CN101257135B - 电化学元件 - Google Patents
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Abstract
一种电化学元件，包括容器和用于密封所述容器开口的封口板。在所述容器中含有第一电极活性材料、隔离件、第二电极活性材料和电解质的情况下，通过焊接所述封口板上的所述钎焊材料的部分和所述容器的所述金属膜的部分使它们相互接触，所述容器被所述封口板密封。集电体片与第一活性材料和第二活性材料中更靠近所述容器开口者电连接。该集电体片的至少一部分延伸至所述容器的端部，使得当所述容器和封口板被焊接在一起时，集电体片的延伸部分位于这两者之间。从而可以简化制造工艺，使得即使在容器和封口板的尺寸减小的情况下，也能容易地焊接容器和封口板。
Description
技术领域
本发明涉及如无水电解质电池或双电层电容器之类的电化学元件。
背景技术
如非水电解质电池或双电层电容器之类的电化学元件被用作，守时功能的备用电源、半导体存储器的备用电源、如微型计算机和IC存储器之类的电子设备的辅助电源、太阳能表的电池、以及马达驱动电源。此外，近年来，电化学元件作为电动汽车电源和能量转换及储存系统的辅助体系，已引起了大家的关注。
用作半导体存储器的非易失性存储器的引入，以及具有守时功能的元件的功耗降低，使得不太需要大容量及大电流元件。相反，非常希望可以通过降低所述元件厚度并对电阻焊接进行开发，将电化学元件装在基片上。
因此，如No.2001-216952日本专利申请公开和No.2004-356009日本专利申请公开中所描述的，已提出了诸如呈硬币和纽扣形式的圆形电化学元件和方形电化学元件。当电化学元件呈方形时，与圆形电化学元件不同，无法通过压接呈方盒形的容器来密封该元件。因此，将封口板电阻焊接至方盒形容器的上部。具体地，由正极和负极构成的电极对、隔离件、电解质等被容纳在方盒形容器内，所述封口板置于该容器上部，并利用电阻焊接进行缝焊。
当利用电阻焊接进行缝焊时，用作负极的电极活性材料被预先粘贴至所述封口板，使得粘贴至封口板的负极从顶部压缩入容器，并在封口板被压在容器上的状态下进行焊接。因此，在焊接前，有个将电极活性材料粘贴至封口板的粘贴过程。在电极活性材料从封口板之间的粘合不完全的情况下，电极活性材料从封口板剥落，这可能会成为如内部电阻增加之类的故障的原因。因此，为了确保封口板和电极活性材料之间的粘合可靠，粘贴过程需要较长时间和高水平的工艺。
还有，因为电子设备最近已经小型化，这要求减小电化学元件的尺寸。将电极活性材料粘贴至小尺寸封口板正在变得越来越困难，这已成为影响生产效率及产品可靠性提高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠的电化学元件，该电化学元件的制造过程能被简化，使得甚至在容器和封口板尺寸减小的情况下仍然可以容易地进行容器和封口板的焊接。
根据本发明的一个方面，提供一种电化学元件。该电化学元件包括具有端部和外表面的容器、和用于密封所述容器开口的封口板。所述端部构成开口。在端部形成有金属膜。所述外表面上形成有一对外端子。所述金属膜与所述外端子对中的一个电连接。封口板上设有钎焊材料。在所述容器中含有第一电极活性材料、隔离件、第二电极活性材料和电解质的情况下，通过焊接所述封口板上的所述钎焊材料的部分和所述容器的所述金属膜的部分使它们相互接触，所述容器被所述封口板密封。所述电化学元件还包括集电体片，该集电体片与第一活性材料和第二活性材料中更靠近所述容器开口者电连接。集电体片的至少一部分延伸至所述容器的端部，使得当所述容器和封口板被焊接在一起时，集电体片的延伸部分位于这两者之间。
下面的描述，结合附图，以举例的方式对本发明原理进行了阐述，以使本发明的其它方面和优点变得清楚。
附图说明
通过参考下述对当前优选实施方式及附图的说明，可以最好地理解本发明及其目的和优点。附图中：
图1是表示根据第一实施方式的双电层电容器的横剖面图；
图2是表示图1所示电容器的制造方法的横剖面图；
图3是表示根据第二实施方式的双电层电容器的横剖面图；
图4是表示图3所示电容器的制造方法的横剖面图；
图5是表示双电层电容器另一实例的横剖面图；及
图6是表示双电层电容器又一实例的横剖面图。
具体实施方式
下面，参考图1和图2对根据本发明第一实施方式的双电层电容器进行说明。
图1的横剖面图示出了根据第一实施方式的长方体的双电层电容器，该电容器为电化学元件。在图1中，双电层电容器10具有：方盒形容器11，其具有顶部开口的凹槽和用于密封开口的封口板12，所述封口板封盖界定于容器11上端部50的所述开口，换言之，在被焊接至容器11时封盖所述凹槽上端。封盖有封口板12的容器11容纳有电容单元，所述电容单元具有作为第一电极活性材料的正极活性材料13、隔离件14、和作为第二电极化学材料的负极活性材料15。在本实施方式中，容器11的尺寸为5mm(长)×5mm(宽)×1mm(高)，容器11中所述凹槽的尺寸为4.6mm(长)×4.6mm(宽)×0.6mm(深)。封口板12的尺寸为5mm(长)×5mm(宽)×0.15mm(高)。
正极集电体16由位于容器11的内底11a的整个表面上的具有高耐受电压的钨层形成。方环形金属环17由科瓦合金(Kovar)(也就是，由比例为17％的钴、29％镍和余量铁形成的合金)制成，并位于容器11的四个侧壁11b的上表面11c上。正极集电体16的右边与穿透侧壁11b并延伸到容器11的底面11d右边的第一外端子T1电连接。金属环17通过导电膜18与延伸至容器11底面11d左边的第二外端子T2电连接，所述导电膜由延伸于左侧侧壁11b的外表面上的钨层制成。
容器11由氧化铝制成，且由多个相互层叠的印刷电路基板烧结而成。具体地，在烧结前，将作为正极集电体16和导电膜18材料的钨印刷在印刷电路基板上，并且将作为金属环17材料的科瓦合金置于侧壁11b的上表面11c上。然后，通过烧结，在容器11上形成正极集电体16、金属环17和导电膜18。
由科瓦合金形成的金属环17的热膨胀系数(5.2×10-16/℃)与由氧化铝制成的容器11的热膨胀系数(6.8×10-16/℃)的值非常接近，从而，由热膨胀引起的体积变化而导致的差异非常小。
第一外端子T1和第二外端子T2是通过在烧结的容器11上镀镍及金形成的。以同样的方式，通过镀镍及金，在金属环17的上部上形成钎焊材料19。
正极活性材料13被置于正极集电体16的上表面上。该正极活性材料13通过含碳的导电性粘合剂20粘贴于正极集电体16，且与该正极集电体16电连接。隔离件14被置于正极活性材料13的上侧，负极活性材料15被置于隔离件14的上侧。
隔离件14优选由耐热无纺布制成。使用耐热的树脂或玻璃纤维的隔离件收缩很少，这是比较有利的。所述树脂优选为聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)。所述玻璃纤维尤其有效。此外，隔离件14可由多孔陶瓷形成。另一方面，由辊压的多孔膜制成的隔离件不是很好。这是因为，这种多孔膜虽然耐热，但是在用电阻焊接进行缝焊的时候，会因受热而在其辊压方向收缩，从而容易引起所述膜的内部短路。
负极活性材料15和负极集电体片21一体成型，且片21起集电体的作用。在本实施方式中，片21是由厚度为5微米的镍制成的薄片，负极活性材料15形成于片21顶部之上。片21呈方形，且通过侧壁11b的上表面11c的顶部延伸出该上表面11c，换言之，延伸至从该上表面11c突出的位置。
封口板12被焊接至侧壁11b的上表面11c。封口板12由与上述金属环17材料相同的科瓦合金制成，这样，该封口板具有与金属环17相同的热膨胀系数。由镍形成的钎焊材料22被镀在封口板12的整个下表面上，也就是说，在封口板12朝向容器11的表面上。当封口板12被焊接至容器11的侧壁11b时，钎焊材料22和侧壁11b的上表面11c顶部上的金属环17(钎焊材料19)接合，从而，当金属环17和钎焊材料22接合时，在金属环17和钎焊材料22之间的负极集电体片21也成为一体。因此，片21经由导电膜18与第二外端子T2电连接。
在本实施方式中，采用平行缝焊机，其利用了电阻焊接的原理，使得封口板12的各成对的两个相互面对面的侧边分别被同时焊接。此外，当封口板12被焊接于容器11时，在受到封口板12从顶部挤压的状态下，正极活性材料13、隔离件14、和负极活性材料15容纳于容器11中，并且电极23也容纳其中。而且，来自封口板12的压力使负极活性材料15和正极活性材料13相互压迫，从而产生降低内部电阻的效果。
更具体地，如图2所示，首先将正极活性材料13置于容器11内。这里，正极活性材料13的下表面粘接有导电性粘合剂20，且正极活性材料13和正极集电体16被设置成相互电连接。随后，将隔离件14放置于正极集电体16的上表面之上，然后放置与负极集电体片21一体成型的负极活性材料15。片21的尺寸大于负极活性材料15，并被放置成完全封闭容器11的开口。在此情况下，负极活性材料15的上表面从容器11的开口稍微向上突出。接着，将电解质23注入容器11。
注入电解质23后，使封口板12从顶部与侧壁11b的上表面或钎焊材料19接触，使得容器11的开口被完全封闭。这样，通过负极集电体片21，正极活性材料13、隔离件14和负极活性材料15被压缩、容纳于容器11内。然后，用平行缝焊机焊接容器11和封口板12，这样，就完成了双电层电容器10。
本实施方式的优点如下。
在本实施方式中，负极集电体片21以四个方向从容器11的开口突出，且封口板12和容器11被焊接成这样：片21的突出部被夹在封口板12和容器11侧壁11b的上表面11c之间。
因此，可以省略将负极活性材料粘贴至封口板的过程，从而可以简化制造工艺。此外，不会有由该活性材料从封口板剥落引起的电化学元件内部电阻的增加。
此外，片21的尺寸被设为，它以四个方向从容器11的开口突出，并刚好被夹在封口板12和容器11之间。因此，无需事先作精确定位或调节，而能进行准确的焊接。尤其是，根据所需的技术水平，容器11和封口板12的尺寸越小，越容易在容器11和封口板12上进行焊接。
在本实施方式中，形成在容器11的侧壁11b上的金属环17由热膨胀系数(5.2×10-16/℃)与氧化铝制成的容器11的热膨胀系数(6.8×10-16/℃)相近的科瓦合金制成。因此，能够减小焊接时由体积变化引起的偏差，可进行非常可靠的焊接。此外，还可减小回流焊接过程中体积变化引起的偏差，且不会使焊接部分受到损伤，所述回流焊接是在双电层电容器10装在极板表面上的时候进行的。
在本实施方式中，封口板12和金属环17由同样的材料科瓦合金形成，具有相同的热膨胀系数。因此，在焊接时不会因体积变化引起偏差，可进行非常可靠的焊接。此外，还可减小回流焊接过程中体积变化引起的偏差，且不会使焊接部分受到损伤，所述回流焊接是在双电层电容器10装在基板表面上的时候进行的。
在本实施方式中，正极集电体16采用具有高耐受电压的钨。因此，当向正极或阳极施加高电位时，不会有材料被熔融。
接下去，参考图3和图4对根据本发明第二实施方式的双电层电容器进行说明。
第二实施方式与第一实施方式的区别在于，容纳于容器11内的具有正极活性材料、隔离件和负极活性材料的电容单元的构造。因此，为了说明的目的，相同的标号表示相同的元件，而省略了对它们的详细描述。
在图3中，容器11内的电容单元为折叠片，其中正极活性材料31、隔离件32和负极活性材料33各自呈片状。正极活性材料31经隔离件32层积在负极活性材料33的顶上。
正极集电体片34粘贴于在相对隔离件32的一侧上的正极活性材料31的表面。正极集电体片34完全覆盖正极活性材料31，并具有位于片34的第一端的呈纵向的延伸部34a。
负极集电体片35粘贴于在相对隔离件32的一侧上的负极活性材料33的表面。负极集电体片35完全覆盖负极活性材料33，并具有位于片35的第二端的呈纵向的延伸部35a，所述第二端在相对片34的第一端的一侧。
上面描述的片状电容单元被折叠成使得该电容单元容纳在容器11内。该片状电容单元被折叠成如图4所示那样盘绕，其中负极集电体片35位于一侧，正极集电体片34位于另一侧。
从而，折叠的电容单元以这样的方式容纳在容器11中，电容单元的正极集电体片34所在的那一侧首先进入所述容器。在这里，如图4所示，片34的延伸部34a是折叠的，并且经导电性粘合剂20与正极集电体16电连接。同时，朝向容器11开口侧的负极集电体片35的延伸部35a，经过右侧侧壁11b的上表面11c上的位置向外突出。
此时，将电解质23注入容器11。然后，使封口板12从上方与侧壁11b的上表面(钎焊材料19)接触，从而将容器11的开口完全封闭。至此，电容单元被压缩并容纳于容器11内。然后，使用平行缝焊机焊接容器11和封口板12，这样就完成了双电层电容器10。
第二实施方式的效果与与第一实施方式的效果相同。可省略将负极活性材料23粘合到所述开口封闭板上来闭合开口的过程，从而可简化制造工艺，此外，即使在容器11和封口板12的尺寸减小的情况下，也容易在容器11和封口板上进行焊接。
第一和第二实施方式可作如下改动。
可以交换正极活性材料13和负极活性材料15的位置。也就是说，可以将负极活性材料15放置在容器11的内部底表面上，将正极活性材料13放置在开口侧。这种情况下，所述正极集电体须呈片状且该片的至少一部分从容器11的开口向外突出，并且焊接封口板12和容器11时须将该片的这一部分处于封口板12和容器11之间。
虽然在第一和第二实施方式中，负极集电体片21和35以四个方向从容器11的开口突出，但是，例如，可以只有它们的一部分是突出。简单讲，当封口板12和容器11被焊接时，突出程度可作适当调整，只要片21和片35至少有部分被夹在封口板12和容器11侧壁11b的上表面11c之间。
负极集电体片21的厚度为5微米，较佳的厚度为20微米或更小。更佳地，所述厚度为5微米～10微米。当负极集电体片21的厚度太大时，突出部会形成台阶，这样，在进行采用电阻焊接原理的平行缝焊时，有时候不能被充分熔化。相反，当所述厚度太小时，片21的强度太弱，从而使片21难以处理。同时，在平行缝焊时会意外地切断片21，从而引起导电的问题。
容器11可由耐热材料形成，例如耐热树脂、玻璃、陶瓷和陶瓷玻璃，而不是采用对氧化铝制成的印刷电路基板进行烧结。这样，通过导线印刷，在低熔点的玻璃或玻璃陶瓷上设置电线，这些材料是在低温下层积和烧结的。
金属环17的材料不限于其热膨胀系数与氧化铝制成的容器11的热膨胀系数相接近的科瓦合金，其材料可换成热膨胀系数与容器11相接近的适当导电材料。
正极集电体16的材料不限于钨。例如，可用厚膜法成型的钒、银、铂和金是较佳的。此外，也可使用铝或碳。当正极集电体16是形成在容器11的内底部11a上时，尤其优选使用金或钨。这是因为，金和钨两者都具有高的耐受电压，在向正极，即正极侧施加高电位时也不熔化。
除了通过利用电阻焊接的缝焊进行焊接之外，容器11和封口板12还可用激光进行焊接。
除用作双电层电容器10之外，所述电化学元件还可应用于无水电解质电池。
在第二实施方式中，所述片状电容单元折叠成盘绕形式。另外，如图5所示，所述片状电容单元，在容纳于容器11之前，也可折叠成Z字形。
如图6所示，封口板12的上表面12a中可形成凹面，同时可在封口板12的下表面12b上形成凸面41，使得凸面41可替代封口板12与容器11的开口配合。这样，凸面41起导向作用，从而使封口板12相对容器11的定位变得容易，并因此使容器11和封口板12的焊接变得容易。此外，焊接后，凸面41能向负极活性材料15施加适当的压力，从而使负极集电体片21和负极活性材料15之间的电连接更加可靠。
本发明的实例和实施方式应认为是用于阐述而非限制本发明，且本发明不限于本文提供的细节，而是可以在所附权利要求书的范围及其等同内容之内进行改动。
Claims (8)
1.一种呈方形的电化学元件，包括：
具有端部和外表面的容器，其中，所述端部构成一开口，在所述端部上形成有金属膜，所述外表面上形成有一对外端子，且该金属膜与该对外端子中的一个外端子电连接；
用于密封所述容器的开口的封口板，其中，所述封口板上设有钎焊材料，并且，在所述容器中含有第一电极活性材料、隔离件、第二电极活性材料和电解质的情况下，通过焊接所述封口板上的所述钎焊材料的部分和所述容器的所述金属膜的部分使它们相互接触，所述容器被所述封口板密封；其特征在于，所述电化学元件还包括：
集电体片，该集电体片与该第一活性材料和该第二活性材料中更靠近所述容器开口者电连接，其中，所述集电体片的至少一部分延伸至所述容器的所述端部，使得所述容器和所述封口板与位于这两者之间的所述集电体片的所述延伸部被焊接在一起。
2.如权利要求1所述的电化学元件，其特征在于，所述集电体片由镍制成。
3.如权利要求1所述的电化学元件，其特征在于，所述封口板的上表面中形成有凹面，且所述封口板的下表面形成有用以与所述容器开口配合的凸面。
4.如权利要求1所述的电化学元件，其特征在于，所述容器由氧化铝制成，所述金属膜和所述封口板由科瓦合金制成。
5.如权利要求3所述的电化学元件，其特征在于，由镀镍制成的所述钎焊材料设置在所述封口板朝向所述容器的表面上，所述容器的金属膜是由科瓦合金制成的金属环，且所述金属环顶部上设置有由镀镍及镀金制成的钎焊材料。
6.如权利要求1所述的电化学元件，其特征在于，所述第一电极活性材料、所述隔离件和所述第二电极活性材料在彼此顶上层积在一起，且该层积体不经折叠地容纳于所述容器中。
7.如权利要求1所述的电化学元件，其特征在于，所述第一电极活性材料、所述隔离件和所述第二电极活性材料在彼此顶上层积在一起，所述集电体片是第一集电体，所述电化学元件还包括与电极活性材料电连接的第二集电体片，与该第二集电体片电连接的所述电极活性材料不同于与所述第一集电体电连接的电极活性材料，并且，所述多层积体以这样一种方式折叠，当所述第一集电体和所述第二集电体被容纳在所述容器内时，它们分别位于所述容器的彼此相对的侧上。
8.如权利要求1所述的电化学元件，其特征在于，所述容器具有四个侧壁，所述端部与所述四个侧壁的上端部相对应，并且所述集电体片的所述延伸部到达所述四个侧壁的所述上端部。
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