JP2011086815A

JP2011086815A - 電気化学デバイス及びその製造方法

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Publication number: JP2011086815A
Application number: JP2009239373A
Authority: JP
Inventors: Naoto Tsukamoto; 直人塚本
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-04-28

Abstract

【課題】高品質な電気化学デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】この電気化学デバイスでは、外装体Ｐ内に封入された電池素体２０と、少なくとも外装体Ｐの封止部Ｐ１の内側に設けられた樹脂層と、電池素体２０から外装体Ｐの封止部Ｐ１の樹脂層間を介して、外装体Ｐの外部に延びた複数のリードＡ１，Ｋ１と、を備え、それぞれのリードＡ１，Ｋ１は、封止部Ｐ１の位置において、その幅方向（Ｙ軸）に対して傾斜する方向に延びた凹溝ＤＰ１，ＤＰ２をリードＡ１、Ｋ１の主表面上に有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気化学デバイス及びその製造方法に関するものである。

従来の電気化学デバイスは、アルミニウムからなる外装体中にリチウムイオン電池（ＬＩＢ）や、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）などの電池素体を封入している。すなわち、アルミニウムラミネートからなる外装体内に電池素体を配置し、外装体内には必要に応じて電解液を導入し、外装体の周辺部を封止していた。

電池素体からは、アノード及びカソードのリードが延びており、それぞれは、外装体の封止部の隙間を抜けて、外部に延びている。また、アルミニウムラミネートの内側には樹脂層が設けられており、封止部を熱圧着することで、封止が行われる。この封止部とリードとの間の構造について、幾つかの研究が行われている。下記特許文献１は、封止部におけるリードに複数の孔を設けることにより、かかる箇所における接着面積を高める工夫がされている。また、下記特許文献２は、封止部におけるリードの幅を狭めることにより、かかる箇所における接着面積を高める工夫がされている。

特開２００３−８６１５３号公報特開２００３−８６１５２号公報

しかしながら、時間の経過伴って、内部の液体やガスが漏れたり、リードが短絡するなどの不良品が発生するため、高品質の電気化学デバイスが得られないという問題を発見した。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高品質な電気化学デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の電気化学デバイスは、外装体内に封入された電池素体と、少なくとも前記外装体の封止部の内側に設けられた樹脂層と、前記電池素体から前記外装体の前記封止部の前記樹脂層間を介して、前記外装体の外部に延びた複数のリードと、を備え、それぞれの前記リードは、前記封止部の位置において、その幅方向に対して傾斜する方向に延びた凹溝を前記リードの主表面上に有していることを特徴とする。

この場合、凹溝内に樹脂層の樹脂が食い込んでいるので、リードが強固に樹脂層内に埋め込まれるが、凹溝が斜めに延びていることで、凹溝内にガスが存在していても、これが封止時などに外装体の外部に排出されやすくなる。これにより、封止部の樹脂層にガスが巻き込まれにくくなるため、かかる現象に伴う封止部の接着力低下を抑制することができる。

また、凹溝が斜めに延びて溝の側壁、すなわち段差に樹脂層が噛んでいるが、これにより樹脂層が、リードの長手方向の移動と、幅方向の移動が共に規制される。なお、リードの移動は内部の液漏れを生じさせる虞があるため好ましくない。すなわち、微量のリード引き出し量であっても、そこには微小な空隙が生じてしまい、この空隙を通じて、電解液漏れや，大気中の水分の素子内取り込みが起こり、素子の寿命を縮めてしまう。また、リードのはんだ付けなどの加工時に、容易にリードが引き出されてしまう傾向がある。したがって、リード移動が抑制されれば、かかる不具合を抑制し、高品質の電気化学デバイスを提供することができる。

また、本発明の電気化学デバイスの製造方法は、請求項１に記載の電気化学デバイスの製造方法であって、少なくとも前記リードの前記封止部に位置する領域をリード幅方向に対して斜めにプレス処理することで、前記凹溝を形成する工程と、前記凹溝を有する前記リードを、前記封止部の前記樹脂層間に配置し、これらを前記外装体とともに熱圧着する工程と、を備えることを特徴とする。

これにより、リード移動が抑制されたリードを製造することができ、したがって、高品質な電気化学デバイスを提供することができる。

本発明によれば、高品質な電気化学デバイスを提供することができる。

電気化学デバイスの斜視図である。図１に示した電気化学デバイスのＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。実施形態に係る電気化学デバイスの封止部近傍の拡大斜視図である。実施形態に係るリードの加工部の拡大斜視図である。

以下、実施の形態に係る電気化学デバイスについて説明する。なお、説明において、同一要素には、同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は電気化学デバイスの斜視図であり、図２は図１に示した電気化学デバイスのＩＩ−ＩＩ矢印断面図、図３は、実施形態に係る電気化学デバイスの封止部近傍の拡大斜視図である。なお、これらの図では、図示の如く、ＸＹＺ三次元直交座標系が設定されている。

この電気化学デバイスは、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）であり、金属フィルムＭ１，Ｍ２を含む外装体Ｐと、外装体Ｐ内に封入された電池素体２０（図２参照）と、少なくとも外装体Ｐの封止部（トップシール部）Ｐ１の内側に設けられた樹脂層Ｒ１，Ｒ２と、電池素体２０から外装体Ｐの封止部Ｐ１の樹脂層Ｒ１，Ｒ２間を介して、外装体Ｐの外部に延びたリードＡ１，Ｋ１とを備えている。リードＡ１，Ｋ１は、Ｘ軸方向に沿って延びており、幅方向はＹ軸、厚み方向はＺ軸に一致する。樹脂層Ｒ１，Ｒ２は、ポリプロピレンなどの高分子フィルムからなる。

樹脂層Ｒ１，Ｒ２は、金属フィルムＭ１，Ｍ２の内側の全面に貼り付けられているが、これらは、長方形の外装体Ｐの四辺周囲の封止部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に位置する箇所の金属フィルムＭ１，Ｍ２に設けられていてもよい。これらの封止部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、熱圧着によって封止されている。外装体Ｐの四辺の封止部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に囲まれた中央領域Ｐ０内部には、電池素体２０が配置される。アノードとしてのリードＡ１と、カソードとしてのリードＫ１との間には、電圧を印加して電池素体２０を充電することもでき、また、電池素体２０に充電された電力を、これらから取り出すこともできる。

図２を参照し、封止部Ｐ１におけるリードＡ１（Ｋ１）の厚みをＺ１、封止前の厚みをＺ０とする。樹脂層Ｒ１，Ｒ２全体の厚みをＺ２、外装体全体の厚みをＺ３とする。

また、図３に示す電池素体２０の構造としては、無数のものが考えられる。本例では、アノード（正極）側の電極として、銅などの金属箔からなる集電体１と、活性炭質構造体などからなる分極性電極２を結合したものを用いる。また、カソード（負極）側の電極として、アルミニウムなどの金属箔からなる集電体５と、活性炭質構造体などからなる分極性電極４とを結合したものを用いる。また、これらの正極と負極との間にはセパレータ３が介在している。もちろん、複数の電池素体を積層させてもよいが、ここでは、簡略化のため、１つの電池素体のみが収納された例を示している。

分極性電極２，４は、多孔質材料からなり、活性炭にバインダー樹脂を混ぜて製造する。バインダー樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素を含む高分子化合物、又は、スチレンブタジエンゴムのようなゴム系の高分子化合物が挙げられる。必要に応じてカーボンブラック、カーボンナノチューブ、又は黒鉛の微粒子、微細繊維を導電助剤として配合することもできる。

集電体１，５としては、銅箔やアルミニウム箔の表面をエッチングによって表面を荒く加工したものを使用することができる。なお、電極製造方法として、活性炭に導電補助剤とバインダーを加えてシート状にして集電極に接着する方法のほか、活性炭をスラリー状にして集電極に塗工する方法なども無数に存在する。

セパレータ３は、例えば重量比１０％以上のポリオレフィン系樹脂を含有した不織布または多孔質フィルムからなる。ポリオレフィン系樹脂の軟化点温度以上の温度環境下で、一対の分極性電極に圧力を加えることにより、分極性電極とセパレータとは接着することもできる。セパレータとして、セルロース不織布やアラミド繊維の不織布を用いることもできる。

外装体Ｐ内に充填される電解液ＬＱとしては、水溶液系と有機系のものが知られている。有機系の電解液の溶媒としては、プロピレンカーボネート、アセトニトリルなどあり、溶質としては、アンモニウム塩、アミン塩、或いはアミジン塩などが知られている。

また、図３に示すように、正極及び負極の集電体１，５は、リードＡ１，Ｋ１にそれぞれ結合されている。この結合位置は、図のように外装体内部であってもよいが、封止部Ｐ１の位置とすることもできる。なお、これらは一体の金属箔からなることとしてもよい。リードＡ１，Ｋ１には、樹脂が内部に嵌まり込むような形状に加工された加工部７が設けられ、加工部７の長手方向前後には未加工部が存在している。

この加工部７は、底面が平坦な凹溝ＤＰ１、ＤＰ２であり、凹溝ＤＰ１、ＤＰ２はリード幅方向に対して斜めに延びている。この加工部７は、平坦で斜めに延びた一対の押圧面を有するプレス機内に、リードＡ１，Ｋ１を挿入し、リードを押圧面でプレス処理することで形成される。しかる後、封止部Ｐ１などはプレス機で熱圧着加工する。

図４は、実施形態に係るリードの加工部の拡大斜視図である。

リードＡ１（Ｋ１）の加工部７の上面を７Ａ、下面を７Ｂとすると、上面７Ａが表面、下面７Ｂが裏面であって、これらがリードの主表面であり、リードＡ１（Ｋ１）は、封止部Ｐ１の位置において、その幅方向（Ｙ軸）に対して傾斜する方向に延びた凹溝ＤＰ１，ＤＰ２をリードＡ１、Ｋ１の主表面７Ａ,７Ｂ上に有している。

実施形態の電気化学デバイスでは、それぞれのリードＡ１(Ｋ１)は、封止部Ｐ１の位置において（図３参照）、表裏面にそれぞれ凹溝ＤＰ１，ＤＰ２を備えている。これらの凹溝ＤＰ１，ＤＰ２は、一方側の面にのみ形成されていてもよいし、それぞれの延びている方向が若干ずれていてもよい。本例では、表裏面の凹溝ＤＰ１，ＤＰ２の形状は同一であり、同一方向に伸びており、Ｚ軸に沿った方向からみて（平面視において）、これらの形成された領域は完全に一致して重複している。もちろん、ここれは、完全重複とはいっても、非重複領域が全体の３％程度存在することは誤差として許容している。

凹溝ＤＰ１，ＤＰ２の延びている方向に垂直な方向を、凹溝の幅方向とすると、本例では、その幅方向の寸法は、溝長手方向に沿って一定であるが、これは変動していてもよい。なお、リード幅方向端部における凹溝のＸ軸方向長は両端において、共にＸ３である。また、凹溝ＤＰ１（ＤＰ２）の長手方向と、リード幅方向（Ｙ軸方向）となす角度をθとする。正確には、θは、凹溝ＤＰ１（ＤＰ２）の長手方向の中心線が、Ｙ軸となる角度である。ここで、θの理論的に採りうる値は、０°よりも大きく９０°未満であるが、実際には、θが小さすぎる場合にはガス抜きの効果が少なく、大きすぎる場合には形成領域がリード長手方向に拡大してしまうため、θは５°以上６０°以下であることが好ましく、４５°以下であることが更に好ましい。
上述の構造の場合、凹溝ＤＰ１，ＤＰ２内に樹脂層Ｒ１，Ｒ２の樹脂が食い込んでいるので、リードＡ１（Ｋ１）が強固に樹脂層Ｒ１，Ｒ２（図２参照）内に埋め込まれるが、凹溝ＤＰ１，ＤＰ２が斜めに延びていることで、凹溝内にガスが存在していても、これが封止時などに外装体の外部に排出されやすくなる。なお、封止部Ｐ１は、リード長手方向（Ｘ軸）に対して、垂直（Ｙ軸方向）に延びている。これにより、封止部Ｐ１の樹脂層Ｒ１，Ｒ２にガスが巻き込まれにくくなるため、かかる現象に伴う封止部Ｐ１の接着力低下を抑制することができる。

また、上記構造では、凹溝ＤＰ１，ＤＰ２が斜めに延びて溝の側壁、すなわち段差に樹脂層が噛んでいるが、これにより樹脂層Ｒ１，Ｒ２が、リードＡ１（Ｋ１）の長手方向（Ｘ軸）の移動と、幅方向（Ｙ軸）の移動が共に規制される。リード移動が抑制されれば、液漏れ等の不具合を抑制し、高品質の電気化学デバイスを提供することができる。

なお、図３に示した封止部Ｐ１のＸ軸方向の寸法Ｘ２は、図４に示す加工部７のＸ軸方向の寸法（凹溝のＸ軸方向の最大離隔距離）よりも、若干長く設定されているが、短く設定されていてもよい。図３の封止部Ｐ１には全領域に図２の樹脂層Ｒ１，Ｒ２が設けられているので、加工部７の凹溝ＤＰ１、ＤＰ２内に、樹脂層Ｒ１，Ｒ２が食い込むこととなり、リードＡ１（Ｋ１）のＸ軸方向・Ｙ軸方向の移動が規制される。リードＡ１（Ｋ１）の幅Ｙ１は、例えば３．５ｍｍに設定される。また、各凹溝ＤＰ１（ＤＰ２）の深さは、それぞれ１０μｍであり、プレス前の厚みＺ０は１００μｍ、加工後の凹溝形成領域の厚みＺ１は８０μｍである。

実施形態の電気化学デバイスの製造方法は、少なくともリードの封止部Ｐ１に位置する領域をリード幅方向（Ｙ軸）に対して斜めにプレス処理することで、凹溝ＤＰ１，ＤＰ２を形成する工程と、凹溝ＤＰ１，ＤＰ２を有するリードＡ１（Ｋ１）を、封止部Ｐ１の樹脂層Ｒ１，Ｒ２（図２参照）間に配置し、これらを外装体Ｐとともに熱圧着する工程と、を備えている。これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動が抑制されたリードを製造することができ、したがって、高品質な電気化学デバイスを提供することができる。なお、凹溝の数は、１つのリードの１つの面当たり２以上であってもよい。

具体的には、例えば、幅３．５ｍｍ、厚さ１００μｍ、長さ３０ｍｍのＡｌ箔のリードを用意し、熱圧着予定の領域よりも狭い領域内に、リード上下面に３．９２×１０^５Ｐａの圧力をかけるプレス処理により加工部７を形成し、各深さが１０μｍの凹溝ＤＰ１，ＤＰ２を形成する。加工部の全体の厚みＺ１は８０μｍとなる。このリードを電池素体の集電体に結合させ、しかる後、封止部に２．９４×１０^５Ｐａの圧力をかけて、１８０℃、７秒間の熱圧着を行う。各封止部Ｐ１〜Ｐ４を熱圧着することで、電気化学デバイスが完成する。なお、全部の封止部の熱圧着の完了前に、外装体内に電解液を導入しておく。

なお、実施形態のリードを実施例１〜９として特性を測定した。なお、初期リードの材料はアルミニウム、寸法は幅３．５ｍｍ、厚さ１００μｍ、長さ３０ｍｍであり、圧力と樹脂材料は上述の例の通りである。電池素体は、アルミニウムラミネート箔、活性炭電極／アルミニウム集電箔、セルロースセパレータ、有機系電解液から構成し、電解液は、ＴＥＭＡ・ＢＦ_４（テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム）／ＡＮ（アセトニトリル）溶液であり、これを７０℃の環境下に配置し、リード間に２．５Ｖの電圧を１０００時間印加するという条件の信頼性試験前後の液量の変化率を測定した。比較例１は、実施形態において、加工部を備えていないものとし、比較例２は、溝のある加工部に代えて、半径0.15mmの半円形の切り欠き部を幅方向両端に設けたものとした。

なお、抵抗は、Ａｌリードを室温（２５℃）下で四端子法を用いて測定した。破断強度測定は、リード単体を室温（２５℃）において、試験装置（島津製作所製の引張試験・圧縮試験機：ＥＺＴｅｓｔ）内に配置して測定した。また、引張（引き抜け）強度測定は、熱圧着幅を５．０ｍｍとし、これを室温（２５℃）において、前述の試験装置によって測定した。製品の最終歩留まりは、注液後において充放電可能であって、液漏れ及びショートが無いものを良品とし、それ以外を不良品とした。

また、比較例１の評価点数を１０点とした場合に、比較例２及び実施例１〜９の評価点数を比例計算で求め、これらを性能指数として得点化した結果は、以下の通りである

上述のように、実施例のリードでは、断面積の低下から、わずかに抵抗増加するものの、引き抜け強度の増加により、信頼性が格段に上昇するという観点から、実施形態に係る電気化学デバイスが、比較例１，２のものよりも格段に優れている旨が、実験的にも判明した。また、実施例２〜５の場合、すなわち角度θが５°〜４５°の場合には、合計得点が５５点を超えることとなり、更に好ましい。

１０…電気化学デバイス、Ｐ…外装体、Ｍ１，Ｍ２…金属フィルム、Ｒ１，Ｒ２…樹脂層、Ａ１，Ｋ１…リード、２０…電池素体、ＬＱ…電解液、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…封止部。

Claims

外装体内に封入された電池素体と、
少なくとも前記外装体の封止部の内側に設けられた樹脂層と、
前記電池素体から前記外装体の前記封止部の前記樹脂層間を介して、前記外装体の外部に延びた複数のリードと、
を備え、
それぞれの前記リードは、前記封止部の位置において、その幅方向に対して傾斜する方向に延びた凹溝を前記リードの主表面上に有していることを特徴とする電気化学デバイス。
請求項１に記載の電気化学デバイスの製造方法であって、
少なくとも前記リードの前記封止部に位置する領域をリード幅方向に対して斜めにプレス処理することで、前記凹溝を形成する工程と、
前記凹溝を有する前記リードを、前記封止部の前記樹脂層間に配置し、これらを前記外装体とともに熱圧着する工程と、
を備えることを特徴とする電気化学デバイスの製造方法。