JP2014013784A - 電気化学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を確保しつつ長期信頼性を向上させることができる電気化学デバイスを提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスは、容器１０と、蓄電素子２０と、構造体５０とを具備する。容器１０は、容器本体１１と、容器本体１１と接合される蓋１２とを含み、内部に電解液３０を封入する。蓄電素子２０は、第１の電極層（正電極層２１）と、第２の電極層（負電極層２２）と、第１の電極層（正電極層２１）と第２の電極層（負電極層２２）との間に配置され電解液３０を保持するセパレータ２３とを含む。構造体５０は、容器本体１１及び蓋１２各々の内面の少なくとも何れか一方に設けられる。構造体５０は、蓄電素子２０を圧縮変形させることで、第１の電極層（正電極層２１）と第２の電極層（負電極層２２）との間に挟持されるセパレータ２３の領域内に当該領域の周縁部よりも厚みの小さい薄肉部２３ａを形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、充放電可能な蓄電素子を内蔵した電気化学デバイスに関する。

電気化学デバイスにおいて電解液は、正負電極間の導通経路、容量発現のためのイオンの供給源としての役割を担っており、電解液の枯渇は即ち、電気化学デバイスの機能停止を意味する。したがって電気化学デバイスには、長期信頼性を向上させるために電解液の保持時間が長い構造が要求されている。

充放電が可能な蓄電素子を備える電気化学デバイスは、一般に、正電極と、負電極と、これらの間に配置されたセパレータとを含む蓄電素子を電解液とともに収容する密閉性の容器を有する。

例えば下記特許文献１には、容器と、容器の開口部に嵌合する凸部が形成された封口板とを有する電気化学素子が記載されている。当該電気化学素子においては、上記凸部のガイド機能により容器に対する封口板の位置決めが容易となり、封口板を容器にシーム溶接する上で封止性が高まるとしている。

一方、下記特許文献２には、正負の電極板及び電解液を収容するセラミックス製の基体と、当該基体に接合される板状の蓋体とを備え、基体の底面が上に凸となるように反り、蓋体が下に凸となるように反った電気二重層キャパシタが記載されている。当該電気二重層キャパシタにおいては、容器の内部要素を確実に固定することができるとしている。

特開２００８−２１１０５６号公報 特開２００６−１２８０８０号公報

しかしながら上記特許文献１に記載の構成では、容器の開口部に封口板を接合する際、封口板の凸部によって容器内の電解液が容器の周縁に向かって押し出され、封口板との接合面に電解液が溢れ出るおそれがある。この場合、溶接作業性が悪化し、生産性の低下を招く。上記特許文献２に記載の構成も同様に、基体及び蓋体の反りが原因で、蓋体の接合時に電解液が溢れ出るおそれがあり、生産性確保が困難となる。一方、このような問題を回避するために容器内の電解液の量を減らすと、素子の寿命が短くなり、長期信頼性を確保することが困難となる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、生産性を確保しつつ長期信頼性を向上させることができる電気化学デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、容器と、蓄電素子と、構造体とを具備する。
上記容器は、第１の内面を有する容器本体と、上記第１の内面に対向する第２の内面を有し上記容器本体と接合される蓋とを含み、内部に電解液を封入する。
上記蓄電素子は、上記第１の内面に接着される第１の電極層と、上記第２の内面に接着される第２の電極層と、上記第１の電極層と上記第２の電極層との間に配置され上記電解液を保持するセパレータとを含む。上記蓄電素子は、上記第１の内面と上記第２の内面との間に挟持される。
上記構造体は、上記第１及び第２の内面の少なくとも何れか一方に設けられる。上記構造体は、上記蓄電素子を圧縮変形させることで、上記第１の電極層と上記第２の電極層との間に挟持される上記セパレータの領域内に当該領域の周縁部よりも厚みの小さい薄肉部を形成する。

本発明の第１の実施形態に係る電気化学デバイスの全体構成を示す斜視図である。 上記電気化学デバイスの平面図である。 図２における［Ａ］−［Ａ］線方向の概略断面図である。 上記電気化学デバイスの容器本体の平面図である。 上記電気化学デバイスを構成するセパレータの概略平面図であり、上記セパレータに形成される薄肉部の一形態を示す。 上記セパレータに形成される薄肉部の他の形態を示す平面図である。 比較例に係る電気化学デバイスの概略側断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電気化学デバイスの概略側断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る電気化学デバイスの概略側断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る電気化学デバイスの概略側断面図である。 図１０に示す電気化学デバイスを構成するセパレータの概略平面図である。

本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスは、容器と、蓄電素子と、構造体とを具備する。
上記容器は、第１の内面を有する容器本体と、上記第１の内面に対向する第２の内面を有し上記容器本体と接合される蓋とを含み、内部に電解液を封入する。
上記蓄電素子は、上記第１の内面に接着される第１の電極層と、上記第２の内面に接着される第２の電極層と、上記第１の電極層と上記第２の電極層との間に配置され上記電解液を保持するセパレータとを含む。上記蓄電素子は、上記第１の内面と上記第２の内面との間に挟持される。
上記構造体は、上記第１及び第２の内面の少なくとも何れか一方に設けられる。上記構造体は、上記蓄電素子を圧縮変形させることで、上記第１の電極層と上記第２の電極層との間に挟持される上記セパレータの領域内に当該領域の周縁部よりも厚みの小さい薄肉部を形成する。

上記電気化学デバイスにおいて、構造体は、蓄電素子を圧縮変形させることでセパレータに薄肉部を形成する。セパレータの薄肉部は、他の領域よりも高密度であるため、毛細管現象により電解液は薄肉部に集まり、薄肉部の保液量が高まる。したがって、例えば長期使用による電解液の分解によって容器内の電解液量が低下した場合でも、セパレータの薄肉部に電解液を集約することができるため、長期にわたるデバイスの安定した動作を確保することができる。

また薄肉部は、第１の電極層と第２の電極層との間に挟持されるセパレータの領域の周縁部よりも小さい厚みで形成されるため、容器本体への蓋の接合時に上記領域の外側に押し出される電解液の量を低減することができる。これにより容器本体と蓋との接合部への電解液の侵入や夾雑を抑えることができるため、安定した接合作業性を確保でき、生産効率が高められる。

すなわち上記周縁部上に薄肉部が形成されると、デバイスの組み立て時（封止時）における圧縮作用で電解液がセパレータの外周側に押し出されやすくなる。これを防止するため、上記電気化学デバイスにおいては、上記領域の周縁部から離間した位置に薄肉部が形成される。

上記薄肉部は、セパレータの表面に設けられたディンプルで形成されてもよい。すなわち上記セパレータは、上記第１の電極層に接触する第１の表面と、上記第２の電極層に接触する第２の表面とを有し、上記薄肉部は、上記第１及び第２の表面の少なくとも一方の面に、上記周縁部から離間して形成された少なくとも１つのディンプルを含む。
これにより、薄肉部として、その中心部に向かって厚みが徐々に小さくなるような形態を得ることができる。

上記構造体は、セパレータの所定位置に上記薄肉部を形成できる構成であれば特に限定されず、容器本体（第１の内面）側および蓋（第２の内面）側のいずれか一方に設けられてもよいし、あるいは両方に設けられてもよい。

セパレータは、電解液に対する耐久性を有し、正電極層と負電極層との間におけるイオンの授受が可能な絶縁性の材料であれば特に限定されず、多孔質材料や不織布等で構成可能である。典型的には、セパレータはガラス繊維を含む不織布で構成される。これにより圧縮度に応じて薄肉部の密度を容易に調整することができる。

典型的には、上記第１及び第２の内面に島状に形成された、上記蓄電素子に向かって突出する突出部を構成する。これによりセパレータの挟持領域内に上記ディンプルを含む薄肉部を形成することができる。

上記突出部は、蓄電素子を局所的に圧縮変形させることが可能な形状、幅、高さ、硬度等を有する。突出部の形状は、例えばドーム形状、円錐台形状が挙げられ、突出部の高さは、例えばセパレータの厚み等に応じて設定される。上記突出部は、導電性を有する方が好ましく、これにより容器の内面と蓄電素子との安定した電気的接続が確保される。

突出部の形成位置は特に限定されず、典型的には、セパレータの中央部に上記薄肉部が形成されるように突出部が配置される。これによりセパレータの厚みは、中央が周囲よりも薄い形状となり、組み立て時においてセパレータの周囲へ押し出される電解液の量を効率よく低減することができる。

第１の内面又は第２の内面上に形成される突出部は、単数に限られず複数であってもよい。これによりセパレータに複数の薄肉部を形成することができるとともに、蓄電素子を容器内に安定に保持することができる。

例えば、上記構造体は、上記第１の内面から上記第１の電極層に向かって突出し導電性接着剤の硬化物で形成された第１の突出部で構成されてもよい。これにより第１の電極層を介してセパレータ上に第１の突出部による圧縮痕（ディンプル）が形成されるため、当該圧縮痕によりセパレータの薄肉部を形成可能である。

この場合、上記容器本体は、上記第１の内面に設けられ上記第１の電極層と電気的に接続される第１の端子と、上記容器本体の外面に設けられた第２の端子と、上記第１の端子と上記第２の端子とを電気的に接続する配線部とをさらに有してもよい。上記第１の突出部は、上記第１の端子を被覆するように上記第１の内面に部分的に形成される。これにより、第１の端子を電解液から保護することができる。

一方、上記構造体は、上記第２の内面から上記第２の電極層に向かって突出し導電性接着剤の硬化物で形成された第２の突出部で構成されてもよい。これにより第２の電極層を介してセパレータ上に第２の突出部による圧縮痕（ディンプル）が形成されるため、当該圧縮痕によりセパレータの薄肉部を形成可能である。

あるいは、上記構造体は、上記第１及び第２の突出部を含む複数の突出部で構成されてもよい。これにより、セパレータ上に複数の圧縮痕が形成されるため、当該圧縮痕によりセパレータの薄肉部を形成可能である。

この場合、上記第１及び第２の突出部は、セパレータの厚み方向に相互に対向して配置されてもよい。これによりセパレータの薄肉部の厚みを調整でき、所望の厚みの薄肉部を形成することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
［全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスの全体構成を示す斜視図、図２は上記電気化学デバイスの平面図である。図３は図２における［Ａ］−［Ａ］線方向の概略断面図である。各図においてＸ，Ｙ及びＺ軸は、相互に直交する３軸方向を示す。

本実施形態の電気化学デバイス１００は、Ｘ軸方向に幅方向、Ｙ軸方向に長さ方向、Ｚ軸方向に高さ方向を有し、例えば、Ｘ軸方向に沿った幅寸法は２．５ｍｍ、Ｙ軸方向に沿った長さ寸法は３．２ｍｍ、Ｚ軸方向に沿った高さ寸法は０．９ｍｍとされる。

本実施形態の電気化学デバイス１００は、容器１０と、容器１０の内部に電解液３０と共に封入された蓄電素子２０とを有する。電気化学デバイス１００は、充放電可能な電気二重層キャパシタあるいは二次電池として構成される。電気化学デバイス１００は、例えば、電子機器のバックアップ電源等として使用される。電気化学デバイス１００は、図示しない電子機器の回路基板上に、リフローはんだ付け法等により実装される。

（容器）
容器１０は直方体で形成され、容器本体１１と、蓋１２と、シールリング１３とを有する。容器１０は、シールリング１３を挟んで容器本体１１と蓋１２とを相互に接合することで構成される。

図４は、容器本体１１の平面図である。容器本体１１は、セラミックス等の絶縁性材料からなり、全体が略直方体で形成されている。図３に示すように容器本体１１の上面１１ａには、平面的な底面１４ａ（第１の内面）と４つの側面１４ｂとを有する直方体形状の凹部１４が形成されている。凹部１４は蓋１２に被覆されることで、蓄電素子２０及び電解液３０を収容する液室４０を構成する。

蓋１２は、凹部１４を被覆するように容器本体１１の上面１１ａに接合される略矩形の板材で構成される。蓋１２は、液室４０に対向する平面的な内面１２ａ（第２の内面）を有する板材で形成され、例えば、そのＸ軸方向に沿った幅寸法は２．２ｍｍ、Ｙ軸方向に沿った長さ寸法は２．９ｍｍ、Ｚ軸方向に沿った厚み寸法は０．１４ｍｍとされる。

本実施形態において蓋１２は、４辺の周縁部が中央部よりも容器本体１１側に段落ちした形状を有する。蓋１２は、上記とは逆に、上記周縁部よりも中央部が容器本体１１側に段落ちした形状でもよいし、周縁部及び中央部が同一平面となる平坦な形状に形成されてもよい。

蓋１２は、各種金属等の導電性材料からなり、例えばコバール（Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）−Ｃｏ（コバルト）合金）で構成される。また蓋１２は、電解腐食を防止するため、コバール等の母材がＮｉ、Ｐｔ（白金）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）あるいはＰｄ（パラジウム）等の耐食性の高い金属からなる被膜によって被覆されたクラッド材で構成されてもよい。

シールリング１３は、金属製のリング部材で構成され、凹部１４を囲むように容器本体１１の上面１１ａと蓋１２との間に配置される。シールリング１３は、蓋１２と同様に、コバールで形成されるが、これ以外の金属材料が用いられてもよい。シールリング１３が蓋１２とを同種あるいは同一の材料で構成されることで、両者間における熱膨張率差に起因する熱応力の発生を低減することができる。

蓋１２は、凹部１４に蓄電素子２０が配置され電解液３０が注入された後、シールリング１３を介して容器本体１１に接合される。これにより容器１０の内部に密閉された液室４０が形成される。蓋１２は容器本体１１に対してレーザ溶接法によって接合されるが、これ以外にも、シーム溶接法等の他の溶接技術あるいは接合技術が採用されてもよい。

容器本体１１は、複数枚のセラミックスシートを積層し焼成することで作製される。凹部１４は、例えば、開口部を有する単数又は複数のセラミックスシートを積層することで形成される。容器本体１１は、液室４０に収容された蓄電素子２０の正電極層２１と電気的に接続される正極配線１５と、蓄電素子２０の負電極層２２と電気的に接続される負極配線１６とを有する。

正極配線１５は、ビア１５ａ（第１の端子）と、外部正極端子１５ｂ（第２の端子）と、層間配線部１５ｃとを有する。ビア１５ａは、凹部１４の底面１４ａに設けられ、蓄電素子２０の正電極層２１と電気的に接続される。外部正極端子１５ｂは容器本体１１の外面に設けられる。本実施形態では容器本体１１の一方側の側面１１ｃから下面１１ｂにかけて外部正極端子１５ｂが形成されている。

ビア１５ａは、凹部１４の底面１４ａを形成するセラミックスシートに形成され、外部正極端子１５ｂは、容器本体１１の底部を形成するセラミックスシートの周面及び裏面に形成される。層間配線部１５ｃは、複数のセラミックスシートの層間に形成される。ビア１５ａ、外部正極端子１５ｂ及び層間配線部１５ｃは、各種金属等の導電性材料で構成され、例えばタングステン（Ｗ）あるいはその上にＮｉ、Ａｕ等が形成された積層膜で形成される。

ビア１５ａは、凹部１４の底部１４ａの略中央部に配置される。ビア１５ａは単数でもよいし複数でもよい。本実施形態では、ビア１５ａは底部１４ａの略中央の３箇所に形成されており、各ビア１５ａをそれぞれ外部正極端子１５ｂに接続する複数の層間配線部１５ｃが設けられている。なお層間配線部１５ｃは、各ビア１５ａに共通の単一の配線部で形成されてもよい。

負極配線部１６は、接続配線部１６ａと、外部負極端子１６ｂと、層間配線部１６ｃとを有する。接続配線部１６ａは、蓄電素子２０の負電極層２２と電気的に接続され、外部負極端子１６ｂは容器本体１１の外面に設けられる。本実施形態では容器本体１１の他方側の側面１１ｄから下面１１ｂにかけて外部負極端子１６ｂが形成されている。

接続配線部１６ａは、容器本体１１の側壁内部に形成され、容器本体１１の上面１１ａに配置されたシールリング１３と電気的に接続される。すなわち接続配線部１６ａは、シールリング１３、蓋１２、及び、後述する第２の突出部５２を介して負電極層２２と電気的に接続される。接続配線部１６ａに代えて、容器本体１１の側壁内部を介してシールリング１３と外部負極端子１６ｂ又は層間配線部１６ｃとの間を接続するビアが形成されてもよい。接続配線部１６ａ、外部負極端子１６ｂ及び層間配線部１６ｃは、各種金属等の導電性材料で構成され、例えばタングステン（Ｗ）あるいはその上にＮｉ、Ａｕ等が形成された積層膜で形成される。

（蓄電素子）
蓄電素子２０は、正電極層２１（第１の電極層）と、負電極層２２（第２の電極層）と、セパレータ２３とを有する。

正電極層２１は、活物質を含むシートで構成される。活物質としては、例えば、活性炭、ＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor：ポリアセン系有機半導体）等が挙げられる。以下、正電極層２１に含まれる活物質を正極活物質という。電気二重層によって正極活物質と電解液の間でキャパシタが形成され、所定の静電容量［Ｆ］が発生する。正電極層２１の静電容量は、正極活物質の量［ｇ］、正極活物質の表面積［ｍ²／ｇ］及び正極活物質の比容量［Ｆ／ｍ²］の積によって規定される。

正電極層２１は、具体的には、正極活物質粒子（例えば活性炭粒子）、導電補助剤（例えばケッチェンブラック）及びバインダ（例えばＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene））の混合物を圧延してシート状に形成し、それを所定サイズに裁断することで作製される。このようにして作製された正電極層２１は、凹部１４の底面１４ａと蓋１２の内面１２ａとの間で挟持されることで、適度に圧縮変形が可能である。一例として、正電極層２１は、０．２ｍｍの厚みで形成される。

負電極層２２は、正電極層２１と同様に活物質を含むシートで構成される。以下、負電極層２２に含まれる活物質を負極活物質という。負極活物質は、正極活物質と同一の物質とすることができ、正極活物質が活性炭である場合には負極活物質も活性炭が用いられる。負電極層２２においても、負極活物質表面に電解質イオンが吸着され、電気二重層が形成される。負電極層２２の静電容量［Ｆ］も、負極活物質の量［ｇ］、負極活物質の表面積［ｍ²／ｇ］及び負極活物質の比容量［Ｆ／ｍ²］の積によって規定される。負極活物質は正極活物質と同一の物質であるので、比容量も同一である。

負電極層２２も正電極層２１と同様に、負極活物質粒子（例えば活性炭粒子）、導電助剤（例えばケッチェンブラック）及びバインダ（例えばＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene））の混合物を圧延してシート状に形成し、それを所定サイズに裁断することで作製される。このようにして作製された負電極層２２は、凹部１４の底面１４ａと蓋１２の内面１２ａとの間で挟持されることで、適度に圧縮変形が可能である。一例として、負電極層２２は、０．２ｍｍの厚みで形成される。

セパレータ２３は、正電極層２１と負電極層２２との間に配置され、電解液３０を保持可能な絶縁材料で構成される。セパレータ２３は、その厚み方向にイオンが通過可能な多孔性の材料からなり、例えばポリオレフィン系の有機材料や不織布等で構成される。本実施形態では、ガラス繊維を含む不織布で構成されるが、これ以外にも、セルロース繊維、プラスチック繊維等の他の繊維材の不織布で構成されてもよい。セパレータ２３の厚みは特に限定されず、例えば、０．０５〜０．２ｍｍの厚みとされる。

セパレータ２３は、正電極層２１及び負電極層２２よりも大きい略矩形に形成される。セパレータ２３は、正電極層２１に接触する第１の表面２３１と、負電極層２２に接触する第２の表面２３２とを有する。セパレータ２３は、厚み方向に圧縮変形が可能であり、正電極層２１と負電極層２２との間で適度に圧縮変形した状態で液室４０に収容される。これにより正電極層２１と負電極層２２との間の内部抵抗が軽減される。

電解液３０は特に限定されず、任意の電解質材料が適用可能である。電解液３０は、例えば、ＢＦ₄ ⁻（四フッ化ホウ素イオン）を含む４級アンモニウム塩溶液、具体的には、５−アゾニアスピロ［４．４］ノナン−ＢＦ₄やエチルメチルイミダゾリウムノナン−ＢＦ₄の溶液が適用可能である。

［構造体］
本実施形態の電気化学デバイス１００は、蓄電素子２０を圧縮変形させることで、正電極層２１と負電極層２２との間に挟持されるセパレータ２３の領域内に当該領域の周縁部よりも厚みの小さい薄肉部２３ａを形成する構造体５０を有する。

本実施形態において構造体５０は、凹部１４の底面１４ａに設けられた第１の突出部５１と、蓋１２の内面１２ａに設けられた第２の突出部５２とを含む。

第１の突出部５１は、凹部１４の底面１４ａ上に島状に形成され、底面１４ａから蓄電素子２０（正電極層２１）に向かって突出するように構成される。第２の突出部５２は、蓋１２の内面１２ａ上に島状に形成され、内面１２ａから蓄電素子２０（負電極層２２）に向かって突出するように構成される。第１及び第２の突出部５１，５２はそれぞれ、正電極層２１及び負電極層２２よりも硬質の材料で形成される。

第１及び第２の突出部５１，５２は、液室４０内において蓄電素子２０を厚み方向（Ｚ軸方向）に圧縮変形させることで、セパレータ２３に薄肉部２３ａを形成する。本実施形態において第１及び第２の突出部５１，５２は、Ｚ軸方向に相互に対向するように凹部１４の底面１４ａと蓋１２の内面１２ａとにそれぞれ設けられている。このため第１及び第２の突出部５１，５２により蓄電素子２０はその両面から圧縮変形を受け、セパレータ２３には単一の薄肉部２３ａが形成される。

薄肉部２３ａの厚みは特に限定されず、例えば、５μｍ以上５０μｍ以下とされる。この場合、薄肉部２３ａとセパレータ２３の最外周部との厚みの差は、例えば、１０μｍ以上１５０μｍ以下とされる。

第１及び第２の突出部５１，５２は、それぞれ導電性接着剤の硬化物で形成される。これにより正電極層２１とビア１５ａとの間、及び、負電極層２２と蓋１２との間の安定した電気的接続を確保することができる。

第１の突出部５１は、正電極層２１を凹部１４の底面１４ａに接着すると共に両者を電気的に接続する正極接着層を構成する。第１の突出部５１は、凹部１４の底面１４ａと正電極層２１との間の一部の領域に形成され、本実施形態では、図４に示すように３つのビア１５ａを被覆する大きさに形成される。これによりビア１５ａは、電解液３０との接触による腐蝕から保護される。

第１の突出部５１を構成する導電性接着剤には、導電性粒子を含有する合成樹脂材料が用いられる。導電性粒子としては、導電性、化学的安定性が高いものが好ましく、例えばグラファイト粒子が用いられる。導電性粒子を含有する合成樹脂材料としては、電解液に対する膨潤性が小さく、耐熱性及び化学的安定性が高いものが好ましく、例えばフェノール樹脂が用いられる。

第１の突出部５１は、円形のドーム状に形成される。これにより正電極層２１を介してセパレータ２３に薄肉部２３ａを安定に形成することができる。第１の突出部５１は、正電極層２１を介してセパレータ２３の第１の表面２３１を局所的に圧縮し、当該第１の表面２３１に圧縮痕として所定深さのディンプルＤ１を形成する。ディンプルＤ１は、正電極層２１と負電極層２２との間に挟持されるセパレータ２３の領域内に当該領域の周縁部から離間して形成され、薄肉部２３ａの一部を構成する。

第１の突出部５１の形成方法は特に限定されず、例えばスクリーン印刷法、ポッティング法等の種々の塗布法を用いることができる。第１の突出部５１がドーム状に形成されることにより、正電極層２１に過大なストレスをかけることなく、所望の大きさの薄肉部２３ａを形成することができる。

第１の突出部５１の高さは特に限定されず、液室４０の高さ、正電極層２１の厚みや弾性率、薄肉部２３ａの厚み等に応じて適宜設定可能であり、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下とされる。厚みが１０μｍ未満の場合、薄肉部２３ａの形成が困難であり、厚みが１００μｍを越えると、正電極層２１に過剰なストレスを与え正電極層２１の破損を招くおそれがある。

一方、第２の突出部５２は、負電極層２２を蓋１２の内面１２ａに接着すると共に両者を電気的に接続する負極接着層を構成する。第２の突出部５２は、蓋１２の内面１２ａと負電極層２２との間の一部の領域に形成される。第２の突出部５２を構成する導電性接着剤には、第１の突出部５１と同様に、導電性粒子を含有する合成樹脂材料が用いられる。この合成樹脂材料には、第１の突出部５１を構成する導電性接着剤と同種の又は異種の導電性接着剤を用いることができる。

第２の突出部５２もまた、第１の突出部５１と同様に、円形のドーム状に形成される。これにより負電極層２２を介してセパレータ２３に薄肉部２３ａを安定に形成することができる。第２の突出部５２は、負電極層２２を介してセパレータ２３の第２の表面２３２を局所的に圧縮し、当該第２の表面２３２に圧縮痕として所定深さのディンプルＤ２を形成する。ディンプルＤ２は、正電極層２１と負電極層２２との間に挟持されるセパレータ２３の領域内に当該領域の周縁部から離間して形成され、薄肉部２３ａの一部を構成する。

第２の突出部５２の形成方法は特に限定されず、例えばスクリーン印刷法、ポッティング法等の種々の塗布法を用いることができる。第２の突出部５２がドーム状に形成されることにより、負電極層２２に過大なストレスをかけることなく、所望の大きさの薄肉部２３ａを形成することができる。

第２の突出部５２の高さは特に限定されず、液室４０の高さ、負電極層２２の厚みや弾性率、薄肉部２３ａの厚み等に応じて適宜設定可能であり、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下とされる。厚みが１０μｍ未満の場合、薄肉部２３ａの形成が困難であり、厚みが１００μｍを越えると、負電極層２２に過剰なストレスを与え負電極層２２の破損を招くおそれがある。

本実施形態において第２の突出部５２の形状、大きさ、高さは、第１の突出部５１のそれらと同等となるように形成されているが、これに限られず、例えば形状、大きさ及び高さの少なくとも１つが第１の突出部５１のそれと異なるように形成されてもよい。

図５は、薄肉部２３ａが形成されたセパレータ２３の平面図である。図においてハッチングで示す領域Ｃは、正電極層２１と負電極層２２との間に挟持されるセパレータ２３の領域を示しており、ドット状の領域は薄肉部２３ａを示している。第１及び第２の突出部５１，５２は、凹部１４の底面１４ａ及び蓋１２の内面１２ａにそれぞれ島状に形成されており、図５に示すように領域Ｃ内において領域Ｃの周縁部Ｃａから離間した位置に薄肉部２３ａを形成する。

上述のように薄肉部２３ａは、ディンプルＤ１とディンプルＤ２とを含み、第１及び第２の突出部５１，５２とにより圧縮変形を受けて形成される。したがって薄肉部２３ａは、領域Ｃの周縁部Ｃａにおける厚みよりも薄く、ディンプルＤ１，Ｄ２の形状に対応するように中心部に向かって厚みが徐々に小さくなるような形態を有する。

図６に、領域Ｃの周縁部上に薄肉部が形成された例を示す。領域Ｃの周縁部上に薄肉部２３０ａが形成されると、デバイスの組み立て時に構造体による圧縮作用でセパレータに含浸されていた電解液が周囲に押し出されやすくなる。

上述のようにセパレータ２３は、組立て時（封止時）において厚み方向に所定量圧縮される。この際、薄肉部２３ａは、第１及び第２の突出部５１，５２により領域Ｃ内の他の領域よりも大きな圧縮変形を受けるが、薄肉部２３ａは領域Ｃの周縁部Ｃａからセパレータ２３の中心側へ離間した位置に設けられているため、薄肉部２３ａが形成される際に領域Ｃの外側に向かって押し出される電解液の量を抑えることが可能となる。

またセパレータ２３は、ガラス繊維を含む不織布で構成される。したがって薄肉部２３ａは、セパレータ２３の他の領域よりも高密度となり、毛細管現象により薄肉部２３ａに電解液３０が集まることで保液量が高まる。したがって、例えば長期使用による電解液の分解によって、容器１０内の電解液量が低下した場合でも、セパレータ２３の薄肉部２３ａに電解液を集約することができるため、電気化学デバイス１００の長期にわたる安定した動作を確保することができる。

［本実施形態の作用］
図７は、比較例として示す電気化学デバイス２００の概略側断面図である。同図において図３と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

比較例に係る電気化学デバイス２００は、容器本体１１の凹部１４と正電極層２１とを接着する導電性接着層６１と、蓋１２と負電極層２２とを接着する導電性接着層６２とがそれぞれ平坦に形成された構造を有する。このような構成の電気化学デバイス２００においては、液室４０においてセパレータ２３が一様な厚みとなるため、セパレータ２３の密度または空隙が一様な場合、セパレータ２３が保持する電解液の分布も一様となる。したがってデバイスの長期間の使用において電解液の分解、枯渇も一様に発生する結果、正負電極層２１，２２間を導通させることが可能な残電解液量であっても、その電解液がセパレータ２３に一様に分布した場合には液量不足となるおそれがある。

これに対して本実施形態の電気化学デバイス１００においては、セパレータ２３の中心部に高密度な薄肉部２３ａが形成されるため、当該薄肉部２３ａにおいては少ない量の電解液で正負電極層２１，２２間の導通を確保することができる。更に、毛細管現象により電解液３０は薄肉部２３ａへ供給される。デバイスの長期間の使用で電解液が分解しても、薄肉部２３ａには局所的に電解液３０が存在する。したがって、ある電解液量で比較すると、本実施形態によれば、比較例に係る電気デバイス２００よりも長期にわたってデバイスを動作させることが可能となる。

また比較例に係る電気化学デバイス２００においては、容器本体１１と蓋１２とを相互に接合するに際して、セパレータ２３が一様に圧縮変形を受け、これによりセパレータ２３に含浸されていた電解液３０が等方的に蓄電素子２０の周囲へ押し出されてしまう。そのため、デバイスを溶接封止する際に、電解液が外方向へ飛散し、溶接面を浸漬し又は溶接部に夾雑する可能性が高くなる。電解液の夾雑は、溶接不良に直結し、歩留まり低下の要因となる。

これに対して本実施形態の電気化学デバイス１００においては、セパレータ２３の外周部は、中央の薄肉部２３ａと比較して、電解液３０の保持量を少ない状態とされる。したがってセパレータ２３の外周部は、蓋１２による封止時に蓄電素子２０の外方へ移動する電解液の受け皿としての役割を果たす。これにより電解液の飛散や溶接部への電解液の夾雑を抑制し、歩留まりを向上させることができる。

＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態に係る電気化学デバイスの構成を示す概略側断面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態の電気化学デバイス３００において、セパレータ２３はその中央部に他の領域よりも高密度な薄肉部２３ｂを有する。この薄肉部２３ｂを形成する構造体は、本実施形態では、容器本体１１の凹部１４と蓄電素子２０の正電極層２１との間に設けられた突出部５１のみで構成される。突出部５１は、セパレータ２３の第１の表面２３１にディンプルＤ１を形成し、当該ディンプルＤ１により薄肉部２３ｂが形成される。

突出部５１は、上述の第１の実施形態における第１の突出部５１に対応し同一の構成を有するため、その説明は省略する。一方、蓋１２と負電極層２２との間には、これらの間を接着すると共にこれらの間を電気的に接続する導電性接着層６２が設けられる。導電性接着層６２は、蓋１２と負電極層２２との対向面全域に形成された平坦な層で形成される。

以上のように構成される本実施形態においても、蓋１２による液室４０の封止時に、正電極層２１を介してセパレータ２３上に突出部５１による圧縮痕が形成されるため、当該圧縮痕によりセパレータ２３の薄肉部２３ｂを形成可能である。これにより上述の第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係る電気化学デバイスの構成を示す概略側断面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態の電気化学デバイス４００において、セパレータ２３はその中央部に他の領域よりも高密度な薄肉部２３ｃを有する。この薄肉部２３ｃを形成する構造体は、本実施形態では、蓋１２の内面１２ａと蓄電素子２０の負電極層２２との間に設けられた突出部５２のみで構成される。突出部５２は、セパレータ２３の第２の表面２３２にディンプルＤ２を形成し、当該ディンプルＤ２により薄肉部２３ｃが形成される。

突出部５２は、上述の第１の実施形態における第２の突出部５２に対応し同一の構成を有するため、その説明は省略する。一方、凹部１４の底面１４ａに設けられたビア１５ａと正電極層２１との間には、これらの間を接着すると共にこれらの間を電気的に接続する導電性接着層６１が設けられる。導電性接着層６１は、底面１４ａと正電極層２１との対向面全域に形成された平坦な層で形成されると共に、ビア１５ａを被覆し電解液３０との接触による腐蝕からビア１５ａを保護する。

以上のように構成される本実施形態においても、蓋１２による液室４０の封止時に、負電極層２２を介してセパレータ２３上に突出部５２による圧縮痕が形成されるため、当該圧縮痕によりセパレータ２３の薄肉部２３ｃを形成可能である。これにより上述の第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る電気化学デバイスの構成を示す概略側断面図である。図１１はそのセパレータ２３の概略平面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態の電気化学デバイス５００は、セパレータ２３に複数の薄肉部が形成される点で上述の各実施形態と異なる。すなわち本実施形態においてセパレータ２３は、その中央部に形成された第１の薄肉部２３ｄと、第１の薄肉部２３ｄを挟むように形成された第２及び第３の薄肉部２３ｅ，２３ｆとを有する。第１〜第３の薄肉部２３ｄ〜２３ｆは、セパレータ２３の他の領域よりも高密度に形成される。

第１の薄肉部２３ｄは、容器本体１１の凹部１４の底面に設けられた第１の突出部５１により形成され、第１の突出部５１に対向するディンプルＤ１を含む。一方、第２及び第３の薄肉部２３ｅ，２３ｆは、蓋１２の内面１２ａに形成された第２及び第３の突出部５２ａ，５２ｂによりそれぞれ形成され、第２及び第３の突出部５２ａ，５２ｂに対向するディンプルＤ２ａ，Ｄ２ｂを含む。第２及び第３の薄肉部５２ａ，５２ｂは、導電性接着剤の硬化物からなり、蓋１２と負電極層２２とを相互に接着すると共に、これらの間を電気的に接続する。

第２及び第３の突出部５２ａ，５２ｂは、第１の突出部５１とＺ軸方向に対向しない位置に相互に分離して配置される。また第２及び第３の突出部５２ａ，５２ｂは、第１の突出部５１よりも小径のドーム状に形成される。その結果、第１の薄肉部２３ｄと第２及び第３の薄肉部２３ｅ，２３ｆとは、図１１に示すように相互に異なる位置及び大きさで形成される。この場合でも領域Ｃの周縁から絶縁された位置に薄肉部２３ｄ，２３ｅ，２３ｆがそれぞれ形成される。

第１〜第３の突出部５１，５２ａ，５２ｂの形状、大きさ、配置は特に限定されず、形成すべき薄肉部の位置、大きさ、個数等に応じて適宜設定可能である。

本実施形態においても上述の第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。特に本実施形態によれば、セパレータ２３が複数の薄肉部（２３ｄ〜２３ｆ）を有するため、内部抵抗をより一層低減することができる共に、電解液の集約領域を複数箇所に分散させることができる。さらに、組み立て時（封止時）における電解液の飛散をより効果的に抑制できるため、生産性の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の第１の実施形態では、第１の突出部５１と第２の突出部５２とをＺ軸方向に相互に対向して配置されたが、これに代えて、相互に対向しない位置に配置されてもよい。これにより、例えば、薄肉部の形状や大きさ、厚さ等を任意に調整することが可能となる。また、これら第１及び第２の突出部５１，５２のうち少なくとも何れか一方が複数の突出部で構成されてもよい。

また以上の第２，第３の実施形態においては、突出部５１又は突出部５２をそれぞれ単数の突出部で構成されたが、それぞれ複数の突出部で構成されてもよい。さらに以上の第４の実施形態において第２及び第３の突出部５２ａ，５２ｂはさらに複数の突出部で構成されてもよいし、単一の環状の突出部で構成されてもよい。

さらに以上の各実施形態においては、正電極層２１が容器本体１１に対向し、負電極層２２が蓋１２に対向するように配置されたが、これとは逆に、正電極層２１が蓋１２に対向し、負電極層２２が容器本体１１に対向するように配置されてもよい。

１０…容器
１１…容器本体
１２…蓋
２０…蓄電素子
２１…正電極層
２２…負電極層
２３…セパレータ
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ…薄肉部
３０…電解液
５０…構造体
５１，５２，５２ａ，５２ｂ…突出部
１００，３００，４００，５００…電気化学デバイス
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ…ディンプル

Claims (12)

1. 第１の内面を有する容器本体と、前記第１の内面に対向する第２の内面を有し前記容器本体と接合される蓋とを含み、内部に電解液を封入した容器と、
   前記第１の内面に接着される第１の電極層と、前記第２の内面に接着される第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され前記電解液を保持するセパレータとを含み、前記第１の内面と前記第２の内面との間に挟持された蓄電素子と、
   前記第１及び第２の内面の少なくとも何れか一方に設けられ、前記蓄電素子を圧縮変形させることで、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟持される前記セパレータの領域内に当該領域の周縁部よりも厚みの小さい薄肉部を形成する構造体と
   を具備する電気化学デバイス。
2. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
   前記セパレータは、前記第１の電極層に接触する第１の表面と、前記第２の電極層に接触する第２の表面とを有し、
   前記薄肉部は、前記第１及び第２の表面の少なくとも一方の面に、前記周縁部から離間して形成された少なくとも１つのディンプルを含む
   電気化学デバイス。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電気化学デバイスであって、
   前記構造体は、前記第１の内面から前記第１の電極層に向かって突出し導電性接着剤の硬化物で形成された第１の突出部を含む
   電気化学デバイス。
4. 請求項３に記載の電気化学デバイスであって、
   前記容器本体は、前記第１の内面に設けられ前記第１の電極層と電気的に接続される第１の端子と、前記容器本体の外面に設けられた第２の端子と、前記第１の端子と前記第２の端子とを電気的に接続する配線部とをさらに有し、
   前記第１の突出部は、前記第１の端子を被覆するように前記第１の内面に部分的に形成される
   電気化学デバイス。
5. 請求項３に記載の電気化学デバイスであって、
   前記構造体は、前記第２の内面から前記第２の電極層に向かって突出し導電性接着剤の硬化物で形成された第２の突出部をさらに含む
   電気化学デバイス。
6. 請求項５に記載の電気化学デバイスであって、
   前記第１及び第２の突出部は、前記セパレータの厚み方向に相互に対向して配置される
   電気化学デバイス。
7. 請求項１又は請求項２に記載の電気化学デバイスであって、
   前記構造体は、前記第２の内面から前記第２の電極層に向かって突出し導電性接着剤の硬化物で形成された突出部を含む
   電気化学デバイス。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電気化学デバイスであって、
   前記薄肉部は、前記セパレータの中央部に形成される
   電気化学デバイス。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電気化学デバイスであって、
   前記構造体は、ドーム状に形成される
   電気化学デバイス。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電気化学デバイスであって、
    前記セパレータは、ガラス繊維を含む不織布で形成される
    電気化学デバイス。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電気化学デバイスであって、
    前記容器は、直方体で形成される
    電気化学デバイス。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電気化学デバイスであって、
    前記構造体は、前記第１及び第２の内面の少なくとも何れか一方に設けられ相互に分離して配置された複数の突出部を含む
    電気化学デバイス。
    
    

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