JP2006286271A - 電気化学セル及び電気化学セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気化学セルの容器内に収容した電解液が、レーザ溶接で生じる溶融池に混入し、封止部にピンホールをつくることを防いで封止を行う電気化学セル及びその製造方法の提供。
【解決手段】 レーザ３０１で枠部材２とカバー部材３の溶接を行う際に枠部材２もしくはカバー部材３を加熱して、封止部９を電解液６の沸点以上に、かつベース部材１と枠部材２の接合部９の耐熱温度及びベース部材１の耐熱温度以下に保つ。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ溶接により封止を行った電気化学セル及び電気化学セルの製造方法に関する。

電気化学セルを製造するにあたり、セパレータと電極と電解液を収容する容器を気密して封止する必要がある。

従来の電気化学セルの製造方法では、セパレータと電極と電解液を収容する容器を気密して封止するために、金属製の蓋を容器上面の全周にわたって設置された金属製の枠部材上に載置し、封止部をレーザ溶接によって封止を行っていた。

図７に従来の電気化学セルの製造方法を示す。まず金属製の枠部材７２が上面の全周にわたって形成されたベース部材７１に図示しないセパレータと電極と電解質を収容し、封止部７９に金属製のカバー部材７３が載置される。次に封止部７９にレーザ３０１を照射し、カバー部材７３もしくは枠部材７２を溶融させて接合を行っていた（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１５３０８０号公報（第３頁、第１図）

以上に述べたような電気化学セルとその製造方法では、溶接時にカバー部材と枠部材とが接する面にできる溶融池に電解液が混入し、溶融池が固化する際には電解液が気化してピンホールをあけ、封止を確実におこなえない問題があった。

本発明は、このような従来の電気化学セルの製造方法が有していた問題を解決しようとするものであり、溶融したカバー部材と枠部材への電解液の混入を防ぎ、溶接部の封止を目的とするものである。

本願発明は、セパレータとセパレータを介して対向配置された一対の電極を収納するベース部材と、セパレータ及び一対の電極に含浸させ、かつベース部材に充填する電解質と、ベース部材の上面全周にわたって設けられた枠部材と、枠部材上面に接合するカバー部材と、を有する電気化学セルの製造方法であって、ベース部材に電解質が含浸されたセパレータ及び一対の電極を収容する工程と、ベース部材に電解質を注入する工程と、枠部材の上面にカバー部材を載置する工程と、枠部材もしくはカバー部材に加熱を行う工程と、枠部材とカバー部材が接している封止部にレーザを照射する工程と、封止部の枠部材とカバー部材を溶融させ、接合を行う工程とを有する。

また、セパレータとセパレータの一方の面に設けられた第１の電極を収納するベース部材と、ベース部材の上面全周にわたって設けられた枠部材と、枠部材上面に接合され、一方の面に第２の電極を有するカバー部材と、セパレータならびに第１の電極及び第２の電極に含浸させ、かつベース部材に充填する電解質と、を有する電気化学セルの製造方法であって、ベース部材に電解質が含浸されたセパレータ及び第１の電極を収容し、電解質を注入する工程と、枠部材の上面に、電解質が含浸された第２の電極がセパレータに接するようにカバー部材を載置する工程と、枠部材もしくはカバー部材に加熱を行う工程と、枠部材とカバー部材が接している封止部にレーザを照射する工程と、封止部の枠部材とカバー部材を溶融させ、接合を行う工程とを有する。

また、枠部材もしくはカバー部材に加熱を行う工程において、枠部材もしくはカバー部材に、電源に接続された加熱用電極を接続し、加熱用電極に電流を印加することにより枠部材を加熱する。

また、枠部材もしくはカバー部材に加熱を行う工程において、枠部材もしくはカバー部材の温度を監視し、電解質の沸点に達したときに、封止部にレーザを照射する。

また、枠部材もしくはカバー部材に加熱を行う工程において、枠部材もしくはカバー部材に電圧を印加する工程と、電圧の印加によって生じる電流の変化率を測定する工程と、を交互に複数回行う。

また、枠部材が鉄とニッケルの合金、鉄とニッケルとコバルトの合金、ステンレス、アルミニウム合金のいずれかから選択される。

また、セパレータとセパレータを介して対向する一対の電極を収納するベース部材と、セパレータ及び一対の電極に含浸させ、かつベース部材に充填する電解質と、ベース部材の上面全周にわたって設けられた枠部材と、枠部材の上面に接合されるカバー部材と、カバー部材と枠部材の接する面に、加熱用の電極及びレーザにより加熱されて溶融した枠部材及びカバー部材が溶接された封止部とを有する。

また、枠部材が、枠部材の側面に加熱用の電極により加熱される導電性端子を有する。

また、封止部が電解質の沸点に達するまで加熱され、溶接された封止部である。

本発明の電気化学セルの製造方法は、電解液の沸点以上に封止部を加熱することで、封止部近傍で電解液を気体の状態に保つため、溶接時にカバー部材と枠部材とが接する面にできる溶融池に電解液が混入することを防ぎ、封止部にピンホールが生じない。

また更に、封止部の温度をベース部材と枠部材との接合部の耐熱温度及びベース部材の耐熱温度以下に保つ。これによりベース部材と枠部材との接合部及びベース部材がそれぞれの耐熱温度以上になることを防ぎ、ベース部材と枠部材との接合を損なう、またはベース部材を損傷することなく枠部材とカバー部材を接合する。

以上述べた温度に保つことで、ベース部材と枠部材の接合強度を損なうことなく、枠部材とカバー部材を確実に接合するため、電気化学セルの封止度を向上させる効果を発揮するものである。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例１における電気化学セルの平面図である。

セパレータ７と電極８ａ、８ｂと電解液６を収容する容器であって、導電性端子５が一体形成されたベース部材１に、ベース部材上面全周にわたって設けられた枠部材４を介してカバー部材３が接合されている。

ベース部材１の材料は絶縁性の樹脂またはセラミクスを用いる。樹脂を用いる場合、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。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、ポリエステル系としては液晶ポリマー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、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、などを用いる。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。また、セラミクスを用いる場合、アルミナ、ジルコニアなどが適している。

枠部材２とカバー部材３の材料は熱伝導性が高い、若しくは高抵抗の金属材料から選択され、好ましくはＦｅＮｉ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ステンレス、もしくは、アルミニウム合金が用いられる。

ベース部材１と枠部材２との接合材は、ベース部材や枠部材の材料に合わせて、銀、錫などの金属ろう、エポキシなどの有機化合物接着剤、ガラスなどの無機ろうが用いられる。

容器に収容する電気化学セルの発電要素としては、非水電解質電池であれば、正極活物質にリチウム含有マンガン酸化物、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有チタン酸化物、負極活物質に炭素、リチウム合金、遷移金属酸化物、シリコン酸化物など従来から知られているものを用いることが可能である。電気二重層キャパシタでは正極及び負極活物質に活性炭を用いることができる。

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電気化学セルの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。

電解液の溶媒としては、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）やプ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。

電解質としては、（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。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。またピリジン系や脂環式アミン系、脂肪族アミン系のイオン性液体やアミジン系などの常温溶融塩でもよい。これらを用いると、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。

また、図２〜４は図１のＡ−Ａ’断面図であり、本発明の実施例１における電気化学セルの製造方法を示す電気化学セルの断面図である。

まず、（ａ）に示すように側面に導電性端子２ａを有する枠部材２がベース部材１上面全周にわたって設置されている。ベース部材１に電解質６が含浸されたセパレータ７及びセパレータ７の一方の面に設置された電極８ａを収容し、さらに電解質６の充填を行う。
次に、（ｂ）に示すように枠部材４の上面に、一方の面に電極８ｂが設置されたカバー部材３を、電極８ｂがセパレータ７に接するように載置する。

次に、（ｃ）に示すように、電圧印加手段（図示せず）と電流測定手段（図示せず）を備えた電源２００に接続された、加熱用電極２０１ａと２０１ｂを導電性端子５２の先端部５２ａに接続する。まず、この加熱用電極２０１ａと２０１ｂから導電性端子５２にパルス電圧を一定時間印加する。本実施例においては３０ｍｓｅｃだけ印加を行った。こうして加熱用電極２０１ａと２０１ｂに電流を印加することで、導電性端子２を介して、枠部材２を加熱する。次にこの加熱用電極２０１ａと２０１ｂで、パルス電圧の印加によって生じる抵抗値の変化率を測定する。こうして抵抗値測定を行うことで、枠部材２の温度を監視する。測定した温度が電解質６の沸点に達するまで、この電圧を印加する工程と、電流を測定する工程を交互に繰り返し行い、枠部材２とベース部材１の接する封止部９の温度監視を行いながら加熱をしていく。

図４は電圧の印加と電流測定による温度監視の方法を示したグラフである。ｔ１においてパルス電圧Ｐ１を加熱用電極２０１ａと２０１ｂより印加する。そして一定時間ｄだけ電圧を印加したら、次はｔ２においてこの加熱用電極２０１ａと２０１ｂにより抵抗値を測定し、枠部材２の温度を監視する。測定した枠部材２の温度が、電解質６の沸点Ｔに達していないので、ｔ３において再びパルス電圧Ｐ３を印加する。電解質６の沸点Ｔに達するまで、電圧の印加と電流の測定を繰り返し行い、ｔ７におけるパルス電圧Ｐ４によってｔ８で電解質６の沸点Ｔに達したら電圧の印加を終了する。枠部材２が沸点Ｔ以上であるＡの時間内に溶接をおこなう。

枠部材２の加熱によって、封止部９の温度が電解質６の沸点Ｔに達したら、（ｄ）に示すように封止部９にレーザ光３０１を枠部材２の全周に照射し、枠部材２とカバー部材３を溶融させ、溶接を行う。

枠部材２とカバー部材３が接する面では電解液６が気化した乾燥状態にある。そのため、レーザ照射で枠部材２とカバー部材３に生じる溶融池には電解液５６は混入することがない。よって、封止部９にはピンホールが生じない。電解液６が容器外部へ漏れ出すことを防ぎ、また、容器外部からの湿度の進入を防ぎ、電気化学セルの信頼性を高めるものである。

図５、６は本発明の実施例２における電気化学セルの製造方法を示す電気化学セルの断面図である。

まず、（ａ）に示すように側面に導電性端子２を有する枠部材がベース部材１上面全周にわたって設置されている。ベース部材１に電解質６が含浸されたセパレータ７及びセパレータ７を介して対向配置された一対の電極８ａ、８ｂを収容し、さらに電解質６の充填を行う。

次に、（ｂ）に示すように枠部材２の上面にカバー部材３を載置する。

次に、（ｃ）に示すように、電圧印加手段と電流測定手段を備えた電源２００に接続された、加熱用電極２０１ａ、２０１ｂをカバー部材５３に接続する。まず、この加熱用電極２０１ａ、２０１ｂからカバー部材５３にパルス電圧を一定時間印加する。こうして加熱用電極２０１ａ、２０１ｂに電流を印加し、カバー部材５３を加熱する。次にこの加熱用電極２０１ａ、２０１ｂで、パルス電圧の印加によって生じる電流の変化率を測定する。こうして電流測定を行うことで、カバー部材５３の温度を測定する。測定した温度が電解質５６の沸点に達するまで、この電圧を印加する工程と、電流を測定する工程を交互に繰り返し行い、枠部材２とベース部材１の接する封止部９の温度監視を行いながら加熱をしていく。

枠部材２の加熱によって、封止部９の温度が電解質６の沸点に達したら、（ｄ）に示すように封止部９にレーザ光３０１を照射し、枠部材２とカバー部材３を溶融させ溶接を行う。

また、カバー部材の加熱において、ベース部材と枠部材とを接合する接合材の耐熱温度以下に保つようにすることも有用である。カバー部材の加熱と温度監視を繰り返すことにより、ベース部材と枠部材との接合を損なうまでの過度の加熱を防ぐ効果を有する。

以上述べた、電気化学セルの製造方法はその他の材料または条件でも実施可能であり、実施例１または２で示した例に限定されるものではない。

実施例１における電気化学セルを示す図 実施例１における電気化がセルの製造方法を示す図 実施例１における電気化がセルの製造方法を示す図 実施例１における電気化がセルに印加する電圧と電流の値を示した図 実施例２における電気化がセルの製造方法を示す図 実施例２における電気化がセルの製造方法を示す図 従来の電気化がセルの製造方法を示す図

符号の説明

１ ベース部材
２ 枠部材
５ 導電性端子
３ カバー部材
６ 電解質
７ セパレータ
８ 電極
９ 封止部
２００ 電源
２０１ 加熱用電極
３０１ レーザ光

Claims (10)

1. セパレータと前記セパレータを介して対向配置された一対の電極を収納するベース部材と、前記セパレータ及び前記一対の電極に含浸させ、かつ前記ベース部材に充填する電解質と、前記ベース部材の上面全周にわたって設けられた枠部材と、前記枠部材上面に接合するカバー部材と、を有する電気化学セルの製造方法であって、
   前記ベース部材に前記電解質が含浸された前記セパレータ及び前記一対の電極を収容する工程と、
   前記ベース部材に前記電解質を注入する工程と、
   前記枠部材の上面に前記カバー部材を載置する工程と、
   前記枠部材もしくは前記カバー部材に加熱を行う工程と、
   前記枠部材と前記カバー部材が接している封止部にレーザを照射する工程と、
   前記封止部の前記枠部材と前記カバー部材を溶融させ、接合を行う工程と、
   を有する電気化学セルの製造方法。
2. セパレータと前記セパレータの一方の面に設けられた第１の電極を収納するベース部材と、前記ベース部材の上面全周にわたって設けられた枠部材と、前記枠部材上面に接合され、一方の面に第２の電極を有するカバー部材と、前記セパレータならびに前記第１の電極及び前記第２の電極に含浸させ、かつ前記ベース部材に充填する電解質と、を有する電気化学セルの製造方法であって、
   前記ベース部材に前記電解質が含浸された前記セパレータ及び前記第１の電極を収容し、前記電解質を注入する工程と、
   前記枠部材の上面に、前記電解質が含浸された前記第２の電極が前記セパレータに接するように前記カバー部材を載置する工程と、
   前記枠部材もしくは前記カバー部材に加熱を行う工程と、
   前記枠部材と前記カバー部材が接している封止部にレーザを照射する工程と、
   前記封止部の前記枠部材と前記カバー部材を溶融させ、接合を行う工程と、
   を有する電気化学セルの製造方法。
3. 前記枠部材もしくは前記カバー部材に加熱を行う工程において、前記枠部材もしくは前記カバー部材に、電源に接続された加熱用電極を接続し、前記加熱用電極に電流を印加することにより前記枠部材を加熱する請求項１または２に記載の電気化学セルの製造方法。
4. 前記枠部材もしくは前記カバー部材に加熱を行う工程において、前記枠部材もしくは前記カバー部材の温度を監視し、前記電解質の沸点に達したときに、前記封止部にレーザを照射する請求項３に記載の電気化学セルの製造方法。
5. 前記枠部材もしくは前記カバー部材に加熱を行う工程において、前記枠部材もしくは前記カバー部材に電圧を印加する工程と、前記電圧の印加によって生じる温度を測定する工程と、を交互に複数回おこなう請求項４に記載の電気化学セルの製造方法。
6. 前記枠部材が鉄とニッケルの合金、鉄とニッケルとコバルトの合金、ステンレス、アルミニウム合金のいずれかから選択される請求項５に記載の電気化学セルの製造方法。
7. セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の電極を収納するベース部材と、
   前記セパレータ及び前記一対の電極に含浸させ、かつ前記ベース部材に充填する電解質と、
   前記ベース部材の上面全周にわたって設けられた枠部材と、
   前記枠部材の上面に接合されるカバー部材と、
   前記カバー部材と前記枠部材の接する面に、加熱用の電極及びレーザにより加熱されて溶融した前記枠部材及び前記カバー部材が溶接された封止部と、
   を有する電気化学セル。
8. 前記枠部材が、前記枠部材の側面に、前記加熱用の電極により加熱される導電性端子を有する請求項７に記載の電気化学セル。
9. 前記封止部が前記電解質の沸点に達するまで加熱され、溶接された封止部である請求項７または８に記載の電気化学セル。
10. 前記枠部材が鉄とニッケルの合金、鉄とニッケルとコバルトの合金、ステンレス、アルミニウム合金のいずれかから選択される請求項９に記載の電気化学セル。

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