JP2004363377A - 電気化学セルおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型・薄型化を容易とする電気化学セルの提供。
【解決手段】樹脂材料からなり箱状に形成されたベース部材と、金属材料からなりベース部材の内部から外部に貫通固定される導電性端子と、金属材料からなりベース部材に固定される枠部材と、枠部材に接合される接続端子と、枠部材に溶接されるカバー部材で電気化学セル構成した。
【選択図】 図１
【解決手段】樹脂材料からなり箱状に形成されたベース部材と、金属材料からなりベース部材の内部から外部に貫通固定される導電性端子と、金属材料からなりベース部材に固定される枠部材と、枠部材に接合される接続端子と、枠部材に溶接されるカバー部材で電気化学セル構成した。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は非水電解質電池および電気二重層原理を利用した電気二重層キャパシタ等の電気化学セルおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、コインやボタンのような形状の金属ケースでパッケージングされていた。図６に従来の電気化学セルを説明する断面図を示す。正極活物質６０１とセパレータ６０２、負極活物質６０３を収納するための上端面側が開口したステンレスの正極ケース６１と、絶縁性の樹脂からなるガスケット６２を介して正極ケース６１と勘合する負極ケース６３で構成されている。また、表面実装を必要とする場合は、正極ケース６１に溶接される正極端子６５ａと、負極ケース６３に溶接される負極端子６５ｂとを有していた。
【０００３】
【特許文献】
特開２００２−１９０４２７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、時計機能のバックアップ電源や半導体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予備電源、ソーラ時計の電池、モータ駆動用の電源などとして使用されている。また、電気化学セルは、半導体メモリの不揮発化、時計機能素子の低消費電力化により、容量、電流ともそれほど大きなものの必要性が減ってきている。むしろ、電気化学セルのニーズとしては、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等と同様に、はんだクリームを塗布した実装ボードに部品を載置し、はんだ融点（２００〜２６０℃）に温度設定されたリフロー炉で実装する要求が強くなっている。また、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等の近くに実装するための薄型化構造が求められている。しかし、従来のコインやボタンのような形状では、実装ボード上にデッドスペースが生じ、薄型で必要な容量を確保するためには占有面積が増えてしまった。小型・薄型化が課題であった。また、リフロー炉で実装するための構造としては正極端子や負極端子を取り付けることがおこなわれているが、正極ケースおよび負極ケースに取り付ける場合、部品の厚さが増してしまい薄型化が困難となるとともに、正極・負極端子を取り付けるための工数も増えてしまう。
したがって、従来の電気化学セルは、小型・薄型化が困難であり、部品数および工数が多く、高価であるあった。
【０００５】
本発明の目的は、安価で小型・薄型化が容易となる電気化学セルおよびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気化学セルは、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納され前記導電性端子に載置される正極活物質、もしくは、負極活物質と、凹部に保持されるセパレータと、前記セパレータに載置される負極活物質、もしくは、正極活物質と、金属材料からなる枠部材と、当該枠部材と接合される接続端子と、前記枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、前記枠部材と前記接続端子の接合部と枠部材の側面が前記ベース部材によって被覆され、前記ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部を有することを特徴とする。
【０００７】
ここで、導電性端子に正極活物質を載置する場合は、枠部材とカバー部材が電気化学セルの負極側となる。また、枠部材とカバー部材が正極側となる場合は、導電性端子が電気化学セルの負極側となる。これら部材はニッケル、銅、真鍮、錫、ステンレス、アルミニウムなどの何れかからなる金属材料を選択することが含まれる。また、母材となる金属に、ニッケル、銅、錫、金などの何れかからなる表面処理を施すことも含まれる。また、電気化学セルを構成する上で、対極となる導電性端子と枠部材の絶縁を確保することが必要である。このため、ベース部材は絶縁性を有する樹脂材料や無機フィラーが添加された樹脂材料で構成されることが含まれる。
【０００８】
また、セパレータとしては、大きなイオン透過度を有し、所定の機械的強度を有する絶縁膜が用いられる。リフロー炉での実装を考慮するとガラス繊維が安定して用いることができるが、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミドなどの樹脂を用いることもできる。セパレータの孔径、厚みは特に限定されないが、使用機器の電流値とキャパシタ内部抵抗にもとづき決定する設計的事項である。また、セラミックスの多孔質体を用いることもできる。
【０００９】
電解質には、電気二重層キャパシタや非水二次電池を例とすると、従来の非水溶媒が用いられる。この非水溶媒には、環状エステル類、鎖状エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、等が含まれる。リフロー実装を考慮すると、γ―ブチロラクトン（γＢＬ）やポロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、等から選ばれる単独または複合物で用いることができる。
【００１０】
支持塩としては、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４、（Ｃ３Ｈ７）４ＰＢＦ４、（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）３ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＰＦ６、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＣＦ３ＳＯ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＰＦ６、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２］、チオシアン塩、アルミニウムフッ化塩などのリチウム塩、 等の一種以上の塩を用いることができる。
【００１１】
特に、ポリエチレンオキサイド誘導体かポリエチレンオキサイド誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体やポリプロピレンオキサイド誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマー、ＰＶＤＦ等と前記非水溶媒、支持塩と併用しゲル状または固体状で用いることが含まれる。また、ＬｉＳ／ＳｉＳ２／Ｌｉ４ＳｉＯ４の無機固体電解質を用いることが含まれる。これは、カバー部材と枠部材との溶接をおこなう際の蒸気の発生を抑えることに効果がある。
【００１２】
すなわち、ベース部材に樹脂材料を用いることでベース部材の成形を容易とし、接続端子と接合された枠部材と導電性端子とをベース部材の成形と同時に型内で組み立てることを可能とした。ここで、予めプレス、切削などの機械加工をした導電性端子と枠部材と接続端子を型内に配置した後に樹脂材料を注入する方法で簡便に、いわゆるインサート成形することが含まれる。したがって、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器は、ベース部材と枠部材、カバー部材で構成され、ベース部材は型成形によって、コイン型や角型など所望の形状に成形できる。また、枠部材は、枠部材封着部を除く側面をベース部材で被覆したため、対極となる活物質との絶縁が確保されるとともに、ベース部材と枠部材の相互が材料強度を補完して電気化学セルの剛性が高められる。また、枠部材と接続端子との接合部をベース部材で被覆したため、接合強度が高められた。
【００１３】
枠部材とカバー部材の接合は、各々の部材を重ね合わせ、例えば溶接などの方法で接合することから、実装ボードにデッドスペースを生じさせない任意の形状の電気化学セルが構成できる。
【００１４】
また本発明の電気化学セルは、前記枠部材と前記接続端子が溶接されていることを特徴とする。ここで、枠部材は金属箔にプレスで連続して成形する工法、引き抜き型でパイプ成形し、切削する工法、等が含まれる。また、接続端子は金属箔にプレスで連続して成形する工法、板材、もしくは、棒材を切削する工法、等が含まれる。また、枠部材と接続端子の溶接は、ＹＡＧレーザの基本波長、第２高調波、第３高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に摩擦熱を用いる、各々の部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。すなわち、枠部材と接続端子との電気的な接続を容易におこなうことができる。
【００１５】
また本発明の電気化学セルは、前記導電性端子の一部と前記接続端子の一部が同一平面上に位置することを特徴とする。
【００１６】
すなわち、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等と同様に、平面実装構造が構成できる。電気化学セルにおいても同一平面に位置する接続端子と導電性端子を用いたリフロー炉での実装が容易に実現する。
【００１７】
また本発明の電気化学セルは、前記導電性端子および枠部材、カバー部材がステンレス、アルミニウムのいずれかからなる材料で構成されていることを特徴とする。ここで、導電性端子および枠部材、カバー部材は、ベース部材の凹部とともに非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等を内装するための容器を形成している。このため、正極活物質や負極活物質に腐食されない金属材料を選択する必要がある。例えば、負極活物質が枠部材とカバー部材側に内装される場合、正極活物質は導電性端子に載置される。このとき、負極側の枠部材とカバー部材は還元側に電位が流れるため、金属が溶け出しにくいことからステンレスの１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼とし、正極側の導電性端子は耐腐食性を強化したステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼とするなどに各々に適用することが含まれる。また、正極活物質が枠部材とカバー部材側に内装される場合は、枠部材とカバー部材に１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を適用し、導電性端子に１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼を適用することが含まれる。またほかの耐腐食材料として、ステンレスの１９Ｃｒ−２Ｍｏ鋼や１７Ｃｒ―１２Ｎｉ−Ｍｏ鋼、１９Ｃｒ−１３Ｎｉ−Ｍｏ鋼などが含まれる。
【００１８】
また、アルミニウムとしては、アルミニウムの剛性を強化したアルミニウム合金が含まれる。また、ステンレス、アルミニウムを母材として表面処理をおこない、ＡｕやＮｉ、はんだなどをコーティングすることが含まれる。
すなわち、正極活物質および負極活物質に耐腐食性を有する材料を選択することで信頼性を高めることができるとともに、枠部材とカバー部材との接合においても抵抗加熱、レーザ、振動加熱などの手段を用いて容易かつ安価に電気化学セルの封止性を確保できる。
【００１９】
また本発明の電気化学セルは、前記ベース部材がエポキシ系、ポリイミド系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の何れかからなる材料で構成されていることを特徴とする。
すなわち、これらの樹脂をベース部材に用いることで、電気化学セルを実装ボードに搭載し、リフロー炉ではんだ付けするのに必要な剛性と耐熱性が確保できる。
【００２０】
また本発明の電気化学セルは、前記枠部材封着部が縁曲げ部位を有し、当該縁曲げ部位と前記カバー部材とが重ね合わせて溶接されていることを特徴とする。ここで、枠部材はプレス成形して縁曲げ部位を形成する工法、ベース部材成形型内にて枠部材の縁曲げ部位を形成する工法、等が含まれる。
すなわち、枠部材封着部に縁曲げ部位を設けることでカバー部材と重なる面積が広がる。溶接ビード幅を太くできるため、電気化学セルに必要とされる封止性が確保される。
【００２１】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、金属材料からなる接続端子と枠部材とを接合する工程と、ベース部材成形型内に接続端子と枠部材、導電性端子とを配置する工程と、ベース部材成形型内に樹脂材料を注入して凹部１１ａを有する箱状にベース部材を成形するとともに、接続端子と枠部材、導電性端子とを組み立てる工程と、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程と、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて枠部材とカバー部材とを溶接する工程とを有することを特徴とする。
【００２２】
ここで、予めプレス、切削などの機械加工をした接続端子と枠部材とを接合し、導電性端子と枠部材および接続端子をベース部材成形型内に配置した後に樹脂材料を注入する方法で導電性端子とベース部材、および、接続端子が接合された枠部材とベース部材を接合し、ベース部材が硬化した際には充分な密着で封止がなされる。また、導電性端子と枠部材、接続端子、カバー部材は、ステンレス、アルミニウム合金などのいずれかからなる金属材料が含まれる。また、接続端子と枠部材の接合方法としては、ＹＡＧレーザの基本波長、第２高調波、第３高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に摩擦熱を用いる、各々に部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。また、加熱手段としては、ＹＡＧレーザの基本波長、第２高調波、第３高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に生じる摩擦熱を用いる、各々に部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。
【００２３】
すなわち、接続端子と枠部材とを接合することで、電気的な接続が確保できていることを予め確認できる。また、ベース部材成形型内でそれぞれの部材が位置ずれし、部材間に樹脂が入り込むことで導通不良となることを抑制できる。したがって、導電性端子と接続端子が接合された枠部材とをベース部材成形型内に配置し、いわゆるインサート成形することで、導電性端子と接続端子が接合された枠部材とベース部材は簡便に組み立てられるとともに、枠部材とカバー部材とを溶接することで電気化学セルの封止性が充分に確保される。
【００２４】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、ベース部材成形型を固定型と可動型の少なくとも２体で構成し、前記接続端子と接合した枠部材を固定型に配置した後に、ベース部材成形型を閉じて固定型と可動型とで枠部材の端面を挟み込み、枠部材の高さを揃えることを特徴とする。
【００２５】
すなわち、枠部材の高さを揃えることでカバー部材と隙間無く重ね合わ、溶接することができるため、電気化学セルの封止性が充分に確保される。
【００２６】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、前記枠部材の底部に縁曲げ部位を設け、底部縁曲げ部位と接続端子を重ね合わせて溶接することを特徴とする。
【００２７】
すなわち、枠部材の板厚を薄くした場合、枠部材と接続端子との接合強度が不足することが生じるが、底部縁曲げ部位を設けることで、枠部材と接続端子の重ね合わせ溶接ができるため、所望の接合強度を確保できる。したがって、枠部材の板厚を薄くする小型の電気化学セルの構成を可能とし、枠部材と接続端子との接合部の信頼性を高めることができる。
【００２８】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、前記導電性端子と前記接続端子が金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々部材の一部と金属箔のフレームとがブリッジを介してつながっており、金属箔のフレームにガイド穴を設け、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材とを溶接する工程の後に、金属箔のフレームからブリッジを切り離すことを特徴とする。
【００２９】
ここで、導電性端子および接続端子が対となって金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々の一部が金属箔のフレームとブリッジを介してつながっている、いわゆるフープ成形が含まれる。
【００３０】
すなわち、ベース部材の成形後に正極活物質やセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材との溶接工程まで、フープで組み立てることによって、フープのフレームに設けたガイド穴を使うことが出来るため、各々の部材を精度良く位置決めできるとともに、小型・薄型化する際のハンドリングが容易となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の電気化学セルの第１の実施形態の構成を示す。また、図２に本発明の電気化学セルの第１の実施形態の断面図を示す。
【００３２】
本発明の電気化学セルは、樹脂材料からなるベース部材１１と、ベース部材１１の凹部１１ａの内側から外側にベース部材１１の側壁を貫通する導電性端子１５を有する。
【００３３】
このベース部材１１は、正極活物質１０１とセパレータ１０２、負極活物質１０３を収納するための上端面が開口した構造である。
【００３４】
また、ベース部材１１には金属材料からなる枠部材１２が接合されており、ベース部材１１の開口側上端面から枠部材１２の全周が突出し、枠部材封着部１２ａで構成される。
【００３５】
また、枠部材１２と接続端子１６は接合され、この接合部１６ａはベース部材１１の側壁内に被覆される。
【００３６】
ここで、凹部１１ａの底面に導電性端子１５が配置されているため、正極活物質１０１を導電性端子１５に載置することで、導電性端子１５は電気化学セルの正極集電体の機能を有する。
【００３７】
また、セパレータ１０２を挟んで負極活物質１０３を載置し、枠部材１２と金属材料からなるカバー部材１３とを重ね合わせて接合することで、枠部材１２とカバー部材１３は負極集電体の機能を有する。導電性端子１５とベース部材１１、枠部材１２とベース部材１１は充分に接合されている。
【００３８】
また、枠部材封着部１２ａの開口を蓋するカバー部材１３の外形は枠部材封着部１２ａとほぼ同じ大きさとし、全周を隙間無く接合することで、これら接合部から湿気の進入はない。
【００３９】
また、セパレータ１０２を挟む正極活物質１０１と負極活物質１０３とを入れ替えることで、導電性端子１５を負極集電体とし、枠部材１２とカバー部材１３を正極集電体とすることもできる。ここで、ベース部材１１の材質としては、絶縁性の樹脂であれば適用できるが、エポキシ系、ポリイミド系の耐熱を有する熱硬化性樹脂や、ポリスチレン系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の熱可塑樹脂が、剛性、耐熱性の面から適している。
【００４０】
ここで、ポリスチレン系としてはシンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド系としてはリニア型および架橋型ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエステル系としては液晶ポリマー（ＬＣＰ）の呼称の全芳香族ポリエステル、ポリアミド系としてはナイロン、ポリエーテル系としてはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、などが選択される。
【００４１】
また、これら樹脂にガラス繊維、マイカ、セラミックス微粉等を添加したものも用いられる。
【００４２】
また、導電性端子１５の材質としては、正極活物質１０１もしくは負極活物質１０３と接触するため、耐腐食性を有する金属が選択される。
【００４３】
さらに、加工性を考慮することで、ステンレス（Ｃｒ−Ｎｉ鋼）であれば１９−９鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などがプレス性や切削性、溶接性から適合する金属が用いられる。
【００４４】
また、表面処理として、ニッケルや金、銅、錫などを施しても良い。
【００４５】
また、枠部材１２およびカバー部材１３の材質としては、正極活物質１０１もしくは負極活物質１０３と接触するため、耐腐食性を有する金属が選択される。
【００４６】
さらに、加工性を考慮することで、ステンレス（Ｃｒ−Ｎｉ鋼）であれば１９−９鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などがプレス性や切削性、溶接性から適合する金属が用いられる。
【００４７】
また、接続端子１６は凹部１１ａにおいて樹脂材料に被覆されるため耐腐食性を考慮することなく、加工性と枠部材１２との接合性からステンレスやアルミニウムが用いられる。
【００４８】
本実施形態では、ベース部材１１はエポキシを、導電性端子１５はステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。枠部材１２と接続端子１６とカバー部材１３はステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。また、導電性端子１５および接続端子１６がベース部材１１の外側に延出する部位には、実装ボードとはんだ接合を容易とするために金めっきを施した。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてカーボンブラックを、ゲル化剤としてポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）を、電解質として（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）３ＮＢＦ４を、さらにＰＣに（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）３ＮＢＦ４を溶かした溶液を加え、混練機により１００℃で混練して作製した。混練物をロールプレスで圧延してシート状にし、切断して正極活物質１０１と負極活物質１０２を作製した。また、ＰＥＯにγ―ＢＬ／ＥＣ（比率１：１）にＬｉＢＦ４を溶かした溶液を加え、混練機により常温で混練した。混練物をポリフェニレンサルファイド製の不織布に挟み、ロールプレスでシート状にし、切断してセパレータ１０２を作製した。
【００４９】
接続端子１６と枠部材１２はそれぞれを金属箔で連続的にプレス加工する、いわゆるフープ成形を適用し、接続端子１６と枠部材１２とを接合した。接続端子１６と接合した枠部材１２と予めプレス加工でフープ成形した導電性端子１５とをベース部材１１の成形型内に配置し、型内に樹脂を注入する、いわゆるインサート成形によりベース部材１１に一体的に固定されている。
【００５０】
具体的には、送り穴ガイドを有する厚さ１００μｍのステンレス箔にプレス機で接続端子１６を成形したフープと、送り穴ガイドを有する厚さ２００μｍのステンレス箔にプレス機で枠部材１２を成形したフープを用意した。接続端子１６と枠部材１２とを溶接する直前で枠部材１２をフープのフレームから切り離し、接続端子１６と枠部材１２を基本波長のＹＡＧレーザで溶接し、接合部１６ａを形成した。
【００５１】
また、送り穴ガイドを有する厚さ１００μｍのステンレス箔にプレス機で導電性端子１５を成形したフープを用意した。導電性端子１５は送り穴ガイドがあるフレームと一体でベース部材１１の成形型内に配置し、接続端子１６を接合した枠部材１２は送り穴ガイドがあるフレームからインサート成形型内に配置する直前で切断し、ベース部材１１の成形型内に配置し、エポキシをインサート成形して複数個のベース部材１１を連続して作製した。
【００５２】
この後、接続端子１６と導電性端子１５の下面が同一平面上に位置するように曲げを加えながら、送り穴ガイドがあるフレームと導電性端子１５を切り離した。
【００５３】
これらの手段で構成したベース部材１１に正極活物質１０１とセパレータ１０２、負極活物質１０３を収納した。ここで、正極活物質１０１は導電性端子１５に接するように配置し、セパレータ１０２はベース部材１１の内壁に保持させ、負極活物質１０３はセパレータ１０２に配置した。枠部材封着部１２ａと予めステンレス箔からプレス成形で切り離したカバー部材１３とを重ね合わせて基本波長のＹＡＧレーザを用いてシーム溶接し、電気化学セルを製作した。
【００５４】
電気化学セルの封止性を評価するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０−５ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の封止性を有していることがわかった。また、この電気化学セルは、接続端子１６と導電性端子１５の下面が同一平面上に位置するため、基板へのはんだ付けの作業性が著しく高いこと、予備加熱１８０℃・１０分、加熱２４０℃・１分のリフロー炉に通してはんだ付けをおこない、はんだ付け前と後での特性に変化がないことを確認した。
【００５５】
ここで、カバー部材１３と枠部材封着部１２ａの接合は溶接を用いたが、接着剤や接着シート等を使った接着と低融点金属を使ったはんだ接合をおこない、電気化学セルの特性を確認した。また、導電性端子や枠部材、カバー部材、接続端子にアルミニウムを用いた場合の電気化学セルの特性を確認した。また、ベース部材にエポキシ以外のポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエステル（ＬＣＰ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエーテル（ＰＥＥＫ）を用いた場合の電気化学セルの特性を評価し、これらの材料が適用できることを確認した。
【００５６】
図３に本発明の電気化学セルの第２の実施形態の構成を示す。図３は枠部材３２の縁曲げ部３２ｂと接続端子３６との溶接部３６ａを説明する断面図を表している。ベース部材３１が開口する凹部３１ａを有し、ベース部材３１の上端面から枠部材３２の全周が突出して枠部材封着部３２ａを形成する。ベース部材３１の側壁面より枠部材３２と溶接される接続端子３６の一部が導出される。ここで、接続端子３６はベース部材１１に被覆されており、導電性端子３５に載置した正極活物質３０１とは絶縁されている。
【００５７】
本実施形態では、ベース部材３１はエポキシを、導電性端子３５と枠部材３２とカバー部材３３はステンレスを用いた。枠部材３２は、金属箔をプレス加工にてフープ成形する際、縁曲げ部３２ｂを形成した。この後、基本波長のＹＡＧレーザを用いて、金属箔をプレス成形した接続端子３６と重ね合わせ溶接をおこない、接合部３６ａを形成した。導電性端子３５は、金属箔にプレス加工にてフープ成形し、フレームとつながった状態でベース部材成形型内に配置した。また、接続端子３６と溶接した枠部材３２は、フープから切り離してベース部材成形型内に配置した。この後、エポキシを注入してベース部材３１をインサート成形して導電性端子３５と接続端子３６を溶接した枠部材３２を組み立てた。
【００５８】
これらの手段で作製したベース部材３１内に正極活物質３０１とセパレータ３０２、負極活物質３０３とを収納し後、枠部材封着部３２ａと予めステンレス箔からプレス成形で切り離したカバー部材３３とを重ね合わせて基本波長のＹＡＧレーザを用いてシーム溶接し、電気化学セルを作製した。
【００５９】
また、ＹＡＧレーザを用いるほかに、枠部材封着部３２ａとカバー部材３３の接合に抵抗溶接をおこなった、カバー部材３３と接続端子３６ａに溶接電極を当てて通電し、抵抗加熱にて接合した。
【００６０】
これらの方法で製作した電気化学セルの封止性を評価するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０−５ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の封止性を有していることがわかった。
【００６１】
また、この電気化学セルは、接続端子３６と枠部材３２の縁曲げ部３２ｂを溶接したため、接合強度が高く、基板に実装する際の荷重で変形が生じない。したがって、基板に電気化学セルを実装する際の歩留まりが向上した。
【００６２】
図４に本発明の電気化学セルの製造方法を説明するフロー図を示す。ステンレス箔をプレス成形した接続端子１５とステンレス箔をプレス成形した枠部材１２とを接合する（工程４０１）。ベース部材成形型内に接続端子１５と枠部材１２、導電性端子１５とを配置する（工程４０２）。次にベース部材１１の成形型内にエポキシ樹脂を注入して硬化する（工程４０３）。次に正極活物質１０１とセパレータ１０２、負極活物質１０３とをベース部材１１に載置する（工程４０４）。その後、カバー部材１３と枠部材封着部１２ａとを重ね合わせ、全周を基本波長のＹＡＧレーザで溶接する（工程４０４）。
【００６３】
カバー部材１３と枠部材封着部１２ａとを溶接する方法としては、基本波長のＹＡＧレーザの他に、第二高調波、第三高調波のＹＡＧレーザ、半導体レーザ、などの光吸収を用いる方法、カバー部材１３に超音波振動子を押し当てて枠部材封着部１２ａとの間を擦り合わせる摩擦熱を用いる方法、カバー部材１３もしくはカバー部材１３と枠部材封着部１２ａに通電して加熱する抵抗加熱を用いる方法が用いられる。
【００６４】
また、工程４０２において、ベース部材成形型の固定型側に配置した枠部材１２は、可動型を閉じる際に枠部材１２の端面を挟み込む構成とした。ここで、枠部材１２の底部から枠部材封着部１２ａまでの高さを固定型と可動型でつくる隙間よりも１００μｍ高く作製した。枠部材封着部１２ａにおける平面度は３０μｍにばらついていたが、枠部材１２は固定型と可動型を閉じることで型に倣う形に変形した。エポキシ樹脂を注入して硬化した後にベース部材１１の上端面から突出する枠部材封着部１２ａは、平面度が５μｍ以内に平坦化された。したがって、枠部材封着部の平面度がばらついている場合でも、ベース部材成形型内で平面度ばらつきが小さくできるため、生産性が高められることを確認した。
【００６５】
また、工程４０１において、底部に縁曲げ部３２ａを形成した枠部材３２と接続端子３６をＹＡＧレーザで溶接した。ここで、レーザビーム径を２００μｍとして３点を重ね合わせ溶接した。したがって、突合せ溶接に比べて接合強度が高められ、溶接点数を増やすことで接合面積が広がることから、電気化学セルを基板に実装する際に生じる荷重で変形が生じない。したがって、基板に電気化学セルを実装する際の歩留まりが向上した。
【００６６】
この工程で作製した電気化学セルの封止状態を確認するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０−５ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の封止性であることがわかった。
【００６７】
図５に本発明の電気化学セルの製造方法を説明する外観図を示す。
【００６８】
ここで、導電性端子５５と接続端子５６はフープにブリッジ５８ａ、５８ｂでつながっている。フープに設けたガイド穴５９をガイドピンで位置決めした後、枠部材と接続端子５６を溶接し、ここでは図示しないが、枠部材と接続端子５６の溶接部を形成した。
【００６９】
次に、枠部材と接続端子５６と導電性端子５５をベース部材成形型内に配置し、ベース部材５１を成形した。正極活物質５０１を導電性端子５５に載置した後、ベース部材５１内にセパレータ５０２と負極活物質５０３を収納した。この後、図示しないカバー部材と枠部材封着部５２ａを重ね合わせて溶接した。これらの工程を経て、ブリッジ５８ａ、５８ｂを切り離した。
【００７０】
電気化学セルの小型化に有利であることを確認するため、ベース部材５１の外形は幅３ｍｍ、長さ５ｍｍとし、ベース部材５１の底面からカバー部材上面までの厚さを１ｍｍで作製した。フープのフレームにはφ１ｍｍのガイド穴５９を設け、ガイド穴５９と１０μｍの隙間をもってはめ合うガイドピンを挿入して位置決めし、正極活物質５０１とセパレータ５０２、負極活物質５０３を組み込んだ。
【００７１】
また、枠部材封着部５２ａとカバー部材を重ね合わせ、基本波長のＹＡＧレーザで溶接した。これら部材の組み込みや溶接において２０μｍ以内の位置ずれであった。
【００７２】
この結果、ベース部材５１に位置決め用のガイド穴を設ける必要が無いこと、ベース部材５１の外形形状にばらつきがあった場合でも導電性端子５５や接続端子５６とフープのフレームに設けたガイド穴５９の位置が精度良く加工されているため、枠部材５２と接続端子５６の溶接、正極活物質５０１とセパレータ５０２と負極活物質５０３の組み込みやカバー部材の溶接が高精度にできる。
【００７３】
すなわち、小型の電気化学セルの製造方法として有効であることが確認できた。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納される正極活物質とセパレータと負極活物質と、金属材料からなる枠部材と、枠部材と接合される接続端子と、枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、枠部材と接続端子の接合部と枠部材の側面がベース部材によって被覆され、ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部で電気化学セル構成した。
【００７５】
導電性端子と枠部材はベース部材の成形とともに組み立てられ、生産性が高められる。また、小型・薄型化の実現が容易な構成で電気化学セルおよびその製造方法を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気化学セルの構成図である。
【図２】本発明の電気化学セルの断面図である。
【図３】本発明の電気化学セルの第２の実施形態の断面図である。
【図４】本発明の電気化学セルの製造方法を説明するフロー図である。
【図５】本発明の電気化学セルの製造方法を説明する外観図である。
【図６】従来の電気化学セルの断面図である。
【符号の説明】
１１、３１、５１ ベース部材
１２，３２、５２ 枠部材
１３、３３、５３ カバー部材
１５，３５，５５ 導電性端子
５８ａ、５８ｂ ブリッジ
【発明が属する技術分野】
本発明は非水電解質電池および電気二重層原理を利用した電気二重層キャパシタ等の電気化学セルおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、コインやボタンのような形状の金属ケースでパッケージングされていた。図６に従来の電気化学セルを説明する断面図を示す。正極活物質６０１とセパレータ６０２、負極活物質６０３を収納するための上端面側が開口したステンレスの正極ケース６１と、絶縁性の樹脂からなるガスケット６２を介して正極ケース６１と勘合する負極ケース６３で構成されている。また、表面実装を必要とする場合は、正極ケース６１に溶接される正極端子６５ａと、負極ケース６３に溶接される負極端子６５ｂとを有していた。
【０００３】
【特許文献】
特開２００２−１９０４２７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、時計機能のバックアップ電源や半導体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予備電源、ソーラ時計の電池、モータ駆動用の電源などとして使用されている。また、電気化学セルは、半導体メモリの不揮発化、時計機能素子の低消費電力化により、容量、電流ともそれほど大きなものの必要性が減ってきている。むしろ、電気化学セルのニーズとしては、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等と同様に、はんだクリームを塗布した実装ボードに部品を載置し、はんだ融点（２００〜２６０℃）に温度設定されたリフロー炉で実装する要求が強くなっている。また、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等の近くに実装するための薄型化構造が求められている。しかし、従来のコインやボタンのような形状では、実装ボード上にデッドスペースが生じ、薄型で必要な容量を確保するためには占有面積が増えてしまった。小型・薄型化が課題であった。また、リフロー炉で実装するための構造としては正極端子や負極端子を取り付けることがおこなわれているが、正極ケースおよび負極ケースに取り付ける場合、部品の厚さが増してしまい薄型化が困難となるとともに、正極・負極端子を取り付けるための工数も増えてしまう。
したがって、従来の電気化学セルは、小型・薄型化が困難であり、部品数および工数が多く、高価であるあった。
【０００５】
本発明の目的は、安価で小型・薄型化が容易となる電気化学セルおよびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気化学セルは、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納され前記導電性端子に載置される正極活物質、もしくは、負極活物質と、凹部に保持されるセパレータと、前記セパレータに載置される負極活物質、もしくは、正極活物質と、金属材料からなる枠部材と、当該枠部材と接合される接続端子と、前記枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、前記枠部材と前記接続端子の接合部と枠部材の側面が前記ベース部材によって被覆され、前記ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部を有することを特徴とする。
【０００７】
ここで、導電性端子に正極活物質を載置する場合は、枠部材とカバー部材が電気化学セルの負極側となる。また、枠部材とカバー部材が正極側となる場合は、導電性端子が電気化学セルの負極側となる。これら部材はニッケル、銅、真鍮、錫、ステンレス、アルミニウムなどの何れかからなる金属材料を選択することが含まれる。また、母材となる金属に、ニッケル、銅、錫、金などの何れかからなる表面処理を施すことも含まれる。また、電気化学セルを構成する上で、対極となる導電性端子と枠部材の絶縁を確保することが必要である。このため、ベース部材は絶縁性を有する樹脂材料や無機フィラーが添加された樹脂材料で構成されることが含まれる。
【０００８】
また、セパレータとしては、大きなイオン透過度を有し、所定の機械的強度を有する絶縁膜が用いられる。リフロー炉での実装を考慮するとガラス繊維が安定して用いることができるが、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミドなどの樹脂を用いることもできる。セパレータの孔径、厚みは特に限定されないが、使用機器の電流値とキャパシタ内部抵抗にもとづき決定する設計的事項である。また、セラミックスの多孔質体を用いることもできる。
【０００９】
電解質には、電気二重層キャパシタや非水二次電池を例とすると、従来の非水溶媒が用いられる。この非水溶媒には、環状エステル類、鎖状エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、等が含まれる。リフロー実装を考慮すると、γ―ブチロラクトン（γＢＬ）やポロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、等から選ばれる単独または複合物で用いることができる。
【００１０】
支持塩としては、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４、（Ｃ３Ｈ７）４ＰＢＦ４、（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）３ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＰＦ６、（Ｃ２Ｈ５）４ＰＣＦ３ＳＯ４、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＰＦ６、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２］、チオシアン塩、アルミニウムフッ化塩などのリチウム塩、 等の一種以上の塩を用いることができる。
【００１１】
特に、ポリエチレンオキサイド誘導体かポリエチレンオキサイド誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体やポリプロピレンオキサイド誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマー、ＰＶＤＦ等と前記非水溶媒、支持塩と併用しゲル状または固体状で用いることが含まれる。また、ＬｉＳ／ＳｉＳ２／Ｌｉ４ＳｉＯ４の無機固体電解質を用いることが含まれる。これは、カバー部材と枠部材との溶接をおこなう際の蒸気の発生を抑えることに効果がある。
【００１２】
すなわち、ベース部材に樹脂材料を用いることでベース部材の成形を容易とし、接続端子と接合された枠部材と導電性端子とをベース部材の成形と同時に型内で組み立てることを可能とした。ここで、予めプレス、切削などの機械加工をした導電性端子と枠部材と接続端子を型内に配置した後に樹脂材料を注入する方法で簡便に、いわゆるインサート成形することが含まれる。したがって、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器は、ベース部材と枠部材、カバー部材で構成され、ベース部材は型成形によって、コイン型や角型など所望の形状に成形できる。また、枠部材は、枠部材封着部を除く側面をベース部材で被覆したため、対極となる活物質との絶縁が確保されるとともに、ベース部材と枠部材の相互が材料強度を補完して電気化学セルの剛性が高められる。また、枠部材と接続端子との接合部をベース部材で被覆したため、接合強度が高められた。
【００１３】
枠部材とカバー部材の接合は、各々の部材を重ね合わせ、例えば溶接などの方法で接合することから、実装ボードにデッドスペースを生じさせない任意の形状の電気化学セルが構成できる。
【００１４】
また本発明の電気化学セルは、前記枠部材と前記接続端子が溶接されていることを特徴とする。ここで、枠部材は金属箔にプレスで連続して成形する工法、引き抜き型でパイプ成形し、切削する工法、等が含まれる。また、接続端子は金属箔にプレスで連続して成形する工法、板材、もしくは、棒材を切削する工法、等が含まれる。また、枠部材と接続端子の溶接は、ＹＡＧレーザの基本波長、第２高調波、第３高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に摩擦熱を用いる、各々の部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。すなわち、枠部材と接続端子との電気的な接続を容易におこなうことができる。
【００１５】
また本発明の電気化学セルは、前記導電性端子の一部と前記接続端子の一部が同一平面上に位置することを特徴とする。
【００１６】
すなわち、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等と同様に、平面実装構造が構成できる。電気化学セルにおいても同一平面に位置する接続端子と導電性端子を用いたリフロー炉での実装が容易に実現する。
【００１７】
また本発明の電気化学セルは、前記導電性端子および枠部材、カバー部材がステンレス、アルミニウムのいずれかからなる材料で構成されていることを特徴とする。ここで、導電性端子および枠部材、カバー部材は、ベース部材の凹部とともに非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等を内装するための容器を形成している。このため、正極活物質や負極活物質に腐食されない金属材料を選択する必要がある。例えば、負極活物質が枠部材とカバー部材側に内装される場合、正極活物質は導電性端子に載置される。このとき、負極側の枠部材とカバー部材は還元側に電位が流れるため、金属が溶け出しにくいことからステンレスの１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼とし、正極側の導電性端子は耐腐食性を強化したステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼とするなどに各々に適用することが含まれる。また、正極活物質が枠部材とカバー部材側に内装される場合は、枠部材とカバー部材に１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を適用し、導電性端子に１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼を適用することが含まれる。またほかの耐腐食材料として、ステンレスの１９Ｃｒ−２Ｍｏ鋼や１７Ｃｒ―１２Ｎｉ−Ｍｏ鋼、１９Ｃｒ−１３Ｎｉ−Ｍｏ鋼などが含まれる。
【００１８】
また、アルミニウムとしては、アルミニウムの剛性を強化したアルミニウム合金が含まれる。また、ステンレス、アルミニウムを母材として表面処理をおこない、ＡｕやＮｉ、はんだなどをコーティングすることが含まれる。
すなわち、正極活物質および負極活物質に耐腐食性を有する材料を選択することで信頼性を高めることができるとともに、枠部材とカバー部材との接合においても抵抗加熱、レーザ、振動加熱などの手段を用いて容易かつ安価に電気化学セルの封止性を確保できる。
【００１９】
また本発明の電気化学セルは、前記ベース部材がエポキシ系、ポリイミド系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の何れかからなる材料で構成されていることを特徴とする。
すなわち、これらの樹脂をベース部材に用いることで、電気化学セルを実装ボードに搭載し、リフロー炉ではんだ付けするのに必要な剛性と耐熱性が確保できる。
【００２０】
また本発明の電気化学セルは、前記枠部材封着部が縁曲げ部位を有し、当該縁曲げ部位と前記カバー部材とが重ね合わせて溶接されていることを特徴とする。ここで、枠部材はプレス成形して縁曲げ部位を形成する工法、ベース部材成形型内にて枠部材の縁曲げ部位を形成する工法、等が含まれる。
すなわち、枠部材封着部に縁曲げ部位を設けることでカバー部材と重なる面積が広がる。溶接ビード幅を太くできるため、電気化学セルに必要とされる封止性が確保される。
【００２１】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、金属材料からなる接続端子と枠部材とを接合する工程と、ベース部材成形型内に接続端子と枠部材、導電性端子とを配置する工程と、ベース部材成形型内に樹脂材料を注入して凹部１１ａを有する箱状にベース部材を成形するとともに、接続端子と枠部材、導電性端子とを組み立てる工程と、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程と、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて枠部材とカバー部材とを溶接する工程とを有することを特徴とする。
【００２２】
ここで、予めプレス、切削などの機械加工をした接続端子と枠部材とを接合し、導電性端子と枠部材および接続端子をベース部材成形型内に配置した後に樹脂材料を注入する方法で導電性端子とベース部材、および、接続端子が接合された枠部材とベース部材を接合し、ベース部材が硬化した際には充分な密着で封止がなされる。また、導電性端子と枠部材、接続端子、カバー部材は、ステンレス、アルミニウム合金などのいずれかからなる金属材料が含まれる。また、接続端子と枠部材の接合方法としては、ＹＡＧレーザの基本波長、第２高調波、第３高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に摩擦熱を用いる、各々に部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。また、加熱手段としては、ＹＡＧレーザの基本波長、第２高調波、第３高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に生じる摩擦熱を用いる、各々に部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。
【００２３】
すなわち、接続端子と枠部材とを接合することで、電気的な接続が確保できていることを予め確認できる。また、ベース部材成形型内でそれぞれの部材が位置ずれし、部材間に樹脂が入り込むことで導通不良となることを抑制できる。したがって、導電性端子と接続端子が接合された枠部材とをベース部材成形型内に配置し、いわゆるインサート成形することで、導電性端子と接続端子が接合された枠部材とベース部材は簡便に組み立てられるとともに、枠部材とカバー部材とを溶接することで電気化学セルの封止性が充分に確保される。
【００２４】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、ベース部材成形型を固定型と可動型の少なくとも２体で構成し、前記接続端子と接合した枠部材を固定型に配置した後に、ベース部材成形型を閉じて固定型と可動型とで枠部材の端面を挟み込み、枠部材の高さを揃えることを特徴とする。
【００２５】
すなわち、枠部材の高さを揃えることでカバー部材と隙間無く重ね合わ、溶接することができるため、電気化学セルの封止性が充分に確保される。
【００２６】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、前記枠部材の底部に縁曲げ部位を設け、底部縁曲げ部位と接続端子を重ね合わせて溶接することを特徴とする。
【００２７】
すなわち、枠部材の板厚を薄くした場合、枠部材と接続端子との接合強度が不足することが生じるが、底部縁曲げ部位を設けることで、枠部材と接続端子の重ね合わせ溶接ができるため、所望の接合強度を確保できる。したがって、枠部材の板厚を薄くする小型の電気化学セルの構成を可能とし、枠部材と接続端子との接合部の信頼性を高めることができる。
【００２８】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、前記導電性端子と前記接続端子が金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々部材の一部と金属箔のフレームとがブリッジを介してつながっており、金属箔のフレームにガイド穴を設け、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材とを溶接する工程の後に、金属箔のフレームからブリッジを切り離すことを特徴とする。
【００２９】
ここで、導電性端子および接続端子が対となって金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々の一部が金属箔のフレームとブリッジを介してつながっている、いわゆるフープ成形が含まれる。
【００３０】
すなわち、ベース部材の成形後に正極活物質やセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材との溶接工程まで、フープで組み立てることによって、フープのフレームに設けたガイド穴を使うことが出来るため、各々の部材を精度良く位置決めできるとともに、小型・薄型化する際のハンドリングが容易となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の電気化学セルの第１の実施形態の構成を示す。また、図２に本発明の電気化学セルの第１の実施形態の断面図を示す。
【００３２】
本発明の電気化学セルは、樹脂材料からなるベース部材１１と、ベース部材１１の凹部１１ａの内側から外側にベース部材１１の側壁を貫通する導電性端子１５を有する。
【００３３】
このベース部材１１は、正極活物質１０１とセパレータ１０２、負極活物質１０３を収納するための上端面が開口した構造である。
【００３４】
また、ベース部材１１には金属材料からなる枠部材１２が接合されており、ベース部材１１の開口側上端面から枠部材１２の全周が突出し、枠部材封着部１２ａで構成される。
【００３５】
また、枠部材１２と接続端子１６は接合され、この接合部１６ａはベース部材１１の側壁内に被覆される。
【００３６】
ここで、凹部１１ａの底面に導電性端子１５が配置されているため、正極活物質１０１を導電性端子１５に載置することで、導電性端子１５は電気化学セルの正極集電体の機能を有する。
【００３７】
また、セパレータ１０２を挟んで負極活物質１０３を載置し、枠部材１２と金属材料からなるカバー部材１３とを重ね合わせて接合することで、枠部材１２とカバー部材１３は負極集電体の機能を有する。導電性端子１５とベース部材１１、枠部材１２とベース部材１１は充分に接合されている。
【００３８】
また、枠部材封着部１２ａの開口を蓋するカバー部材１３の外形は枠部材封着部１２ａとほぼ同じ大きさとし、全周を隙間無く接合することで、これら接合部から湿気の進入はない。
【００３９】
また、セパレータ１０２を挟む正極活物質１０１と負極活物質１０３とを入れ替えることで、導電性端子１５を負極集電体とし、枠部材１２とカバー部材１３を正極集電体とすることもできる。ここで、ベース部材１１の材質としては、絶縁性の樹脂であれば適用できるが、エポキシ系、ポリイミド系の耐熱を有する熱硬化性樹脂や、ポリスチレン系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の熱可塑樹脂が、剛性、耐熱性の面から適している。
【００４０】
ここで、ポリスチレン系としてはシンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド系としてはリニア型および架橋型ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエステル系としては液晶ポリマー（ＬＣＰ）の呼称の全芳香族ポリエステル、ポリアミド系としてはナイロン、ポリエーテル系としてはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、などが選択される。
【００４１】
また、これら樹脂にガラス繊維、マイカ、セラミックス微粉等を添加したものも用いられる。
【００４２】
また、導電性端子１５の材質としては、正極活物質１０１もしくは負極活物質１０３と接触するため、耐腐食性を有する金属が選択される。
【００４３】
さらに、加工性を考慮することで、ステンレス（Ｃｒ−Ｎｉ鋼）であれば１９−９鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などがプレス性や切削性、溶接性から適合する金属が用いられる。
【００４４】
また、表面処理として、ニッケルや金、銅、錫などを施しても良い。
【００４５】
また、枠部材１２およびカバー部材１３の材質としては、正極活物質１０１もしくは負極活物質１０３と接触するため、耐腐食性を有する金属が選択される。
【００４６】
さらに、加工性を考慮することで、ステンレス（Ｃｒ−Ｎｉ鋼）であれば１９−９鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などがプレス性や切削性、溶接性から適合する金属が用いられる。
【００４７】
また、接続端子１６は凹部１１ａにおいて樹脂材料に被覆されるため耐腐食性を考慮することなく、加工性と枠部材１２との接合性からステンレスやアルミニウムが用いられる。
【００４８】
本実施形態では、ベース部材１１はエポキシを、導電性端子１５はステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。枠部材１２と接続端子１６とカバー部材１３はステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。また、導電性端子１５および接続端子１６がベース部材１１の外側に延出する部位には、実装ボードとはんだ接合を容易とするために金めっきを施した。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてカーボンブラックを、ゲル化剤としてポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）を、電解質として（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）３ＮＢＦ４を、さらにＰＣに（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）３ＮＢＦ４を溶かした溶液を加え、混練機により１００℃で混練して作製した。混練物をロールプレスで圧延してシート状にし、切断して正極活物質１０１と負極活物質１０２を作製した。また、ＰＥＯにγ―ＢＬ／ＥＣ（比率１：１）にＬｉＢＦ４を溶かした溶液を加え、混練機により常温で混練した。混練物をポリフェニレンサルファイド製の不織布に挟み、ロールプレスでシート状にし、切断してセパレータ１０２を作製した。
【００４９】
接続端子１６と枠部材１２はそれぞれを金属箔で連続的にプレス加工する、いわゆるフープ成形を適用し、接続端子１６と枠部材１２とを接合した。接続端子１６と接合した枠部材１２と予めプレス加工でフープ成形した導電性端子１５とをベース部材１１の成形型内に配置し、型内に樹脂を注入する、いわゆるインサート成形によりベース部材１１に一体的に固定されている。
【００５０】
具体的には、送り穴ガイドを有する厚さ１００μｍのステンレス箔にプレス機で接続端子１６を成形したフープと、送り穴ガイドを有する厚さ２００μｍのステンレス箔にプレス機で枠部材１２を成形したフープを用意した。接続端子１６と枠部材１２とを溶接する直前で枠部材１２をフープのフレームから切り離し、接続端子１６と枠部材１２を基本波長のＹＡＧレーザで溶接し、接合部１６ａを形成した。
【００５１】
また、送り穴ガイドを有する厚さ１００μｍのステンレス箔にプレス機で導電性端子１５を成形したフープを用意した。導電性端子１５は送り穴ガイドがあるフレームと一体でベース部材１１の成形型内に配置し、接続端子１６を接合した枠部材１２は送り穴ガイドがあるフレームからインサート成形型内に配置する直前で切断し、ベース部材１１の成形型内に配置し、エポキシをインサート成形して複数個のベース部材１１を連続して作製した。
【００５２】
この後、接続端子１６と導電性端子１５の下面が同一平面上に位置するように曲げを加えながら、送り穴ガイドがあるフレームと導電性端子１５を切り離した。
【００５３】
これらの手段で構成したベース部材１１に正極活物質１０１とセパレータ１０２、負極活物質１０３を収納した。ここで、正極活物質１０１は導電性端子１５に接するように配置し、セパレータ１０２はベース部材１１の内壁に保持させ、負極活物質１０３はセパレータ１０２に配置した。枠部材封着部１２ａと予めステンレス箔からプレス成形で切り離したカバー部材１３とを重ね合わせて基本波長のＹＡＧレーザを用いてシーム溶接し、電気化学セルを製作した。
【００５４】
電気化学セルの封止性を評価するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０−５ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の封止性を有していることがわかった。また、この電気化学セルは、接続端子１６と導電性端子１５の下面が同一平面上に位置するため、基板へのはんだ付けの作業性が著しく高いこと、予備加熱１８０℃・１０分、加熱２４０℃・１分のリフロー炉に通してはんだ付けをおこない、はんだ付け前と後での特性に変化がないことを確認した。
【００５５】
ここで、カバー部材１３と枠部材封着部１２ａの接合は溶接を用いたが、接着剤や接着シート等を使った接着と低融点金属を使ったはんだ接合をおこない、電気化学セルの特性を確認した。また、導電性端子や枠部材、カバー部材、接続端子にアルミニウムを用いた場合の電気化学セルの特性を確認した。また、ベース部材にエポキシ以外のポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエステル（ＬＣＰ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエーテル（ＰＥＥＫ）を用いた場合の電気化学セルの特性を評価し、これらの材料が適用できることを確認した。
【００５６】
図３に本発明の電気化学セルの第２の実施形態の構成を示す。図３は枠部材３２の縁曲げ部３２ｂと接続端子３６との溶接部３６ａを説明する断面図を表している。ベース部材３１が開口する凹部３１ａを有し、ベース部材３１の上端面から枠部材３２の全周が突出して枠部材封着部３２ａを形成する。ベース部材３１の側壁面より枠部材３２と溶接される接続端子３６の一部が導出される。ここで、接続端子３６はベース部材１１に被覆されており、導電性端子３５に載置した正極活物質３０１とは絶縁されている。
【００５７】
本実施形態では、ベース部材３１はエポキシを、導電性端子３５と枠部材３２とカバー部材３３はステンレスを用いた。枠部材３２は、金属箔をプレス加工にてフープ成形する際、縁曲げ部３２ｂを形成した。この後、基本波長のＹＡＧレーザを用いて、金属箔をプレス成形した接続端子３６と重ね合わせ溶接をおこない、接合部３６ａを形成した。導電性端子３５は、金属箔にプレス加工にてフープ成形し、フレームとつながった状態でベース部材成形型内に配置した。また、接続端子３６と溶接した枠部材３２は、フープから切り離してベース部材成形型内に配置した。この後、エポキシを注入してベース部材３１をインサート成形して導電性端子３５と接続端子３６を溶接した枠部材３２を組み立てた。
【００５８】
これらの手段で作製したベース部材３１内に正極活物質３０１とセパレータ３０２、負極活物質３０３とを収納し後、枠部材封着部３２ａと予めステンレス箔からプレス成形で切り離したカバー部材３３とを重ね合わせて基本波長のＹＡＧレーザを用いてシーム溶接し、電気化学セルを作製した。
【００５９】
また、ＹＡＧレーザを用いるほかに、枠部材封着部３２ａとカバー部材３３の接合に抵抗溶接をおこなった、カバー部材３３と接続端子３６ａに溶接電極を当てて通電し、抵抗加熱にて接合した。
【００６０】
これらの方法で製作した電気化学セルの封止性を評価するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０−５ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の封止性を有していることがわかった。
【００６１】
また、この電気化学セルは、接続端子３６と枠部材３２の縁曲げ部３２ｂを溶接したため、接合強度が高く、基板に実装する際の荷重で変形が生じない。したがって、基板に電気化学セルを実装する際の歩留まりが向上した。
【００６２】
図４に本発明の電気化学セルの製造方法を説明するフロー図を示す。ステンレス箔をプレス成形した接続端子１５とステンレス箔をプレス成形した枠部材１２とを接合する（工程４０１）。ベース部材成形型内に接続端子１５と枠部材１２、導電性端子１５とを配置する（工程４０２）。次にベース部材１１の成形型内にエポキシ樹脂を注入して硬化する（工程４０３）。次に正極活物質１０１とセパレータ１０２、負極活物質１０３とをベース部材１１に載置する（工程４０４）。その後、カバー部材１３と枠部材封着部１２ａとを重ね合わせ、全周を基本波長のＹＡＧレーザで溶接する（工程４０４）。
【００６３】
カバー部材１３と枠部材封着部１２ａとを溶接する方法としては、基本波長のＹＡＧレーザの他に、第二高調波、第三高調波のＹＡＧレーザ、半導体レーザ、などの光吸収を用いる方法、カバー部材１３に超音波振動子を押し当てて枠部材封着部１２ａとの間を擦り合わせる摩擦熱を用いる方法、カバー部材１３もしくはカバー部材１３と枠部材封着部１２ａに通電して加熱する抵抗加熱を用いる方法が用いられる。
【００６４】
また、工程４０２において、ベース部材成形型の固定型側に配置した枠部材１２は、可動型を閉じる際に枠部材１２の端面を挟み込む構成とした。ここで、枠部材１２の底部から枠部材封着部１２ａまでの高さを固定型と可動型でつくる隙間よりも１００μｍ高く作製した。枠部材封着部１２ａにおける平面度は３０μｍにばらついていたが、枠部材１２は固定型と可動型を閉じることで型に倣う形に変形した。エポキシ樹脂を注入して硬化した後にベース部材１１の上端面から突出する枠部材封着部１２ａは、平面度が５μｍ以内に平坦化された。したがって、枠部材封着部の平面度がばらついている場合でも、ベース部材成形型内で平面度ばらつきが小さくできるため、生産性が高められることを確認した。
【００６５】
また、工程４０１において、底部に縁曲げ部３２ａを形成した枠部材３２と接続端子３６をＹＡＧレーザで溶接した。ここで、レーザビーム径を２００μｍとして３点を重ね合わせ溶接した。したがって、突合せ溶接に比べて接合強度が高められ、溶接点数を増やすことで接合面積が広がることから、電気化学セルを基板に実装する際に生じる荷重で変形が生じない。したがって、基板に電気化学セルを実装する際の歩留まりが向上した。
【００６６】
この工程で作製した電気化学セルの封止状態を確認するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０−５ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の封止性であることがわかった。
【００６７】
図５に本発明の電気化学セルの製造方法を説明する外観図を示す。
【００６８】
ここで、導電性端子５５と接続端子５６はフープにブリッジ５８ａ、５８ｂでつながっている。フープに設けたガイド穴５９をガイドピンで位置決めした後、枠部材と接続端子５６を溶接し、ここでは図示しないが、枠部材と接続端子５６の溶接部を形成した。
【００６９】
次に、枠部材と接続端子５６と導電性端子５５をベース部材成形型内に配置し、ベース部材５１を成形した。正極活物質５０１を導電性端子５５に載置した後、ベース部材５１内にセパレータ５０２と負極活物質５０３を収納した。この後、図示しないカバー部材と枠部材封着部５２ａを重ね合わせて溶接した。これらの工程を経て、ブリッジ５８ａ、５８ｂを切り離した。
【００７０】
電気化学セルの小型化に有利であることを確認するため、ベース部材５１の外形は幅３ｍｍ、長さ５ｍｍとし、ベース部材５１の底面からカバー部材上面までの厚さを１ｍｍで作製した。フープのフレームにはφ１ｍｍのガイド穴５９を設け、ガイド穴５９と１０μｍの隙間をもってはめ合うガイドピンを挿入して位置決めし、正極活物質５０１とセパレータ５０２、負極活物質５０３を組み込んだ。
【００７１】
また、枠部材封着部５２ａとカバー部材を重ね合わせ、基本波長のＹＡＧレーザで溶接した。これら部材の組み込みや溶接において２０μｍ以内の位置ずれであった。
【００７２】
この結果、ベース部材５１に位置決め用のガイド穴を設ける必要が無いこと、ベース部材５１の外形形状にばらつきがあった場合でも導電性端子５５や接続端子５６とフープのフレームに設けたガイド穴５９の位置が精度良く加工されているため、枠部材５２と接続端子５６の溶接、正極活物質５０１とセパレータ５０２と負極活物質５０３の組み込みやカバー部材の溶接が高精度にできる。
【００７３】
すなわち、小型の電気化学セルの製造方法として有効であることが確認できた。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納される正極活物質とセパレータと負極活物質と、金属材料からなる枠部材と、枠部材と接合される接続端子と、枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、枠部材と接続端子の接合部と枠部材の側面がベース部材によって被覆され、ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部で電気化学セル構成した。
【００７５】
導電性端子と枠部材はベース部材の成形とともに組み立てられ、生産性が高められる。また、小型・薄型化の実現が容易な構成で電気化学セルおよびその製造方法を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気化学セルの構成図である。
【図２】本発明の電気化学セルの断面図である。
【図３】本発明の電気化学セルの第２の実施形態の断面図である。
【図４】本発明の電気化学セルの製造方法を説明するフロー図である。
【図５】本発明の電気化学セルの製造方法を説明する外観図である。
【図６】従来の電気化学セルの断面図である。
【符号の説明】
１１、３１、５１ ベース部材
１２，３２、５２ 枠部材
１３、３３、５３ カバー部材
１５，３５，５５ 導電性端子
５８ａ、５８ｂ ブリッジ
Claims (10)
- 正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納され前記導電性端子に載置される正極活物質、もしくは、負極活物質と、凹部に保持されるセパレータと、前記セパレータに載置される負極活物質、もしくは、正極活物質と、金属材料からなる枠部材と、当該枠部材と接合される接続端子と、前記枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、
前記枠部材と前記接続端子の接合部と枠部材の側面が前記ベース部材によって被覆され、
前記ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部を有する電気化学セル。 - 前記枠部材と前記接続端子が溶接されていることを特徴とする請求項１記載の電気化学セル。
- 前記導電性端子の一部と前記接続端子の一部が同一平面上に位置することを特徴とする請求項１または２記載の電気化学セル。
- 前記導電性端子および枠部材、カバー部材がステンレス、アルミニウムのいずれかからなる材料で構成されていることを特徴とする請求項１から３記載の電気化学セル。
- 前記ベース部材がエポキシ系、ポリイミド系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の何れかからなる材料で構成されていることを特徴とする請求項１から４記載の電気化学セル。
- 前記枠部材封着部が縁曲げ部位を有し、当該縁曲げ部位と前記カバー部材とが重ね合わせて溶接されていることを特徴とする請求項１から５記載の電気化学セル。
- 正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、
金属材料からなる接続端子と枠部材とを接合する工程と、
ベース部材成形型内に接続端子と枠部材、導電性端子とを配置する工程と、
ベース部材成形型内に樹脂材料を注入して凹部を有する箱状にベース部材を成形するとともに、接続端子と枠部材、導電性端子とを組み立てる工程と、
正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程と、
枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて枠部材とカバー部材とを溶接する工程とを有する電気化学セルの製造方法。 - ベース部材成形型を固定型と可動型の少なくとも２体で構成し、前記接続端子と枠部材と導電性端子とを固定型に配置した後に、ベース部材成形型を閉じて固定型と可動型とで枠部材の端面を挟み込み、枠部材の高さを揃えることを特徴とする請求項７記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記枠部材の底部に縁曲げ部位を設け、底部縁曲げ部位と接続端子を重ね合わせて溶接することを特徴とする請求項７または８記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記導電性端子と前記接続端子が金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々部材の一部と金属箔のフレームとがブリッジを介してつながっており、金属箔のフレームにガイド穴を設け、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材とを溶接する工程の後に、金属箔のフレームからブリッジを切り離すことを特徴とする請求項７から９記載の電気化学セルの製造方法。
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