JP2011086833A

JP2011086833A - 電気化学デバイス及びその製造方法

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Publication number: JP2011086833A
Application number: JP2009239739A
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、リードＡ１(Ｋ１)は、封止部Ｐ１の位置において、切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３を備えている。これらの切り欠き部ＤＰ１、ＤＰ３の形状は、それぞれ底辺が向き合うような三角形状をしている。この場合、各切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３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ことになり、リード長手方向及びリード幅方向の移動が、共に十分に抑制される。
【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、切り欠き部を備えており、前記リードの幅方向両側に位置する側面における前記切り欠き部のリード長手方向の開口寸法は、前記リードの幅方向両側に位置する側面よりも内側の位置における前記切り欠き部のリード長手方向の開口寸法よりも小さいことを特徴とする。

この場合、切り欠き部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、側面の開口寸法は内側の開口寸法よりも小さいので、切り欠き部の内側の樹脂が外部に流動しにくい。すなわち、切り欠き部と樹脂層との相対関係がより強固に固定される。これにより、リード長手方向の移動が十分に抑制される。また、本発明の切り欠き部の形状は、開口内側の面が樹脂に対するリード幅方向移動も規制している。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、少なくとも前記リードの前記封止部に位置する領域を切り取ることで、前記切り欠き部を形成する工程と、前記切り欠き部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、リード長手方向の移動や断線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、第１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Ｚ０（なお、封止部をプレス処理した場合には厚みはＺ１となる）、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、アルミニウムや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。なお、活性炭質構造体は、各集電体の両面に設けることもできる。

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、平坦で平面形状が三角形の押圧面とこれに対向して嵌り合う三角形開口を有する打ち抜き機内に、リードＡ１，Ｋ１を挿入し、これらの一部を三角形の押圧面で打ち抜くことで形成される。なお、本例では、一対の三角形の底辺が対向するような押圧面を有する打ち抜き機を利用している。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。

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）、複数の切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３を備えている。これらの切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３形状は、それぞれ頂点の１つがリード外部に存在する概ね三角形状であり、各三角形の底辺が向かい合うように配置されている。リードＡ１（Ｋ１）の加工部７の上面を７Ａ、下面を７Ｂとすると、リードＡ１（Ｋ１）幅方向両側に位置する側面は、上面７Ａと下面７Ｂとの間に位置する。

リードＡ１（Ｋ１）の幅方向（Ｙ軸）の両側に位置する側面における切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３のリード長手方向（Ｘ軸）の開口寸法Ｘ１１，Ｘ３１は、リードＡ１（Ｋ１）の幅方向（Ｙ軸）の両側に位置する側面よりも内側の位置における切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３のリード長手方向（Ｘ軸）の開口寸法Ｘ１２，Ｘ３２よりもそれぞれ小さい。

この場合、切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３内に樹脂層Ｒ１，Ｒ２（図２参照）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内に埋め込まれる。ここで、リード側面の開口寸法Ｘ１１，Ｘ３１は内側の開口寸法Ｘ１２，３２よりも小さいので、切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３の内側の樹脂が外部に流動しにくい。すなわち、切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３と樹脂層Ｒ１，Ｒ２との相対関係がより強固に固定される。

これにより、リードのＸ軸方向の移動が十分に抑制される。また、切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３の形状は、開口内側の面ＤＳ１１，ＤＳ１２，ＤＳ３１、ＤＳ３３が樹脂に対するリード幅方向（Ｙ軸）の移動も規制している。すなわち、各切り欠き部ＤＰ１及びＤＰ３は、それぞれ、Ｚ軸を取り囲む３つの内側面（ＤＳ１１，ＤＳ１２，ＤＳ１３）及び３つの内側面（ＤＳ３１、ＤＳ３２，ＤＳ３３）を有している。平面視（Ｚ軸に沿って見る場合）において、三角形の底辺に当たる最深部の内側面ＤＳ１３，ＤＳ３３は、ＸＺ平面に平行であって、残りの内側面ＤＳ１１，ＤＳ１２と、ＤＳ３１，ＤＳ３２は、それぞれＤＳ１３，ＤＳ３３と鋭角（θ）で交差している。

切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３の形状が、上述のような三角形状の場合には、平面視において、開口の底面に位置する２つの頂点の角度は、すなわち、内側面ＤＳ１３（ＤＳ３３）と内側面ＤＳ１１又はＤＳ１２（ＤＳ３１又はＤＳ３２）のなす角度（鋭角θ）は、それぞれ３０〜９０°が、引きぬけ強度の十分な確保という観点から好ましい。

１つの切り欠き部ＤＰ１の内部の樹脂は、内側面ＤＳ１１、ＤＳ１２に当接するので、リードＡ１（Ｋ１）はＹ軸の正方向へは移動せず、内側面ＤＳ１３に当接するので、Ｙ軸の負方向に移動しない。同様に、１つの切り欠き部ＤＰ３の内部の樹脂は、内側面ＤＳ３１、ＤＳ３２に当接するので、リードＡ１（Ｋ１）はＹ軸の負方向へは移動せず、内側面ＤＳ３３に当接するので、Ｙ軸の正方向に移動しない。これらの移動規制の力は、切り欠き部ＤＰ１，ＤＰ３の形状が、リード中央を通るＸＺ平面に対して、鏡対象であるため、均衡し、Ｙ軸方向の移動規制力は非常に高くなる。

これにより、リード移動が抑制され、液漏れ等を防止して、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（切り欠き部のＸ軸方向の最大離隔距離（Ｘ１２（Ｘ３２））よりも、若干長く設定されている。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の切り欠き部ＤＰ１、ＤＰ３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。

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Ａ１（Ｋ１）の封止部Ｐ１（図１参照）に位置する領域を切り取ることで、切り欠き部ＤＰ１、ＤＰ３を形成する工程と、これらの切り欠き部を有するリード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軸方向の移動や断線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、切り欠き部の数は、１つのリード当たり３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、打ち抜き等により加工部７を形成し、その後、リード上下面に４．０×１０^５Ｐａの圧力をかけて、バリを除去する。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。

実施形態のリードを実施例１としてその特性を測定した。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，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、７０℃，２．５Ｖ，１０００時間印加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、実施例１において、加工部を設けないものとし、比較例２は、切り欠き部の形状を半径0.15mmの半円形としたものとした。

リードの抵抗は、室温（２５℃）において、四端子法を用いて測定した。リードの破断強度は、室温（２５℃）において、リード単体の破断強度を試験装置（島津製作所製の引張試験・圧縮試験機：ＥＺＴｅｓｔ）を用いて測定した。なお、引張（引き抜け）強度は、室温（２５℃）において、熱圧着幅を５．０ｍｍとし、上記試験装置（ＥＺＴｅｓｔ）によって測定した。製品の最終歩留は、電解液を注液した後、充放電可能であって、液漏れ及びショートがないものを、良品として判断した。

測定したリードの特性は、以下の通りである。

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１に係る電気化学デバイスは、断面積の低下から、比較例１，２に比べて、わずかに抵抗が増加するものの、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、実施例１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。なお、上述の切り欠き部ＤＰ１、ＤＰ３の平面形状は、三角形などの多角形が好ましいが、別の形状とすることも可能である。

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、切り欠き部を備えており、
前記リードの幅方向両側に位置する側面における前記切り欠き部のリード長手方向の開口寸法は、前記リードの幅方向両側に位置する側面よりも内側の位置における前記切り欠き部のリード長手方向の開口寸法よりも小さい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切り取ることで、前記切り欠き部を形成する工程と、
前記切り欠き部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。