CN102376455B - 电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电化学装置。在具备装入封装体(1B)内的元件本体(1A)的电化学装置中，封装体(1B)的周边区域，具备在薄膜的厚度方向(Z轴方向)上具有弹性力的单个或多个弹性结构(R1、R2)。各个弹性结构(R1、R2)具备沿着薄膜外缘弯折的封装体(1B)的第1区域和与第1区域相对的封装体(1B)的第2区域。沿着该第1区域的薄膜外缘的方向的两个端部(R11、R13(R21、R23))与第2区域接触，并且，在所述两个端部(R11、R13(R21、R23))之间，所述第1区域和第2区域之间存在间隙(最大值2R)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学装置。
背景技术
作为现有的电化学装置，已知的有层叠型电化学装置的锂离子电池(Lithium Ion Battery，LIB)和双电层电容器(ElectrochemicalDouble-Layer Capacitor，EDLC)等。电化学装置元件，具有：元件本体，由具有层叠结构的电池要素组成；层叠薄片(薄片状封装)，将元件本体密封在内部；TAB型端子(电极)，用于可将元件本体和外部电连接而从元件本体引出到层叠薄片的外部。这样的电化学装置例如在以下专利文献1～16中有记载。层叠薄片是用树脂膜(高分子)在铝膜的两面涂敷而成。电化学装置是通过将元件本体配置在2个层叠薄片之间并对该周边区域进行热熔融而密封而成。
专利文献1：日本特开2009-224147号公报
专利文献2：日本特开2006-114513号公报
专利文献3：日本特开2005-116278号公报
专利文献4：日本特开2004-265762号公报
专利文献5：日本特开2000-138040号公报
专利文献6：日本特开2007-311163号公报
专利文献7：日本特开2006-54099号公报
专利文献8：日本特开2003-36824号公报
专利文献9：日本特开2002-75320号公报
专利文献10：日本特开2006-156161号公报
专利文献11：日本特开2002-25514号公报
专利文献12：日本特开2000-156208号公报
专利文献13：国际公开2005/036674号公报
专利文献14：日本特表2004-515083号公报
专利文献15：日本特开2009-130073号公报
专利文献16：日本特开2006-179442号公报
发明内容
然而，由于包含在层叠薄片的金属箔(铝膜)的厚度一般只有10μm～100μm，因此缺乏机械强度，并且电化学装置对来自外部的压力的机械强度也不高。
鉴于如上的课题，本发明的一种形态的目的在于提供一种可以提高机械强度的电化学装置。
为了解决上述课题，本发明的一种形态所涉及的电化学装置，具备：封装体，粘结相对的薄膜的周边区域彼此而成；装入在所述封装体内的元件本体，其中，所述封装体的周边区域具备单个或多个弹性结构，其在所述薄膜的厚度方向上具备弹性力，各个所述弹性结构具备沿着薄膜外缘弯折的所述封装体的第1区域和与所述第1区域相对的所述封装体的第2区域，所述第1区域的沿着所述薄膜外缘的方向的两个端部与所述第2区域接触，并且在所述两个端部之间，所述第1区域和第2区域之间存在间隙。
根据本发明的一种形态所涉及的电化学装置，在薄膜的厚度方向上挤压两个端部之间的区域(作为中央区域)的情况下，来自中央区域的力传递到该两个端部的接触区域，通过薄膜的弹性力在与挤压方向相反的方向上产生阻力。由于第1区域和第2区域之间敞开间隙而形成弹性结构，因而不仅仅相对于来自外部的冲击和压力，而且相对于弯折轴转动的“弯”和相对于垂直于弯折轴的轴转动的“折”等，耐受性均变高。另外，也由于在接触部位弯曲的第1区域重叠于第2区域，因而其强度变高。
另外，所述两个端部之间的所述间隙的距离所述封装体表面的高度的最大值(2R)和距离所述表面的所述封装体的中央部的高度的最大值(H)优选满足H/2≤2R≤1.2×H的关系。
在这种情况下，由于使弹性结构的弯曲形状最优化而提高弹性力，因此，具有能够更坚固地保护元件本体免受外部的压力的效果。
所述两个端部各自的所述第1区域和所述第2区域的接触面积(AR)以及所述薄膜外缘和所述第1区域的弯折位置之间的所述封装体的长度(h)优选满足h/3≤(AR)1/2≤3×h的关系。
在这种情况下，由于坚固地维持弹性结构的形状并进一步地提高弹性力，因此，具有能够更坚固地保护元件本体免受外部的压力的效果。
该电化学装置可以进一步具备填充到所述间隙的发泡树脂。在这种情况下，由于发泡树脂的弹性力支撑薄膜，因此，由于相对于外力发泡树脂发生弹性变形而产生阻力，因而能够提高相关部位的机械强度。
根据本发明的一种形态所涉及的电化学装置，由于具有通过加工封装体而形成的弹性结构，因而能够提高机械强度。
附图说明
图1是电化学装置的立体图。
图2是封装体周边区域的放大立体图。
图3是图1所示的封装体周边区域的IIIA-IIIA箭头线纵截面图(A)和IIIB-IIIB箭头线纵截面图(B)。
图4是另一个实施方式所涉及的电化学装置的封装体周边区域的纵截面图。
图5是封装体周边区域的端部的V-V箭头线截面图。
图6是另一个封装体周边区域的端部的V-V箭头线截面图。
图7是将发泡树脂装入图3所示的封装体周边区域的间隙内的纵截面图。
图8是将发泡树脂装入图4所示的封装体周边区域的间隙内的纵截面图。
图9是电化学装置的电路图。
图10是电化学装置的平面图和B-B箭头线截面图。
图11是表示实验结果的图表。
具体实施方式
以下，参考附图说明根据本发明的电化学装置的优选实施方式。此外，在附图的说明中，同样或者等同的要素使用同样的符号，并且省略重复的说明。
图1是第1实施方式所涉及的电化学装置的立体图。图2是封装体周边区域的放大立体图。
该电化学装置1是具有包围元件本体1A的封装体1B的层叠型电化学装置。封装体1B的外形是四边形，并且箔状的TAB电极T1、T2、T3从构成封装体1B的一边的一端T延伸出来。本例的电化学装置1是双电层电容器(EDLC)，但是封装体的形状也可以适用于锂离子型的二次电池。
参考图9的电路图，配置在封装体1B的内部的元件本体1A具备由正极P1、负极P2和隔离层S1组成的电容器C1、C2。隔离层S1由可以使离子和电解质等透过的多孔质体构成，而并且在封装体1B的内部填充电解液LQ。在电容器C1和C2之间的节点电连接有TAB型电极T3，从而能够从外部控制该位置的偏置电位。电容器C1的正极P1电连接到正电极T1，而电容器C2的负极P2电连接到负电极T2，并且这些电极引出到封装体1B的外部。当这些电极T1、T2之间连接电源时，可以在元件本体1A内部积蓄电荷。另外，通过这些电极T1、T2，能够将已积蓄在元件本体1A内部的电荷取出至外部。由此，电化学装置具有充放电功能。
如图2所示，封装体1B是，四边形的上部薄膜f1和四边形的下部薄膜f2重合并且是粘合其四边的周缘区域的结构。构成封装体1B的薄膜f1、f2分别由铝·层叠膜组成。一块铝·层叠膜是用一对树脂膜夹着铝箔的膜(涂敷过的膜)。作为树脂薄膜的材料，优选为热塑性树脂，例如由聚丙烯构成。由此，封装体1B是通过粘合相对的一对薄膜f1、f2的周边区域的彼此而形成的结构。
回到图1进行说明，封装体1B通过内含元件本体1A而具有全体厚度变得比周边区域厚的中央部1C和包围中央部1C的周边区域1Bp1、1Bp2、1Bp3、1Bp4。在XYZ正交坐标系中，各周边区域的长边方向与X轴或Y轴一致，而封装体1B的薄膜厚度方向与Z轴方向一致。在1个周边区域1BP3的薄膜f1、f2配置有电极T1、T2、T3，并且这些部位的薄膜被热熔着。
长边方向与Y轴方向一致的一对周边区域1Bp1、1Bp2相对并且分别沿着薄膜外缘(Y轴)弯折而构成弹性结构R1、R2。换言之，薄膜的弯折轴是Y轴。具有弹性结构的周边区域的数目，从提高机械强度的观点看，优选为多个，但也可以是1个。
如上所述，本实施方式所涉及的电化学装置具备装入封装体1B内的元件本体1A，在该电化学装置中，封装体1B的周边区域具备在薄膜的厚度方向(Z轴方向)上具有弹性力的单个或多个弹性结构R1、R2。
这里，参考图2和图3。图3是图1所示的封装体周边区域的IIIA-IIIA箭头线纵截面图(A)和IIIB-IIIB箭头线纵截面图(B)。
弹性结构R1具备作为沿着薄膜外缘弯折的封装体1B的周边区域的第1区域1Bp1(1)和与第1区域1Bp1(1)相对的封装体1B的第2区域1Bp1(2)。同样地，弹性结构R2具备作为沿着薄膜外缘弯折的封装体1B的周边区域的第1区域1Bp2(1)和与第1区域1Bp2(1)相对的封装体1B的第2区域1Bp2(2)。
沿着该第1区域1Bp1(1)(1Bp2(1))的薄膜外缘的方向的两个端部R11、R13(R21、R23)与第2区域1Bp1(2)(1Bp2(2))接触，并且在两个端部R11、R13(R21、R23)之间，第1区域1Bp1(1)(1Bp2(1))和第2区域1Bp1(2)(1Bp2(2))之间存在间隙S(最大值2R)。
在薄膜的厚度方向(Z轴方向)上挤压两个端部R11、R13之间(或者R21、R23之间)的区域(中央区域(或者桥段区域)R12、R22)的情况(图3的箭头所示)下，来自中央区域R12(R22)的力传递到这两个端部R11、R13(或者R21、R23)的接触区域，通过薄膜弹性力(薄膜进行弹性变形)，在与挤压方向相反的方向产生阻力。由于在第1区域和第2区域之间敞开间隙S而形成弹性结构，因此，不仅仅相对于来自外部的冲击和压力等，而且相对于弯折轴(Y轴)转动的“弯”和相对于垂直于弯折轴的轴(X轴)转动的“折”等，耐受性均变高。此外，由于在端部R11、R13(R21、R23)的接触部位，已弯折的第1区域1Bp1(1)(1Bp2(1))也与第2区域1Bp1(2)(1Bp2(2))重叠，因而提高了其强度。
已弯折的周边区域的两个端部R11、R13和中央区域R12的之间的过渡区域的表面和背面构成相对于XY平面倾斜的曲面。第1区域1Bp1(1)和相对的第2区域1Bp1(2)之间的间隔距离最大是2R。同样地，已弯折的周边区域的两个端部R21、R23和中央区域R22的之间的过渡区域的表面和背面构成相对于XY平面倾斜的曲面。第1区域1Bp2(1)和相对的第2区域1Bp2(2)之间的间隔距离最大是2R。
图4是另一个实施方式所涉及的电化学装置的封装体周边区域的纵截面图。
取代如图3所示的弹性结构R1、R2，而采用间隙S的数目在封装体1B每一边存在2个以上的弹性结构(本例是3个)。即，在两个端部R3和R9之间形成有多个弹性结构，而在成为桥墩的周边区域的接触位置R3、R5、R7、R9之间形成有多个桥段区域R4、R6、R8，并且对于薄膜的厚度方向的力进行弹性变形。本例的其他结构与图1～图3所示的结构相同。
图5是图1所示的封装体周边区域的端部的V-V箭头线截面图。
周边区域的端部R21、R11在XZ平面内以Y轴为中心弯折，但是在弯折的边界线附近，图面右侧的上部的第1区域1Bp1(1)和下部的第2区域1Bp1(2)不接触，并具有比桥段区域的曲率半径小的曲率半径而弯曲。在图面左侧的弯折的边界线附近，上部的第1区域1Bp2(1)和下部的第2区域1Bp2(2)不接触，并具有比桥段区域的曲率半径小的曲率半径而弯曲。该图是将对象物置于Y轴的正方向看的图，但该结构在将对象物置于Y轴的负方向看的情况下也是一样的。即，在两侧的周边区域的两个端部存在不接触的弯曲区域。在这种结构的情况下，在周边区域两个端部产生裂纹的可能性降低，从而该部位中的来自封装体内部的泄漏的概率降低。
图6是另一种封装体周边区域的端部的V-V箭头线截面图。
周边区域的端部R21、R11在XZ平面内以Y轴为中心弯折，但是在弯折的边界线附近，图面右侧的上部的第1区域1Bp1(1)和下部的第2区域1Bp1(2)也接触。在图面左侧的弯折的边界线附近，上部的第1区域1Bp2(1)和下部的第2区域1Bp2(2)也接触。该图是将对象物置于Y轴的正方向看的图，但该结构在将对象物置于Y轴的负方向看的情况下也是一样的。即，在两侧的周边区域的两个端部，通过以原则上不形成间隙的方式对封装体周边区域施加压力。即，在封装体的4个角的位置，为了使已弯折的上区域和下区域接触，在薄膜厚度方向施加压力。
另外，上述的压力，将TAB电极T1、T2、T3夹在封装体的薄膜之间，并对周边区域1Bp3的薄膜厚度方向施加压力的情况下，可以与其同时施加。
图7是将发泡树脂装入图3所示的封装体周边区域的间隙内的纵截面图。图8是将发泡树脂装入图4所示的封装体周边区域的间隙内的纵截面图。即，该电化学装置进一步具备填充在间隙S内的发泡树脂4(图7)或发泡树脂41、42、43(图8)。在这种情况下，由于发泡树脂4(41、42、43)的弹性力支撑薄膜，因此，相对于外力发泡树脂发生弹性变形而产生阻力，因而可以提高相关部位的机械强度。
作为发泡树脂，可以举出氨基甲酸乙酯树脂、乙烯树脂、苯乙烯树脂、丙烯树脂等。
这里，对上述的电化学装置的尺寸进行说明。
图10是图1所示的电化学装置的平面图(A)和B-B箭头线截面图(B)。
该封装体的弯曲部分的曲率半径是R。图面右侧的两个端部R11、R13之间的间隙S的距离封装体表面1Bp1(2)的高度的最大值(2R)和距离所述表面1Bp1(2)的封装体1B的中央部1C的高度H的最大值(H)优选满足H/2≤2R≤1.2×H的关系。同样地，图面左侧的两个端部R21、R23之间的间隙S的距离封装体表面1Bp2(2)的高度的最大值(2R)和距离所述表面1Bp2(2)的封装体1B的中央部1C的高度H的最大值(H)优选满足H/2≤2R≤1.2×H的关系。
在该范围的情况下，由于通过使弯曲部分的形状最优化来提高弹性力，因此具有更坚固地保护元件本体1A免受外部的压力的效果。
此外，两个端部各自的第1区域和第2区域的接触面积(AR：以R11或R21的接触面积为例)和薄膜外缘与第1区域的弯折位置BP1(BP2)之间的封装体1B的长度(h)优选满足h/3≤(AR)1/2≤3×h的关系。
在该范围的情况下，由于通过牢固地维持弯曲部分的形状来进一步地提高弹性力，因此具有更坚固地保护元件本体1A免受外部的压力的效果。由于像这样压挤角部，该压挤部分的厚度增加并成为折返180度的状态，因而提高了强度。因此，由于对于对角部的冲击变得足够强，因此难以产生对本体部分的变形。
以上，如所说明的那样，在不折返到封装体的周边区域(密封部分)而以平坦的样子保留的情况下，稍微的冲击下就会使密封部分弯折，并进一步产生本体部分的变形，在上述的实施方式中，由于机械强度高，因此，密封部分不容易损伤，并且降低了包含从该部分混入水分等的可靠性的特性的影响。
此外，由于当周边区域被强化时本体部分的变形被抑制，因此，也降低了通过突破内部的隔离层而使构成电容器的电极和TAB电极等接触的可能性，并且减少了泄漏电流。由于本例的电化学装置是EDLC，因此，当内部电容器的变形被抑制时，可以在电容器间均匀地产生电场，从而使稳定的动作变得可能。另外，在电容器变形的情况下，存在一部分高电压部分中产生电解液的电分解的可能性。
在仅对周边区域弯折的情况下，虽然相对于来自横方向的力被强化，但是相对于来自纵方向的力却产生变形，并且也没有对强冲击的弹性力。在上述的实施方式中，相对于来自横方向和纵方向的力，通过发挥弹簧效果来抑制密封部分的变形或对本体的变形。即，对冲击的耐受性高，从而提高装置的可靠性。
周边区域的中央的桥段区域在XZ截面内弯曲而被弯折(被赋予R)，从而发挥对来自纵横方向的冲击的大的弹簧效果。由于封装体的四个角被压挤，因此，该角部对冲击而引起的变形也变强。此外，如上述那样通过弯折来减少装置的死角(dead space)，从而有助于变得小型化。
【实施例】
准备铝·层叠膜封装体，该铝·层叠膜封装体是在铝箔(厚度40μm)的一面通过粘合剂将由变性聚丙烯构成的树脂薄膜(厚度30μm)进行压合，在相反的面通过粘合剂由尼龙构成的树脂薄膜(厚度30μm)进行压合。以将由变性聚丙烯构成的树脂薄膜卷到内侧的方式，将该封装体弯折，在其内侧重叠2个将形成有活性炭的铝箔和多孔质性的隔离层交替层叠的电容器本体。
接着，在相对的薄膜之间夹着厚度为100μm的聚丙烯薄片，在温度180℃下对两个侧部施加压力1MPa，时间保持5秒，对相关的周边区域进行密封。通过将电解液注入封装体内部，并在与上述同样的条件下将上端(顶)部密封，从而在4边上周边区域被堵塞。电解液是将作为电解质的四乙基四氟硼酸铵(TEA+BF4 -)溶解在作为有机溶质的碳酸丙烯酯(PC)的液体，已完成的样品的尺寸为20mm×20mm。
由于由电容器组成的元件本体的厚度是1.3mm，因此在铝·层叠膜封装体的一侧的薄膜上形成有2.7mm深的凹部，以便可以将元件本体收纳在凹部内。含有铝·层叠膜封装体和挟入在构成这些的薄膜之间的聚丙烯薄片，单元的整个厚度变成3mm。这些是实验的共同条件。周边区域的密封宽度都是3mm。
(比较例1)
在比较例1中，在侧面密封宽度3mm的范围内，在距离薄膜的外侧边缘2mm的位置薄膜折返并直立在垂直方向。
(比较例2)
在比较例2中，在侧面密封宽度3mm的范围内，将距离薄膜的外侧边缘2.5mm的位置作为弯曲开始的位置(BP1，BP2：参考图10)，以曲率半径R＝0.8mm以绕圆的方式来进行折返。
(实施例)
在实施例中，进一步地，如图1(图10)所示，在压力1MPa下对比较例2的样品的封装体的四个角压挤2秒。压挤的区域R11、R13、R21、R23分别设定为长2mm×宽2mm的范围(面积4mm2)。
(比较例3)
作为比较例3，将使侧面密封宽度3mm不折返而保留为平坦的样子作为样品。
根据自由落体来进行这些样品的特性评价。即，在条件(A)中，使封装体的侧面向下而从高30cm的位置使样品自由落体100次。在条件(B)中，使封装体的角部向下而从高度30cm的位置使样品自由落体100次。进行变形的样子和泄漏电流的测定。变形的样子用目测或游标卡尺(最小表示量0.01mm)来进行，在0.5mm以上的变形的情况下视为“存在变形”。电气特性为对泄漏电流进行测定。在100mA的CC-CV(一定电流·一定电压)的模式下施加电压4.5V，并测定24小时后的电流值。
图表11中表示了测定结果。在实施例的情况下，结果发现，在任一条件下均未观察到外形的变形和电特性的变化，但在比较例1、2的情况，在条件(A)的情况下，结果发现，没有看到特性变化，但在条件(B)的情况下，观察到特性的恶化。在比较例3的情况，在(A)、(B)的任一条件下，均观察到特性的恶化。
以上，如所说明的那样，在采用实施例的样品的情况下，提高了机械强度并且可以显著提高了对冲击的耐受性。
Claims (8)
1.一种电化学装置，其特征在于，
具备：封装体，粘结相对的薄膜的周边区域的彼此而成；装入所述封装体内的元件本体，
所述封装体通过内含所述元件本体而具有全体厚度变得比所述周边区域厚的中央部和包围所述中央部的所述周边区域，
在所述电化学装置中，所述封装体的所述周边区域具备单个或多个弹性结构，其在所述薄膜的厚度方向上具备弹性力，
各个所述弹性结构具备：
沿着薄膜外缘弯折的所述封装体的第1区域；以及
与所述第1区域相对的所述封装体的第2区域，
所述第1区域的沿着所述薄膜外缘的方向的两个端部与所述第2区域接触，并且，在所述两个端部之间，所述第1区域和第2区域之间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，
所述两个端部之间的所述间隙的距离所述封装体表面的高度的最大值2R和距离所述表面的所述封装体的中央部的高度的最大值H满足以下关系：
H/2≤2R≤1.2×H。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，
所述两个端部各自的所述第1区域和所述第2区域的接触面积AR以及所述薄膜外缘和所述第1区域的弯折位置之间的所述封装体的长度h满足以下关系：
h/3≤(AR)1/2≤3×h。
4.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，
所述两个端部各自的所述第1区域和所述第2区域的接触面积AR以及所述薄膜外缘和所述第1区域的弯折位置之间的所述封装体的长度h满足以下关系：
h/3≤(AR)1/2≤3×h。
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，
进一步具备填充到所述间隙内的发泡树脂。
6.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，
进一步具备填充到所述间隙内的发泡树脂。
7.根据权利要求3所述的电化学装置，其特征在于，
进一步具备填充到所述间隙内的发泡树脂。
8.根据权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，
进一步具备填充到所述间隙内的发泡树脂。
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