JP2009278068A - 電気化学セル、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガラス基板に複数個の凹部を成形したセルを加工し、リッド11との接合面のメタライズ処理を行なう。また、金属リングを準備し、ガラス基板にロウ材の貼り付けを行なう。次に、セルの貫通電極を形成し、引出金属皮膜を形成する。そして、セルの裏面に外部電極の形成を行なう。また、リッド11を準備し、リッド11の内側に負極活物質22を貼り付ける。また、ガラス基板の凹部に正極活物質20、セパレータ21を組み込む。次に、電解液を適量注入し、リッド11と金属リングを接合して密封する。そして、ガラス基板をセル毎に切断する。
【選択図】図1
Description
また、特許文献1の段落〔0019〕においては、凹状容器として耐熱樹脂、ガラス、セラミックスまたはセラミックスガラス等の耐熱材料がよいことが開示されている。しかしながら、このようなパッケージ用のガラス材料を用いての電気化学セルの製造方法については具体的な記載はない。
第2活物質に接続された第2電極を前記ガラス基板の裏面に形成する電極形成処理工程と、前記凹部内の第1活物質、セパレータ、第2活物質及び電解液を封入するリッドを、前記第2活物質を押圧しながら前記凹部の外縁部に接合するリッド接合処理工程と、前記ガラス基板から各ベースを切り出す切断処理工程とを含むことを要旨とする。
請求項8に記載の発明は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学セルの製造方法において、前記充填工程は、前記貫通孔の内側面を含む成膜領域に、導電性材料からなる薄膜を形成し、当該貫通孔に絶縁性材料又は導電性材料を充填することを要旨とする。
方法において、前記リッドを前記凹部の外縁部に接合した後で、前記リッドに設けられた注入孔から電解液を注入し、前記注入孔を封止する工程を含むことを要旨とする。
(作用)
請求項1に記載の発明によれば、ガラス基板上面に、底部に貫通孔を設けた凹部を備える複数のベースを形成し、貫通孔に導電性材料を埋め込む。次に、凹部の底部に接した第1活物質を配置し、この第1活物質の上方にセパレータ及び第2活物質を積層させて配置し、貫通孔に埋め込まれた導電性材料に対して、ガラス基板の裏面に第1電極を形成し、第2活物質に接続された第2電極を形成する。次に、凹部内の第1活物質、セパレータ、第2活物質及び電解液を封入するリッドを、第2活物質を押圧しながら凹部の外縁部に接合する。そして、ガラス基板から各ベースを切り出す。このため、ガラス基板は加工が容易であるため、寸法精度を確保し、一枚のガラス基板から、複数のセルを一括して製造することができる。従って、ガラス基板からセルの取り個数を多くすることができ、量産化を図ることができる。
導電性材料を埋め込み、第2活物質に接続する。このため、ベースの底面に第2電極に達する電気的接続を設けることができる。
請求項8に記載の発明によれば、貫通孔の内側面を含む成膜領域に、導電性材料からなる薄膜を形成し、貫通孔に絶縁性材料又は導電性材料を充填するので、薄膜により第1電極と第1活物質とを電気的に接続される。このため、貫通孔に充填する材料の自由度を高めることができる。
請求項11に記載の発明によれば、貫通孔に金属片を配置し、金属片を溶融することにより貫通孔に金属を充填する。このため、第1活物質と第1電極との電気的接続を良好にすることができる。また、金属片を溶融することで貫通孔に金属を充填するので、充填工程を簡略化することができる。
以下、本発明を具体化した電気化学セルとしての電気2重層キャパシタに関する第1実施形態について、図1〜図6を用いて説明する。本実施形態では、電気2重層キャパシタを成形加工によって製造する場合を想定する。
まず、本発明の成形加工によって製造された電気化学セルCL1を図1に従って説明する。
この電気化学セルCL1は、ガラスによって構成されたベース10の上面10aにはメ
タライズ層12が設けられている。そして、このメタライズ層12の上に金属リング13が配置され、その金属リングにリッド11が接合されている。電気化学セルCL1のベース10の一側面には凹部からなるフィードスルーFT1が設けられており、このフィードスルーFT1には引出金属皮膜17が配置されている。
次に、電気化学セルCL1の製造方法を、図2〜図6に従って説明する。
〔ベース及びリッドの製造〕
ここでは、フローチャート(図2)と、工程図(図4、図5)を参照して説明する。
張率は約3.25ppmである。結晶化ガラスはパイレックス(登録商標)、テンパックス(登録商標)などの商品名で呼ばれている。そして、使用するガラスに応じて後の工程温度の設定と材料の選択が必要になる。
金属リング:FeNi合金(Ni50%)(熱膨張係数:9.4〜10ppm)
リッド:FeNi合金(金属リングに同じ)(熱膨張係数:9.4〜10ppm)
・結晶化ガラス(熱膨張係数:3.25ppm)
金属リング:FeNiCo合金(コバール)(熱膨張係数:3.0〜4.0ppm)
リッド:FeNiCo合金(コバール)(熱膨張係数:3.0〜4.0ppm)
これによれば、ガラス基板としてソーダライムガラスを用いる場合は、ガラスの熱膨張率が近似するFeNi合金を選定する。一方、結晶化ガラスを用いる場合は、FeNiCo合金(コバール)を選定する。なお、リッドの材料も、金属リングと同一のものを採用する。
次に、金属皮膜の形成を行なう(ステップS110)。具体的には、金属リングの表面にさらにNiと金メッキを施す。本実施形態では、ニッケル(Ni)を2〜8μm、金(Au)を0.1μmから1μmの厚みで形成した。これにより、リッドが溶接される際には、リッド面に形成されたNiメッキと、本工程で形成されたNiメッキとAuメッキとが溶融して強固な合金層を形成する。
〔電気化学セルの組立工程〕
前述した工程により形成したガラス基板を用いて、電気化学セルCL1の組立工程(組み込み処理工程)を行なう。この組立工程は、このガラス基板GP1の状態で、図3に示すフローチャートの各工程を実施する。
次に、切断した個片のバリを除去するために、バレル研磨を施す。その後、メッキをする。なお、メッキ後、銀クラッドを接合面側に貼り付けると、後の金属リング13との接合工程で溶接がより容易となる。このメッキは、Niメッキの他、銀錫メッキ、金錫メッキも可能である。
この後、ベース10の凹部に電解液を適量注入し(ステップS205)、エージング処理を行なう(ステップS206)。具体的には、電解液を注入した後は、電極活物質との反応でガスが発生する場合がある。このような場合はガスの発生が収まるのを待つ。
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
以下、本発明を具体化した電気化学セルとしての電気2重層キャパシタに関する第2実施形態について、図7〜図10を用いて説明する。第2実施形態では、第1実施形態とは異なり、電気化学セルのベースになるガラス基板の加工を、サンドブラスト法を用いる。具体的には、平板のガラス基板に凹部とフィードスルーを設ける加工にサンドブラスト法を用いる。
サンドブラスト法により製造した電気化学セルCL2を図7に示す。
図7(a)は電気化学セルCL2の外観の斜視図を示している。図7(b)は、切断線Cにおける断面図を示しており、これらは第1実施形態の図1(a)及び(c)に対応するものである。第1実施形態と同様に、ガラス製のベース10の表面にメタライズ層12を設け、その上に金属リング13を配置して、その金属リング13にリッド11を溶接法により接合したものである。ベース10の凹部には、図7(b)に示すように、正極活物質20、セパレータ21、負極活物質22が配置され、電解液(図示せず)が注入されて電気化学セルCL2を成している。
次に、電気化学セルCL2の製造方法を、図8〜図10に従って説明する。本実施形態と第1実施形態とは、ベースの製造工程が異なるのみであるので、第1実施形態と同様の部分の説明は省略する。
まず、ベース10を形成するガラス基板GPの準備を行なう(ステップS301)。図9(a)に示すように、このガラス基板GPの厚みを「T」とした場合、この厚みがベース10の厚みとなる。この厚みTの値としては、例えば0.7mm程度を選択することができる。
しい。
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
以下、本発明を具体化した電気化学セルとしての電気2重層キャパシタに関する第3実施形態について、図11に従って説明する。第3実施形態では、貫通電極の形成(ステップS111,S314)の際に、貫通孔としてのフィードスルーFT2の内側面に薄膜を形成し、薄膜の上からガラスペーストを埋め込む。
ロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル、無水マレイン酸、スルホラン、3−メチルスルホランなどの非水溶媒およびこれらの誘導体や混合物などが好ましく用いられる。
ける底面10fに、マスク材を配置して、必要な部分のみ、アルミニウム又はチタンからなる耐食層62を形成する。
次に、本実施形態において、導電膜60としてアルミニウムを用いた例について説明する。まず、フィードスルーFT2及び凹部10dの一部及びベース10の底面10cに、クロムからなる下地層61を形成した後、アルミニウムからなる耐食層62を、真空蒸着法により約2μmの厚みになるように成膜した。
・ 本実施形態では、フィードスルーFT2に対する充填工程において、フィードスルーFT2の内側面を含む成膜領域に、耐食性を有する導電性材料からなる導電膜60を形成した。また、当該フィードスルーFT2に絶縁性材料であるガラスペーストを充填し、ガラスペーストを焼成させて埋込部63を形成した。このため、導電膜60を電解液に対する耐食性を有する材料から形成することで、導電膜60の浸食を防止することができる。また、導電膜60によって、正極活物質20と外部電極19とを電気的に接続することで、埋込部63の材料の自由度を高めることができる。即ち、埋込部63をガラスから形成することができるため、フィードスルーFT2の気密性を高めることができる。
以下、本発明を具体化した電気化学セルとしての電気2重層キャパシタに関する第4実施形態について、図12に従って説明する。第4実施形態の電気化学セルは、第3実施形態の電気化学セルとほぼ同様な構成であるが、その製造方法のみが異なる。
そして、第3実施形態と同じガラスペーストを、スクリーン印刷法によりフィードスルーFT2に充填し、窒素雰囲気中、500℃で30分焼成して埋込部(図示略)を形成した。このように形成した導電膜70及び埋込部に対し、上記実施例と同様に染色液を用いて、染色浸透試験を行ったが、染色液のフィードスルーFT2を介した漏れは確認されなかった。また、上記ベース10に設けられた外部電極(図示略)と凹部10d側の導電膜70とにテスターを当接させて、貫通電極の表裏の電気抵抗を計測したが、1Ω以下であった。
・ 本実施形態では、リッド11を接合する凹部10dの外縁部に、メタライズ層12を形成するメタライズ処理工程において、導電膜70を、メタライズ層12と同じ材料で同時に形成した。このため、導電膜70を形成する工程を別途設けなくてもよいため、製造工程を簡略化することができる。
以下、本発明を具体化した電気化学セルとしての電気2重層キャパシタに関する第5実施形態について、図13〜図15に従って説明する。第5実施形態の電気化学セルは、第3実施形態又は第4実施形態の電気化学セルとほぼ同様な構成であるが、その製造方法のみが異なる。
る。図15に示すように、ガラス基板GPにメタライズ処理が施されていない場合、各フィードスルーFT2、即ち各金属片76を結ぶ直線L1に沿って、レーザ光を走査する。これにより、金属片76が極めて短時間で溶融して、フィードスルーFT2内に流れ込み、固化する。尚、レーザでなくても、金属片76の融点以上の温度で加熱できる装置であれば、電気炉等の熱処理装置を用いてもよい。
本実施例では、フィードスルーFT2内に、第4実施形態と同様な導電膜70を形成した。さらに、金属片76として、金錫合金のボール、金ゲルマニウム合金のボールを準備した。ボールの径は約0.4mmであり、フィードスルーFT2内に入る大きさとした。
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
○ 上記第1実施形態では、長手方向の寸法は約3mmから10mm程度、短辺方向の寸法は約2mmから8mm程度、高さは約1mmの小型のセルを製造した。セルの大きさはこれに限定されるものではなく、やや大きい構造のパッケージとすることも可能である。その長辺寸法と短辺寸法は約10mmから20mm程度のものであり、また厚みも1mmから2mm程度の範囲である。この電気化学セルは、内部抵抗を低くし、数100mAないし1A程度のパルス状の放電にも使用できる用途を目的としたものである。従って、その容量も、数十mFから1F程度となる。
そして、図17(a)や図17(b)に示す電気化学セル(CL3,CL4)の製造においては、ベース10の凹部の底面に、導電性接着剤を適量つけておく。適当な長さの正極及び負極を、セパレータを挟んで折り畳んだ構造の電極を、別途、準備しておき、凹部の底面に配置する。この後、電解液を適量注入する。
して、埋込部16を介してベース底面の外部電極19に電気的に接続させている。一方、異極を構成するシート状第2活物質38の延長部38aは、導電性保護膜39と接続され、埋込部15を介して外部電極18に電気的に接続される。なお、シート状第1活物質36と導電性保護膜39の間には絶縁膜34が設けられており、シート状第1活物質36が異極と混触することを防止している。
まず、予め電極構成シート(正極、負極、セパレータ)を準備する(ステップS401)。そして、折り畳み構造の電極を形成する(ステップS402)。そして、延長部(36a,38a)を、接続容易なように凹部側面に形成したそれぞれの導電性保護膜(35,39)に電気的に接続させる(ステップS403、S404)。この場合、スポット溶接などの接続手段で行なう。
以下、エージング処理(ステップS406)、リッドの接合(ステップS407)、切断(ステップS408)、電気特性等検査(ステップS409)は、ステップS206〜S209と同様に実施する。
また、樹脂47(ポリイミド樹脂)に対して、図19(b)に示す構造にすることも可能である。ここでは、この樹脂47には、予め貫通する開口部47aを設ける。そして、表面にパターニングされた銅層47b、裏面に耐熱用の接着材層47cを皮膜する。複数の開口部47aが埋込部(15,16)と重なるように位置合わせをした後に、接着材層47cでガラス基板GPの裏面に接着する。この後に、金属マスク等を用いて、埋込部(15,16)と開口部47aとパターニングされた銅層47bとを接続するように金属膜を成膜することで外部電極を形成する。そして、この金属膜表面をメッキ等により金属皮膜を形成することで、より確実な外部電極にすることができる。
ス表面のマスク材料によるパターニングを行なう(ステップS509)。具体的には、図22(b)に示すように、ベース10の凹部を形成するための開口部を有するマスク材45をガラス基板GP上に形成する。
以下、ガラス裏面のマスク材料によるパターニング(ステップS511)、サンドブラスト加工(ステップS512)、マスクの剥離(ステップS513)、貫通電極の形成(ステップS514)、引出金属皮膜の形成(ステップS515)、外部電極の形成(ステップS516)、保護膜の形成(ステップS517)を実施する。これらの工程は、ステップS304〜S306、S314〜S317と同様に実施される。
以下、ガラス裏面のマスク材料によるパターニング(ステップS605)、サンドブラスト加工(ステップS606)、マスクの剥離(ステップS607)を行なう。
…マスク、30…第1活物質、30a…活物質接続部、31…シート状セパレータ、32…第2活物質、32a…活物質接続部、34…絶縁膜、35…導電性保護膜、36…第1活物質、36a…延長部、37…シート状セパレータ、38…第2活物質、38a…延長部、39…導電性保護膜、40…ローラー電極、45…マスク材、45a…開口部、47…樹脂、47a…開口部、47b…銅層、47c…接着材層、50…上型、51…下型、52…加熱部、60,70…導電膜、76…金属片。
Claims (13)
- ガラスからなるベースと、前記ベースに接合されるリッドとからなる電気化学セルの製造方法であって、
ガラス基板上面に、底部に貫通孔を設けた凹部を備える複数のベースを形成するベース形成処理工程と、
前記貫通孔に充填材を設ける充填工程と、
前記凹部の底部に第1活物質を配置し、この第1活物質の上方にセパレータ及び第2活物質を積層させて配置する組み込み処理工程と、
前記貫通孔の前記充填材に対して、前記ガラス基板の裏面に第1電極を形成し、前記第2活物質に接続された第2電極を前記ガラス基板の裏面に形成する電極形成処理工程と、
前記凹部内の第1活物質、セパレータ、第2活物質及び電解液を封入するリッドを、前記第2活物質を押圧しながら前記凹部の外縁部に接合するリッド接合処理工程と、
前記ガラス基板から各ベースを切り出す切断処理工程と
を含むことを特徴とする電気化学セルの製造方法。 - 前記ベース形成処理工程は、底部に貫通孔を備える凹部を形成するための上下の型をプレスする成型加工を用いることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記ベース形成処理工程は、前記凹部を形成するためのマスク材を配置した第1サンドブラスト加工と、
前記貫通孔を形成するためのマスク材を配置した第2サンドブラスト加工を用いることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記第2サンドブラスト加工は、前記ガラス基板の裏面にマスク材を配置し、この裏面から行なうことを特徴とする請求項3に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記リッドを導電性材料を用いて構成し、
前記第2電極を形成する工程は、
前記ガラス基板において、前記リッドを接合する外縁部から裏面に達する貫通孔を形成し、
前記貫通孔の内壁に、前記外縁部から、前記第2電極に達する導電性材料を形成する工程を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記第2電極を形成する工程は、
前記凹部の底部に第2の貫通孔を設け、前記第2の貫通孔に導電性材料を埋め込み、前記第2活物質に接続する工程を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記充填工程は、前記貫通孔に導電性材料を充填することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記充填工程は、前記貫通孔の内側面を含む成膜領域に、導電性材料からなる薄膜を形成し、当該貫通孔に絶縁性材料又は導電性材料を充填することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記薄膜を、前記電解液に対して耐食性を有する材料から形成し、当該薄膜が形成された前記貫通孔に対しガラスペーストを充填して、当該ガラスペーストを焼成させることを特徴とする請求項8に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記リッドを接合する前記凹部の前記外縁部に、メタライズ層を形成するメタライズ処理工程をさらに備え、
前記薄膜は、前記メタライズ層と同じ材料からなり、前記メタライズ処理工程と同時に形成されることを特徴とする請求項8又は9に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記薄膜を形成した前記貫通孔に、金属片を配置し、当該金属片を溶融することにより前記貫通孔に金属を充填することを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記リッドを前記凹部の外縁部に接合した後で、前記リッドに設けられた注入孔から電解液を注入し、前記注入孔を封止する工程を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の電気化学セルの製造方法。
- 底部に貫通孔を設けた凹部を備えるガラス基板からなるベースと、
前記貫通孔に設けられた充填材と、
前記凹部の底部に配置された第1活物質と、
前記第1活物質の上方に、セパレータを介して配置された第2活物質と、
前記貫通孔の前記充填材に対して、前記ガラス基板の裏面に形成された第1電極と、
前記ガラス基板の裏面に形成され、前記第2活物質に接続された第2電極とを備え、
前記凹部内の第1活物質、前記セパレータ、前記第2活物質及び電解液を封入し、前記凹部の外縁部に接合するリッドとを備えたことを特徴とする電気化学セル。
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