。此外，由US5,015,530公知了一種用於鋰電池的玻璃金屬穿通件的玻璃組合物，該玻璃組合物包含CaO、Al2O3、B2O3、SrO和BaO，其熔接溫度在650°C至750°C的範圍內並且進而對於與輕金屬一起使用而言過高。此外，鋇在許多應用中是不期望的，因為其被認為是不環保且有害健康的。同樣討論到的是鍶，未來應同樣放棄使用鍶。此外，根據US7,687,200的玻璃組合物具有在20°C至300°C的溫度範圍內的僅約為9·10-6/K的膨脹係數α。
技術實現要素：
本發明的任務是說明一種避免現有技術的問題的穿通件。根據本發明該任務通過如下方法來解決，即，說明如下穿通件，該穿通件具有尤其優選片狀金屬部件形式的基體，其中，基體具有至少一個開口，導體，尤其是基本上呈銷狀的導體穿過該開口在玻璃材料或玻璃陶瓷材料中穿過。片狀金屬部件可以具有任意形狀，尤其可以是圓的（即圓形）、橢圓的或有角的。為了避免在封裝時金屬，尤其是基體的以及可能還有金屬銷的輕金屬熔融或變形，設置玻璃材料或玻璃陶瓷材料與金屬，尤其是基體的低熔點材料的熔接溫度低於低熔點金屬的熔融溫度。用於如在當前的實施例中那樣提供接合連接或壓力封裝的玻璃材料或玻璃陶瓷材料也被稱為玻璃焊料。在根據本發明的穿通件中，熔接溫度例如在400°C至650°C的範圍內。在壓力玻璃穿通件中，玻璃材料或玻璃陶瓷材料摩擦連接（reibschlüssig）或傳力連接（kraftschlüssig）地附著在周圍金屬上。一旦超過由靜摩擦引起的反作用力，則喪失力連接。玻璃或玻璃陶瓷的熔接溫度或熔接溫度被理解為如下玻璃或玻璃陶瓷的溫度，在該溫度下玻璃材料軟化並因此密封地粘附在要與玻璃材料熔接的金屬上，從而在玻璃或玻璃陶瓷與金屬之間得到接合連接。熔接溫度可以例如通過如在R.K.-J.Leers：Keram.Z.48（1996）300-305中或根據DIN51730、ISO540或CEN/TS15404和15370-1（它們的公開內容完全併入本申請中）描述的半球溫度來確定。半球溫度的測量詳細描述於DE102009011182A1，其公開內容完全併入本申請中。根據DE102009011182A1可以通過顯微鏡方法用熱臺顯微鏡來確定半球溫度。半球溫度表徵最初為柱體形的樣本體熔成半球狀的質量體的溫度。半球溫度與約logη=4.6dPas的粘度相關聯，如可以從相應的專業文獻得到的那樣。如果無結晶玻璃（例如以玻璃粉的形式）被熔化並被再次冷以使其硬化，那麼其通常可以在相同的熔融溫度下被再次熔化。對於與無結晶玻璃的接合連接，這意味著接合連接可以持久經受的操作溫度不允許高於熔接溫度。當前所使用的玻璃組合物通常經常由玻璃粉製成，該玻璃粉被熔化並且在熱作用下與要連接的構件形成接合連接。熔接溫度或熔融溫度通常大致與玻璃的所謂半球溫度的高度相應。具有低熔接溫度或熔融溫度的玻璃也被稱為玻璃焊料。在這樣的情況下，代替熔接溫度或熔融溫度而討論焊接溫度或焊合溫度。熔接溫度或焊接溫度可以與半球溫度偏差±20K。由DE102009011182A1公知的玻璃焊料涉及例如在燃料單元中的高溫應用。將導體，尤其是銷狀導體封裝到開口中如下這樣來進行：首先將玻璃材料與銷狀導體一起引入基體中的開口中。然後將玻璃與銷狀導體一起加熱至玻璃的熔接溫度，從而使得玻璃材料或玻璃陶瓷材料軟化並在開口中包圍銷狀導體，並且粘附在基體上。由於基體和銷狀導體的材料的熔融溫度高於玻璃材料或玻璃陶瓷材料的熔接溫度，所以基體和導體（尤其是銷狀導體）以固體狀態存在。玻璃材料或玻璃陶瓷材料的熔接溫度優選比基體或銷狀導體的熔融溫度低20K至150K。如果例如使用熔點為TSCHMELZ=660.32°C的鋁作為輕金屬，那麼玻璃材料或玻璃陶瓷材料的熔接溫度（該熔接溫度由半球溫度來確定）在350°C至640°C的範圍內，優選在450°C至600°C的範圍內。除了輕金屬例如鋁或鋁合金之外，也可以使用鋁、鎂、鋁合金或鎂合金以及摻入鋁的SiC基質作為用於基體的材料。這種材料也被稱為AlSiC。AlSiC具有SiC芯，在該SiC芯中擴散有鋁。通過鋁的含量可以調節特性，尤其是膨脹係數。AlSiC尤其具有比純鋁更低的熱膨脹。用於基體的其他材料為鈦、鈦合金，尤其是Ti6246或Ti6242。鈦是生物相容性材料，從而其用於醫療應用，例如修復術。同樣地，由於特別的強度、耐受性和低重量，人們也很願意將其用於特殊應用，例如賽車以及航空飛行應用和航天飛行應用。金屬，尤其是設置用於後續熱處理的鋼、不鏽鋼、特種鋼或工具鋼也是用於基體的其他材料。可以用作特種鋼的為例如X12CrMoS17、X5CrNi1810、XCrNiS189、X2CrNi1911、X12CrNi177、X5CrNiMo17-12-2、X6CrNiMoTi17-12-2、X6CrNiTi1810和X15CrNiSi25-20、X10CrNi1808、X2CrNiMo17-12-2、X6CrNiMoTi17-12-2。為了可以在電阻焊接中提供特別好的可焊接性，作為用於基體和/或殼體部件（尤其是電池單元殼體）的材料，特別使用特種鋼，尤其是根據歐洲標準（EN）材料編號（WNr.）為1.4301、1.4302、1.4303、1.4304、1.4305、1.4306、1.4307的Cr-Ni-鋼。作為標準鋼可以使用St35、St37或St38。在本申請中，輕金屬材料被理解為具有小於5.0kg/dm3的比重的金屬。尤其地，輕金屬的比重在1.0kg/dm3至3.0kg/dm3的範圍內。如果輕金屬此外還用作用於導體（例如銷狀導體）或電極連接構件的材料，輕金屬的特徵此外還在於5·106S/m至50·106S/m範圍內的比電導。此外，在使用於壓力玻璃穿通件中的情況下，針對20°C至300°C範圍的膨脹係數α在1810-6/K至3010-6/K範圍內。歸入輕金屬的前面給出的定義的是，尤其是設有熔點或熔融溫度在350°C至700°C範圍內，導電率在10·106S/m至40·106S/m範圍內，膨脹係數在18·10-6/K至26·10-6/K範圍內以及比重在2.5kg/dm3至2.9kg/dm3範圍內的鋁和鋁合金；和具有熔點或熔融溫度在350°C至800°C範圍內，導電率在5·106S/m至50·106S/m範圍內，膨脹係數在20·10-6K-1至30·10-6K-1範圍內以及比重在1.0kg/dm3至3.0kg/dm3範圍內的鎂和鎂合金。因此，根據本發明的穿通件的特徵在於，可以在低熔點基體或由具有低熔點的材料構成的基體中進行封裝，尤其是壓力封裝。導體（尤其是銷狀導體）的材料可以與基體的材料相同，即例如鋁、鋁合金、AlSiC、鎂或鎂合金。其優點在於基體和金屬銷的膨脹係數相同。玻璃材料或玻璃陶瓷材料的膨脹係數α則僅須匹配於一個材料。當應該提供壓力玻璃穿通件時，α玻璃不同於α基體和/或α金屬銷。如果α玻璃與α基體或α金屬銷大致相同，則是經匹配的穿通件。在經匹配的穿通件中，由於材料在溫度變化時基本相同的膨脹係數，在絕緣體尤其是玻璃材料與基體或金屬銷之間不產生應力。這種情況可能是有利的。對此備選地，銷狀導體可以包含Cu或CuSiC或銅合金。用於導體（尤其是銷狀導體）的其他材料為鋁合金、鎂或鎂合金、金或金合金、銀或銀合金、NiFe、具有銅芯的NiFe套以及鈷鐵合金。作為用於導體的鋁或鋁合金，優選使用：ENAW-1050AENAW-1350ENAW-2014ENAW-3003ENAW-4032ENAW-5019ENAW-5056ENAW-5083ENAW-5556AENAW-6060ENAW-6061。作為用於導體的銅或銅合金，優選使用：Cu-PHC2.0070Cu-OF2.0070Cu-ETP2.0065Cu-HCP2.0070Cu-DHP2.0090。在基體和金屬銷具有不同材料的情況下，滿足例如α基體≥α玻璃≥α金屬銷。除了具有一個膨脹係數的單一玻璃材料之外，可以在改進的實施方式中設置，玻璃材料或玻璃陶瓷材料包含具有第一膨脹係數α1的第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料和具有第二膨脹係數α2的第二玻璃材料或玻璃陶瓷材料，其中，第一玻璃材料或玻璃陶瓷材料的膨脹係數α1與基體材料的膨脹係數匹配，而第二膨脹係數α2與銷狀導體的材料的膨脹係數匹配。由多種不同玻璃組成的玻璃部件可以例如製造成由多種玻璃材料構成的玻璃成型件。特別優選的是，第一金屬為輕金屬，例如鋁，而第一玻璃材料以如下方式來選擇，即，使得膨脹係數α與鋁的膨脹係數（20°C下α約為23×10-6K-1）匹配。因此，在20°C至300°C的溫度範圍內，膨脹係數α1的值優選在16×10-6K-1至25×10-6K-1的範圍內。作為玻璃家族的矽鈦酸鹽、磺基磷酸鹽(Sulphophosphate)、碲化物、硼酸鹽、釩酸鹽、氟化物、磷酸鹽和矽酸鹽尤其適合作為具有這種膨脹係數α1的玻璃材料。為了調節膨脹，即為了與膨脹係數匹配，該玻璃材料還可以加入填料。也可想到向玻璃中加入鹼金屬或鹼土金屬以調節膨脹係數。如前面描述的那樣，在本發明改進的實施方式中，當銷狀導體為20°C時膨脹係數α約為16×10-6K-1的銅或銅合金時，那麼優選如下這樣來選擇第二玻璃材料，即，使得膨脹係數α2在金屬銷的膨脹係數範圍內，即20°C時在12×10-6K-1至18×10-6K-1之間。提供這種膨脹係數的玻璃材料或玻璃陶瓷材料為例如矽鈦酸鹽、磺基磷酸鹽、碲化物、硼酸鹽、釩酸鹽、氟化物、磷酸鹽和矽酸鹽的玻璃家族。為了調節膨脹，也可以在這些玻璃中加入添加物以及鹼金屬或鹼土金屬。特別優選作為玻璃材料的是穩定的磷酸鹽玻璃，其具有比公知的鹼金屬磷酸鹽玻璃明顯更低的鹼金屬總含量。通過磷酸鹽玻璃通常的高結晶穩定性保證玻璃的熔化（Aufschmelzen）即使在小於600°C的溫度下也不受妨礙。這使得下文所說明的玻璃組合物可以用作玻璃焊料，因為玻璃組合物的熔化即使在小於600°C的溫度下通常也不受妨礙。特別優選地，導體（尤其是銷狀導體）穿過的玻璃材料包含至少如下以摩爾%計的組分：P2O535-50摩爾%，尤其是39-48摩爾%Al2O30-14摩爾%，尤其是2-12摩爾%B2O32-10摩爾%，尤其是4-8摩爾%Na2O0-30摩爾%，尤其是0-20摩爾%M2O0-20摩爾%，尤其是12-19摩爾%，其中M可以是K、Cs、RbPbO0-10摩爾%，尤其是0-9摩爾%Li2O0-45摩爾%，尤其是0-40摩爾%，優選17-40摩爾%BaO0-20摩爾%，尤其是0-20摩爾%，優選5-20摩爾%Bi2O30-10摩爾%，尤其是1-5摩爾%，優選2-5摩爾%。特別優選地是包含如下組分的組合物：P2O538-50摩爾%，尤其是39-48摩爾%Al2O33-14摩爾%，尤其是4-12摩爾%B2O34-10摩爾%，尤其是5-8摩爾%Na2O10-30摩爾%，尤其是14-20摩爾%K2O10-20摩爾%，尤其是12-19摩爾%PbO0-10摩爾%，尤其是0-9摩爾%。令人驚奇地表明，根據本發明的具有至多45摩爾%，尤其是至多35摩爾%的Li含量的玻璃組合物是結晶穩定的，即在隨後的燒結步驟中不會出現幹擾性或明顯的結晶。前面提到的玻璃組合物具有嵌入玻璃結構中的Li。由此使得玻璃組合物尤其適合如下鋰離子存儲裝置，其包含基於Li，例如1MLiPF6溶液的包含由碳酸亞乙酯和碳酸二甲酯構成的1:1混合物的電解質。特別優選地的是低鈉或無鈉的玻璃組合物，因為鹼金屬離子的擴散以Na+>K+>Cs+的順序進行，並且因此具有優選小於20摩爾%的Na2O的低鈉玻璃或無鈉玻璃相對於電解質，尤其是例如鋰離子存儲裝置中所使用的電解質是特別耐受的。玻璃組合物相對於電池電解質的耐受性可以通過如下方式來檢驗，即，將玻璃組合物研磨成粒度d50=10μm的玻璃粉的形式，並在電解質中暴露一段預定的時間，例如一周。D50表示玻璃粉的全部顆粒或粒子的50%小於或等於10μm的直徑。作為無水電解質，例如使用由比例1:1的碳酸亞乙酯和碳酸二甲酯構成的碳酸鹽混合物，1摩爾的LiPF6作為導電鹽。將玻璃粉暴露於電解質之後，可以過濾掉玻璃粉並針對電解質研究從玻璃中浸出的玻璃組成部分。在此表明，在前面描述的組成範圍內的碳酸鹽玻璃中，令人驚奇地僅存在小於20質量百分比的少量浸出，在特殊情況下甚至達到小於5質量百分比的浸出。此外，這種玻璃組合物示出大於14·10-6/K，尤其是在15·10-6/K至25·10-6/K之間的熱膨脹α（20°C至300°C）。前面說明的玻璃組合物的另一優點在於，玻璃與周圍輕金屬或（尤其是金屬銷的形式的）導體金屬的熔接即使在為非保護性氣體環境的氣體環境下也是可行的。相比於目前的方法，鋁熔接也不需要真空。具體而言，這種熔接即使在空氣下也可以進行。對於兩種熔接，可以使用N...