用于特别是电池的贯通连接件以及利用超声波熔焊将贯通连接件整合在外壳中的方法

摘要

本发明涉及一种贯通连接件，特别是通过外壳、特别是电池外壳、优选为电池电芯外壳的外壳元件的贯通连接件。所述外壳元件具有至少一个开口，至少一个导体、优选为基本上针形的导体被引导通过所述开口。所述针形导体至少部分被绝缘体、特别是由玻璃或玻璃陶瓷材料制成的绝缘体包围。本发明的特征在于形成导体、特别是基本上针形的导体和/或外壳元件与特别是玻璃或玻璃陶瓷材料的绝缘体的至少一个连接，所述连接是超声波熔焊连接。

说明书

本发明涉及一种贯通连接件，特别是通过外壳、特别是电池电芯 外壳的外壳元件或者说壳体部件的贯通连接件，其中，所述壳体部件 或者说外壳元件具有至少一个开口，导体、特别是基本上针形的导体 引导通过所述开口。此外，本发明涉及具有贯通连接件的外壳、特别 是用于电池电芯的外壳，以及用于提供具有贯通连接件的外壳元件或 者说壳体部件的方法，以及具有电池电芯外壳的储能装置、特别是蓄 电池，其中所述电池电芯外壳包含至少一个具有一个贯通连接件的开 口。

根据现有技术状态，在例如下列申请中所描述的贯通式电连接件

US5,243,492

US7,770,520

US2010/0064923

EP1 061 325以及

DE10 2007 016692

在使用起到绝缘体作用的钎焊玻璃的情况下制成。对于从现有技 术状态已知的所有贯通连接件来说，利用熔化具有低熔点的玻璃将基 本上针形的导体与相应的外壳元件相连。这样做的缺点在于，金属材 料的热稳定性、特别是它们的熔点，限制了所利用的玻璃焊料的可能 的最高熔点。此外，需要用熔化的钎焊玻璃良好润湿所使用的元件材 料，以确保所需的紧密度和机械稳定性。另一个要求是一般必须为多 个贯通连接件选择玻璃焊料，以使得元件的热膨胀彼此不偏差太大。 唯一的例外是压力收嵌式贯通连接件（Druckglasdurchführung）或者说 压力装嵌件作为特制装嵌件，其中玻璃或玻璃陶瓷材料与周围金属的 不同的热膨胀导致玻璃或玻璃陶瓷材料与周围金属的力锁合式 （kraftschlüssig）或者说摩擦锁合式（reibschlüssig）连接。这些类型的 压力收嵌式贯通连接件被用于例如气囊点火器。在压力收嵌式贯通连 接件的情形中，玻璃或玻璃陶瓷材料附着于周围金属；然而在玻璃或 玻璃陶瓷材料与金属之间不存在分子连接。一旦超过起静摩擦作用的 反向力，力锁合失效。

从DE10 006 199可以了解由易碎材料、特别是玻璃构成的带有开 口的主体形式与封闭体的气密密封，由此将主体形式与封闭体永久熔 焊在一起。根据DE10 006 199，主体形式由玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷构 成，封闭体优选由金属、金属合金或金属复合材料构成。主体形式与 封闭体的热膨胀相适应。在DE10 006199中没有示出贯通式电连接件。

从DE1 496 614也可以了解到，利用超声波熔焊使金属条与优选 包含玻璃或玻璃陶瓷材料的光学元件连接。在DE1 496 614中，示出 了铝合金作为用于待连接金属的优选材料

在DE1 496 614中也没有示出贯通连接件。

蓄电池、优选为锂离子电池，意在用于各种应用，例如用于便携 式电子设备、蜂窝电话、电动工具以及特别是电动车。电池可以替代 传统能源，例如铅-酸电池、镍-镉电池或镍-金属氢化物电池。

本发明的电池应该被理解为是在放电后抛弃和/或回收利用的可 抛式电池以及蓄电池。

锂离子电池已久为人知。就此而言，参考《电池手册》（Handbook  of Batteries），David Linden出版，第二版McGrawhill，1995，第36 和39章。

锂离子蓄电池的各种情况描述在大量专利中，例如US961,672、 US5,952,126、US5,900,183、US5,874,185、US5,849,434、US5,853,914 以及US5,773,959。

锂离子电池、特别是应用于汽车工业的锂离子电池，总体特征为 一般串联连接的大量个体电池电芯。串联连接的电池电芯通常合并成 所谓的电池组，然后多个电池组成为电池模块，其也被称为锂离子电 池。每个个体电池电芯具有被导出电池电芯外壳的电极。

具体来说，在锂离子电池在汽车工业中的应用中，必须解决大量 问题，例如耐腐蚀性、事故中的稳定性或抗振性。另一个问题是电池 电芯在较长时间段内的气密密封。气密密封可能由于例如电池电芯电 极或电池电芯的相应电极贯通连接件区域中的不密封性而受损。这样 的不密封性可能由例如温度变化或交替的机械应力例如车辆中的振动 或合成材料的老化所引起。电池或者说电池电芯中的短路或温度变化 能够引起电池或电池电芯使用寿命缩短。

为了确保在事故中更好的稳定性，在例如DE101 05 877A1中提 出了一种用于锂离子电池的外壳，所述外壳包括在两个侧面上开口并 被封闭的金属夹套。电力连接由合成材料绝缘。合成材料绝缘的缺点 是有限的耐温性、有限的机械稳定性、老化和使用期限中不可靠的密 封性。因此，根据本技术领域的当前状态，目前锂离子电池上的贯通 连接件没有被气密密封地整合在Li离子电池的覆盖部件中。此外，在 电池内部电极是带有额外绝缘体的弯曲和激光熔焊的连接元件。

从DE27 33 948A1可以了解到一种碱性电池，其中利用熔融粘合 将绝缘体例如玻璃或陶瓷与金属元件直接连接。

将金属部件中的一个与碱性电池的一个阳极电连接，并将另一个 金属部件与碱性电池的阴极电连接。在DE27 33,948A1中使用的金属 是铁或钢。在DE27 33 948A1中没有描述轻金属例如铝。此外，在 DE27 33 948 A1中没有引述玻璃或陶瓷材料的融合温度 （Verschmelztemperatur）。在DE27 33 948A1中描述的碱性电池是具 有碱性电解质的电池，根据DE27 33 948A1，所述电解质含有氢氧化 钠或氢氧化钾。在DE27 33 948A1中，锂离子电池不是优选的。

从DE698 04 378T2或者说EP0885 874B1，了解到生产不对称 有机羧酸酯和生产用于碱-离子电池的无水有机电解质的方法。在DE 698 04 378T2或者说EP0885 874B1中也描述了用于可充电锂离子电 芯的电解质。

在DE699 23 805T2或者说EP0 954 045B1中，描述了具有提高 的电效率的RF贯通连接件。从DE699 23 805T2或者说EP0 954 045 B1了解到的贯通连接件不是玻璃-金属贯通连接件。在EP0 954 045B1 中描述的紧邻例如电池包的金属壁的内部提供的玻璃-金属贯通连接件 是不利的，这是由于玻璃的脆性造成这种类型的RF贯通连接件不耐 用。

DE690 230 71T2或者说EP0 412 655B1描述了用于电池或其他 电化学电芯的玻璃-金属贯通连接件，其中使用了SiO₂含量约为45重 量%的玻璃，并且使用了含有钼和/或铬和/或镍的金属、特别是合金。 在DE690 230 71 T2中也没有充分提到轻金属的使用以及所使用的玻 璃的融合温度或者说粘合温度。根据DE690 230 71T2或者说EP0 412  655B1，用于针形导体的材料是含有钼、铌或钽的合金。

从US7,687,200了解到一种用于锂离子电池的玻璃-金属贯通连接 件。根据US7,687,200，外壳从高级钢生产，针形导体从铂/铱生产。 在US7,687,200中引述的玻璃材料是TA23和CABAL-12玻璃。根据 US5,015,530，它们是融合温度为1025℃或800℃的 CaO-MgO-Al₂O₃-B₂-O₃系统。此外，从US7,687,200了解到用于锂电池 的玻璃-金属贯通连接件的玻璃组合物，其含有CaO、Al₂O₃、-B₂O₃、 SrO和BaO，并且其融合温度在650℃-750℃的范围内，因此对于与轻 金属一起使用来说过高。

此外，在许多应用中钡是不合乎需要的，因为它被认为是环境有 害并对健康有危害的。此外还讨论了锶，其使用在将来也应该避免。

此外，US7,687,200的玻璃组合物在20℃至300℃的温度范围内 还具有仅仅α≈9·10^-6/K的膨胀系数α。

因此，本发明的目的是避免上述本技术领域当前状态的缺点，并 提供制造简单且特别是也能够用在电池电芯外壳中的贯通电连接件。 此外，所述贯通连接件还应该在高稳定性方面表现突出。

根据本发明，所述目的具体来说通过外壳、特别是电池外壳的外 壳元件得以实现，其中所述外壳元件具有至少一个开口，导体、优选 为基本上针形的导体被引导通过所述开口，并且其中所述导体、特别 是基本上针形的导体至少部分被绝缘体、特别是玻璃或玻璃陶瓷材料 包围。本发明的贯通连接件包含所述基本上针形的导体和/或所述外壳 元件与所述绝缘体、特别是玻璃或玻璃陶瓷材料的至少一个连接，所 述连接是超声波熔焊连接。

超声波熔焊是一种连接技术，其尤其是用于热塑性和聚合物相容 性塑料，优选在需要短的过程时间和高的过程可靠性的情况下。在超 声波熔焊期间，高频机械振动在连接区域中引起分子和界面摩擦。由 此产生熔焊所需要的热并将材料塑化。在超声作用后，通过短的冷却 时间并通过维持连接压力，获得连接区域的均匀固化。超声波发生器 的几何形状以及连接区域的设计，也能够例如影响熔焊结果。与其中 仅仅提供力锁合式连接的压力装嵌相反，玻璃材料与将要与所述玻璃 材料连接的材料之间的连接是化学键合。

超声波熔焊的基本特征是：

非常短的过程时间，通过监测熔焊参数而实现的非常好的过程控 制和可靠性，利用熔焊过程的数字控制而实现的选择性能量供应，具 有光学完美性和稳定性的恒定的熔焊质量，以及可重复的焊缝和光学 上优美的焊缝外观。此外，可以将两种材料的任何所需轮廓、特别是 任何所需封闭轮廓彼此相连。可以有利地使用冷熔焊工具，因此不必 考虑机器的预热时间，并且可以进行熔焊工具的快速简单的转换。此 外，焊缝是气密性以及液密性的。

由于安排作为超声波熔焊连接，可以使用具有比例如外壳元件材 料的熔点温度更高的融合温度的玻璃或玻璃陶瓷材料。这使得有可能 选择在润湿行为方面适应于所使用的外壳元件和/或针的材料的玻璃或 玻璃陶瓷材料。由于良好的润湿性，玻璃和/或玻璃陶瓷材料因此提供 了必需的紧密度和机械稳定性，因此可以自由选择所使用材料的融合 温度。

玻璃或玻璃陶瓷的融合温度被理解为是玻璃材料软化并随后紧密 贴合于待与之融合（verschmelzen）的金属，以便在玻璃或玻璃陶瓷与 金属之间获得粘合接头连接时玻璃或玻璃陶瓷的温度。

融合温度可以例如通过半球温度来确定，如在R.K.J.Leers: Keram.Z.48（1996）300-305或DIN51730、ISO540或CEN/TS15404 和15370-1中所述，它们的公开内容在本专利申请中以其全文引为参 考。根据DE10 2009 011 182A1，半球温度可以使用阶段升温显微镜， 在显微镜方法中测定。它鉴定原始的圆柱状测试体熔化成半球形物质 时的温度。正如可以从适合的技术文献中得知的，可以将接近 logη=4.6dPas的粘度指派给半球温度。如果将无结晶玻璃以例如玻璃 粉的形式熔化然后冷却以使其固化，那么它一般可以在相同的熔化温 度下再次熔化。对于与无结晶玻璃的粘合连接来说，这意味着粘合连 接所连续经受的操作温度可能不高于融合温度。一般来说，在本申请 中使用的玻璃组合物通常由玻璃粉制成，其被熔化并在热影响下提供 与待连接元件的粘合连接。一般来说，融合温度或熔化温度与玻璃的 所谓半球温度的水平相一致。具有低融合温度或者说熔化温度的玻璃， 也被称为玻璃焊料。在这种情况下，人们称呼钎焊温度来代替熔融或 熔化温度。融合温度或者说钎焊温度可以偏离半球温度±20K。

从DE10 2009 011 182A1获知的玻璃焊料与高温应用例如燃料电 池相关。

应该看到，利用熔焊连接、特别是本发明的超声波熔焊连接的绝 缘体、特别是玻璃材料与周围材料之间的连接的其他优点，在于可以 相对自由地选择所使用的材料，并且适应性、例如元件热膨胀的适应 性不再是最重要的。这允许例如使得玻璃或玻璃陶瓷适应于电池电芯 的电解质。具体来说，可以选择对主要在化学上非常具有腐蚀性的电 解质具有高耐受性的材料。如果利用超声波熔焊进行绝缘体与基体的 连接以及绝缘体与基本上针形的导体的连接，情况尤为如此。在这样 的情况下，可以例如使用玻璃陶瓷或石英玻璃作为绝缘体材料。玻璃 陶瓷的突出之处在于非常高的强度、高化学耐受性和低膨胀系数。石 英玻璃具有非常高的稳定性，特别是当与大多数熔化玻璃或钎焊玻璃 相比时。

在本发明的特别优选的设计变化形式中，针形导体包括顶件并且 所述绝缘体、特别是玻璃或玻璃陶瓷材料被引入到顶件与外壳元件之 间。玻璃或玻璃陶瓷材料优选为环形，例如玻璃环。在这种带有顶件 的针形导体的设计类型中，可以在由例如铝制成的基本上针形的导体 与环形材料例如玻璃环之间提供熔焊。然而，超声波熔焊的接合处也 可以位于绝缘体与外壳元件之间。如果两个接合处都是熔焊接合处， 在上述绝缘体的材料选择方面提供了最大自由。带有顶件的针形导体 的排列方式在空间方面特别有利，其中电池电芯内部的空间大多非常 紧密。带有顶件的针形导体使例如一般比针形导体的顶部区域更大的 顶件的顶部区域可以连接到电极连接部分，所述电极连接部分进而与 电池电芯的阳极或阴极相连。

可以利用熔焊特别是激光熔焊、电阻熔焊、电子束熔焊、摩擦熔 焊、超声波熔焊、键合、胶合、钎焊、填缝、收缩、压制（Verpressen）、 填塞和压接（Quetschen），将电极连接部件或者说电极连接元件与顶 件材料锁合式（stoffschlüssig）相连。

可用于导体、优选为针形导体的材料优选地是金属，特别是Cu、 CuSiC或铜合金、Al或AlSiC或铝合金、Mg或镁合金、金或金合金、 银或银合金、NiFe、带有铜芯的NiFe护套以及钴-铁合金。

作为铝或者说铝合金，优选地使用下列材料：

EN AW-1050A

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。

作为铜或者说铜合金，优选地使用下列材料：

Cu-PHC2.0070

Cu-OF2.0070

Cu-ETP2.0065

Cu-HCP2.0070

Cu-DHP2.0090

对于一种实施方式来说，优选的玻璃或玻璃陶瓷材料，是融合温 度低于导体、特别是基本上针形的导体和/或外壳元件的熔化温度的玻 璃或玻璃陶瓷材料。特别优选的是将轻金属用于针形导体，然而特别 是将外壳元件的材料用于针形导体。

在本申请中，比重小于5.0kg/dm³的金属被理解为是轻金属。具体 来说，轻金属的比重在1.0kg/dm³至3.0kg/dm³的范围内。

如果另外使用轻金属作为导体、例如针形导体或电极连接元件的 材料，则所述轻金属的另一个突出特征是电导率在5·10⁶S/m至 50·10⁶S/的范围内。

此外，当在压力收嵌式贯通连接件中使用时，20℃至300℃范围 内的膨胀系数α，在18·10^-6/K至30·10^-6/K的范围内。

轻金属一般具有350℃至800℃范围内的熔化温度。

可以使用的优选玻璃组合物包含下列组分，单位为mol-%：

特别优选的是包括下列组分的组合物，单位为mol-%：

上面列出的玻璃组合物的特征，不仅在于低的融合温度和低的Tg， 而且在于它们对例如Li离子电池中使用的电池电解质具有足够耐受 性，就此而言确保了所需的长期耐用性。

被指明为优选的玻璃材料是稳定的磷酸盐玻璃，其也被称为碱-磷 酸盐玻璃，明显具有低的总碱含量。

上述玻璃组合物含有整合在玻璃结构中的Li。因此，所述玻璃组 合物特别适合于Li-离子储能装置，所述装置包含基于Li的电解质例如 1M的LiPF₆溶液，所述溶液包含碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的1:1混合 物。

特别优选的是低钠或者说无钠玻璃组合物，这是由于碱离子的扩 散以Na+>K+>Cs+的顺序发生，并且因此低至20mol-%Na₂O的低钠玻 璃或者说无钠玻璃对电解质、特别是在Li离子储能装置中使用的电解 质特别耐受。

本发明的玻璃组合物对电池电解质的耐受性，可以通过下述方式 来证实，其中将采取玻璃粉形式的玻璃组合物碾磨至d50=10μm的粒 度，并在电解质中储存预定时间长度例如一周。d50是指玻璃粉的所有 粒子或颗粒的50%具有小于或等于10μm的直径。使用例如比例为1:1 的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的碳酸酯混合物作为非水性电解质，使用 1M的LiPF₆作为导电盐。在将玻璃粉暴露于电解质后，可以将玻璃粉 过滤掉，并检测电解质中从玻璃沥滤出的玻璃元素。在本文中证明， 使用上述组成范围内的磷酸盐玻璃，这样的沥滤令人吃惊地仅以低于 20质量百分数的有限程度发生；并且在特定情况下获得质量百分数小 于5的沥滤。此外，这样的玻璃组合物具有大于14·10^-6/K、特别是在 15·10^-6/K与25·10^-6/K之间的热膨胀系数α（20℃至300℃）。可以看出 上面提到的玻璃组合物的另一个优点在于，在不是惰性气体气氛的气 态气氛中，玻璃与周围轻金属或者说特别是采取金属针的实施方式的 导体金属的融合也是可能的。与以前使用的方法相反，对于Al融合来 说，真空也不再是必需的。这种融合类型宁可在大气条件下发生。对 于两种融合类型来说，可以使用N₂或Ar作为惰性气体。

作为融合的预处理，对金属、特别是轻金属进行清洁和/或浸蚀， 并且如果需要进行定点氧化或涂层。在所述过程中，以0.1至30K/分 钟的加热速率和1至60分钟的停留时间使用300至600℃之间的温度。

除了通过外壳元件的贯通连接件之外，还提到了包含至少一个本 发明的贯通连接件的外壳、特别是电池电芯外壳例如电池盖，以及具 有这样的贯通连接件的储能装置、特别是电池。除了贯通连接件和外 壳之外，本发明还提供了用贯通连接件装备外壳元件的方法。在本发 明的第一种排列方式中，首先将基本上针形的导体用绝缘体、特别是 玻璃或玻璃陶瓷材料融合，产生贯通连接件，然后利用超声波熔焊优 选气密密封地将贯通连接件与外壳元件相连。由此将贯通连接件的基 本上针形的导体引导通过外壳元件中的开口，并且在将导体、特别是 基本上针形的导体插入通过外壳元件后，通过超声波熔焊将贯通连接 件与外壳元件相连。为了在使用某些外壳元件材料的熔焊过程时获得 良好结果，可以将接触材料例如铝箔在熔焊前放置在绝缘体与外壳元 件之间。特别优选的是例如通过扭转式超声波发生器从特别是外壳元 件的方向上进行超声波熔焊。

电池优选为锂离子电池。锂离子电池优选地具有非水性电解质， 特别是基于碳酸酯的，优选为碳酸酯混合物。碳酸酯混合物可以包含 碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合物，并具有导电盐例如LiPF₆。

用于外壳元件的优选材料是金属，优选为轻金属，例如铝、AlSiC、 铝合金、镁或镁合金。对于电池外壳以及基体来说，可以使用钛和/或 钛合金例如Ti6246和/或Ti6242。钛是被身体良好耐受的材料，因此它 可用于医疗应用例如假体中。由于其强度、耐受性和低重量，它的使 用在特殊应用例如赛车运动和航空航天应用中也是有利的。

外壳元件和/或基体的可选材料还包括钢、不锈钢、标准钢或高级 钢。

所使用的具体标准钢是St35、St37或St38。特别优选的高级钢例 如是X12CrMoS17、X5CrNi1810、XCrNiS189、X2CrNi1911、 X12CrNi177、X5CrNiMo17-12-2、X6CrNiMoTi17-12-2、X6CrNiTi1810 和X15CrNiSi25-20、X10CrNi1808、X2CrNiMo17-12-2、 X6CrNiMoTi17-12-2，特别是根据Euro-Norm（EN）具有材料等级号 （WNr.）1.4301、1.4302、1.4303、1.4304、1.4305、1.4306以及1.4307 的高级钢。这些高级钢的特征在于它们在特别是使用激光熔焊或电阻 熔焊时的有效的可熔焊性，以及深冲性质。

切削钢、例如材料编号（WNr.）为1.0718的具有适合的膨胀系数 并可以通过车削加工的切削钢，或建筑钢、例如材料编号（WNr.）为 1.0338的可以通过冲压加工的建筑钢，可用于外壳和/或基体。

除了上述将完成的贯通连接件、或者换句话说将所述绝缘体与外 壳元件的一部分熔焊以外，也可以将绝缘体、特别是玻璃或玻璃陶瓷 材料与现有技术的外壳元件融合，并在将外壳元件与玻璃或玻璃陶瓷 材料融合后，利用超声波熔焊将针形导体与绝缘体优选气密密封地连 接。如果导体、特别是针形导体装备有顶件，使得可以利用超声波熔 焊将针形导体的顶件与玻璃或玻璃陶瓷材料连接的话，这种方法是特 别有利的。

或者，可以利用特别是超声波熔焊将绝缘体或者说玻璃或玻璃陶 瓷与外壳元件焊接，同样可以将基本上针形的导体与绝缘体焊接。这 为绝缘体的材料选择打开了相当大的自由。例如，因此可以选择玻璃 陶瓷或石英玻璃作为绝缘体材料。

下面将参考设计实例对本发明进行进一步详细描述，但本发明不 限于这些实例：

图1带有接触材料的本发明的第一排列方式；

图2不带有接触材料的本发明的第二排列方式；

图3其中基本上针形的导体装备有顶件的本发明的第三排列 方式；

图4a+b具有本发明的贯通连接件的电池电芯。

图1示出了本发明作为电池电芯外壳的一部分的通过外壳元件3 的贯通式电连接件。电池电芯外壳3包含开口5，贯通连接件1的导体、 特别是基本上针形的导体7被引导通过所述开口。壳体部件3包括内 侧10.1和外侧10.2。壳体部件3的内侧10.1面向电池电芯。基本上针 形的导体5在外壳元件3的外侧10.2上突出。

用于外壳元件3以及导体、特别是针形导体7的材料可以包括不 同材料。导体、优选为基本上针形的导体7可以由铜或铝构成，因为 它们具有高电导率，而例如外壳元件3可以由高级钢制成，其在晚些 时候与其他高级钢元件焊接。轻金属也可以作为外壳元件的可选材料。

在本申请中，比重低于5.0kg/dm³的金属被理解为是轻金属。具体 来说，轻金属的比重在1.0kg/dm³至3.0kg/dm³的范围内。

如果另外使用轻金属作为导体、例如针形导体或电极连接元件的 材料，则轻金属的特征还在于电导率在5·10⁶S/m至50·10⁶S/m的范 围内。

此外，当在压力收嵌式贯通连接件中使用时，轻金属在20℃至 300℃范围内的膨胀系数α在18·10^-6/K至30·10^-6/K的范围内。

轻金属一般具有350℃至800℃范围内的熔化温度。

根据本发明，除了基本上针形的导体之外，贯通连接件1还包括 优选地由玻璃或玻璃陶瓷材料构成的绝缘体20。在第一加工步骤中， 例如通过融合或超声波熔焊，将基本上针形的导体7与绝缘体、在这 种情况下是玻璃或玻璃陶瓷材料气密密封地连接。绝缘体优选为环形， 例如玻璃环。尽管玻璃环在这里被描述为环形，但这种轮廓决不是强 制性的。绝缘体也可以具有其他轮廓，例如多边形。特别是由于能够 在超声波熔焊的帮助下进行绝缘体与外壳的连接，自由选择轮廓变得 可能。在由导体、特别是基本上针形的导体7以及其中融入有基本上 针形的导体的绝缘体20构成的贯通件产生后，利用熔焊、特别是超声 波熔焊将贯通件1作为整体与外壳元件3相连。如果将基本上针形的 导体与绝缘体例如玻璃环融合，必需使绝缘体例如玻璃或者说玻璃环 的材料性质适应于基本上针形的导体7的材料，例如在融合温度方面。 如果利用超声波熔焊将绝缘体例如玻璃环与基本上针形的导体相连， 绝缘体材料的选择甚至比上述实例中更加自由，因为此时不需要绝缘 体的融合温度与基本上针形的导体的适应性。因此可以选择玻璃陶瓷 或石英玻璃作为绝缘体材料。在图1中示出的设计实例中，利用位于 绝缘材料20与外壳元件3之间的接触材料22，通过熔焊进行预制贯通 连接件1与外壳元件3的连接。接触材料的使用有利地使绝缘体利用 超声波熔焊不仅能够与韧性金属例如软铝相连，而且能够与其他特别 是韧性较低的金属例如高级钢或铜相连。

如果通过超声波熔焊将基本上针形的导体与绝缘体相连，可以将 接触材料特别是铝箔围绕基本上针形的导体缠绕（未示出）。对于由 Cu材料构成的导体来说，铝箔作为接触材料是特别有利的。

铝箔可以有利地起到接触材料的作用。贯通连接件的绝缘体20与 外壳元件3的熔焊优选地从外壳元件3一侧的方向上，利用扭转式超 声波发生器通过超声波偶联来进行。

除了Al、铝合金、AlSiC之外，用于导体、特别是基本上针形的 导体7的可能的材料还包括Cu、CuSiC、铜合金、带有铜元件的NiFe 护套、银、银合金以及钴-铁合金。

用于绝缘体20的可能的材料优选为玻璃或玻璃陶瓷材料，特别是 具有下述组成的熔化玻璃或玻璃焊料：

特别适合的是以下组合物：

上面提到的磷酸盐玻璃具有高的结晶稳定性。磷酸盐玻璃的高的 结晶稳定性一般来说确保玻璃在甚至低于600℃的温度下熔化。

融合温度可以例如通过如R.K.J.Leers:Keram.Z.48（1996） 300-305中所述或按照DIN51730、ISO540或CEN/TS15404和15370-1 所述的半球温度来确定，所述文献的公开内容在本专利申请中以其全 文引为参考。根据DE10 2009 011 182A1，半球温度可以使用阶段升温 显微镜，在显微镜方法中测定。它鉴定原始的圆柱状测试体熔化成半 球形物质时的温度。正如可以从适合的技术文献中得知的，可以将接 近logη=4.6dPas的粘度指派给半球温度。如果将无结晶玻璃以例如 玻璃粉的形式熔化然后冷却以使其固化，那么它一般可以在相同的熔 化温度下再次熔化。对于与无结晶玻璃的粘合连接来说，这意味着粘 合连接所连续经受的操作温度可能不高于融合温度。一般来说，在本 申请中使用的玻璃组合物通常由玻璃粉制成，其被熔化并在热的影响 下提供与待连接元件的粘合连接。一般来说，融合温度或熔化温度与 玻璃的所谓半球温度的水平相一致。具有低融合温度或者说熔化温度 的玻璃，也被称为玻璃焊料。在这种情况下，人们称呼钎焊温度来代 替融合或熔化温度。融合温度或者说钎焊温度可以偏离半球温度±20K。

下面的表1示出了用于特别优选的磷酸盐玻璃的设计实例：

表1：

设计实例：

表1中的设计实例特别适合于铝/铝装嵌（Einglasung），也就是 说铝针作为导体装嵌到周围的铝基体中。

除了沥滤之外，还测定了玻璃各自的防水性。

进行了耐水解试验以便产生在25℃和70℃下在200ml水中储存 70小时的熔化玻璃样品（2×2cm，高度：～0.5cm）。随后测定材料损 失的重量百分数并将其列于表中。

表1中的设计实例6特别适用于Cu/Al装嵌，也就是说铜针作为 导体装嵌到周围的铝基体中。

尽管某些设计实例具有对于与Cu的粘合来说显得过低的膨胀系 数，但显然在不使具有这样的玻璃组成的玻璃变得不稳定的情况下， 熔融料团中高份额的Li可被溶解。

设计实例7和8（AB7和AB8）的特征在于它们含有Bi₂O₃代替设 计实例6（AB6）中的PbO。

令人吃惊的是，已显示Bi₂O₃可以明显提高耐水解性。例如，在 设计实例8（AB8）中与设计实例1（AB1）中相比，通过添加1mol-% Bi₂O₃获得了高10倍的耐水性。特别是，Bi₂O₃也可用于代替设计实例 6（AB6）的PbO。由于它们的环境相容性，特别优选的是除了污染物 之外不含铅的组合物，也就是说它们含有低于100ppm、特别是低于 10ppm、优选地低于1ppm的铅。

表1示出了以mol-%为单位的组成，在例如《Schott玻璃指南》 （Schott Guide to glass），第二版，1996，Chapman&Hall，第18-21 页中定义的转变温度Tg，以质量百分率（Ma-%）为单位的总沥滤，在 20℃-300℃范围内的以10^-6K^-1为单位的膨胀系数α，以及以g/cm³为单 位的密度。总沥滤的确定如下所述。首先，将玻璃组合物碾磨成粒度 d50=10μm的玻璃粉，并将其暴露于由比例为1:1的碳酸乙烯酯/碳酸 二甲酯构成并在其中溶解有采取导电盐形式的1M的LiPF₆的电解质一 周时间，然后检查从玻璃沥滤的玻璃组分。表1中的“n.b.”表示未知 性质。

图2示出了图1的可选设计变化形式，其中在图2的排列方式中 没有使用接触材料。与图1中相同的元件由同样的参比数字标出。

特别是当导体、特别是针形导体7或者说特别是外壳元件3由铝 构成时，考虑到如图1中示出的不使用接触箔的排列方式。在这样的 情况下，可以放弃附加层，因为待熔焊金属是韧性金属。如图1中所 示再次进行制造过程，首先将针形导体与绝缘体、特别是玻璃或玻璃 陶瓷材料融合，或者也通过超声波熔焊，并在产生由基本上针形的导 体和绝缘体20构成的贯通连接件后，利用熔焊方法，特别是通过超声 波熔焊将整个贯通件与外壳元件3相连。与图1相反，在这里进行绝 缘体20与外壳元件3的内侧10.1的直接焊接。外壳元件的侧面10.2 表示外侧，侧面10.1表示内侧，其是在排列外壳元件时朝向电池内部 的侧面，所述电池内部是作为电池电芯外壳的一部分的电池电芯。再 次将基本上针形的导体7通过外壳元件3中的开口5导向外部。

图3示出了本发明的可选排列方式。在图3的排列方式中，与图 1和2中所示相同的元件用加上100的参比数字标出。贯通连接件101 现在包含具有顶件130的基本上针形的导体。顶件的面积F显著大于 基本上针形的导体7的面积FS。

与图1和2的排列方式相反，并且根据本发明，将图3的绝缘体、 特别是玻璃或玻璃陶瓷材料120引入到基本上针形的导体107的顶件 130的面积F与壳体部件的内侧110.1之间。

图3的带有顶件130的导体、特别是基本上针形的导体的优点在 于，在顶件区域中，电极连接元件可以通过例如贴合在顶件130的内 侧表面上、也就是说顶件130朝向电池电芯的表面FI上来安上。延伸 到针形导体107的顶件130之外的突出部140，可用于电极连接部件， 例如用于定心或防扭转。将没有示出并且与基本上针形的导体107的 顶件相连的电极连接部件，与电池电芯中的阴极或者说阳极相连。与 图1和2中的排列方式相反，本发明的贯通连接件可以与壳体部件相 连，以使第一绝缘体120、特别是采取环形绝缘体、优选为玻璃环的实 施方式的绝缘体，按照例如常规方法与外壳元件103融合或利用超声 波熔焊来连接。在将绝缘体120与外壳外部110融合或熔焊后，将基 本上针形的导体107引导通过外壳元件103中的开口105以及玻璃环 120中的开口。在已被引导通过玻璃环120和外壳元件103中的开口后， 基本上针形的导体107在特别是顶件的内侧表面F的区域中，利用熔 焊、特别是超声波熔焊与玻璃环120相连。正如前面讨论的，导体与 绝缘体以及绝缘体与外壳元件的熔焊是有利的，因为可以自由选择材 料、特别是绝缘体材料。特别是石英玻璃和玻璃陶瓷也适合作为材料。

除了玻璃和玻璃陶瓷材料之外，陶瓷材料也可以用作本发明的贯 通连接件内的绝缘体。

在使用陶瓷时，优选地利用金属焊料将它们与外壳元件或基本上 针形的导体相连。

图4a和4b示出了具有整合的贯通连接件的完整电池电芯。在这 里，图4a-4b示出了基本上针形的导体装备有顶件的排列方式。

图4a示出了电池电芯1000的基本结构。

电池电芯1000包含外壳1100，其具有侧壁1110和顶盖部件1120。 开口1130.1、1130.2通过例如冲压形成在外壳1100的顶盖部件1120 的开口中。贯通件的基本上针形的导体1140.1、1140.2被引导通过两 个开口1130.1、1130.2。

图4b示出了具有开口1130.1并在其中插入有贯通连接件1140.1 的电池顶盖的详细剖面。

贯通连接件1140.1包含针形导体2003以及基体或者说绝缘体。 本实施例中的基体2200或者说绝缘体在设计上是环形的，并且在本实 施例中基本上采取玻璃或玻璃陶瓷环的实施方式。通过融合或超声波 熔焊将带有顶件的针形导体2003与基体2200连接。在利用融合或超 声波熔焊将针形导体2003与基体2200连接后，将针形导体2003引导 通过外壳1100的开口1130.1。然后利用融合或超声波熔焊将基体或者 说绝缘体2200与顶盖部件1120区域中外壳1100的内侧1110.1连接。

可以将电极连接部件2020与基本上针形的导体的顶件2130连接 （例如利用熔焊，特别是激光熔焊、电阻熔焊、电子束熔焊、摩擦熔 焊、超声波熔焊）。电极连接部件2020再次被用于连接到电池1000 的电化学电芯2004的阴极或阳极。锂离子电池的电化学电芯也被称为 电池电芯2004。电池电芯2004周围的外壳1100采取电池电芯外壳的 实施方式。

基于图4a和4b中示出的带有顶件的针形导体的平面结构，可以 最小化电池电芯外壳内部的未使用空间。

用于导体的材料具体来说为金属，优选为铝、AlSiC、铜、CuSiC、 镁、银、金、铝合金、镁合金、铜合金、银合金、金合金或NiFe合金。

基体和/或外壳元件优选地包括轻金属、高级钢、钢、不锈钢，特 别是铝、AlSiC、铝合金、镁、镁合金、钛或钛合金。

使用带有顶件以及连接在所述顶件上的电极连接元件的针形导体 设计，实现了非常高的稳定性、特别是对抗机械应力例如振动的稳定 性。在本申请中讨论的所有设计变化形式的共同之处在于，不再需要 绝缘体相对于基本上针形的导体的材料以及相对于外壳元件的适应 性。由于伴随超声波熔焊而出现的低温，因此可以连接特别是具有明 显不同的热膨胀和/或熔化温度的元件。此外，熔化玻璃的润湿性质仅 发挥次要作用，至少在没有发生融合的接触材料中的一种上。因此， 利用超声波熔焊的连接提供了材料选择方面的自由以及绝缘体、特别 是玻璃或玻璃陶瓷材料选择方面的自由。特别是可以使用对介质、例 如对电池电芯的电解质耐受的玻璃或者说玻璃陶瓷材料。

所讨论的贯通连接件特别适合用作电池、特别是锂离子电池的贯 通式电连接件。

使用本发明的贯通连接件，与倾向于形成裂纹的塑料贯通连接件 相反，可以提供即使在电池外壳变形的情况下也能气密密封的电池外 壳。因此，在具有装备有本发明的贯通连接件的电池外壳的电池上， 在车辆事故的情况下提供了特别高的防火性。这在电池、优选为Li离 子电池在汽车工业中的使用来说，是特别重要的。