CN100492747C

CN100492747C - 电化学电池

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Publication number: CN100492747C
Application number: CNB2004100794676A
Authority: CN
Inventors: 渡边俊二; 中村芳文; 小野寺英晴; 酒井次夫
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: CN1725544A

Abstract

为避免现有矩形的平行管装形式的非水电解质电池或电双层电容器中存在的如下问题：考虑到容纳在其中的液体电解质，除非结合部分具有一定程度的足够的边缘，否则就不能实现高可靠性的密封。在容器边缘设置金属层，该金属层包括具有与非水电解质电池或电双层电容器的凹形容器的热膨胀系数相近的钎焊材料和金属环，由具有与所述金属环相似的性能且在结合表面具有钎焊材料层的金属制成的密封板也可用作所述密封板，而且，还将包括正极和负极的成对的电极、隔板和电解质容纳在所述凹形容器之中，使所述密封板置于该容器之上，并通过使用平行接缝电阻焊方法进行缝焊，以此实现高可靠性密封。

Description

电化学电池

技术领域

本发明涉及能被表面安装的例如非水电解质电池的电化学电池、和利用电双层原理的电双层电容器。

背景技术

电化学电池例如非水电解质电池和电双层电容器一直以来用作用于时钟功能的备用电源、用于半导体存储器的备用电源、用于电子设备例如微机或IC存储器的备用电源、用于太阳能时钟和电动机驱动电源的电池，近年来，这些电池作为用于例如电动车的电源和用于能量转换·储存系统的辅助电能储备单元而得到研究。

在例如非水电解质电池和电双层电容器的电化学电池中，由于非易失性半导体存储器的开发和时钟功能设备中功率消耗的降低，对于大容量和强电流的要求也随之降低。对于非水电解质电池和电双层电容器的不断增加的要求是，在相当程度上要减小厚度或回流焊接(此方法包括：预先将焊接膏剂涂覆于在其上将进行焊接的印刷基底的一部分上并安装部件到该部分，或在安装部件后提供小焊接球(焊接突出)至将要焊接的部分，然后将其上安装有该部件的印刷基底放入高温气氛的炉子中，将该高温气氛设置为高于焊料熔点的温度例如200到260℃，用于将该部件焊接，并以此熔化焊料以进行焊接。)

图2示出一种现有的电化学电池。包括正极活性物质201和电极集电体(current collector)202的正极、和包括负极活性物质204和电极集电体202的负极由隔板208隔开，并且正极壳体203和负极壳体205将其与电解质206保持在一起。用垫圈207填塞并密封正极壳体203和负极壳体205。在现有电化学电池中，由于横截面为例如硬币或纽扣状的圆形，所以有必要使端子等预先焊接于外壳以进行回流焊接，鉴于部件数目和制备步骤数目的增加，造成成本增加。此外，在基底上必须为端子提供空间，而这限制了尺寸的缩小。

当还对矩形电化学电池进行研究时，发现很难在尺寸缩小的同时获得密封空间。

[专利文献1]

JP-A No.2001-216952

矩形电化学电池不能通过压接不同于圆形电池的壳体而密封。因此，为了密封就必须通过一些或其他方式将密封板结合到凹形容器的上部。该结合方法包括使用粘接剂法、热压结合法、激光焊接法、超声焊接法和电阻焊法。

然而，由于非水电解质电池或电双层电容器在其内部包含电解质(通常是溶液)，所以不可能获得高可靠性的密封，除非在一定范围上提供用于结合部分的边缘。

例如，在将钎焊材料例如与凹形容器的边缘基本等同的钎焊材料或焊接材料置于该容器边缘、通过使用密封板将其夹在其中、以高于所述钎焊材料或焊接材料的熔点的温度加热所述密封板、并按压它们以实施密封的情况下，无法获得充分密封，这是因为存在于内部的所述液体电解质溶液受热会泄露到外部，除非所述结合的部分有足够的边缘。

发明内容

为解决上述问题，在用于电化学电池的凹形容器的边缘上设置金属层，并通过该金属层结合所述凹形容器和密封板，以提高密封性。包括正极和负极的成对的电极、隔板和电解质包含在所述凹形容器中，在其上放置密封板，并且通过使用焊接方法特别是平行接缝电阻焊来实施缝焊。所述密封板和凹形容器具有相近的热膨胀系数，因此可使密封具有高可靠性。

然后，所述金属层包括金属环和钎焊材料，该金属环与所述凹形容器具有相近的热膨胀系数，通过焊接方法将该凹形容器和密封板结合在一起。作为其他实施例，所述金属层只包括通过电镀、印刷或覆层形成的钎焊材料。

所述凹形容器优选地由绝缘体制成。更优选地，所述凹形容器由陶瓷或陶瓷玻璃制成。此外，优选的是，所述金属环包括含有钴、镍和铁的合金，所述钎焊材料优选为通过电镀、印刷或覆层而形成于所述金属环上的镍和/或金膜。

所述密封板包括一种金属，其中，在与所述凹形容器结合的一侧的表面上形成钎焊材料。所述密封板与凹形容器具有相近的热膨胀系数。更优选地，密封板的金属包括含有钴、镍和铁的合金，在与所述凹形容器结合的一侧的表面上形成的钎焊材料为镍和/或金膜。所述钎焊材料通过电镀、印刷或覆层形成。优选的是，位于所述凹形容器边缘的金属层厚度小于位于密封板和所述隔板一侧的电极总厚度。

在所述容器内部形成一个或多个台阶，并且所述隔板置于该台阶之上。

将电极集电体置于凹形容器内部的底部。所述电极集电体优选地包括主要由选自钨、铝、钛、碳、钯、银、铂和金的元素所构成的材料。更优选地，将主要由碳构成的导电层置于所述电极集电体上。

此外，所述隔板由包括聚苯硫醚、聚醚醚酮或玻璃纤维作为主要成分的非织布制成。

附图说明

下面将根据附图详细描述本发明优选的实施例，其中

图1是根据本发明的非水电解质电池或电双层电容器的横截面图；

图2是现有非水电解质电池或电双层电容器的横截面图；

图3是金属层厚度大于负极活性物质107和隔板105的总厚度的情况下的横截面图；

图4是在本发明凹形容器101内部提供台阶的情况下，非水电解质电池或电双层电容器的横截面图；和

图5是在本发明凹形容器101内部提供台阶的情况下，非水电解质电池或电双层电容器的横截面图。

具体实施方式

下面参考图1描述本发明的一种典型结构。在本发明的所述非水电解质电池或电双层电容器中，为了减小安装与表面安装空间的比率，将其外形主要制成矩形的平行管装形式是有效的。

图1是本发明矩形的平行管装形式的非水电解质电池或电双层电容器的横截面图。凹形容器101由氧化铝制成，该氧化铝通过在一片未经处理的片材上印刷钨、在其上放置由Coval(一种合金，包含Co：17，Ni：29，Fe：平衡)制成的金属环109并烧结而制成。此外，将镍/金镀层电镀到连接端子A103和连接端子B104上，将镍金镀层作为钎焊材料1081(钎焊材料)涂覆到金属环109上。使银焊料、镍焊料或铝焊料适合于连接凹形容器101和金属环109。此外，使位于凹形容器101边缘的金属层(金属环109和钎焊材料108)的厚度小于负极活性物质107和隔板105的厚度之和。在所述金属层的厚度大于负极活性物质107和隔板105的厚度之和的情况下，所述金属层和正极活性物质106可能会互相接触，而不能用作非水电解质电池或电双层电容器。图3示出金属层厚度大于负极活性物质107和隔板105的厚度之和情况下的横截面图。在制备步骤中，当扩散使正极活性物质106移位时，这可能会与金属环109接触而发生内部短路。

金属环109通过钨层与连接端子B104电连接，其中钨层经过图1左侧的侧边。

当连接端子A、B都达到凹形容器的外底部，并且甚至当它们继续处于所述容器的侧边的情况下，仍可用所述焊料通过润湿而与所述基底焊接。

将作为电极集电体用于导线的钨金属层置于所述凹形容器内底部的整个表面，并使其穿透凹形容器壁并且与连接端子A103电连接。用含碳的导电粘接剂1111结合所述电极集电体和正极活性物质106。对于所述电极集电体和正极活性物质106的结合无特殊要求，并且它也可以仅置于其上。正极包括电极集电体和正极活性物质106。

将用以形成钎焊材料1082的镍镀层涂覆在所述容器一侧的一部分密封板102上。用含碳的导电粘接剂1112将密封板102和负极活性物质107预先结合。负极包括密封板102和负极活性物质107。一对正极和负极形成成对的电极。

在使所述正极和负极、隔板105和电解质溶液容纳在所述容器内部，并且用密封板102封盖之后，通过利用电阻焊原理的平行缝焊机，在每个相对的两个边上对密封板102进行焊接。通过上述方法可获得高可靠性的密封。

凹形容器101优选地由绝缘体和耐热材料例如耐热树脂、玻璃、陶瓷或陶瓷玻璃制成。作为一种制备方法，可通过导电体印刷将导线施加到低熔点的玻璃陶瓷或玻璃上并层叠，并可在低温下进行烘干。可选地，可通过导电体印刷将其与氧化铝生片层叠并可被烧结。

优选的是，用于所述密封板和金属环109的材料与凹形容器101具有相近的热膨胀系数。

例如，在将热膨胀系数为6.8×10^-6/℃的氧化铝用于凹形容器101的情况下，使用热膨胀系数为5.2×10^-6/℃的Coval作为所述金属环和密封板。

此外，优选的是，为了提高焊接后的可靠性，也可将与用于所述金属环相同的Coval用作密封板102。这是因为当将所述板表面安装到设备的基底(线路板)上时，即在回流焊接期间，该板焊接后可以被加热。

此外，用以形成所述电极集电体的一部分导线优选地由具有良好抗腐蚀性能的钨、钯、银、铂或金制得且可通过厚膜方法形成。此外也可使用铝、钛或碳。在凹形容器101底面上使用导线作为正极侧上的电极集电体时，特别优选使用金、铝或钨。这是为了在通过使用高耐(withstanding)电压材料施加正电位时避免所述材料的熔化。此外，为提高所述电极和导线之间的导电性，使用含导电粘接剂的碳是有效的。此外，在使用低耐电压材料的情况下，以下操作是有效的：涂覆只含碳的导电粘接剂于所述电极集电体金属的整个表面，然后烘干该表面使其硬化以形成导电层。在使用铝涂覆所述电极集电体的情况下，可利用常温熔盐(氯化丁基吡啶(butyl pyridinium chloride)电镀槽、氯化咪康唑(imidazolium chloride)电镀槽或气相沉积)进行热喷涂或电镀。

为了与基底(线路板)焊接，优选地将镍、金、锡或焊料置于连接端子A 103和连接端子B 104的部分上。对于凹形容器101的边缘也同样如此，优选地是布置一层与粘接材料具有良好亲和性的镍或金层。所述层的形成方法可包括例如气相沉积的气相方法和电镀方法。

在与金属环109和密封板102结合的表面上设置作为钎焊材料的镍和/或金膜是有效的。虽然金的熔点为1063℃，镍的熔点为1453℃，但通过形成金和镍的合金可使其熔点降至1000℃或更低。层的形成方法可以包括例如电镀、诸如气相沉积的气相方法、覆层或使用印刷的厚膜方法。考虑到成本，特别优选使用电镀或印刷的厚膜方法。

然而，有必要将所述钎焊材料层的杂质元素例如P、B、S、N、和C减少至10％或更少。在使用电镀的情况下尤其必须注意。例如，在化学镀中，会以来自次磷酸钠的P作为还原剂和来自二甲胺硼烷的B的形式而引入这些杂质元素。此外，在电解电镀中，由于可能从添加剂例如抛光剂或阴离子中引入这些杂质元素，所以必须注意。有必要通过调节还原剂、添加剂等的量将这些杂质元素限制在10％或更少。如果所掺入的杂质元素为10％或更多，则在结合表面形成金属间的化合物，从而引起裂缝。

在密封板102的一侧上用镍作为钎焊材料1082的情况下，在凹形容器101的一侧上优选用金作为钎焊材料1082。所述金与镍的比率优选在1：2到1：1之间，通过降低所述合金的熔点来降低焊接温度，从而还提高了可粘接性。

对于结合部分的焊接，可使用利用电阻焊方法的平行缝焊。在通过点焊将密封板102和凹形容器101临时固定之后，使辊状电极与密封板102相对的两边相压，并根据电阻焊原理提供电流以进行焊接。可通过焊接密封板102的四个边实现密封。由于在转动辊状电极的同时以脉冲的方式提供电流，所以焊接后得到焊合(seam-like)状态。除非控制脉冲宽度以便通过脉冲使各单个焊接轨迹相互重合，否则不能实现完全密封。

在用于含有电解质(液体)的电容器或电池的焊接中，尤其优选的是利用电阻焊方法的平行缝焊，这是因为该方法与其他方法相比，具有较小的蒸发热效应和较少的电池中的电解质溶液泄露。

所用隔板优选地为耐热非织布。例如，在诸如由轧制多孔膜制成的隔板中，该隔板是耐热性的，但是该隔板在利用电阻焊方法的缝焊时因受热而沿辊压方向收缩。结果会导致内部短路。使用耐热树脂或玻璃纤维的隔板由于其较小的收缩率而令人满意。作为树脂，以PPS(聚苯硫醚)和PEEK(聚醚醚酮)为佳。玻璃纤维尤其有效。此外，也可使用多孔陶瓷和聚氟树脂体。

在凹形容器101内部设置台阶并使隔板置于该台阶之上，这能有效地防止内部短路。如图4所示，将金属环109的厚度减至小于凹形容器101的侧边壁，以形成台阶110，并使隔板置于该台阶上。这大大减少了内部短路。此外，如图5所示，在凹形容器101的侧边壁上提供台阶1101也是有效的。

本发明中所述非水电解质电池和电双层电容器的形状基本上是任意的。如图2所示，通过压接和密封制成的现有电双层电容器的形状基本上限于圆形。因此，在要与其他大多数为矩形的电子部件共同安置在基底(线路板)上的情况下，不可避免地形成浪费空间的死区。由于本发明的电双层电容器还可设计为矩形，而且没有例如端子的突出物，所以它可被有效地置于基底上。

根据本发明的非水电解质电池或者电双层电容器，由于所述连接端子与凹形容器是集成在一起的，且置于该容器外底部，所以可节省所述基底(线路板)上的空间。此外，通过由耐热材料来构成上述部件而与回流焊接相兼容。

Claims

1.一种电化学电池，包括：

具有一个正极和一个负极的成对的电极；

用以隔开所述正极和负极的隔板；

液体电解质；

用于包含所述成对的电极、隔板和液体电解质的凹形容器；

用于密封所述凹形容器的密封板，和

设置在所述凹形容器的边缘上的金属层，

其中所述金属层包括金属环和钎焊材料，所述金属环与凹形容器具有相近的热膨胀系数，所述凹形容器和密封板通过缝焊而结合。

2.根据权利要求1的电化学电池，其中，所述凹形容器和密封板通过平行缝焊而结合。

3.根据权利要求1的电化学电池，其中，所述凹形容器包括陶瓷或陶瓷玻璃。

4.根据权利要求1的电化学电池，其中，所述金属环包括含有钴、镍和铁的合金，所述钎焊材料为形成在所述金属环上的镍和/或金膜。

5.根据权利要求1的电化学电池，其中，所述密封板包括一种金属，在该金属中，在与所述凹形容器结合的一侧的表面上形成钎焊材料。

6.根据权利要求5的电化学电池，其中，所述密封板的金属包括含钴、镍和铁的合金，在与所述凹形容器结合的一侧的表面上形成的所述钎焊材料为镍和/或金膜。

7.根据权利要求1的电化学电池，其中，所述金属层通过电镀、印刷或覆层形成。

8.根据权利要求1的电化学电池，其中，在所述凹形容器的内部设置台阶，并使隔板置于该台阶之上。

9.根据权利要求1的电化学电池，还包括置于所述凹形容器内部的底表面处的正电极集电体。

10.根据权利要求9的电化学电池，其中正电极集电体包括铝。

11.根据权利要求9的电化学电池，还包括凹形容器内部的底表面处正电极集电体上提供的主要由碳构成的导电层。

12.一种用于备用电源的电化学电池，包括：

正极；

负极；

用以隔开所述正极和负极的隔板；

液体电解质；

用于包含所述成对的电极、隔板和液体电解质的凹形容器；

由设置在凹形容器内部的底表面处上的铝构成的正电极集电体；

用于密封所述凹形容器的密封板，和

设置在所述凹形容器的边缘上的金属层，

其中所述金属层包括金属环和钎焊材料，所述金属环与凹形容器具有相近的热膨胀系数，所述凹形容器和密封板通过平行缝焊而结合。