JP2006236699A

JP2006236699A - 電気化学セル

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Publication number: JP2006236699A
Application number: JP2005047663A
Authority: JP
Inventors: Hideharu Onodera; 英晴小野寺; Tomohiko Kida; 共彦木田; Kensuke Tawara; 謙介田原; Shunji Watanabe; 俊二渡邊
Original assignee: SII Micro Parts Ltd
Current assignee: SII Micro Parts Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP4845388B2

Abstract

【課題】
本発明の課題は、電極に極性があり電気化学セルを逆方向に回路に実装すると電気化学セル内部で腐食を生じることと、電気化学セルと回路基板のハンダ付け強度が弱いことである。
【解決手段】
本発明の電気化学セルは、底面の同一対角線上の角部に形成された一対の正極端子と、前記正極端子と異なる対角線上の角部に形成された一対の負極端子とからなる。本発明を用いると、正極接続端子と負極接続端子が対称位置に配されているため電気化学セルが１８０度反対に回路基板に実装されても極性が一定となる。このため溶接部が常に負極側となり、電気化学セル内部で腐食が生じることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学セルに関するものである。

非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学セルは、高エネルギー密度、軽量、小型といった特徴があり、携帯機器の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等として用いられてきた。これらの携帯機器は、小型化、軽量化、高機能化する必要があり、更なる電気化学セルの高密度実装が求められている。

また、電気化学セルを回路基板に実装する際にリフローハンダ付け法が一般的に用いられるようになっている。リフローハンダ付け法は、回路基板のハンダ付けをする部分にハンダクリームを塗布後その上に電気化学セルを載置して、回路基板ごと200〜260℃の高温の炉内を通過させることによりハンダ付けを行う方法である。リフローハンダ付けに耐えられるよう、電気化学セルに高い耐熱性が求められている。

封止強度の向上を実現するために、容器と蓋を溶接して封止する電気化学セルが開発された（例えば、特許文献１参照）。この電気化学セルは、容器と蓋を抵抗溶接などにより接合するため封止強度が高く耐熱性に優れている。

また、正極・負極などの極性を有する２極の外部電極を有する電子部品において、電子部品を逆方向に回路に実装しても極性が一定となるようにする技術があった（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２に開示されている発明は、正極接続端子と負極接続端子がそれぞれ２個ずつ設けられており、かつ正極接続端子と負極接続端子が対称位置に配されているため電気化学セルが１８０度反対に回路基板に実装されても極性が一定となる技術が開示されている。
特開2001−216952号公報（第２項から第３項、第１図）特開2000−150304号公報（第２項から第３項、第１図から第４図）

本発明の課題は、電極に極性があるため電気化学セルを１８０度反対に回路に実装すると電気化学セル内部で腐食を生じることと、電気化学セルと回路基板のハンダ付け強度が弱いことである。

容器と蓋を溶接することにより封止する電気化学セルは、溶接部が腐食に弱い。このため溶接部が負極側になるように電気化学セルが作られる。正極側は、電気化学セルの充電時に電子を奪われ酸化するため腐食を生じやすい。対して負極側は、充電時には電子を受け取り還元されるため腐食が生じ難い。電気化学セルが180度反対に回路基板に実装され接続端子が逆に接続されると、電気化学セルの正極と負極が反対となってしまう。本来なら、負極側であるはずの溶接部が、正極側となってしまいアノード酸化され腐食を生じる。このため、前記の特許文献２に開示されているように、逆方向に回路に実装しても極性が一定となる電気化学セルが求められている。

しかし、特許文献２に開示されている発明は、電気化学セルと回路基板のハンダ付け強度が弱い。リフローハンダ付けにより電気化学セルが回路基板にハンダ付けされるが、特許文献２の発明は接続端子が電気化学セルの一辺の中央に設けられているため、ハンダが接合する面が2面しかない。

本発明は、１８０度反対に回路基板に実装されても極性が一定となり、ハンダ付け強度が強い電気化学セルの提供を目的とする。

本発明の電気化学セルは、底面の同一対角線上の角部に形成された一対の正極端子と、前記正極端子と異なる対角線上の角部に形成された一対の負極端子とからなる。

本発明の電気化学セルは、容器と、蓋と、前記容器の底面側に載置された正極と、前記正極上に載置されたセパレーターと、前記セパレーター上に載置された負極と、電解液とを有し、前記容器と前記蓋が溶接部を介して封止されており、前記容器の底面には同一対角線上の角部に形成された一対の正極端子と、前記正極端子と異なる対角線上の角部に形成された一対の負極端子とが形成されている。

また、本発明の電気化学セルは、容器と、蓋と、前記容器の底面側に載置された正極と、前記正極上に載置されたセパレーターと、前記セパレーター上に載置された負極と、電解液とを有し、前記容器と前記蓋が溶接部を介して封止されており、前記容器の底面には同一対角線上の角部に形成された一対の正極端子と、前記正極端子と異なる対角線上の角部に形成された一対の負極端子とが形成され、前記負極端子と前記溶接部が導通している。

本発明の電気化学セルは、底面の角部に正極端子と負極端子が形成されており、前記正極端子が第一の正極端子と第二の正極端子からなり、前記負極端子が第一の負極端子と第二の負極端子からなり、前記電気化学セル底面の中心点を挟んで前記第一の正極端子と前記第二の正極端子が対称に位置し、かつ前記電気化学セル底面の中心点を挟んで前記第一の負端子と前記第二の負端子が対称に位置する。

本発明の電気化学セルは、底面に一対の正極端子と一対の負極端子がそれぞれ底面の角部に形成されており、かつ前記正極端子と前記負極端子が交互に配されている。

本発明を用いると、正極接続端子と負極接続端子が対称位置に配されているため電気化学セルが１８０度反対に回路基板に実装されても極性が一定となる。このため溶接部が常に負極側となり、電気化学セル内部で腐食が生じることがない。

さらに、本発明では角部に接続端子が配されているため、底面と二つの側面とで回路基板とハンダ付けされるため、ハンダ付け強度が高くなる。

本発明に係る電気化学セルの底面図を図１に示す。電気化学セルの底面の角部に正極端子２と負極端子３が、それぞれ一対ずつ設けられている。
第一の正極端子２a、第二の正極端子２b、第一の負極端子３a、第二の負極端子３bが、それぞれ電気化学セルの角部に設けられている。第一の正極端子２aと第二の正極端子２bは、電気化学セルの底面の同一対角線上に形成されている。第一の負極端子３aと第二の負極端子３bは、正極端子とは異なる対角線上に形成されている。電気化学セルが１８０度反対に回路基板に実装されても端子の極性が反対に接続されないようになっている。

図２は本発明に係る非水電解質二次電池または電気二重層キャパシタの断面図である。図１のA-B面における断面図である。

以下に容器１にセラミックを用いた例で説明する。グリーンシートを積層して容器１を形成した。その際、グリーンシートにタングステンをプリントし焼結処理することにより、タングステン配線を有した容器１を形成した。このタングステン配線を腐食防止やハンダ付けのためニッケルや金めっきなどで被覆して正極端子と負極端子を形成した。

第一の正極端子２a、第二の正極端子２ｂは、容器１の内側底面上に形成され容器１の壁面を貫通し、容器１の外側側面を介して外側底面まで配設されており、電気化学セルの正極４と外部回路を接続する。また、容器１の内側底面上に形成された正極端子は正極４と接しており、正極集電体としても作用する。

第一の負極端子３a、第二の負極端子３ｂは、容器１の外側の角に沿って溶接部から外側底面まで配設されており、電気化学セルの負極６と外部回路を接続する。

容器１の内部底面上に正極４と、ガラス繊維製のセパレーター５を積層配置した。次に電解液７を容器１に注入した。電解液７は支持塩と有機溶媒からなる。有機溶媒は、低粘度溶媒と高誘電率溶媒の混合溶媒を用いた。

次に、蓋８に負極６を導電性接着剤で貼り付け乾燥させた。蓋８には導電性材料、絶縁性材料を用いても良い。絶縁性材料を蓋８に用いる場合には、蓋８の負極６を貼り付ける面に導電性皮膜を形成する。負極６と負極端子３は電気的に接続されており、負極６は、負極端子を介して外部回路に接続される。

容器１の側壁端部に接合材１０が設けてあり、接合材１０が溶融して溶接部９となり蓋８と容器1を接合している。接合材を設けるのは、容器１と蓋８のどちらか一方でも、容器と蓋の両方でも、どちらでも良い。

容器１と蓋８とを溶接するのに溶接方法は特に限定されないが、抵抗シーム溶接またはレーザーシーム溶接を用いると封止強度が増大し耐熱性が向上するため好ましい。

図３に本発明に係る電気化学セルの容器と蓋の斜視図を示す。

図１と同様の形状の収納容器を用いて電気二重層キャパシタを作製した。容器１はアルミナ製で、サイズは４×５×１ｍｍの大きさである。容器１の側壁端部に接合材としてニッケルメッキ層が形成されており、ニッケルメッキ層を介して蓋８と容器1が溶接される。凹状のへこみは深さが０．６ｍｍ、大きさは３×４ｍｍとした。正極端子と負極端子の配線はタングステン上部に金めっきを施したものとした。正極端子は、容器の内側底面上に形成され容器１の壁面を貫通し、容器１の外側側面を介して外側底面まで配設されており、接触面積を増加させるために、ハンダが這い上がる容器１の側面部にもタングステンと金メッキを配し正極端子の一部としている。第一の正極端子２a、第二の正極端子２bは、容器底面の対角線上に位置する２つの角部に設けられている。

第一の負極端子３a、第二の負極端子３bは、容器１の外側の角に沿って溶接部から外側底面まで配設されており、電気化学セルの負極と外部回路を接続する。正極端子と同様に、負極端子は接触面積を増加させるために、ハンダが這い上がる容器の側面部にもタングステンと金メッキを配し負極端子の一部としている。正極端子は、容器底面の残りの2箇所の角部に設けられている。

蓋は、厚さ０．１５ｍｍの鉄―コバルト合金の板を用いた。鉄−コバルト合金は、容器に用いたアルミナ熱膨張係数が等しいため、加熱・冷却しても歪や亀裂を生じることが無く好ましい。正極と負極は２×３ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの大きさであり、フッ素樹脂をバインダーとして用いて活性炭を圧縮成型し電極とした。正極は導電性接着剤により凹状の容器１の底部に接着した。負極は導電性接着剤により蓋８に接着した。次に、セパレータを正極にのせ、プロピレンカ−ボネ−ト（ＰＣ）に（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＮＢＦ_４を１ｍｏｌ／Ｌ加えた電解液を加えた。負極を接着した蓋８を容器1に載置し、蓋８と容器１をスポット溶接し仮止めしたあと、蓋８の対向する二辺に対向するローラー型の電極を押し付け、電流を流すことで、抵抗溶接の原理でシーム溶接した。

実施例１と同様の容器を用いて非水電解質二次電池を作製した。

市販のＭｏＯ_３を粉砕したものに導電剤としてグラファイトを、結着剤としてポリアクリル酸を加え混合し正極活物質を得た。正極活物質の混合重量比は、ＭｏＯ_３：グラファイト：ポリアクリル酸＝５３：４５：２である。次にこの正極活物質５ｍｇを２ｔｏｎ／ｃｍ^２で加圧成形し正極とした。炭素を含む導電性樹脂接着剤で得られた正極を容器に接着し一体化し、２５０℃で８時間減圧加熱乾燥した。

市販のＳｉＯを粉砕したものを負極の活物質として用いた。この活物質に導電剤としてグラファイトを、結着剤としてポリアクリル酸を加え混合し負極活物質を得た。負極活物質の混合重量比は、ＳｉＯ：グラファイト：ポリアクリル酸＝４５：４０：１５である。負極活物質１．１ｍｇを２ｔｏｎ／ｃｍ²で加圧成形し負極を得た。得られた負極を導電性樹脂接着剤で蓋に接着し一体化した後、２５０℃で８時間減圧加熱乾燥した。負極と蓋は、導通しており、蓋が負極集電体として作用する。さらに、負極上にリチウムフォイルを圧着した。セパレーターには、厚さ０．２ｍｍのガラス繊維からなる不織布を用いた。

電解液として、エチレンカーボネート（ＥＣ）：γ−ブチロラクトン（γＢＬ）の体積比１：１混合溶媒にホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ₄）を１モル／L溶解したものを用いた。

負極を接着した蓋８をかぶせ、窒素雰囲気中で、蓋８と容器１をスポット溶接し仮止めしたあと、蓋８の対向する二辺に対向するローラー型の電極を押し付け、電流を流すことで、抵抗溶接の原理でシーム溶接した。

蓋８に導電性を持たせる場合は、鉄−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、ニッケル、銅、ステンレス、アルミニウム等の金属を用いることができる。蓋自体が導電性を有すると蓋を負極の集電体として用いることができる。また、蓋自体が不導体であっても、導電性の皮膜を負極との接触面に形成すれば集電体として用いることができる。

容器１の材質は限定されないが、セラミック、ガラス、または耐熱性樹脂、エポキシ樹脂などの耐熱材料を用いると電気化学セルの耐熱性が向上するため好ましい。容器に樹脂を用いる場合は金属端子などをインサート成形する。容器に用いる樹脂としては、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、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、エポキシ樹脂が適している。容器に樹脂を用いることにより安価に容器を作ることができる。容器に樹脂を用いる場合には、容器に用いる樹脂を同種のものを蓋に用いて、蓋と容器を接着若しくは溶着すると密封性が高く好ましい。

なお容器に樹脂を用いる場合は、正極端子、負極端子、金属リングとエポキシ樹脂がインサート成型されて容器１を形成する。正極端子、負極端子として金属板を用いている。負極端子と金属リングは電気的に接続されている。金属リングは容器の側壁端部に位置し、蓋と溶接され、容器が封止される。

セパレーターは、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持ち絶縁性の膜が用いられる。リフローハンダ付けにおいては、ガラス繊維が最も安定して用いることができるが、熱変形温度が２３０℃以上の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。セパレーターの孔径、厚みは特に限定されるものではなく、使用機器の電流値とキャパシタ内部抵抗に基づき決定する設計的事項である。また、セラミックの多孔質体を用いることもできる。

電解液で用いる支持塩としては（Ｃ₂Ｈ₅）₄ ＰＢＦ₄ 、（Ｃ₃ Ｈ₇ ）₄ ＰＢＦ₄ 、（ＣＨ₃ ）（Ｃ₂Ｈ₅）₃ ＮＢＦ₄ 、（Ｃ₂Ｈ₅ ）₄ ＮＢＦ₄ 、（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₄ ＰＰＦ₆ 、（Ｃ₂Ｈ₅ ）₄ＰＣＦ₃ ＳＯ₄ 、（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₄ ＮＰＦ₆ 、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（ＣＦ₃ ＳＯ₂ ）₂ ］、チオシアン塩、アルミニウムフッ化塩、リチウム塩などを用いることができる。

有機溶媒として、アセトニトリル、、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボーネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、γ−ブチロラクトン（γＢＬ）などを用いることができる。

本発明の電気化学セルの底面図である。本発明の電気化学セルの断面図である。本発明の電気化学セルに用いる容器と蓋の斜視図である。

符号の説明

１容器
２正極端子
２a 第一の正極端子
２b 第二の正極端子
３負極端子
３a 第一の負極端子
３b 第二の負極端子
４正極
５セパレータ
６負極
７電解液
８蓋
９溶接部
１０接合材

Claims

電気化学セルの底面の同一対角線上の角部に形成された一対の正極端子と、前記正極端子と異なる対角線上の角部に形成された一対の負極端子とからなることを特徴とする電気化学セル。
容器と、蓋と、前記容器の底面側に載置された正極と、前記正極上に載置されたセパレーターと、前記セパレーター上に載置された負極と、電解液とを有し、前記容器と前記蓋が溶接部を介して封止されており、前記容器の底面には同一対角線上の角部に形成された一対の正極端子と、前記正極端子と異なる対角線上の角部に形成された一対の負極端子とが形成されていることを特徴とする電気化学セル。
容器と、蓋と、前記容器の底面側に載置された正極と、前記正極上に載置されたセパレーターと、前記セパレーター上に載置された負極と、電解液とを有し、前記容器と前記蓋が溶接部を介して封止されており、前記容器の底面には同一対角線上の角部に形成された一対の正極端子と、前記正極端子と異なる対角線上の角部に形成された一対の負極端子とが形成され、前記負極端子と前記溶接部が導通していることを特徴とする電気化学セル。
電気化学セルの底面の角部に正極端子と負極端子が形成されており、前記正極端子が第一の正極端子と第二の正極端子からなり、前記負極端子が第一の負極端子と第二の負極端子からなり、前記電気化学セル底面の中心点を挟んで前記第一の正極端子と前記第二の正極端子が対称に位置し、かつ前記電気化学セル底面の中心点を挟んで前記第一の負端子と前記第二の負端子が対称に位置することを特徴とする電気化学セル。
電気化学セルの底面に一対の正極端子と一対の負極端子がそれぞれ底面の角部に形成されており、かつ前記正極端子と前記負極端子が交互に配されていることを特徴とする電気化学セル。
前記電気化学セルは容器と蓋が溶接封止されており、前記負極端子と溶接部とが導通していることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
前記電気化学セルは容器と蓋が接着封止されており、前記負極端子と前記蓋とが導通していることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
前記電気化学セル内部には正極と負極を有しており、前記正極が前記容器の底面側、前記負極が蓋側に配されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
前記蓋が導電性材料からなり、前記負極端子と前記蓋とが導通していることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
前記容器がセラミックまたは耐熱樹脂からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
前記蓋が鉄−コバルト合金であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
前記正極端子または前記負極端子がタングステンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気化学セル。