导电结构及其制造方法与流程

传统上在某些区域形成厚实的导电元件，特别是在短时间或长时间内传导高电流的元件，即局部具有高材料密度，以便一方面确保安全可靠的操作方式，另一方面确保充分的机械稳定性。

然而，这具有缺点，这些元件的重量或包括这些元件的系统的重量相对较重。

减少这些元件重量的一种可能方式是使这些元件较不厚实，即减小元件的横截面以节省材料。

然而，通过简单地减小元件的横截面以减轻重量，电阻成比例地增加，这伴随着例如电气性能受损，特别是导电性受损。而且，元件的机械性能降低，特别是弯曲强度和断裂强度降低，甚至不成比例地降低。

因此，本发明的目的是提供一种改进的导电结构，该结构不具有现有技术的缺点，而且可以容易地并且以低成本生产。

关于导电结构，本发明所基于的目的是根据本发明以独立权利要求1的主题实现的。关于制造这种结构的方法，本发明所基于的目的是通过并列独立专利权利要求15的主题实现的。有利的改进方案在从属权利要求中详细说明。

因此，根据本发明，提供了一种导电结构，特别是用于车辆的能量存储系统中的导电结构，该导电结构至少在某些区域由金属或类金属物质形成，在其中形成多个闭孔。

本发明的优点是显而易见的。根据本发明的结构具有减轻重量的效果却没有损及电气和/或机械性能。

本发明还基于使用多孔材料来减轻重量的构思，同时还同样认识到使用开孔材料具有以下缺点。开孔的形成一方面导致电气性能受损，另一方面导致机械性能受损。为了改善这些元件的电气性能，使这种元件的开孔易于电解质进入，并且优选地填充有活性化合物。然而，这造成另一个缺点；具体而言，更多的表面暴露于腐蚀过程。

与此对比，形成绝大多数闭孔具有如下效果：使仅导电结构的外表面暴露于腐蚀过程；特别是，没有额外的表面暴露于腐蚀过程，即与具有相同的尺寸和固体形式形状的结构相比，所述导电结构的腐蚀性能保持不变。同时，由于该结构的多孔形式，只需使用更少的材料，因此可以节省重量和材料成本。

根据本发明的另一方面，所述孔可以至少部分地具有大体上圆形的横截面。

这提供的优点在于，不需要预先对这种孔对准或定向，因此便于这种结构的生产。这继而使得生产成本降低。

根据本发明的另一方面，孔可以至少部分地具有大体上非圆形的横截面，特别是大体上椭圆形的横截面。

因此，可以形成优选的方向。这种优选的方向影响性能，例如导电性和/或导热性；特别是，这些性能得到了改善。

根据本发明的另一方面，该结构可以至少在多孔的区域中具有至少约2mm的厚度，优选至少约5mm的厚度，特别优选至少约10mm的厚度。

因此，该结构可以有利地在需要导电并且保证机械强度的位置厚实地形成，同时该结构的重量不会因此过度增加，或者甚至可以降低重量。

根据本发明的另一方面，孔可以不均匀地分布在结构中，特别是在导电方向上。

在这种情况下，孔的不均匀分布意味着孔未被布置成均衡地分布在结构中，而是这些孔被布置成集中在一个区域中，特别是这些孔被布置在结构内部的区域中，所述区域大体上沿着导电方向延伸。因此，电气性能和/或机械性能，特别是导电性得到改善。

根据本发明的另一方面，孔可以至少部分地具有各向异性定向，确切地说，以至至少一些孔具有非圆形横截面，特别是椭圆形横截面，其纵向轴沿着导电方向定向。

这具有优点在于，电气和/或机械特性进一步增加，确切地说，这通过孔在导电方向上的对准实现。

根据本发明的另一方面，至少一些孔可以填充真空，气体和/或聚合物。

因此，有利于进一步降低结构的重量。

根据本发明的另一方面，至少一些孔可以填充有导电材料。

这有利地导致导电性的改善，并且可以额外进一步降低结构的重量，特别是每当填充材料比形成该区域的金属或类金属物质更轻或者具有更低密度时。

根据本发明的另一方面，导电材料可以包括金属和/或碳或含碳物质、碳纤维或含碳纤维的物质，其中金属优选银、铜、金、钨和/或铝。

根据本发明的另一方面，该结构可以包括第一组孔，所述第一组孔具有约10μm至约500μm的尺寸，优选地具有约50μm至约300μm的尺寸，特别优选地具有约100μm至约200μm的尺寸。

这种结构增加-或至少不损害-结构的机械稳定性。因此，可以在电气性能和机械性能之间找到最合适的折衷方案。

根据本发明的另一方面，该结构可以包括尺寸为至少1mm的另一组孔。

这提供的优点是，一方面这种结构可以更容易地生产，另一方面，孔可以布置得更好，特别是可以更好地被定向。而且，导电性和/或导热性可以增加。

根据本发明的另一方面，该结构可以至少在一些区域具有至少约5个孔/cm²的孔密度，优选至少约10个孔/cm²的孔密度，特别优选至少约20个孔/cm²的孔密度。

较高的孔密度伴随着较低的重量，特别是每当孔未被填充和/或填充有轻质材料时。导电性和/或导热性还可以受孔密度正面影响。

在这种情况下，轻质材料具体地是一种轻质聚合物，例如聚酯、聚酰胺和/或聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯和/或聚丁烯。

根据本发明的另一方面，该结构可以至少在一些区域由多孔区域中的铅和/或铅合金制成。

特别是当这种结构用于铅蓄电池时，结构的耐腐蚀性和铅蓄电池的功能性都有提高。

根据本发明的另一方面，该结构可以至少在一些区域中形成为能量存储系统(特别是车辆的蓄电池，优选车辆的启动器电池)的汇流条、桥连接器、电极栅极或电极板的极和/或端子接线片。

这清楚地表明该结构优选用于存在着高电流的元件。尽管该结构是厚实形式，却由此减轻了重量并且改善或者至少没有损害机械和/或电气性能。

根据本发明的另一方面，提供了一种系统，所述系统包括以下：至少一个蓄电池，特别是一个铅蓄电池，至少一个集电器元件，该集电器元件与蓄电池的至少一极电连接，以及上述至少一种结构。在此，该结构是蓄电池的部分和/或集电器元件的部分。

这里描述了一个示例性实施例，其有利地描述了重量减轻的系统，该系统还具有改进的电气性能和/或至少没有受损的机械性能。

关于制造导电结构的方法，特别是制造上述导电结构的方法，首先提供聚合物结构。然后将该聚合物结构引入模具中，并在模具中填充熔融金属或熔融类金属物质。在这种情况下，聚合物结构被气化，从而在铸造结构中形成闭孔。

这提供了一种简单的生产方法，由此可以使生产成本保持在低水平。

根据本发明的另一方面，聚合物结构可以包括导电材料的多个颗粒，特别是金属和/或碳或含碳物质的多个颗粒，其中金属优选银、铜、金、钨和/或铝，其中碳或含碳物质优选碳纤维或含碳纤维的物质。在这种情况下，具有颗粒的聚合物结构被设计成在铸造结构中形成填充有导电材料的孔。

这实现了铸造结构具有高导电性的优点，同时保持了简单的生产方式。此外，重量也可以降低，特别是当导电颗粒的相对密度低于周围的熔融金属或熔融类金属物质或铸造结构的金属或类金属物质时。

根据本发明的另一方面，聚合物结构可以由聚合物泡沫形成。

这有利地导致进一步降低材料成本，因为聚合物结构所需的材料更少。

根据本发明的另一方面，该方法可以是低压全模铸造工艺。

这是一种有利的低成本且精确的方法。

下面参照附图通过对实施例的描述更详细地描述本发明，包括关于进一步的特征和优点。

在附图中：

图1给出了一种导电结构的示意图，其中孔各向同性地定向，或者以均匀分布且各向同性的方式定向；

图2给出了一种导电结构的示意图，其中孔各向异性地或不均匀地分布；以及

图3给出了一种导电结构的示意图，其中孔以不均匀分布且各向异性的方式定向。

下面参考图1至3中的图示描述根据本发明的导电结构和用于制造这种结构的方法。相同或等同的元件和功能具有相同或相似的附图标记。

首先，对根据本发明的导电结构的一般特征进行了更详细的描述，所述特征可以单独地或组合地用于根据本发明的任何导电结构；具体地，以下特征不限于一个实施例。

不仅是在基于内燃机的车辆中，而且在电动车辆和混合动力车辆中，随着能量消耗品特别是电力消耗品数量的稳步增长，向车辆供应能量，特别是电力，正成为越来越重要的问题。特别是，在车辆的启动器电池中出现高电流。

在此，车辆可以是飞行器或船舶、轨道车辆、全地形车辆，或优选地是公路车辆，其中公路车辆可以指客车、卡车、公共汽车或房车。

另外，混合动力车辆可以理解为意指具有内燃机和电动机两者作为能量源的任何车辆。然后可以将混合动力车辆分为微混合动力车辆、轻度混合动力车辆、全混合动力车辆和插电式混合动力车辆。

根据本发明，被设计为用于拾取、进一步传导和/或传递高电流的元件至少在一些区域具有导电结构，该结构一方面具有良好的电气和/或机械性能，同时具有尽可能低的重量。

根据本发明的导电结构至少在一些区域中由金属或类金属物质形成，在其中形成多个闭孔。

孔的设置降低了导电结构的总重量，确切地说，在不损伤电气和/或机械性能的同时，特别是改善了电气性能，优选地改善了导电性。另外，绝大多数孔是闭孔的特征改善了导电结构的耐腐蚀性，确切地说，是因为暴露于电解质的表面积没有增加，而是保持不变。因此，导电结构的腐蚀性能保持不变，特别是与具有相同形状和尺寸的厚实结构相比腐蚀性能保持不变。

因此，根据本发明的导电结构具有至少基本上没有被改变的材料的表面，特别是当表面暴露于腐蚀过程时。

在导电结构沿导电方向的横截面中，孔可以具有至少大体上圆形的横截面和/或至少大体上非圆形的横截面，特别是椭圆形横截面。

在这种情况下，具有至少大体上非圆形横截面的孔被理解为表示具有横截面的孔，其横截面具有纵向轴或优选轴，基于所述纵向轴或优选轴，所述孔可以定向在一个方向，在特别是在导电方向上。

在这种情况下，具有至少大体上非圆形横截面的孔的尺寸优选地是指孔的沿其纵向轴或优选轴的尺寸。

横截面至少基本上为圆形的孔优选地伴有导电结构中的球形孔。另外，导电结构可以包括杆状，片状，纤维状，卵形和/或椭球状孔。

球形孔的优点在于它们不必在导电结构的制造中预先对准。杆状，片状，纤维状，卵形和/或椭球状孔优选地对准以使得它们的纵向轴或优选轴至少大体上指向导电方向。因此，可以有利地改善电气性能，特别是导电性，同时至少不损害机械性能。

这些孔可以被布置成不均匀地分布在导电结构中。在这种情况下，孔的不均匀分布意味着孔不均衡地分布，特别是孔被布置在导电结构的内部中心区域，优选地沿导电方向排列。

孔也可以各向异性地定向，即在一个方向上对齐；确切地说，具有至少大体上非圆形横截面并且因此优选地具有纵向轴方向或优选方向特别是椭圆形横截面的孔可以被对齐以使它们的纵向轴至少大体上定向在导电方向。

导电结构的至少一些闭孔可以填充以下：真空、纯气体和/或轻质材料。这有利地使得导电结构的重量减轻，确切地说不会损害电气和/或机械性能。

在此，轻质材料具体地可以为轻质聚合物，例如聚酯、聚酰胺和/或聚烯烃。聚烯烃组包括例如聚乙烯、聚丙烯和/或聚丁烯或其共聚物。

导电结构的至少一些闭孔可以填充有导电材料，特别是金属。孔可以优选地填充有银、铜、金、钨和/或铝。还可以想到使用碳或含碳物质作为填充材料，特别是以碳纤维或含碳纤维的物质的形式。

这至少改善了电气性能，特别是导电性，并且如果导电材料比形成该区域的金属或形成该区域的类金属物质更轻，即密度更低，则可以额外减轻导电结构的重量。

闭孔的设置导致与具有相同外形和尺寸的实心结构即非多孔结构相比，所谓的表观相对密度低于实心结构的相对密度。同时，腐蚀性能保持不变，并且电气和/或机械性能得到改善，或至少基本没有受损。

导电结构可以是至少基本上实心的元件，即至少在一些区域中具有高材料密度。因此，导电结构可以至少在多孔的区域中具有至少约2mm的厚度，优选至少约5mm的厚度，特别优选至少约10mm的厚度。由于导电结构采用多孔形式，尽管是固体形式，但重量不会过大。具体地，导电结构的尺寸，优选厚度，取决于即使在存在高电流时也必须保持机械性能(例如弯曲强度和/或断裂强度)的要求。

在铅蓄电池的情况下，暴露于电解质的表面，特别是孔周围的区域，可以由铅和/或铅合金制成。这增加了铅蓄电池的功能和电气特性。铅蓄电池中的导电结构对总重量有很大贡献，因为铅一方面具有高的相对密度，另一方面具有相对低的比导电率。通过形成多孔的导电结构，减小了多孔铅结构的表观相对密度。这产生了在外形相同并且腐蚀性能不变的情况下重量较轻的导电结构。

此外，导电结构可以包括，具体而言，在多孔区域中，包括镍和/或镍合金、银和/或银合金、锂和/或锂合金、铝和/或铝合金、铜和/或铜合金，或钠和/或钠合金。

导电结构也可以至少在一些区域中形成为能量存储系统的汇流条、桥连接器、电极栅极或电极板的极和/或端子接线片。此外，在铅蓄电池的情况下，导电结构可以至少在一些区域中类似地形成所谓的头部引线(kopfblei)，该头部引线被理解为表示电极板和/或电池模块的桥接器和连接器。

根据本发明的导电结构可以用于或提供给传输或汲取高电流的任何地方。具体地，导电结构还可以用在发电机系统和/或能量存储系统中，特别是车辆的蓄电池，优选车辆的启动器电池。

根据本发明的导电结构可以至少在一些区域中具有至少5个孔/cm²的孔密度，优选至少10个孔/cm²的孔密度，特别优选至少20个孔/cm²的孔密度。

在此，同样地可以想到以体积单位给出孔密度。在这种情况下，根据本发明的导电结构可以至少在一些区域具有至少5个孔/cm³的孔密度，优选至少10个孔/cm³的孔密度，特别优选至少20个孔/cm³的孔密度。

根据本发明的导电结构可以包括第一组孔，所述第一组孔具有约10μm至约500μm的尺寸，优选地具有约50μm至约300μm的尺寸，特别优选地具有约100μm至约200μm的尺寸。

此外，根据本发明的结构还可以包括除了第一组孔之外的另一组孔，或代替第一组孔的另一组孔，所述另一组孔具有至少1mm的尺寸。

第一组孔可以增加机械稳定性，或者至少不损害机械稳定性，并且是良好的电气性能特别是导电性和机械性能之间的折衷。

另一组孔可以有利地更容易地生产；并且还可以更容易且更好地被排布和定向。

接下来是对三种实施例的描述，通过实例给出了三种实施例，并在图中以示意图的形式表示，其中更好地说明了孔的不同分布和定向。

在图1中，示出了导电结构100的示例性实施例，示出了导电结构100的示例性实施例，导电结构100具有多个闭孔10，闭孔10位于导电结构100的由金属或类金属物质形成的区域中。此外，在图1中，示出了示例性的导电方向s。可见，闭孔10均匀地分布在导电结构100的区域中，并且孔10也是各向同性定向的。也就是说，孔10被排布成均衡地分布在导电结构100中，且没有大体上沿一个方向对齐，具体地没有沿导电方向s对齐。

这导致导电结构100的重量减轻。然而，由此可能损害电气性能，特别是导电性。其中的原因之一可能是至少一些孔10--更准确地说，至少一些大体上非圆形的孔10，即具有纵向或优选方向的孔10-被布置成使得它们的优选方向相对于导电方向s横向延伸。

图2给出了一个示例性实施例，其中多个孔10被不均匀地排布在由金属或类金属物质形成的导电结构100的区域中。也就是说，孔10被布置成在导电结构100中不均衡地分布；具体地，将孔10-优选地沿着导电方向s-在导电结构100的内部中心位置区域进行布置。这种导电方向s在图2中以箭头示例性示出。

孔10优选地不布置在导电结构100的表面附近，特别优选地，在角区域和/或设置焊接连接的区域中同样不布置孔10。在该实施例中，孔10基本上是各向同性定向的，即，孔10没有被设置成在一个方向上对齐，特别是在导电方向s上对齐。

孔10的这种分布使得电气和/或机械性能特别是导电性得到改善，并且使得导电结构100的重量减轻。

图3示出了示例性实施例，其中孔10不均匀地布置在导电结构100中，即不均衡地布置在导电结构100中，并且同时具有各向异性定向，特别是在例如通过箭头所示导电方向s上定向，确切地说，使得至少一些孔10，优选所有孔10，具有大体上非圆形的横截面-即具有纵向或优选方向的孔10-特别是具有椭圆形横截面的孔10。在这种情况下，横截面基本上非圆形的孔10的纵向轴或优选轴定向在导电方向s上。孔10的这种定向特别改善了导电结构100的电气性能，特别是结构100的导电性。

即使在附图中没有明确示出，也可以想到孔10被布置成均匀地分布在导电结构100中，即均衡地分布，并且至少一些孔10，优选地所有孔10，具有各向异性定向，特别是在导电方向s上，确切地说，至少一些孔10，优选所有孔10，具有大体上非圆形的横截面，即具有纵向或优选方向的孔10，特别是具有椭圆形截面的孔10，其纵向轴或优选轴优选地定向在导电方向s上。因此，电气性能，特别是导电性，和/或机械性能同样得到改善。

在附图中未示出的本发明的另一实施例中，提供了一种系统，所述系统分别包括以下元件中的至少一个：蓄电池特别是铅蓄电池、集电器元件和上述结构100，该集电器元件电连接到蓄电池的至少一个极。在此，结构100是蓄电池和/或集电器元件的部分。

使用上述导电结构100作为蓄电池和/或集电器元件的部分使得系统的重量减轻，同时改善了系统的电气和/或机械性能，特别是改善了导电性。

该系统还可以可替代地涉及发电机系统，在该发电机系统中形成至少一个电馈送元件而不是集电器元件，并且该系统另外具有发电机。在这种情况下，导电结构100可以是蓄电池和/或电馈送元件和/或发电机的部分。

导电结构100，特别是上述导电结构100之一，可以如下制造。

首先提供聚合物结构并将其引入铸模中。然后在铸模中填充熔融金属或熔融类金属物质。在这种情况下，聚合物结构被气化，从而在铸造的结构100中形成闭孔10。这里描述了用于制造导电结构100的简单且有效的方法。而且，该方法可以以低成本执行并且得到重量减轻的导电结构100。

聚合物结构也可以由聚合物泡沫形成，其效果是聚合物结构所需的材料更少。这也导致成本降低。优选地，可以用聚合物泡沫的聚合物结构生产空的孔10，即填充有真空的孔10，和/或填充有纯气体的孔10。

为了形成填充有导电材料的孔10，聚合物结构可以包括导电材料特别是金属的多个颗粒。金属优选为银、铜、金、钨和/或铝。还可以想到使用碳或含碳物质作为填充材料。为此目的，聚合物结构可以包含多个碳颗粒或含碳物质的多个颗粒，特别是碳纤维或其部分的形式。

因此，当孔10形成时，孔10可以有利地已经填充有导电材料。因此，增加了导电结构100的导电性，同时保留该方法的简单序列。

该方法可以优选地是低压全模铸造工艺。这使得导电结构100能够以低成本容易且精确地被制造。

在这种情况下，聚合物结构从一开始就预先确定后来的孔10的位置和定向。

填充有导电材料的孔10，其优选地具有基本上非圆形的横截面，因此可以已经被定位并且定向在导电方向s的方向上。因此，成品铸件可以包含具有良好导电性能的内含物，即填充有导电材料的孔10，并且可能仅少量空的孔10。

此处，应该注意，上面描述的所有部件，以其自身和任何组合的形式来看，特别是图中所示的细节，都作为本发明的要素要求得到保护。其修改是本领域技术人员熟悉的。