JP2008211094A - 電気化学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を簡略することができ、容器と封口板のサイズが小さくなっても容器と封口板の溶接が簡単に行える電気化学素子を提供する。
【解決手段】負極活物質１５の上側に配置された負極集電体シート２１、四角形状のシートであって、各側壁１１ｂの上面１１ｃから食み出る位置まで延出形成されて、負極集電体シート２１の側部が、各側壁１１ｂの上面１１ｃに配置されている。封口板１２を容器１１の側壁１１ｂに対して溶接することによって、封口板１２の接合剤２２と各側壁１１ｂの上面１１ｃに形成した金属リング１７（接合剤１９）とが接合し、その接合により金属リング１７と接合剤２２との間に介在する負極集電体シート２１も一体的に接合する。この結果、負極集電体シート２１は、導電膜１８を介して、第２外部端子Ｔ２と電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学素子に関する。

非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学素子は、時計機能のバックアップ電源、半導体のメモリのバックアップ電源、マイクロコンピュータやＩＣメモリ等の電子装置の予備電源、ソーラ時計の電池、モータ駆動用の電源等として使用されている。さらに、近年は、電気自動車の電源やエネルギー変換・貯蔵システムの補助システムなどとしても注目されている。

半導体メモリは不揮発化、時計機能素子の低消費電力化により、電気化学素子は、容量、電流ともそれほど大きなものの必要性が減少している。むしろ、薄型化やリフローハンダ付けにより基板上への実装化の要求が強く望まれている。

そこで、コインまたはボタンのような丸い形状や、四角形状の電気化学素子が提案されている（特許文献１、２）。四角形状の電気化学素子は、丸い形状のものと違って、四角箱状の容器（ケース）をかしめて（クリンプして）封口することができない。そのため、四角形状の電気化学素子は、四角箱状の容器の上部に封口板を抵抗溶接していた。詳述すると、四角箱状の容器内に、正極及び負極からなる対電極、セパレータ、電解質等を収納し、封口板をその上部に載せ、抵抗溶接法を用いたシーム溶接を行っていた。
特開２００１−２１６９５２号 公報 特開２００４−３５６００９号 公報

ところで、抵抗溶接法を用いたシーム溶接を行う場合、負極に用いる電極活物質を予め封口板に接着しておき、該封口板を上から負極等を容器内に押し込み、容器に封口板を押し当てた状態で溶接を行っていることから、溶接前に、電極活物質を封口板に接着しておく接着作業工程があった。電極活物質と封口板との接着が不完全であれば、電極活物質が封口板から剥離してしまい、内部抵抗の上昇など動作不良の原因となっていた。このため、接着作業工程では、封口板と電極活物質の接着の信頼性を確保するために、多大な時間を要するとともに高度な技術を要していた。

しかも、近年、電子デバイスの益々の小型化に伴い、電気化学素子も小型化が要求されることになると、サイズの小さくなった封口板に電極活物質を接着させるのが益々困難になり、生産効率と製品の信頼性を両立する上で問題となっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、製造工程を簡略することができ、容器と封口板のサイズが小さくなっても容器と封口板の溶接が簡単に行え、かつ信頼性の高い電気化学素子を提供することにある。

請求項１の発明は、上方が開口し、第１の電極活物質、セパレータ、第２の電極活物質、電解質を収容する容器と、前記容器の開口部を封口する封口板とを有し、前記容器の外側面に一対の外部端子を形成するとともに、前記容器の開口部に前記一対の外部端子のいずれか一方の外部端子と電気的に接続された金属膜を形成し、前記封口板を、接合剤が前記容器の開口部に形成した金属膜に当接するように、配置し、その当接部分を、溶接して
前記容器を封口し、前記封口板にて封口される容器内に、第１の電極活物質、セパレータ、第２の電極活物質、電解質を収容した電気化学素子であって、前記封口板にて封口される容器の開口側の配置される第１の電極活物質又は第２の電極活物質と電気的に接続される集電体シートの少なくとも一部分を、前記容器の開口部まで延出形成し、前記封口板と前記容器を溶接するとき、前記集電体シートの延出した一部分を介在させて溶接した。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電気化学素子において、前記集電体シートは、ニッケル製のシートである。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の電気化学素子において、前記封口板は、上面を凹こませて、下面に、前記容器の開口部に嵌合する凸部に形成した。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の電気化学素子において、前記容器はアルミナ製であり、前記封口板は、コバール製である。
請求項５の発明は、請求項３に記載の電気化学素子において、前記封口板の下面には、ニッケルよりなる接合剤がメッキにて形成され、前記容器の側壁上面には、コバール製の金属リングが形成され、その上にはニッケル・金メッキにてロウ材が形成されている。

請求項１の発明によれば、集電体シートが接続される電極活物質を用いるため、封口板に負極活物質を接着させる行程が省略でき、製造工程を簡略することができる。また、接着剤を用いないので、活物質と封口板の剥離による電気化学素子の内部抵抗の上昇が生じない。

しかも、負極集電体シートを、容器の開口部からはみ出すサイズに形成して、封口板と容器との間に挟むだけなので、正確な位置決め調整する必要もなく、正確に溶接することができる。そして、容器と封口板のサイズが小さくなればなるほど、高度な技術が要求される容器と封口板の溶接が簡単に行える。

請求項２の発明によれば、溶接することによって、集電体シートは、ニッケル製のシートは、容器の開口部に形成した金属膜を介して、外部端子と電気的に接続される。
請求項３の発明によれば、容器の開口部に凸部を嵌合させることによって、凸部がガイドとなって容器に対する封口板の位置決めは容易となり、容器と封口板の溶接が容易となる。しかも、凸部により、封口後に、負極活物質や正極活物質に適度な圧を加えることができ、電気化学素子の内部抵抗を低くすることができる。

請求項４の発明によれば、アルミナ製の容器と、コバール製の封口板は、熱膨張率は非常に近い材質で成形されているため、熱膨張による体積変化のズレが非常に小さい。従って、基板に電気化学素子を表面実装するためのリフローハンダ付けの際、膨張率の違いによる容器と封口板の体積変化のズレが小さくなるため、溶接部分にかかる力が小さく、溶接した容器と封口板が剥がれない。

請求項５の発明によれば、確実に封口板と容器が溶接される。

（第１実施形態）
以下、本発明の電気化学素子を電気二重層キャパシタに具体化した第１実施形態を、図１及び図２に従って説明する。

図１は、直方体形状の電気化学素子としての電気二重層キャパシタの断面図を示す。図１において、電気二重層キャパシタ１０は、上方が開放した四角箱状の容器１１を有する
とともに、その容器１１に溶接されその開口部を封口する封口板１２を有している。封口板１２にて封口された容器１１内には、第１の電極活物質としての正極活物質１３、セパレータ１４、第２の電極活物質としての負極活物質１５等からなるキャパシタセルが配設されるようになっている。容器１１のサイズは、本実施形態では、５（縦）×５（横）×１（高さ）ｍｍとしている。容器１１の凹部のサイズは、本実施形態では、４．６（縦）×４．６（横）×０．６（深さ）ｍｍとしている。また、封口板１２のサイズは、本実施形態では、５（縦）×５（横）×０．１５（高さ）ｍｍとしている。

容器１１は、その内底面１１ａの全面に耐電圧性の高いタングステンの層よりなる正極集電体１６が形成されているとともに、四方の側壁１１ｂの上面１１ｃにコバール（コバルト：１７、ニッケル：２９、鉄：残の比率の合金）製の金属リング１７が四角環状に形成されている。正極集電体１６の右側は、側壁１１ｂを貫通し、容器１１の底面１１ｄの右側に形成した第１外部端子Ｔ１と電気的に接続されている。金属リング１７は、左側側壁１１ｂの外面に形成されたタングステンの層よりなる導電膜１８を介して、容器１１の底面１１ｄの左側に形成した第２外部端子Ｔ２と電気的に接続されている。

容器１１は、本実施形態では、アルミナ製であって、グリーンシートを複数枚積層し焼成して成形される。詳述すると、焼成前のグリーンシートに、正極集電体１６、導電膜１８となるタングステンを印刷するとともに、金属リング１７となるコバールを側壁１１ｂの上面１１ｃに載せて焼成することによって、容器１１に正極集電体１６、金属リング１７、導電膜１８が形成される。

なお、コバールからなる金属リング１７の熱膨張係数（５．２×１０^−１６／℃）とアルミナ製の容器１１の熱膨張係数（６．８×１０^−１６／℃）は、非常に近い値となり、熱膨張による体積変化のズレが非常に小さくなっている。

また、第１外部端子Ｔ１及び第２外部端子Ｔ２は、焼成された容器１１に対して、ニッケル、金メッキを施すことによって形成される。同様に、その金属リング１７の上部には、ニッケル及び金メッキにて接合剤（ロウ材）１９が形成されている。

正極集電体１６の上面には正極活物質１３が配置されている。正極活物質１３は炭素を含有する導電性接着剤２０を介して正極集電体１６と接着し、該正極集電体１６と電気的に接続されている。正極活物質１３の上側には、セパレータ１４が配置され、そのセパレータ１４の上側には、負極活物質１５が配置されている。

セパレータ１４は、耐熱性の不織布であることが好ましい。つまり、ロール圧延したポーラスフィルム等のセパレータにおいては、耐熱性があるものの、抵抗溶接法を利用したシーム溶接時の熱で圧延方向に縮んでしまい、内部ショートを起こし易いため好ましくない。耐熱性のある樹脂又はガラス繊維を用いたセパレータの場合、縮みが少なく良好であった。樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が良好であった。特に、ガラス繊維が有効である。また、セパレータ１４を、セラミックスの多孔質体で成形しても良い。

負極活物質１５と負極集電体シート２１は一体成形されており、負極集電体シート２１は集電体として作用する。負極集電体シート２１は、本実施形態では、厚さ２マイクロメートルのニッケル製のシートを用いており、その上に負極活物質１５が形成されている。負極集電体シート２１は、四角形状のシートであって、各側壁１１ｂの上面１１ｃからはみ出る位置まで延出形成されている。従って、負極集電体シート２１の側部が、各側壁１１ｂの上面１１ｃに配置されている。

各側壁１１ｂの上面１１ｃには、封口板１２が溶接されている。封口板１２は、前記金属リング１７と同じ材質のコバールで形成され、金属リング１７との熱膨張係数を同じにしている。封口板１２は、下面（容器１１側の面）全体にニッケルよりなる接合剤２２がメッキにて形成されている。封口板１２を容器１１の側壁１１ｂに対して溶接することによって、接合剤２２と各側壁１１ｂの上面１１ｃに形成した金属リング１７（接合剤（ロウ材）１９）とが接合し、その接合により金属リング１７と接合剤２２との間に介在する負極集電体シート２１も一体的に接合する。この結果、負極集電体シート２１は、導電膜１８を介して、第２外部端子Ｔ２と電気的に接続される。

溶接は、本実施形態では、抵抗溶接の原理を利用したパラレルシーム溶接機を使用し、封口板１２の向かい合う２辺をそれぞれ同時に溶接を行う。また、封口板１２が容器１１に溶接される際、該容器１１内に、封口板１２にて上から押圧された状態で、正極活物質１３、セパレータ１４、負極活物質１５が収容されるとともに電解液２３が収容される。そして、封口板１２の押圧により、負極活物質１５と正極活物質１３が互いに圧接し、内部抵抗を低くする効果が生じている。

つまり、図２に示すように、容器１１に、まず、正極活物質１３を配置する。このとき、正極活物質１３の下面に導電性接着剤２０を付けて配置し、正極集電体１６と正極集電体１６とが電気的に接続されように配置する。続いて、セパレータ１４を正極集電体１６の上面に配置した後、負極集電体シート２１と一体形成された負極活物質１５を配置する。負極集電体シート２１は負極活物質１５より大きく作られているため、容器１１の開口部を完全に塞ぐように配置される。このとき、負極活物質１５の上面は、容器１１の開口部より若干上方に突出した状態にある。次に、容器１１内に電解液２３を注入する。

電解液２３を注入した後、封口板１２を、容器１１の開口部を完全に塞ぐように、上方から側壁１１ｂの上面（接合剤１９）に当接させる。このとき、負極集電体シート２１を介して、正極活物質１３，セパレータ１４及び負極活物質１５は圧縮されて容器１１内に収容される。

そして、この状態から、パラレルシーム溶接機を使用して、容器１１と封口板１２を溶接することによって、電気二重層キャパシタ１０が完成する。
次に、上記のように構成した本実施形態の効果を以下に記載する。

（１）本実施形態では、負極集電体シート２１を、容器１１の開口部の四方にはみ出させ、封口板１２と容器１１と溶接する際に、負極集電体シート２１のはみ出した一部分が、封口板１２と容器１１の側壁１１ｂの上面１１ｃと挟持された状態で溶接せるようにした。

従って、従来のように、封口板に負極活物質を接着させる行程が省略でき、製造工程を簡略することができる。また、接着剤を用いていないので、活物質と封口板の剥離による電気化学素子の内部抵抗の上昇が生じない。

しかも、負極集電体シート２１を、容器１１の開口部の四方にはみ出すサイズに形成し、封口板１２と容器１１との間に挟むだけなので、正確な位置決め調整する必要もなく、正確に溶接することができる。特に、容器１１と封口板１２のサイズが小さくなればなるほど、高度な技術が要求される容器１１と封口板１２の溶接が、簡単に行える。

（２）本実施形態では、容器１１の側壁１１ｂに形成した金属リング１７を、アルミナで成形した容器１１の熱膨張係数（６．８×１０^−１６／℃）に近いコバール（熱膨張係数５．２×１０^−１６／℃）を用いた。従って、溶接する際に、体積変化によるズレが小
さく抑えられ、信頼性の高い溶接ができる。また、電気二重層キャパシタ１０を、基板に表面実装する際に行われるリフローハンダ付けにおいても、体積変化によるズレが小さく溶接部分を損傷させることがない。

（３）本実施形態では、封口板１２と金属リング１７と同じ材質のコバールで形成し互いに熱膨張係数を同じにした。従って、溶接する際に、体積変化によるズレがなく、信頼性の高い溶接ができる。また、電気二重層キャパシタ１０を、基板に表面実装する際に行われるリフローハンダ付けにおいても、体積変化によるズレが小さく溶接部分を損傷させることがない。

（４）本実施形態では、容器１１の内底面１１ａに正極集電体１６に耐電圧の高いタングステンを使用した。従って、プラス（正極側）に電位がかかったとき、溶融しない。
（第２実施形態）
次に、本発明の電気化学素子を電気二重層キャパシタに具体化した第２実施形態を、図３及び図４に従って説明する。

本実施形態は、容器１１内に収容される正極活物質とセパレータ及び負極活物質等からなるキャパシタセルの構成が相違する。従って、説明の便宜上、共通部分は符号を同一にし、詳細な説明は省略し、その相違する点について詳細に説明する。

図３において、容器１１内に収容されるキャパシタセルは、折り曲げ可能なシート状であって、正極活物質３１、セパレータ３２及び負極活物質３３が、それぞれシート状に形成されている。シート状の正極活物質３１は、シート状のセパレータ３２を介して、同じくシート状に形成された負極活物質３３が積層されている。

そして、シート状の正極活物質３１であって、セパレータ３２と反対側の面には、正極集電体シート３４が貼り合わされている。正極集電体シート３４は、正極活物質３１を完全に覆うとともに、シートの長手方向の一側に延出部３４ａを延出形成している。

一方、シート状の負極活物質３３であって、セパレータ３２と反対側の面には、負極集電体シート３５が貼り合わされている。負極集電体シート３５は、負極活物質３３を完全に覆うとともに、シートの長手方向の他側に延出部３５ａを延出形成している。

このように、構成された、シート状のキャパシタセルを、容器１１に収容できるように、折りたたむ。この折りたたみは、一側面に負極集電体シート３５が、他側面に正極集電体シート３４が現れるように、図４に示すように、シート状のキャパシタセルを巻き込むように、折りたたむ。

そして、折りたたんだセルキャパシタを、セルキャパシタの正極集電体シート３４が現れている側から容器１１内に収容する。このとき、図４に示すように、正極集電体シート３４の延出部３４ａは、折り曲げられて、導電性接着剤２０を介して正極集電体１６と電気的に接続される。一方、容器１１の開口側に面した、負極集電体シート３５の延出部３５ａは、右側の側壁１１ｂの上面１１ｃの上方位置から外方に突出する。

この状態から、容器１１内に電解液２３を注入した後、封口板１２を、容器１１の開口部を完全に塞ぐように、上方から側壁１１ｂの上面（接合剤１９）に当接させる。このとき、キャパシタセルは圧縮されて容器１１内に収容される。そして、パラレルシーム溶接機を使用して、容器１１と封口板１２を溶接することによって、電気二重層キャパシタ１０が完成する。

本実施形態においても、第１実施形他と同様な効果を奏し、封口板１２に負極活物質３３を接着させる行程が省略でき、製造工程を簡略することができるとともに、容器１１と封口板１２のサイズが小さくなっても、容器１１と封口板１２の溶接が簡単に行える。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、容器１１の内底面１１ａ側に正極活物質１３、開口側に負極活物質１５を配置したが、これを逆にして実施してもよい。つまり、容器１１の内底面１１ａ側に負極活物質１５、開口側に正極活物質１３を配置して実施してもよい。この場合、正極集電体をシート状にし、少なくとも一部分を、容器１１の開口部より外にはみ出させて、封口板１２と容器１１と溶接する際に、その一部分が封口板１２と容器１１との間に介在された状態で溶接される必要がある。

・上記実施形態では、負極集電体シート２１は、そのはみ出しが容器１１の開口部の四方にはみ出させたが、例えば、そのはみ出しは一部分であってもよい。要は、封口板１２と容器１１と溶接した場合に、少なくとも、負極集電体シート２１の一部分が、封口板１２と容器１１の側壁１１ｂの上面１１ｃと挟持されれば、そのはみ出し具合は適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、負極集電体シート２１の厚さは、５マイクロメートルとしたが、２０マイクロメートル以下が好ましい。より好ましくは、５〜１０マイクロメートルがこのましい。負極集電体シート２１の厚さが、厚すぎると、抵抗溶接の原理を利用したパラレルシーム溶接を行うとき、はみ出している部分が段差となり、十分に溶融しない場合があるからである。逆に、薄すぎると、強度が弱くなり負極集電体シート２１のハンドリングが難しくなるとともに、パラレルシーム溶接のとき切断して電気的導通性に支障をきたすからである。

・上記実施形態では、容器１１は、アルミナ製であって、グリーンシートを焼成して成形した。これを、容器１１を、例えば、耐熱樹脂、ガラス、その他のセラミック又はセラミックガラス等の耐熱材料で成形してもよい。製法としては、低融点のガラスやガラスセラミックスに導体印刷により配線を施し積層し低温で焼成することになる。

・上記実施形態では、容器１１の側壁１１ｂに形成した金属リング１７を、アルミナで成形した容器１１の熱膨張係数に近いコバールを用いたが、これに限定されるものではなく、容器１１の熱膨張係数に応じて、その熱膨張率に近い導電性材料を適宜変更して実施してもよい。

・上記実施形態では、正極集電体１６を、耐食性のあるタングステンで形成した。これを、例えば、厚膜法で形成できるバナジウム、銀、白金、金が好ましい。また。アルミニウム、炭素を使用してもよい。容器１１の内底面１１ａに正極集電体１６を形成する場合には、特に、金又はタングステンが好ましい。金及びタングステンは、ともに、耐電圧の高いく、プラス（正極側）に電位がかかったとき溶融しないからである。

・上記実施形態では、容器１１と封口板１２の溶接を抵抗溶接法の利用したシーム溶接で行った。これを、レーザを利用して溶接してもよい。
・上記実施形態では、電気化学素子として電気二重層キャパシタ１０に具体化したが、非水電解質電池に応用してもよい。

・上記第２実施形態では、シート状のキャパシタセルは、シート状のキャパシタセルを巻き込むように折りたたんだ。これを、図５に示すように、シート状のキャパシタセルをつづら折りに折りたたんで形成し、容器１１に収容してもよい。

・上記実施形態では、封口板１２は、平板であった。これを、図６に示すように、封口板１２の上面１２ａを凹ませて、封口板１２の下面１２ｂから凸部４１を突出させる。そして、該凸部４１を容器１１の開口部に嵌合させるようにする。従って、凸部４１がガイドとなって容器１１に対する封口板１２の位置決めは容易となり、容器１１と封口板１２の溶接が容易となる。凸部４１により、封口後に、負極活物質１５に適度な圧を加えることができ、負極集電体シート２１と負極活物質１５との電気的接続をより確実なものにすることができる。

第１実施形他の電気二重層キャパシタの断面図。 同じく電気二重層キャパシタの製造方法を説明するための断面図。 第２実施形他の電気二重層キャパシタの断面図。 同じく電気二重層キャパシタの製造方法を説明するための断面図。 電気二重層キャパシタの別例を説明するための断面図。 電気二重層キャパシタの別例を説明するための断面図。

符号の説明

１０…電気二重層キャパシタ、１１…容器、１１ｂ…側壁、１１ｃ…上面、１２…封口板、１２ａ…上面、１２ｂ…下面、１３…正極活物質、１４…セパレータ、１５…負極活物質、１６…正極集電体、１７…金属リング、１８…導電膜、１９…接合剤（ロウ材）、２０…導電性接着剤、２１…負極集電体シート、２２…接合剤、２３…電解液、３１…正極活物質、３２…セパレータ、３３…負極活物質、３４…正極集電体シート、３４ａ…延出部３４ａ、３５…負極集電体シート、３５ａ…延出部、４１…凸部、Ｔ１…第１外部端子、Ｔ２…第２外部端子。

Claims (5)

1. 上方が開口し、第１の電極活物質、セパレータ、第２の電極活物質、電解質を収容する容器と、前記容器の開口部を封口する封口板とを有し、
   前記容器の外側面に一対の外部端子を形成するとともに、前記容器の開口部に前記一対の外部端子のいずれか一方の外部端子と電気的に接続された金属膜を形成し、
   前記封口板を、接合剤が前記容器の開口部に形成した金属膜に当接するように、配置し、その当接部分を、溶接して前記容器を封口し、前記封口板にて封口される容器内に、第１の電極活物質、セパレータ、第２の電極活物質、電解質を収容した電気化学素子であって、
   前記封口板にて封口される容器の開口側の配置される第１の電極活物質又は第２の電極活物質と電気的に接続される集電体シートの少なくとも一部分を、前記容器の開口部まで延出形成し、前記封口板と前記容器を溶接するとき、前記集電体シートの延出した一部分を介在させて溶接したことを特徴とする電気化学素子。
2. 請求項１に記載の電気化学素子において、
   前記集電体シートは、ニッケル製のシートであることを特徴とする電気化学素子であることを特徴とする電気化学素子。
3. 請求項１又は２に記載の電気化学素子において、
   前記封口板は、上面を凹こませて、下面に、前記容器の開口部に嵌合する凸部に形成したことを特徴とした電気化学素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の電気化学素子において、
   前記容器はアルミナ製であり、容器の開口部に形成した金属膜と前記封口板はコバール製であることを特徴とする電気化学素子。
5. 請求項３に記載の電気化学素子において、
   前記封口板の下面には、ニッケルよりなる接合剤がメッキにて形成され、前記容器の側壁上面には、コバール製の金属リングが形成され、その上にはニッケル・金メッキにてロウ材が形成されていることを特徴とする電気化学素子。

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