GOEHLER, Jan (Burgstallstr. 71, Stuttgart, 70199, DE)
| Ansprüche 1 . Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) zum elektrischen Kontaktieren von einer oder mehreren elektrischen Stromquellen (2, 2'), insbesondere zum elektrischen Zusammenschalten von mindestens zwei elektrischen Stromquellen (2, 2'), insbesondere Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Einheiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) mindestens eine, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildete Kontakteinheit (3a, 3b, 3c; 3) zum elektrischen Kontaktieren von mindestens einem Kontaktelement (4a, 4b, 4a', 4b'; 4) einer elektrischen Stromquelle (2, 2') umfasst. 2. Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass - die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt ist, aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen, Zinn und deren Legierungen, insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen, und/oder - die keramische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden und Carbid von Aluminium, Titan und Silizium sowie Mischungen davon, insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und Mischungen davon. 3. Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik- Kontakteinheit (3) in Form eines Teils einer Schwalbenschwanzverbindung, insbesondere Schwalbenschwanz-Nut-förmig, ausgebildet ist. 4. Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) mindestens eine Verbindungseinrichtung (5; 5a, 5b) zum kraft- und/oder formschlüssigen Verbinden von einer oder mehreren Metall-infiltrierten Keramik-Kontakteinheiten (3a, 3b, 3c; 3) mit einem oder mehreren Stromquellen-Kontaktelementen (4a, 4b, 4a', 4b'; 4) umfasst. Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit (3a, 3b, 3c; 3) eine metallische Beschichtung (6a, 6b, 6c) aufweist, welche die Oberfläche der Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit (3a, 3b, 3c; 3) teilweise oder vollständig bedeckt, - vorzugsweise ist die metallische Beschichtung (6a, 6b, 6c) aus der metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgebildet, - gegebenenfalls ist die Oberfläche der metallischen Beschichtung (6a, 6b, 6c) teilweise oder vollständig mit einer Schutzschicht, insbesondere einer Korrosionsschutzschicht, bedeckt. Elektrische Stromquelle (2, 2'), insbesondere Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (2, 2') mindestens ein, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildetes Kontaktelement (4a, 4b, 4a', 4b'; 4) zum Übertragen des Stroms der Stromquelle (2, 2') umfasst. Stromquelle (2, 2') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt ist, aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen, Zinn und deren Legierungen, insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen, und/oder - die keramische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden und Carbid von Aluminium, Titan und Silizium sowie Mischungen davon, insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und Mischungen davon. Stromquelle (2, 2') nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelement (4) in Form eines Teils einer Schwalbenschwanzverbindung, insbesondere Schwalben- schwanz-Feder-förmig, ausgebildet ist. Stromquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - das mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelement (4a, 4b, 4a', 4b'; 4) eine metallische Beschichtung aufweist, welche die Oberfläche des Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelements (4a, 4b, 4a', 4b'; 4) zumindest teilweise bedeckt, - vorzugsweise ist die metallische Beschichtung aus der metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgebildet, - gegebenenfalls ist die Oberfläche der metallischen Beschichtung teilweise oder vollständig mit einer Schutzschicht, beispielsweise einer Korrosionsschutzschicht, bedeckt. 0. Stromquellenkontaktierungssystem (1 , 2, 2'), umfassend mindestens eine Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) und mindestens eine Stromquelle (2, 2'), dadurch gekennzeichnet, dass das Stromquellenkontaktierungssystem (1 , 2, 2') - mindestens eine Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder - mindestens eine Stromquelle (2, 2') nach einem der Ansprüche 6 bis 9 umfasst. 1 . Verfahren zur Herstellung eines Metall-infiltrierten Keramikkörpers, insbesondere einer Metall-infiltrierten Keramik-Kontakteinheit (3a, 3b, 3c; 3) für eine Stromquellenkontaktierungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder eines Metall-infiltrierten Keramik-Kontaktelements (4a, 4b, 4a', 4b'; 4) für eine elektrische Stromquelle (2, 2') nach einem der Ansprüche 6 bis 9, umfassend die Verfahrensschritt: a) Herstellen eines porösen Keramikvorkörpers aus einer keramischen Komponente, insbesondere ausgewählt, aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen, Zinn und deren Legierungen, insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen, b) Infiltrieren des porösen Keramikvorkörpers, beispielsweise mittels Gießpressen oder Druckguss, insbesondere mittels Gasdruckinfiltration oder Squeeze-Casting-Technologie, mit einer schmelzflüssigen metallischen Komponente, insbesondere ausgewählt, aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden und Carbid von Aluminium, Titan und Silizium sowie Mischungen davon, insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und Mischungen davon. 12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: c) Beschichten des Metall-infiltrierten Keramikkörpers mit einer metallischen Beschichtung, welche die Oberfläche des Metall-infiltrierte Keramik- Körpers teilweise oder vollständig bedeckt, vorzugsweise ist die metallische Beschichtung aus der metallischen Komponente der Metallinfiltrierten Keramik ausgebildet, umfasst. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: d) Beschichten der die Oberfläche der metallischen Beschichtung mit einer Schutzschicht, beispielsweise einer Korrosionsschutzschicht, welche die Oberfläche der metallische Beschichtung teilweise oder vollständig, bedeckt, umfasst. 14. Metall-infiltrierte Keramikkörper, beispielsweise stromübertragendes Bauteil, hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 1 1 bis 13. 15. Verwendung eines Metall-infiltrierten Keramikkörpers, insbesondere eines Metall-infiltrierte Keramikkörpers nach Anspruch 14, als stromübertragendes Bauteil und/oder zur Kontaktierung von elektrischen Bauteilen. |
Titel
Stromquellenkontaktierungsvorrichtung und Stromquelle mit Metall-infiltrierter Keramik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromquellenkontaktierungsvorrichtung, eine Stromquelle und ein Stromquellenkontaktierungssystem auf der Basis von Metall-infiltrierten Keramikkörpern sowie ein Verfahren zur Herstellung von Metall-infiltrierten Keramikkörpern, derartig hergestellte Metall-infiltrierte Keramikkörper und deren Verwendung.
Stand der Technik
Einzelne Batterie-, Akkumulator oder Brennstoffzellen-Zellen werden üblicherweise zu Packungen und Modulen zusammengeschaltet, um die durch die Zielanwendung geforderten Kapazitäten und Spannungen zu erreichen. Die Kontak- tierung erfolgt dabei, je nach Ausführung der Kontaktstellen der Zellen, entweder stoffschlüssig durch Löten oder Schweißen, oder form- und/oder kraftschlüssig mittels Verdrahtung, Verklemmung oder Verschraubung der Kontakte.
Eine wesentliche Herausforderung liegt darin, im Betrieb und über die gesamte Einsatzdauer eine konstant hohe Stromtragfähigkeit und einen konstant niedri- gen Übergangswiderstandswiderstand zwischen der Zelle und der Kontaktie- rungsvorrichtung zu gewährleisten. Temperaturschwankungen, Feuchtigkeitseinflüsse und äußere mechanische Belastungen, wie Vibrationen während der Einsatzdauer, können die Kontaktierung schwächen und zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes und damit einer Verringerung der Batterieleistungsfä- higkeit führen. Durch stoffschlüssige Kontaktierungen lassen sich sehr niedrige Ubergangswiderstände erreichen, jedoch ist ein Austausch von einzelnen, defekten Zellen mit erheblichem Aufwand verbunden.
Kraft- und/oder formschlüssige Kontaktierungen erlauben zwar einen vereinfachten Austausch von Einzelzellen durch lösbare Kontaktierungen, jedoch können herkömmliche Kontaktwerkstoffe, wie metallisches Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold, unter mechanischer Verspannung, beispielsweise durch eine Klemmoder Schraubverbindung, Kriecheffekte aufweisen, welche dazu führen, dass der Übergangswiderstand an der Kontaktstelle mit der Zeit steigt. Insbesondere erhöhte Temperaturen, welche beispielsweise im Automobileinsatz vorliegen können, können die Kriecheffekte deutlich beschleunigen. Treten neben erhöhten Temperaturen auch Feuchtigkeitseinflüsse auf, so kann dies zur Korrosion der Kontaktstellen und damit zu einer weiteren Erhöhung des Übergangswiderstandes führen.
Offenbarung der Erfindung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Stromquellenkontaktierungsvor- richtung zum elektrischen Kontaktieren von einer oder mehreren elektrischen Stromquellen, insbesondere zum elektrischen Zusammenschalten von mindestens zwei elektrischen Stromquellen, insbesondere Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Einheiten. Erfindungsgemäß umfasst die Stromquellenkontaktie- rungsvorrichtung mindestens eine, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildete Kontakteinheit zum elektrischen Kontaktieren von mindestens einem Kontaktelement einer elektrischen Stromquelle.
Unter einer„Metall-infiltrierten Keramik" kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff verstanden werden, welcher dadurch hergestellt ist, dass eine poröse, beispielsweise schwammartige und/oder gegebenenfalls vorgesinterte, Keramik beziehungsweise Keramikkörper, mit einer, insbesondere schmelzflüssigen, metallischen Komponente teilweise oder vollständig infiltriert wird. Mit anderen Worten, unter einer„Metall- infiltrierten Keramik" kann insbesondere ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff verstanden werden, welcher dadurch hergestellt ist, dass die Poren einer porö- sen, beispielsweise schwammartigen und/oder gegebenenfalls vorgesinterten, Keramik beziehungsweise Keramikkörper, teilweise oder vollständig, insbesondere durch ein Infiltrationsverfahren, mit einer, insbesondere schmelzflüssigen, metallischen Komponente teilweise oder vollständig gefüllt werden. Oder anders ausgedrückt, die Kontakteinheit beziehungsweise das später erläuterte Kontaktelement kann als ein poröser Keramikkörper mit infiltriertem Metall ausgeführt sein.
Unter einer Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Einheit kann im Sinn der vorliegenden Erfindung eine einzelne Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Zelle; eine Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen- Packung/Pack aus mehreren Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen- Zellen; oder ein Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Modul aus mehreren Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Packungen/Packs verstanden werden.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Stromquellenkontaktierungsvorrich- tung zum elektrischen Kontaktieren von einer oder mehreren Batteriezellen, - Packungen oder -modulen, beispielsweise für den Einsatz im Automobilbereich, ausgebildet sein.
Die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik sorgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise für eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit.
Die keramische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik sorgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere aufgrund ihrer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, vorteilhafterweise für eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit (beispielsweise von bis zu 800 °C für Kupfer-infiltrierte Keramiken) und eine hohe mechanische Beständigkeit, insbesondere Druckbeständigkeit. Durch die hohe Druckbeständigkeit kann wiederum der Kriecheffekt verringert oder sogar vermieden werden.
Vorteilhafterweise können auch größere, keramische Bauteile mit komplexen Geometrien vollständig und rissfrei mit Metall infiltriert werden. Dadurch kann die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung auch größere Metall-infiltrierte Keramik- Kontakteinheiten, insbesondere eine Kontaktbrücke beziehungsweise Kontaktplatte, umfassen, die vorteilhafterweise zusätzlich zum elektrischen Kontaktieren von mindestens einem Kontaktelement einer elektrischen Stromquelle, zum mechanischen Fixieren von mindestens einer elektrischen Stromquelle ausgebildet sind. Aufgrund der mechanischen Stabilität, insbesondere der Steifigkeit und
Festigkeit, der keramischen Komponente kann dabei vorteilhafterweise der Materialeinsatz und damit die Mehrkosten und das Gewicht minimiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die keramische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik beispielsweise Oxid-, Nitrid- und/oder Carbid-basiert sein. Die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise elektrisch hochleitfähig.
Zum Beispiel kann die mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit als Vorkörper (Preform) basierter Keramik-Metall-Verbundwerkstoff (P-MMC; Englisch:„preform metal matrix composite") ausgeführt sein. Dabei kann der poröse, beispielsweise schwammartige und/oder gegebenenfalls vorgesinterte, Ke ramikkörper einen Vorkörper (Preform) darstellen, welcher während des Herstellungsprozesses mit einer, insbesondere schmelzflüssigen, metallischen Komponente teilweise oder vollständig infiltriert wird. Insbesondere kann die Metallinfiltrierte Keramik der mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit durch Infiltration eines porösen Keramikvorkörpers (keramische Preform) mit einer schmelzflüssigen metallischen Komponente, beispielsweise mittels Gießpressen oder Druckguss, insbesondere mittels Gasdruckinfiltration oder Squee- ze-Casting-Technologie, hergestellt sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform der Stromquellenkontaktierungsvorrichtung ist die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt, aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen, Zinn und de ren Legierungen, insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen. Derartige metallische Komponenten haben sich zur Kontaktierung von Stromquellen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Stromquellenkontaktierungsvor- richtung ist die keramische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden und Carbid von Alumi- nium, Titan und Silizium sowie Mischungen davon, beispielsweise Aluminiumoxid (Al 2 0 3 ), Aluminiumnitrid (AIN), Titannitrid (TiN), Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ), Siliziumcar- bid (SiC) und Mischungen davon. Derartige keramische Komponenten haben sich zur Ausbildung von Metall-infiltrierten Keramik-Kontakteinheit zur Kontaktie- rung von Stromquellen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Insbesondere kann die Metall-infiltrierte Keramik einen spezifischen elektrischen Widerstand in einem Bereich von etwa > 0,05 μΩηη bis < 1015 Qm aufweisen. Der spezifische elektrische Widerstand kann vorteilhafterweise durch Variation des Anteils der metallischen Komponente und des Anteils der keramischen
Komponente in der Metall-infiltrierten Keramik eingestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Stromquellenkontaktierungsvor- richtung weist die mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit eine metallische Beschichtung, insbesondere einen metallischen Umguss, auf, welche/r die Oberfläche der Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit teilweise oder vollständig bedeckt. Über die metallische Beschichtung beziehungsweise den metallischen Umguss kann die Kontaktierung der Metall-infiltrierten Keramik- Kontakteinheit mit einem starren oder flexiblen elektrischen Leiters erfolgen, wobei besonders niedrige Übergangswiderstände erreicht werden können. Vorteilhafterweise kann eine derartige metallische Beschichtung einen stoffschlüssigen Übergang zur metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausbilden. Auf diese Weise können Übergangswiderstände verringert oder sogar vermieden werden. Vorteilhafterweise können zudem durch eine elastische Vorspannung der Metall-infiltrierten Keramik Kriecheffekte ausglichen werden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Stromquellenkon- taktierungsvorrichtung ist die metallische Beschichtung, insbesondere der metallische Umguss, aus der metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgebildet. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise der Stoffschluss mit der metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik und damit die elektrische Anbindung an die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik verbessert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Strom quellenkontaktierungsvorrichtung ist die Oberfläche der metallischen Beschich tung, insbesondere des metallischen Umgusses, teilweise oder vollständig mit einer Schutzschicht, insbesondere einer Korrosionsschutzschicht, bedeckt. Auf diese Weise kann die Beständigkeit, insbesondere Korrosionsbeständigkeit, der metallischen Beschichtung beziehungsweise des metallischen Umgusses erhöht werden.
Grundsätzlich kann die mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit in jeder geeigneten Form ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung mehrere in gleichen oder unterschiedlichen Formen ausgebildete Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheiten umfasst. Beispielsweise kann die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung eine oder mehrere plattenförmige, Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheiten umfassen. Diese können dabei unterschiedliche Größen aufweisen. Beispielsweise kann die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung mindestens eine, insbesondere plattenförmige, Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktbrücke zum elektrischen Kontaktieren, insbesondere zur Reihen- oder Parallelschaltung, von zwei elektrischen Stromquellen umfassen. Die Kontaktbrücke kann dabei das Kontaktelement des negativen Pols der ersten Stromquelle und das Kontaktelement des positiven Pols der zweiten Stromquelle (Reihenschaltung) oder das Kontaktelement des negativen Pols der ersten Stromquelle und das Kontaktelement des negativen Pols der zweiten Stromquelle (Parallelschaltung) elektrisch Kontaktieren/Zusammenschalten. Darüber hinaus kann die Stromquellenkontaktierungs- vorrichtung, zum Beispiel im Fall einer Reihenschaltung, mindestens zwei weitere, insbesondere plattenförmige, Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheiten umfassen, wobei die erste Kontakteinheit zum elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements des positiven Pols der ersten Stromquelle und die zweite Kontakteinheit zum elektrischen Kontaktieren des Kontaktelement des negativen Pols der zweite Stromquelle ausgebildet ist. Im Fall einer Parallelschaltung, kann die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung zum Beispiel darüber hinaus mindestens eine weitere, insbesondere plattenförmige, Metall-infiltrierte Keramik- Kontakteinheit umfassen, welche zum elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements des positiven Pols der ersten Stromquelle und des Kontaktelements des positiven Pols der zweiten Stromquelle elektrisch Kontaktieren/Zusammenschalten ausgebildet ist. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Stromquellenkontaktierungsvor- richtung ist die mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit in Form eines Teils einer Schwalbenschwanzverbindung, insbesondere Schwalben- schwanz-Nut-förmig, ausgebildet. Beispielsweise kann die Kontakteinheit dabei als eine Schwalbenschwanz-Nut ausgebildet sein, welche zu einem Schwalben- schwanz-Feder-förmigen Kontaktelement einer elektrischen Stromquelle korrespondiert. Dies hat den Vorteil einer schnell wieder lösbaren Verbindung und ist insbesondere zum elektrischen Kontaktieren und mechanischen Fixieren von einer Vielzahl von Stromquellen, beispielsweise in Form von Batteriemodulen, beispielsweise in Fahrzeugbereich, vorteilhaft.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Stromquellenkontaktierungsvor- richtung umfasst die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung mindestens eine Verbindungseinrichtung zum kraft- und/oder formschlüssigen Verbinden von einer oder mehreren Metall-infiltrierten Keramik-Kontakteinheiten mit einem oder mehreren Stromquellen-Kontaktelementen. Vorzugsweise ist die Verbindungseinrichtung eine lösbare Verbindungseinrichtung zum lösbaren, kraft- und/oder formschlüssigen Verbinden von einer oder mehreren Metall-infiltrierten Keramik- Kontakteinheiten mit einem oder mehreren Stromquellen-Kontaktelementen. Die Verbindungseinrichtung kann beispielsweise eine Klemmverbindungseinrichtung, eine Schraubverbindungseinrichtung oder eine Schwalbenschwanzverbindungseinrichtung sein. Beispielsweise kann die Verbindungseinrichtung dazu ausgebildet sein auf eine in Form eines Teils einer Schwalbenschwanzverbindung ausgebildete, Metall-infiltrierte Keramik-Kontakteinheit derart ein Kraft aufzubringen, dass die Kontakteinheit mit einem in Form des korrespondierenden Schwalbenschwanzverbindungsteils ausgebildeten Kontaktelement einer Stromquelle kraft- und formschlüssig verbunden wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Stromquelle, insbesondere Batterie-, Akkumulator- oder Brennstoffzellen-Einheit, welche mindestens ein, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildetes Kontaktelement zum Übertragen des Stroms der Stromquelle umfasst. Wie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromquellenkontak- tierungsvorrichtung erläutert, sorgt die metallische Komponente der Metall- infiltrierten Keramik dabei für eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, wobei die keramische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik für eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe mechanische Stabilität und Beständigkeit, insbesondere Druckbeständigkeit, und damit eine vorteilhafte Verringerung oder sogar Vermeidung von Kriecheffekten, sorgt.
Derartige Stromquellen können zusammen mit einer erfindungsgemäßen Strom- quellenkontaktierungsvorrichtung ein besonders vorteilhaftes Stromquellenkon- taktierungssystem bilden.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Stromquelle eine Batteriezelle, eine Batteriepackung oder ein Batteriemodul sein. Das mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelement kann zum Beispiel als Vorkörper (Preform) basierter Keramik-Metall-Verbundwerkstoff (P- MMC; Englisch:„preform metal matrix composite"). (P-MMC; Englisch:„preform metal matrix composite") ausgeführt sein. Dabei kann der poröse, beispielsweise schwammartige und/oder gegebenenfalls vorgesinterte, Keramikkörper einen Vorkörper (Preform) darstellen, welcher während des Herstellungsprozesses mit einer, insbesondere schmelzflüssigen, metallischen Komponente teilweise oder vollständig infiltriert wird. Insbesondere kann die Metall-infiltrierte Keramik des mindestens einen Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelements durch Infiltration eines porösen Keramikvorkörpers (keramische Preform) mit einer schmelzflüssi- gen metallischen Komponente, beispielsweise mittels Gießpressen oder Druck- guss, insbesondere mittels Gasdruckinfiltration oder Squeeze-Casting- Technologie, hergestellt sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromquelle ist die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt, aus der
Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen, Zinn und deren Legierungen, insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen. Derartige metallische Komponenten haben sich zur Kontaktierung der Stromquelle als besonders vorteilhaft erwiesen. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromquelle ist die keramische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgewählt, aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden und Carbid von Aluminium, Titan und Silizium sowie Mischungen davon, beispielsweise Aluminiumoxid (Al 2 0 3 ), Aluminiumnitrid (AIN), Titannitrid (TiN), Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ), Siliziumcarbid (SiC) und Mischungen davon. Derartige keramische Komponenten haben sich zur Ausbildung von Metall-infiltrierten Keramik-Kontaktelementen zum Übertragen des Stroms einer Stromquelle als besonders vorteilhaft erwiesen.
Insbesondere kann die Metall-infiltrierte Keramik einen spezifischen elektrischen Widerstand in einem Bereich von etwa > 0,05 μΩηη bis < 1015 Qm aufweisen. Der spezifische elektrische Widerstand kann vorteilhafterweise durch Variation des Anteils der metallischen Komponente und des Anteils der keramischen Komponente in der Metall-infiltrierten Keramik eingestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromquelle weist das mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelement eine metallische Beschichtung, insbesondere einen metallischen Umguss, auf, welche/r die Oberfläche des Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelements zumindest teilweise bedeckt. Über die metallische Beschichtung beziehungsweise den metallischen Umguss kann die Kontaktierung des Metall-infiltrierten Keramik- Kontaktelements mit einem starren oder flexiblen elektrischen Leiters erfolgen, wobei besonders niedrige Übergangswiderstände erreicht werden können. Vorteilhafterweise kann eine derartige metallische Beschichtung einen stoffschlüssigen Übergang zur metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausbilden. Auf diese Weise können Übergangswiderstände verringert oder sogar vermieden werden. Vorteilhafterweise können zudem durch eine elastische Vorspannung der Metall-infiltrierten Keramik Kriecheffekte ausglichen werden. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromquelle ist die metallische Beschichtung, insbesondere der metallische Umguss, aus der metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik ausgebildet. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise der Stoffschluss mit der metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik und damit die elektrische Anbindung an die metallische Komponente der Metall-infiltrierten Keramik verbessert werden. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromquelle ist die Oberfläche der metallischen Beschichtung, insbesondere des metallischen Umgusses, teilweise oder vollständig mit einer Schutzschicht, beispielsweise einer Korrosionsschutzschicht, bedeckt. Auf diese Weise kann die Beständigkeit, insbesondere Korrosionsbeständigkeit, der metallischen Beschichtung beziehungsweise des metallischen Umgusses erhöht werden.
Grundsätzlich kann das mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik- Kontaktelement in jeder geeigneten Form ausgebildet sein. Beispielsweise kann das mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelement bolzenformig oder plattenförmig ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromquelle ist das mindestens eine Metall-infiltrierte Keramik-Kontaktelement in Form eines Teils einer Schwalbenschwanzverbindung, insbesondere Schwalben- schwanz-Feder-förmig, ausgebildet. Beispielsweise kann das Kontaktelement dabei als eine Schwalbenschwanz-Feder ausgebildet sein, welche zu einer Schwalbenschwanz-Nut-förmigen Kontakteinheit einer Stromquellenkontaktie- rungsvorrichtung korrespondiert. Dies hat den Vorteil einer schnell wieder lösbaren Verbindung und ist insbesondere zum elektrischen Kontaktieren und mechanischen Fixieren von einer Vielzahl von Stromquellen, beispielsweise in Form von Batteriemodulen, beispielsweise in Fahrzeugbereich, vorteilhaft.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Stromquelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungsvorrichtung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Stromquellenkontak- tierungssystem, welches mindestens eine Stromquellenkontaktierungsvorrich- tung und mindesten eine Stromquelle umfasst, wobei das Stromquellenkontaktie- rungssystem mindestens eine erfindungsgemäße Stromquellenkontaktierungs- vorrichtung und/oder mindestens eine erfindungsgemäße Stromquelle umfasst.
Hinsichtlich der Vorteile und weiterer Merkmale des erfindungsgemäßen Strom- quellenkontaktierungssystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zu- sammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungsvorrich- tung und Stromquelle verwiesen.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-infiltrierten Keramikkörpers, insbesondere einer Metall-infiltrierten Keramik-Kontakteinheit für eine erfindungsgemäße Stromquellenkontaktierungs- vorrichtung und/oder eines Metall-infiltrierten Keramik-Kontaktelements für eine erfindungsgemäße, elektrische Stromquelle, umfassend die Verfahrensschritt: a) Herstellen eines porösen Keramikvorkörpers (keramische Preform) aus einer keramischen Komponente,
b) Infiltrieren des porösen Keramikvorkörpers mit einer schmelzflüssigen metallischen Komponente. Die keramische Komponente kann dabei insbesondere ausgewählt sein aus der
Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen, Zinn und deren Legierungen, insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen. Die metallische Komponente kann dabei insbesondere ausgewählt sein, aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden und Carbid von Aluminium, Titan und Silizium sowie Mi- schungen davon, beispielsweise Aluminiumoxid (Al 2 0 3 ), Aluminiumnitrid (AIN),
Titannitrid (TiN), Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ), Siliziumcarbid (SiC) und Mischungen davon. Das Infiltrieren kann dabei beispielsweise mittels Gießpressen oder Druck- guss, insbesondere mittels Gasdruckinfiltration oder Squeeze-Casting- Technologie, erfolgen.
Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt:
c) Beschichten des Metall-infiltrierten Keramikkörpers mit einer metallischen Be- schichtung, insbesondere einem metallischen Umguss, welche/r die Oberflä- che des Metall-infiltrierte Keramik-Körpers teilweise oder vollständig bedeckt.
Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die metallische Beschichtung, insbesondere der metallische Umguss, aus der metallischen Komponente der Metall-infiltrierten Keramik aus- gebildet. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt:
d) Beschichten der Oberfläche der metallischen Beschichtung, insbesondere des metallischen Umgusses, mit einer Schutzschicht, beispielsweise einer Korro- sionsschutzschicht, welche die Oberfläche der metallische Beschichtung teilweise oder vollständig, bedeckt.
Hinsichtlich der Vorteile und weiterer Merkmale des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungsvorrichtung und Stromquelle sowie mit dem erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystem verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-infiltrierte Keramikkörper, beispielsweise ein stromübertragendes Bauteil, hergestellt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Hinsichtlich der Vorteile und weiterer Merkmale des erfindungsgemäßen Metall- infiltrierte Keramikkörpers wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungsvorrichtung und Stromquelle sowie mit dem erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktie- rungssystem und Herstellungsverfahren verwiesen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Metall-infiltrierten Keramikkörpers, insbesondere eines erfindungsgemäß hergestellten Metallinfiltrierte Keramikkörpers, insbesondere dessen keramische Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Ei- sen, Zinn und deren Legierungen, insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen und dessen metallische Komponente ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden und Carbid von Aluminium, Titan und Silizium sowie Mischungen davon, beispielsweise Aluminiumoxid (Al 2 0 3 ), Aluminiumnitrid (AIN), Titannitrid (TiN), Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ), Siliziumcarbid (SiC) und Mischungen da- von, als stromübertragendes Bauteil und/oder zur Kontaktierung von elektrischen
Bauteilen. Hinsichtlich der Vorteile und weiterer Merkmale der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungsvorrichtung und Stromquelle sowie mit dem erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystem, Herstellungsverfahren und Metall-infiltrierte Keramikkörper verwiesen.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystems, welches eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquellenkon- taktierungsvorrichtung und eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquelle umfasst;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystems, welches eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquellen- kontaktierungsvorrichtung und eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquelle umfasst; und
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystems, welches eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquellenkon- taktierungsvorrichtung und eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquelle umfasst.
Figur 1 zeigt zwei Stromquellen 2, 2', insbesondere Batteriezellen, gemäß einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquelle, welche jeweils zwei, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildete, plattenförmige Kontaktelemente 4a, 4b, 4a', 4b' umfassen. Figur 1 zeigt darüber hinaus eine erste Aus- führungsform einer erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungsvorrichtung
1 , welche drei, plattenförmige, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildete Kontakteinheit 3a, 3b, 3c zum elektrischen Kontaktieren der vier Kontaktelemente 4a, 4b, 4a', 4b' der zwei elektrischen Stromquellen 2, 2' umfasst. Figur 1 ver- anschaulicht, dass die Stromquellen 2, 2' und die Stromquellenkontaktierungs- vorrichtung 1 dabei eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystems 1 , 2, 2' bilden.
Figur 1 zeigt, dass die Kontakteinheit 3a als Metall-infiltrierte Keramik- Kontaktbrücke ausgebildet ist, das Kontaktelement 4a des positiven Pols der ersten Stromquelle 2 und das Kontaktelement 4b' des negativen Pols der zweiten Stromquelle 2' elektrisch kontaktiert und auf diese Weise die beiden Stromquellen 2, 2' in Reihe schaltet. Die zwei weiteren Kontakteinheiten 3b und 3c kontaktieren dabei das Kontaktelement 4b des negativen Pols der ersten Stromquelle 2 und das Kontaktelement 4a' des positiven Pols der zweite Stromquelle 2'. Figur 1 zeigt weiterhin, dass die Kontakteinheiten 3a, 3b, 3c jeweils eine, die Oberfläche vollständig bedeckende, metallische Beschichtung 6a, 6b, 6c aufweisen. Figur 1 zeigt ferner, dass die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung 1 eine Klemmverbindungseinrichtung 5 zum kraftschlüssigen Verbinden der Metall-infiltrierten Ke- ramik-Kontakteinheiten 3a, 3b, 3c mit den Kontaktelementen 4a, 4b, 4a', 4b' der
Stromquellen 2, 2' umfasst.
Figur 2 zeigt zwei Stromquellen 2, 2', insbesondere prismatische Batteriezellen, gemäß einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquelle, welche jeweils ein, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildetes, bolzen- förmiges Kontaktelement 4a, 4b' umfassen. Figur 1 zeigt darüber hinaus eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungs- vorrichtung 1 , welche eine, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildete Kontakteinheit 3 umfasst. Die Kontakteinheit 3 ist dabei in Form einer, im We- sentlichen plattenförmigen Kontaktbrücke ausgebildet, welche über Aussparungen zur Aufnahme der bolzenförmigen Kontaktelemente 4a, 4b' der Stromquellen
2, 2' verfügt. Figur 2 zeigt weiterhin, dass die Stromquellenkontaktierungsvorrich- tung 1 zwei Schraubverbindungseinrichtungen 5a, 5b, insbesondere Gewindemuttern, zum kraft- und formschlüssigen Verbinden der Metall-infiltrierten Kera- mik-Kontakteinheit 3 mit den Kontaktelementen 4a, 4b' der Stromquellen 2, 2' umfasst. Figur 2 veranschaulicht ferner, dass die Stromquellen 2, 2' und die Stromquellenkontaktierungsvorrichtung 1 dabei eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystems 1 , 2, 2' bilden.
Figur 3 zeigt eine Stromquelle 2, insbesondere Batteriezellen, gemäß einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquelle, welche ein, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildetes, Schwalbenschwanz-Feder- förmiges Kontaktelement 4 umfasst. Figur 1 zeigt darüber hinaus eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungsvorrichtung 1 , welche eine, aus einer Metall-infiltrierten Keramik ausgebildete, korrespondierend Schwalbenschwanz-Nut-förmige Kontakteinheit 3 umfasst. Figur 3 veranschaulicht ferner, dass die Stromquellen 2 und die Stromquellenkontaktierungs- vorrichtung 1 dabei eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromquellenkontaktierungssystems 1 , 2 bilden.
Die Kontaktierung erfolgt im Rahmen dieser Ausführungsformen durch Einschieben des Schwalbenschwanz-Feder-förmigen Kontaktelements 4 in die Schwalbenschwanz-Nut-förmige Kontakteinheit 3 und anschließendes Fixieren des Kontaktelements 3 in der Kontakteinheit 4 mittels einer von außen, aufgebrachte Kraft (durch Pfeile dargestellt). Zum Aufbringen dieser Kraft umfasst die Strom- quellenkontaktierungsvorrichtung 1 eine Schwalbenschwanzverbindungseinrichtung 5, welche dazu ausgebildet ist auf die Schwalbenschwanz-Nut-förmige Kontakteinheit 3 und das darin angeordnete, Schwalbenschwanz-Feder-förmige Kontaktelement 4 derart ein Kraft aufzubringen, dass die Kontakteinheit 3 mit dem Kontaktelement 4 kraft- und formschlüssig verbunden wird. Durch dieses Schwalbenschwanzprinzip kann vorteilhafterweise ein komplettes Batteriemodul sowohl elektrisch als auch mechanisch an einen Verbraucher angekoppelt werden.