JP2013251421A - 電子部品、及び電子装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気二重層キャパシタの凹状容器2は、セラミックスの高温焼成で形成し、凹部の内側底部には焼成温度に耐え得る金属層11が形成される。金属層11の上には、集電体181a、ブロック層50a、集電体182aからなる第1集電体が形成され、その上に電極6が固定される。封口板3はコバールが使用され、全面に渡ってニッケルメッキによる金属層15が形成され、その上には、集電体181b、ブロック層50b、集電体182bからなる第2集電体が形成され、その上に電極5が固定され。両電極5、6には電解質が含浸され、この電解質の通過をブロック層50a、bによって確実に遮断することができる。
【選択図】図1
Description
この蓄放電機能により、キャパシタは、例えば、電子機器の時計機能や半導体メモリなどのバックアップ電源、マイクロコンピュータやICメモリなどの電子装置の予備電源などに用いられている。
特に表面実装が可能な電気二重層キャパシタやイオンキャパシタは、小型化・薄型化が可能であるため、薄型の携帯端末に適している。
このような小型化・薄型化の要望に応えるため、下記の特許文献1では、次に説明するように、凹部を有する容器に分極用の電極と電解質を収納し、開口部を封口板で封止した電気二重層キャパシタが提案されている。
凹部113が形成されたセラミックス製の凹状容器102の底面には、金属層111が設けてあり、金属層111の上面には正極電極106が接合している。金属層111は、凹状容器102を貫通して凹状容器102の底面の正極端子112に電気的に接続しており、このため、正極電極106は、金属層111を介して正極端子112に電気的に接続している。
また、封口板103は、金属製の接合金属層108により凹部113の開口部に接合し、凹部113を封口している。
封口板103の下側の面には、集電体として機能する金属層115が形成されており、金属層115の表面には負極電極105が接合している。
凹状容器102の側面には、接合金属層108と凹状容器102の底面の負極端子110を接続する金属層109が形成されている。
そして、負極電極105は、金属層115、接合金属層108、金属層109を介して負極端子110に電気的に接続している。
そして、電気二重層キャパシタ100は、負極端子110、正極端子112に電圧を加えると蓄電し、当該蓄電した電荷を放電して時計機能の維持やメモリなどに電力を供給する。
このため、金属層111、115が常時接触している電解質により影響を受けることで電気二重層キャパシタ1の性能が低下する可能性がある。
例えば、凹部113の金属層111は、下地となるタングステンの層を形成し、その上にアルミニウムの層を形成している。
これは、次の理由による。即ち、金属層111は、集電体として使用するため、充放電が繰り返されて電圧がかかっても電解質に溶け出さない物質で形成する必要がある。正極の集電体の場合、このような物質として、アルミニウムがあるが、アルミニウムは凹状容器102の焼成温度(1000[℃]以上が好ましい)に耐えることができない。
そこで、高温に耐えうるタングステンで下地を作っておき、凹状容器102の焼成後、タングステンの下地の上にアルミニウムの層を形成することにしたものである。
しかし、アルミニウムの薄膜を凹部113の底面に形成するには、真空蒸着などのドライプロセスを用いる必要があり、コストが高くなるという問題があった。
しかし、特許文献2記載技術では、導電ペーストの粘度を下げる目的で、有機溶媒を加えることがあり、その溶媒が気化する際に気泡を生じ、直径数μm程度の小径な連通孔(す穴)を形成することがある。また、導電ペーストの塗布時に巻き込んだ雰囲気の中のガス成分をも上述の小径な連通孔を形成することがある。
このように、導電ペーストで凹状容器の金属(タングステン)や封口板の金属層(ニッケルメッキ)を覆ったとしても、連通孔やす穴を通った電解質が金属と接触する場合があった。
(2)請求項2に記載の発明では、前記ブロック層は、アルミニウム層と、前記第1の電極側の面に形成されたカーボン層とから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電子部品を提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、前記封口板は、内側の底面に第2の凹部が形成され、前記第2の金属層及び前記第2集電体は、前記第2の凹部に形成されていることを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の電子部品を提供する。
(4)請求項4に記載の発明では、前記封口板は、前記凹状容器に接続される外周平板部と、中央平板部と、前記外周平板部の内周と前記中央平板部の外周を連続的に接続する環状溝部から構成され、前記第2の金属層と前記第2集電体及び前記第2の電極は、前記中央平板部に配設されている、ことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の電子部品を提供する。
(5)請求項5に記載の発明では、前記第2の金属層と前記第2集電体及び前記第2の電極は、前記環状溝部と前記中央平板部とで形成される凹み内に配設されている、ことを特徴とする請求項4に記載の電子部品を提供する。
(6)請求項6に記載の発明では、請求項1から請求項5までのうちの何れか1つの請求項に記載の電子部品と、前記電子部品に蓄電する蓄電手段と、所定の機能を発揮する他の電子部品と、前記蓄電した電荷を用いて前記他の電子部品に電力を供給する電力供給手段と、を具備したことを特徴とする電子装置を提供する。
(1)実施形態の概要
図1は本実施形態の電気二重層キャパシタにおける、凹状容器2、封口板3と、電極6(陽極)、電極5(陰極)とを電気的に結合する集電結合層について表したものである。
この図1では、中央の一点鎖線を堺に、その右側が凹状容器2側の構成を表し、左側が封口板3側の構成を表している。このように、凹状容器2と封口板の集電結合層は同様な構成となっているので、両集電結合層を構成する各部分には符号として同一番号を付し、凹状容器2側には添え字aを、封口板3側には添え字bを付している。
なお、図1では、凹状容器2側と封口板3側を対比するため、横に並べて表示しているが、実際には図2(a)に示すように、電極5、6が互いに対向するように配置される。
また図1では、電極6(陽極)と電極5(陰極)の厚さが同じ場合について表示しているが、電極6と電極5は、各々の容量バランスを調整するために、厚みや長さを異なる寸法にすることも可能である。
凹状容器2は、アルミナを用いたセラミックスを高温(例えば、1000度以上)で焼成することで形成し、凹部13を有している。当該凹部13の内側底部に、凹状容器2の焼成温度に耐え得る金属層(タングステン)11(図示せず)が形成されている。金属層11の上(封口板3側)には、炭素を導電材とする集電体181a、ブロック層50a、集電体182aからなる第1集電体が形成され、その上に電解質を含浸した電極(陽極)6が固定されている。
一方、封口板3は、コバール等の合金が使用され、封口板3の全面に渡ってニッケルメッキによる金属層15(図示せず)が形成され、金属層15の上(凹状容器2側)には、炭素を導電材とする集電体181b、ブロック層50b、集電体182bからなる第2集電体が形成され、その上に電解質を含浸した電極(負極)5が固定されている。
なお、封口板3は、封口板3の母材と金属層15の素材になる板材とを予め用意し、クラッド材として加工を施してから、プレス成型して用いるようにしてもよい。これによりニッケルメッキは不要になる。
ブロック層50a、50bは、表面にカーボン層52a、52bがプレコートされたアルミ層51a、51bによりが形成される。なお、カーボン層は、ブロック層50a、50bの両面に形成するようにしてもよい。
このため、導電ペーストの加熱固化によって集電体181a、182a、181b、182bを形成した際に、孔やす穴が形成されてしまった場合であっても、各電極6、5に含浸している電解質はブロック層50a、50bで遮断されるため、凹状容器2、封口板3に形成された金属11、15接触することが回避される。
このように、集電体181a、181bの周縁が開放状態(他の壁等に接していない状態)の場合、周縁部において中心方向に凹んだメニスカス191a、191bが形成されることで導電ペーストが広がりすぎてしまうことが防止され、アルミ層51a、51bと略同じ大きさを形成することができる。
このような凹んだメニスカス191a、191bを周縁に形成することで、所望サイズの集電体181a、181bを形成することができるので、集電体181a、181bのはみ出しによる不良を回避することができる。
図2(a)は、実施形態に係る電気二重層キャパシタ1の側面断面図で、図2(b)は平面図、図2(c)は電極5を取り付けた封口板3の断面斜視図である。
電気二重層キャパシタ1は、図2(b)に示すように、直方体形状を有しており、大きさは、例えば、高さが1[mm]以下、縦が2.5[mm]程度、横が3.0[mm]程度の直方体形状を有している。
なお、電気二重層キャパシタ1を含めた電気化学セルの外形は、上面からみた形状として円形や楕円形とすることも可能である。この場合、方形として説明する凹部13や電極5、6、セパレータ7等の各部も円形や楕円形としてもよく、方形でもよい。
集電体181a、182a、ブロック層50a、50b、集電体181a、182b、貫通電極21、貫通電極22、端子10、端子12、及び、電極5、6及びセパレータ7に含浸させた電解質(図示せず)などを用いて構成されている。
端子10、12は、表面実装のための端子であり、以下では、端子10、12の側を下方向、封口板3の側を上方向とする。
なお、図2(a)では、部材の接合関係が分かりやすいように、電極5、セパレータ7、電極6の間に間隙を図示しているが、凹部13にこれらの部材を隙間なく詰め込んでもよい。
グリーンシートには、凹部13と貯留部17に対応する開口部と貫通電極21、22を設置する貫通孔に対応する孔が形成されており、これらグリーンシートを厚さ方向に積層して焼成することにより、凹部13と貫通電極21、22用の貫通孔を有する凹状容器2が形成される。ここで、貫通電極の直径は、約100μmとすることが出来る。また、各層に形成された貫通電極21と貫通電極22が、グリーンシートを積層する際に、ずれた際の誤差を吸収する目的で、各グリーンシートの上面に予めタングステン(W)製の導体印刷を施すことができる。
金属層11は、貯留部17の底面に対応するシート材42の表面に導体印刷し、凹状容器2を焼成することにより形成される。
ここでは、金属層11の大きさを必要最低限としてコストを低減している。なお、貯留部17の底面全体に金属層11を形成してもよい。
金属層11の導体印刷は、例えば、タングステンなどの耐食性があり、凹状容器2の焼成に耐えうる高融点の金属材料を含むインキでスクリーン印刷することにより行われる。
しかし、上述したようにタングステンを正極の集電体として使用し、電極6に含浸させた電解質に常時接した状態にすると、電圧を印加によって電解質中に電気化学的に溶け出してしまう。
そこで、本実施形態では、タングステン等の焼成に耐え得る金属で形成した金属層11の溶出を防止するために、少なくとも電解質が含浸される電極6と対向する全面(本実施形態では、より広い面である貯留部17の全面)を導電ペーストによる集電体181a、182aで被覆している。
さらに、本実施形態では、集電体181a、182aに生じる、孔やす穴を通って電解質が金属層11に到達しないようにするために、集電体181aと集電体182aとの間に、電解質の通過を遮断するブロック層50aを設けている。
ここで「電気化学的な耐性」とは、電解質が接して、且つ、充放電時における電極電位によって、酸化電位または還元電位に達した際においても、電気化学的な酸化や還元に対する耐性を有していることをいう。
本実施形態では、表面にカーボン層52aがプレコートされたアルミ層51aによりブロック層50aが形成されるが、カーボン層52aを省略して、アルミ層51aだけでも上述した導電性、遮断性、耐性を得ることが可能である。また、アルミ層51aの両面にカーボン層52aがプレコートされたブロック層50aを使用するようにしてもよい。
なお、アルミニウム以外にも、導電性、遮断性、電気化学的な耐性を備える他の金属(例えば、チタン、ニオブ、ステンレススチール、金)や樹脂を使用するようにしてもよい。
このため、導電ペーストの加熱固化によって集電体181a、182aを形成した際に、孔やす穴が形成されてしまった場合であっても、電極6に含浸している電解質はブロック層50aで遮断されるため凹状容器2に形成された金属11と接触することが回避される。
集電体181aのサイズS2は、金属層11を覆う必要から、金属層11のサイズS1以上とされる。
ブロック層50aのサイズS3は、電解質が金属層11に到達することを遮断する必要から、金属層11のサイズS1以上とされ、かつ金属層の全面がブロック層50aと対向している必要がある。
集電体182aのサイズS4と電極6のサイズS5は、ブロック層50aのサイズS3とほぼ同一サイズであればよいが、図2に示すように、ブロック層50aが集電体182aよりも大きく形成することも可能である。
但し、本実施形態では図2に示したように、金属層11はコスト低減のために必要最低限のサイズに小さく形成されているのに対し、集電体181aは、貯留部17の底面全体に形成され、集電体182aとブロック層50aは、電極6のサイズS5とほぼ同じサイズに形成されている。
具体的には、集電体181a、182aの所定の厚さは、通常5〜100μmの範囲で設定され、好ましくは、10〜40μmに設定される。
各集電体181a、182aの塗布の厚みは、塗布後の厚みが薄い場合(10μm未満)には、電気抵抗にバラツキが多く、概して抵抗が高くなりやすいので、10μm以上に設定される。また、厚すぎる場合にも全体の電気抵抗が高くなると共に、電気二重層キャパシタ1の厚みに影響するため、100μm以下、好ましくは40μm以下に設定されている。
導電ペーストの膜塗布の方法は、転写、スクリーン印刷、インクジェット、ディスペンサーによる塗布、ポッディング等による。
電気化学的に、電子は、導体の鋭利な先端部に集中する傾向がある。電気化学デバイスを充放電する際に、電子が、この導体の鋭利な先端部に集中すると、その先端部の周囲にのみ、電力が集中し、劣化が促進されることが危惧される。
そこで、本発明のペーストを塗布することで、鋭利部位を無くし、電子の集中を無くすことで、電極の劣化を避けることが期待できる。
導電ペーストは、炭素材料と有機材料(以下、フェノール系樹脂を例に説明するが、フェノール樹脂に限定されるものではない)を粘度を調整するために、溶媒を加えペースト状に加工したものを用いる(ことができる)。炭素材料は、導電性を付与するために添加されている。炭素材料としては、黒鉛の粉末、無定形炭素(カーボンブラック)の何れか、あるいは、両方を混合して用いることができる。
加熱により溶媒を乾燥させてフェノール系樹脂成分を重合(固化)させると、フェノール系の樹脂をバインダーとし、炭素を導電体とする樹脂製の集電体181a、182aが形成される。
また、導電ペーストは、導電性フィラー以外に、熱膨張係数を調整するための非導電性材料を添加することもが望ましい。この場合、非導電性材料として、各種ガラス粉末、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、チタニア(TiO2)等を適量を用いることができる。
貯留部17は、絶縁性のシート材42、43で形成された、導電ペースト(固化後、集電体181a)を保持するための溜め部として機能している。
電気二重層キャパシタ1を製造する際に、貯留部17に液体状の導電ペーストを貯留し、その表面にブロック層50aを置くと、メニスカス192aによってブロック層50aが貯留部17の中央に位置決めされる。
このブロック層50aの上に、2層目の導電ペースト(固化後、集電体182a)を塗布し、さらに2層目の導電ペーストの上に電極6を配設する。
その後、加熱して導電ペーストを固化すると、集電体181a、182aが形成されると共に、電極6が集電体181a、182aを介して貯留部17の中央に強固に固定される。
このように、本実施形態では、正極集電体181a、182aの形成に真空蒸着などのドライプロセスが必要ないので、電気二重層キャパシタ1の製造コストの低減と生産性の向上を図ることができる。
そして、当該貫通孔には、金属層11と端子12を電気的に接続する円柱形状の貫通電極22が形成されている。
貫通電極22の外径と貫通孔の内径は同じに設定されており、貫通電極22と貫通孔の内壁の間には間隙が生じないようになっている。貫通電極は、VIAとも呼ばれる。
接合金属層8は、ニッケルで形成することができ、開口部の端部の全周に形成された金属層9(メタライズ層)の上に形成することができる。また、金属層9(メタライズ層)にろう材(ニッケル、金、銀、銀−銅など)の層を介して、コバール等で出来たシールリングを取り付け、その上に、接合金属層8を形成することもできる。接合金属層8は、封口板3と凹状容器2の間の気密性を確保するためのものである。
後述するように、金属層15が形成された封口板3を凹部13の開口部に設置して加熱すると、接合金属層8が溶けて金属層15と融着し、凹部13が封口板3により封口される。
そして、当該貫通孔には、接合金属層8と端子10を電気的に接続する円柱形状の貫通電極21が形成されている。
貫通電極21の外径と貫通孔の内径は同じに設定されており、貫通電極21と貫通孔の内壁の間には間隙が生じないようになっている。
貫通電極21の材質や形成方法、及び中間電極28を用いて接合することなどは貫通電極22と同様である。
メッキには、電解メッキ、無電解メッキなどがあり、また、真空蒸着などの気相法によって形成してもよい。
これにより、端子10、12の高いハンダ濡れ性が確保され、電気二重層キャパシタ1を基板に良好に表面実装することができる。
なお、本実施形態では、端子10、12を凹状容器2の外側底面部に設けたが、外側側面部に形成したり、あるいは、外側底面から側面に連続して形成してもよい。
端子10、12は、貫通孔に貫通電極21、22を設置した後に形成することができるが、本実施形態では、ベースとなるモリブデン層は、VIA(貫通電極)とほぼ同時に印刷し、焼成の後、メッキを行う。
また、後述するように、大判のシート材で、凹状容器2や電気二重層キャパシタ1を同時に多数形成する場合には、形成後の切断箇所荷該当する部分、即ち、凹状容器2の底部外側の端部まで端子10、12を形成しないようにすることで、分割(切り分け)するときに端子10、12の剥がれなどを防止することができる。 このように、大判のシート材で複数形成した後に分割する場合、分割する前に端子10、12のメッキをするようにしてもよい。
封口板3は、図2(b)、(c)に示されるように、電極5に対応する中央部の領域において、両平面が共に外側(一方の側)に湾曲することで、貯留部310である凹みが形成され、この貯留部310(凹み)内に電極5が収容及び固定される。
この貯留部310は、凹部13に形成した貯留部17と同様に、導電ペーストが固化する前に飛び散ったり、はみ出したりして短絡の原因となるのを防ぐために設けられている。
そして、この貯留部310による凹みを含めて、封口板3の下側の面全体にニッケルメッキによる金属層15が形成されている。なお、この金属層15は、封口板3を接合金属層8に良好に接合するために形成されるものであるため、必ずしも封口板3の全面に渡り形成する必要はなく、少なくとも環状の金属層8に対応する部分、すなわち、封口板3の外周側に所定幅で環状に金属層15を形成するようにしてもよい。
金属層15は、金属をメッキによって、形成しても良い。湿式のメッキのほか、スパッタリングや溶射などの乾式プロセスを用いることができる。
メッキ材質としては、ニッケル(Ni),銅(Cu),スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、リン(P),ホウ素(B)の何れか、または同時に含むものが良く、例えば、銅とスズの合金を用いることができる。また、表面の下面で、濃度勾配を持っていても良い。この時、銅とスズの原子比は、Cu:Sn=80:20〜1:99の範囲にすることができる。
特に、Cu:Su比が、55:45〜1:99が望ましい。
原子の濃度勾配を持たせる場合、最下面(封口板に接する側)にニッケルのリッチ層を形成し、その後、銅のリッチ層、続いて、スズのリッチ層(Sn)、さらに、亜鉛(Zn)と濃度勾配を伴って形成することができる。
例えば、ニッケル(Ni)と亜鉛(Zn)の合金メッキや、スズ(Sn)と亜鉛(Zn)の合金めっきを用いることができる。
その際、メッキは帯状の金属(フープ材)を連続でメッキする方法や、帯状の金属(フープ材)を打ち抜いた後の金属材料の個片をバレル等の装置を用いて、バッチ処理することも出来る。
メッキ層の厚さは、0.2μm以上が好ましく、0.6μm以上がさらに好ましい。また、バレル等でメッキする場合は、ピンホール等が生成する場合もあり、メッキの平均膜厚は、5μm以上が好ましい。ただし、10μm以上のメッキを用いてもコストが上がるだけで、溶着する際に改善の効果は見られない。
集電体181b、182bは、集電体181a、182aを構成する導電ペーストと同じ導電ペーストを使用して、同様の厚さで、同様に形成され、また、ブロック層50bも、ブロック層50aと同様に形成されることで、電極5を封口板3(金属層15)に固着する。
このブロック層50bの上に、2層目の導電ペースト(固化後、集電体182b)を塗布し、さらに2層目の導電ペーストの上に電極5を配設する。
その後、加熱して導電ペーストを固化すると、集電体181b、182bが形成されると共に、電極5が集電体181b、182bを介して貯留部310の凹み中央に強固に固定される。
このように、凹状容器2と同様に、金属層15(封口板3)に電極5を固定する集電体181bと集電体182bの両層間にブロック層50bを配設することにより、電極5に含浸した電解質を有効に遮断することができる。
集電体182bのサイズは、電極5とほぼ同じサイズに形成される。
ろう付けは、封口板3を加圧しながら加熱することにより溶解し、封口板3と凹状容器2を接合する。
より具体的には、ローラ電極を封口板3の縁部に適当な圧力で接触させ、通電しながら回転走行させるパラレルシーム溶接を用いることができる。接触抵抗により接合金属層8が加熱され、加圧と加熱が行われる。パラレルシーム溶接以外にも、レーザーによる加熱溶接も可能である。
または、その逆に、接合金属層8に電解ニッケルを用いた場合は、封口板3は、コバールに無電解ニッケルを施したものを用いる。これにより、必要以上に溶接パワーを上げなくて済む。更に、無電解ニッケルを行う場合は、各種還元剤を用いることができる。例えば、ジメチルアミンボラン、次亜リン酸、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウムなどが挙げられる。ここで、ろう材として、メッキに用いたニッケルを溶融させる際、ニッケルの融点が低い方が望ましい。そこで、メッキの際の還元剤には次亜リン酸を用いることで、仕上がったメッキの化学組成が、「Ni:90%−96%、P:4%−10%」である場合に、ホウ素を含有する場合に比較して、融点が低いので、ろう付けに適する。
また、接合金属層8のシールリングをセラミックスのメタライズ層に固着させるためには、金ろう、銀ろうなどのろう材やハンダ材を用いることも可能である。
セパレータ7の材質としては、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)製樹脂に多くの気孔を伴うマイクロポーラスフィルムを用いたり、さらに、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、変性PEEK、などの耐熱性樹脂などの表面に親水性を付与した材料からなる不織布、またはガラス繊維を用いることができる。またセルロース系のセパレータを用いてもよい。
セパレータ7は、電極5と電極6との短絡防止機能を備える他、より多くの電解質を含ませておく機能、すなわち、電解質の高い保液機能を備えていることが好ましい。本実施形のセパレータ7としては、PTFEを使用するが、保液機能の観点からはガラス繊維が最も望ましい。
電解質は、例えば、PC(プロピレンカーボネート)やSL(スルホラン)などの非水溶媒に(CH3)・(CH4)3N・BF4などの支持塩を溶かした溶液で構成されている。このように本実施形態では支持塩として液体を用いるが、ゲル状や固体状の電解質を用いることも可能である。封止方法にも依存するが、電解質として、液体の溶媒を用いる場合は、沸点が200℃以上あることが望ましい。更に、封口時に印加された熱によって蒸気圧が上がらないことが望ましい。電解液中に沸点が100℃未満の低沸点の溶媒を添加することはできるが、少なくとも樹脂の融点における蒸気圧が0.2MPa−G以下が望ましい。電解液を注入する場合、電解液を凹部13に注液後、減圧や加熱や加圧を単独又は組み合わせることによって、電解質を電極5、6の細部にまで含浸させることができる。
この場合、携帯電話は、主電源の電池を装着すると同時に電気二重層キャパシタ1を充電しておき、電池交換時や主電源の電圧が低下した場合に、電気二重層キャパシタ1に蓄積された電荷を放電してメモリに電力を供給したり、クロック等の機能を保持する。
さらに、エネルギーハーベスティングを用いた発電エネルギーの蓄電素子、無線センサーネットワーク、RFIDタグ、デジタル家電のRFリモコン等の電源、蓄電素子、非接触ICカード、多機能ICカードの電源、蓄電素子、瞬断時のCPUやDRAMのバックアップ、フラッシュメモリへのデータ退避用電源、蓄電素子などにも応用し、使用することができる。
図3は、封口板3に集電体181b、182b、遮断層50bを形成する方法を説明するための図である。
まず、図3(a)に示すように、コバールを材料とする長方形の板をプレス加工することで貯留部310を備えた封口板3を形成する。そして、凹み側の全面にニッケルメッキを施して金属層15を形成する。
次に図3(d)に示すように、ブロック層50bの上面に、集電体182bとなる2層目の導電ペーストを所定量だけ供給する。
さらに図3(e)に示すように、2層目の導電ペーストの上面に電極5を置く。
その後、例えば、フェノール樹脂の場合150[℃]程度の温度で加熱処理をすることで2層の導電ペーストが固化し、間にブロック層50bを挟んだ集電体181b、182bとなり、電極5が貯留部310の中央部に強固に固定され、電極5が集電体181b、ブロック層50b、集電体182bで固定された封口板3側の部品が完成する。
但し、電極5に予め電解質を含浸させておくのではなく、封口板3をろう付けするために凹状容器2にセットする段階で含浸するようにしてもよい。すなわち、凹状容器2の電極6に電解質を含浸させる際に、電極6とセパレータ7の含浸量分だけでなく、電極5用の電解質分を含めて凹部13に注入(電解質が凹部と電極6間に満たされた状態)しておく。そして、封口板3側の部品を凹状容器2にセットすることで、電解質が毛細管現象により電極5に含浸するようにしてもよい。
さらに、複数プレス成形した貯留部310に金属層15を形成した後に切断してもよい。ここで、切断した部品に、バリを押し潰すための追加のプレス加工を施すようにしてもよい。
また、複数プレス成形した貯留部310に金属層15を形成し、各貯留部310に2層の導電ペーストの供給とブロック層50bの配置、及び電極5を配置して加熱処理をした後に、各個別の封口板3に切断するようにしてもよい。
まず、図4(a)に示したように、接合金属層8、金属層9、貫通電極21、22、金属層11、端子10、12が形成された凹状容器2を用意する。
そして、貯留部17に集電体181aとなる導電ペーストを供給する。導電ペーストの供給量は、貯留部17の底面の全てを満たし、メニスカス19aが形成される程度に設定されている。
図4(c)は、凹状容器2に導電ペーストを供給したところを上方から見た図である。
凹状容器2の中央に集電体181aとなる導電ペーストが貯留されている。
次に図5(b)に示すように、ブロック層50aの上面に、集電体182aとなる2層目の導電ペーストを所定量だけ供給する。
さらに図5(c)に示すように、2層目の導電ペーストの上面に電極6を置く。
その後、フェノール樹脂の場合150[℃]程度の温度で加熱処理をすることで2層の導電ペーストが固化し、間にブロック層50aを挟んだ集電体181a、182aとなり、電極6が貯留部17の中央底部部に強固に固定され、電極6が集電体181a、ブロック層50a、集電体182aで固定された凹状容器2の部品が完成する。
なお、2層の導電ペーストを加熱固化するための加熱処理は、凹状容器2と封口板3とを合わせて行うようにしてもよい。
そして、図6(b)に示すように、図3で説明した封口板3側の部品を、電極5が凹部13側となるようにして、凹部13の開口部に載せ、封口板3側の金属層15と凹状容器2側の接合金属層8とをろう付けすることで、電気二重層キャパシタ1が完成する。
そのため、導電ペーストを塗布する際は、上述したように設定した所定の厚さで均一な厚みに塗布することが重要である。塗布後、加熱することで、ペーストに含まれる硬化成分の主剤と固化の促進剤が化学反応によって、重合し、カーボン同士が接触することで電子導電性のネットワークを有する集電体181a、182a、181b、182bが形成される。
このようなす穴や孔が導電ペーストに形成された場合であっても、本実施形態では、2層の導電ペースト層の間にブロック層50a、50bが形成されているので、電解質が金属導11、15と接触することがない。
さらに、切断前の各凹状容器2側の部品の各々にセパレーター7を配置すると共に電解質を含浸させ、その上に切断前の封口板3側の部品をかぶせ、封口板3側の金属層15と凹状容器2側の接合金属層8とをろう付けすることで、複数の電気二重層キャパシタ1の連続対を形成した後、個々の電気二重層キャパシタ1に切断するようにしてもよい。
以下、凹状容器2側の各変形例について図7を参照し、封口板3側の各変形例について図8、図9を参照して説明するが、説明した実施形態の例を含め、凹状容器2の何れか1つの形態と、封口板3の何れか1つの形態とを組み合わせることで電気二重層キャパシタ1を構成することができる。
図7(a)に示した変形例では、凹部13に段部(貯留部17)を作らずに、凹部13の下部全体を貯留部とした例である。
この変形例では、貯留部17のための段部が不要になり、凹部13の一番底の面積を大きくすることができるため、電極6を大きくすることができる。また、説明した実施形態と同じサイズの電極6を用いる場合には、相対的に電気二重層キャパシタ1を小型化することができる。
この図7(a)に示した凹状容器2に対しても、集電体を集電体181aと集電体182aの2層とし、両層の間にブロック層50aを配置することで、電解質を遮断している。
この場合、凹状容器2の底面とブロック層50aとの間に挟まれた導電ペーストは、図1で説明したように、その周縁にメニスカス191aが形成されることで、導電ペーストの広がり過ぎを防止することができる。導電ペーストの広がり過ぎが回避されるため、導電ペーストの粘度を他の場合にくらべて高くする必要がなくなり、他の部分と同じ粘度の導電ペーストを使用することが可能になる。
図7(c)は、電気二重層キャパシタ1の側面断面図である。第1の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
凹部13の底面には、当該底面を二分する突起部33が形成されている。そして、凹部13の底面には、突起部33によって、固化する前の導電ペーストを貯留する溜め部である2つの貯留部17a、17bが形成されている。
貯留部17a、17bにおいて、ブロック層50a、50bを挟んで固化した導電ペーストがそれぞれ、集電体181a、182a、181b、182bとなる。なお、使用する導電ペースト、ブロック層50a、50bは、第1の実施の形態と同様である。
貯留部17a、17bの底面には、それぞれ、金属層11a、11bが形成されている。金属層11a、11bの製法は、上述した実施形態における金属層11と同様である。
貯留部17a、17bは、それぞれ、凹状容器2の底部に形成された貫通電極21、22によって、端子10、12に電気的に接続している。貫通電極21、22は、中間電極28によって確実に接合する。
なお、金属層11a、11bは、必要最小限の面積に形成されているが、貯留部17a、17bの底面全体に形成してもよい。
図7(c)の変形例では、電極5、6が対称的に形成されているため、何れを正極としてもよい。
また、電極5、6は、突起部33の上部で対面しており、電極5、6の間には短絡を防止するセパレータ7が配置されている。セパレータ7の材質は第1の実施の形態と同様である。なお、個体の電解質を用いる場合、セパレータ7は不要となる。
含浸部材は、ガラス材や樹脂ウィックなどからスポンジ状に形成されており、弾性及び補液性を有している。この含浸部材の補液性により、失われた電解液を補い、充当する効果が得られる。
含浸部材は、電極5、6、及びセパレータ7に押圧されている。これによって、含浸部材は、電極5、6が電解質に接した状態で、電極5、6、及びセパレータ7を保持することができる。
なお、例えば、封口板3をアルミニウムで形成し、熱酸化処理によって、下側の面にアルミナによる絶縁層を形成したものを用いてもよい。これにより、衝撃などにより、電極5、6が封口板3の下側の面に接した場合でも短絡を防ぐことができる。
凹状容器2は、第1の実施の形態と同様にグリーンシートによるシート材41〜45を積層して形成されている。
シート材41、42には、貫通電極21、22を形成する貫通孔が形成されており、シート材43〜45には、凹部13に対応する開口部が形成されている。シート材43には、突起部33となる部分が抜かれずに残っている。
また、図8及び図9(後述)の各封口板3は、凹状容器2にろう付けされる面(外周部分の金属層15の面)と、電極5の集電体18bと反対側の面(開放面)との間隔が異なるため、各変形例における当該間隔に合わせて、使用する凹状容器2(実施例及び各変形例における凹状容器2)における凹部13の深さを調整する。
この変形例によれば、電気二重層キャパシタ1の封口板3側の外面を平面状にすることができる。凹部による貯留部310の形成により、実施形態と同様に、メニスカス192bによるブロック層50bの位置決め等の効果を得ることができる。
また、この変形例の場合も図7(b)の場合と同様に、粘性の高い導電ペーストを高くすることなく、メニスカス192bにより導電ペーストの広がり過ぎを回避することができる。
なお、この変形例では、凹部の深さよりも導電ペーストの厚さが大きいため、導電ペーストの周面は、凹状のメニスカス191bではなく、表面張力により凸型の湾曲面が形成される。この凸型の湾曲面は、ブロック層50bと電極5を固着する導電ペースト(集電体182b)の場合も同様である。
なお、貯留部310の深さを図8(d)の変形例よりも更に深くすることで、電極5全体が貯留部310内に収容されるようにしてもよい。
図8(d)の変形例及び更にその変形例によれば、凹状容器2の厚さを薄くすることができ、シート材41〜を重ねる枚数を減らすことで製造効率を上げることができる。
この変形例によれば、1段目の凹みと2段目の凹みにより形成される段差部分がバネとして作用し、内部圧力の増加を吸収する等、この後図9で説明する変形例と同様の効果を得ることができる。
この封口板3に対する変形例においても、説明した実施形態と同様に、封口板3と電極5とを、ブロック層50bを挟んだ集電体181b、182bにより固着している。そして実施形態と同様に、集電体181b、182bに形成されてしまう、す穴や孔を電解質が通過するのをブロック層50bにより遮断している。
外周平板部3aは凹状容器2にろう付けされる外周部である。
中央平板部3cは、ブロック層50bを挟んだ2層の集電体181b、182bと電極5とが配設される平板部であり、電極5の形状に対応して4隅にRが形成された長方形に構成されている。
環状溝部3bは、この外周平板部3aと連続して形成された4隅にRが形成された長方形上の環状溝であり、この環状溝部3bに連続して中央平板部3cが形成されている。環状溝部3bは、板材全体が湾曲し、一方の面が凹むことで環状の溝が形成され、反対側の面が凸面を形成することで、側断面が蛇腹形状に形成されている。
そして、溝側を構成する両側面の長さ(深さ)は、外側よりも内側の方が長く形成されることで、外周平板部3aと中央平板部3cとは同一平面ではなく異なる平面に位置するようになっている。
なお、外周平板部3a、中央平板部3cが同一平面上に位置するように環状溝部3bの溝を構成する両側面の深さ(長さ)を均しくするようにしてもよく、また、内側よりも外側のほうが長くなるように構成するようにしてもよい。
本変形例における封口板3は、原材料(後述する)となる板材をプレス加工することにより形成される。
なお、図9(a)の例では、1層目の導電ペーストの外周面は環状溝部3bの内側の側面との表面張力によりメニスカス192bが形成される場合について表示しているが、図8(d)に示した変形例と同様に、外周面は環状溝部3bの内側の側面全体に(図9(a)の例よりも、より上部(図面下側)まで)導電ペーストを塗布するようにしてもよい。
このように、環状溝部3bによるバネ構造の採用により、電解質に低沸点溶媒を使用することや、高耐圧の電気二重層キャパシタ1を製造することが可能になる。
また、電解質の耐電圧以上の電圧を印加すると、電極5、6に含浸している電解質の分解によって気泡が生じ、その気泡によって電極5、6が膨れる可能性がある。特に、電気二重層キャパシタ1の耐圧を2.6Vから3.3Vにすると電極5、6が膨張する可能性が高くなっていた。
更に、電極の構成要素に用いるバインダーの種類やその配合量、さらに、導電性付与材の選択によって、電極に電解液が含浸することで、膨張するような膨張性の電極を用いた場合では、電極の膨張が過度な膨張をする可能性もある。
このような問題に対して、本変形例における環状溝部3bによるバネ構造を採用した封口板3を使用することにより、電気二重層キャパシタ1内の圧力増加を吸収すると共に、膨張しようとする電極5、6を押さえつけることによって、低沸点溶媒を電解質に使用することができ、また耐圧を上げることが可能になる。また、電極5、6が膨張することによる、歩留まりが高い製品を製造できる。
スプロンはコバルト−ニッケル合金、ハステロイはニッケル基にモリブデンやクロムを多く加えることで耐食性や耐熱性を高めた合金(50Ni−Mo−Cr−Fe)、エルジロイはコバルト,クロム,鉄,ニッケルを含む合金、インコネルはニッケルをベースとし、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等の合金(72Ni−15Cr−Fe他)、である。
オーステナイト系のステンレスは、接合金属層8に直接ろう付けすることも可能であるが、直接ろう付けした場合の接着強度は金属層15とのろう付けの接着強度よりも低くなる。このため、オーステナイト系のステンレスを封口板3に使用した場合においても、金属層15をメッキすることが好ましい。
そして、オーステナイト系のステンレスで形成した封口板3に金属層15を配設することで、ろう付け強度が高まると共に、ブロック層50bにより電解質が金属層15に接触することが防止される。
図10(a)に示す変形例では、貫通電極21、22を有さず、凹状容器2の側面に形成した配線によって電極5、6を端子10、12に接続している。他の構成は、先に説明した実施形態と同様である。
金属層11は、貯留部17の底面からシート材42の表面に沿って凹状容器2の外部に貫通し、凹状容器2の側面を経て、凹状容器2の底面に形成された端子12に電気的に接続している。
凹状容器2の側面では、シート材41〜44の上面に補助電極が設けてあり、側面での電気的接続がより確実となるようにしている。このように、貫通電極を用いない方式で凹状容器2を構成することもできる。
また、導電ペーストの注入後、減圧することにより、貫通電極61の位置にペーストと一緒に巻き込んだ気泡を脱泡することができる。
集電体181aと貫通電極61は、一体形成されるため、電極6は、集電体182a、ブロック層50a、集電体181a、貫通電極61、金属層11を経由して端子12に電気的に接続する。
また、この例では、接合金属層8と端子10は、貫通電極21により電気的に接続している。
なお、図10(b)の変形例において、集電体181aと金属層11との電気的接続を貫通電極61で行うとともに、接合金属層8と端子10を貫通電極21ではなく、図10(a)と同様に金属層9で電気的に接続してもよい。
すなわち、説明した実施形態の封口板(図3)、凹状容器2(図4、5)では、凹状容器2、封口板3に、集電体181a、181bとなる1層目の導電ペースト、ブロック層50a、50b、集電体182a、182bとなる2層目の導電ペースト、電極5、6の順番に配設する場合について説明した。
これに対して、ブロック層50a、50b、集電体182a、182b、及び電極5、6からなるプレアセンブルユニットを予め形成しておき、このプレアセンブルユニットを1層目の導電ペーストにより凹状容器2、封口板3に固着するようにしてもよい。
最初に図11(a)に示すように、切断前のアルミ板(箔)51a、51bを静置する。
なお、アルミ板は切断前のものであるが、プレアセンブルユニット600、500完成時の部材に対応する符号を付している(以下同じ)。また、凹状容器2用のプレアセンブルユニット600も、封口板3用のプレアセンブルユニット500も製造の工程は同じなので、両者の符号を並記することで纏めて説明する。
このブロック層50a、50bをプレコートする方法としては、スピンコート法、ドクターブレード法、リバースロール法、ダイレクトロール法、ディップ法、スクイーズ法、エクストルージョン法、カーテン法、バー法、ナイフ法等々の方法を例としてあげられるが、それらに限定するものではない。
次に図11(d)に示すように、導電ペースト上に、活性炭を主成分とし電極6、5となる電極活物質を塗り、その後全体を150[℃]程度の温度で加熱処理をすることで導電ペーストを固化させて、ブロック層50a、50bと電極6、5とを固着させることで、プレアセンブルユニット群とする。
また、封口板3上に塗布した1層目の導電ペースト(図3(b)参照)の上に、プレアセンブルユニット500をブロック層50bが下になるように配置する。
その後、プレアセンブルユニット600、500を配置した凹状容器2、封口板3の加熱処理により1層目の導電ペーストを固化し、固化後の集電体181b、181aにより、プレアセンブルユニット600、500を凹状容器2、封口板3に固着させる。
このように、本変形例で説明したように一括したプレアセンブルユニット群を形成し、打ち抜きにより複数のプレアセンブルユニット600、500を形成しているので、効率的に製造することができる。
また、凹状容器2や封口板3上に、導電ペーストなどを何層も積み重ねるのではなく、1層目の導電ペースト上にプレアセンブルユニット600、500を配置するだけでよいので製造工程を少なくすることができる。
図12(a)は、集電体181a、182a、181b、182bについての変形例を表したものである。
説明した実施形態や変形例では、1層目の集電体181a、181bと、2層目の集電体182a、182bとが、ブロック層50a、50bによって完全に分離した状態(互いに接触していない状態)である。
これに対し図12(a)に示した本変形例では、1層目の集電体181a、181bと、2層目の集電体182a、182bとが、ブロック層50a、50bの外周側の全周が、又は少なくとも一部が繋がっている状態(連続している状態)である。これにより、集電体が繋がっている部分ではブロック層50a、50bが埋没した状態になっている。
また、1層目の集電体181a、181bと、2層目の集電体182a、182bとなる導電ペーストは、それぞれ別々に塗布されるため、最初の塗布により発生した連通孔やす穴の表面は、次の塗布によって塞がれる場合が多い。
更に、一層目の集電体181a、181bを導電ペースから加熱固化したのちに、2層目の導電ペーストを塗布することで、より確実にす穴等の表面を塞ぐことができる。
また、図11で説明したように、予め形成したブロック層50a、50b、集電体182a、182b、及び電極5、6からなるプレアセンブルユニットを、凹状容器2、封口板3に塗布し1層目の導電ペースト上に配設する際に、ブロック層50a、50bの外周全体又は少なくとも一部において、集電体181a、181bと集電体182a、182bとが連続するようにしてもよい。この場合においてもプレアセンブルユニットの集電体182a、182bは既に加熱固化しているため、外周面にす穴等が形成されていたとしても、集電体181a、181bとなる一層目の導電ペーストにより塞がれることになる。
従って、図12(a)に示されるように、層目の集電体181a、181bと、2層目の集電体182a、182bとが、ブロック層50a、50bの外周側で繋がっている(連続している)状態であっても、ブロック層50a、50bが存在しない場合に比べて、電極6、5から金属層11、15に電解液が到達する量を十分に少なくすることが可能である。
この変形例では、図12(b)に示されるように、ブロック層50a、50bの外周側端部が立設することで、電極6、5の側壁と対向する、立設端部500a、500bが形成されている。立設端部500a、500bの高さは電極6、5の面(ブロック層50a、50bと反対側の面)と同一の高さ以下の高さに形成される。
また、立設端部500a、500bは、電極6、5の全周にわたって対向するように形成されることが好ましいが、一部だけ(例えば、電極6、5の周面4つの内の対向する2面や、何れか1面、各面の一部等)において対向するように形成してもよい。
電極6、5の側壁とブロック層50a、50bの立設端部500a、500bとは、その間に塗布された導電ペーストが高温加熱されることで、導電体182a、182bにより固着されている。
この変形例によれば、電極6、5は凹状容器2、封口板3と対向する側の面だけでなく、側面においても集電体182a、182bと接することで集電面積が大きくなっているため、接触抵抗を小さくすることが可能になる。
この場合の、凹状容器2の内側側面部としては、図1における貯留部17の内側側壁部や、図7(a)に示した貯留部17が形成されていない場合には凹部13の内側側壁部が該当する。また、図7(c)に示した変形例の場合には、凹部13の内側側壁部だけでなく、セパレータ7の両側面間に集電体181a、181bが配設されるようにしてもよい。
一方、封口板3の内側側面部としては、図1(c)、図8(a)、(d)、(e)、図9(a)に示す貯留部310の内側側壁面(凹部を形成する斜面部)が該当する。
この場合のブロック層は、1回以上折り曲げることで、折曲げ部で連続した複数枚のブロック層としてもよい。例えば、4回を折り曲げた5層のブロック層を使用するようにしてもよい。
このように折り曲げたブロック層50a、50bを使用することで、バネ性(クッション性)を持たせることができる。
例えば、負極に、金属リチウムによって活性化された酸化ケイ素(50wt%)と導電助剤(40wt%)とポリアクリル酸系の結着剤(20wt%)で構成された電極シートを用い、正極に、リチウム−マンガン−酸素の元素がスピネル型の結晶構造を有する活物質(85wt%)と導電助剤(10wt%)とPTFE系の結着剤(5wt%)で構成された電極シートを用い、ガラス繊維で出来たセパレーターと、1MのLiN(SO2CF3)2をPC(プロピレンカーボネート)または、EC(エチレンカーボネート)に溶解して電解液で構成される電池が可能である。ここで、正極と負極の大きさは、長さ1mm×幅1.5mm×厚み0.2mmとすることができる。
更に、上述の正極活物質以外にも、LiFePO4、Li4Ti5O12、Li4Mn5O12、LiCoO2など用いることもできる。また、負極の活物質として、Li−Si−O、Li−ALなどを用いることもできる。
加えて、PCにLiBF4を1M溶解した電解液などを用いることで、リチウムイオン電池を構成することができる。この時、各活物資に、導電助剤や結着剤を併用できる。
一方、負極のブロック層50bには、活物質に応じた材料が使用される。すなわち、電解質や負極側活物質の双方と反応しない材料として、例えば、イオンキャパシタではALを、負極活物質がLiC6の電池ではCuが、負極活物質がLiSiOxの電池ではSUS、またはCuが、負極活物質がLi4Ti5O12の電池ではAL、SUS、Cuが使用される。
2 凹状容器
3 封口板
3a 外周平板部
3b 環状溝部
3c 中央平板部
310 貯留部
5 電極
6 電極
7 セパレータ
8 接合金属層
9 金属層
10 端子
11 金属層
12 端子
13 凹部
15 金属層
17 貯留部
181a、181b、182a、182b 集電体
50a、50b ブロック層
51a、51b アルミ層
52a、52b カーボン層
191a、191b、192a、192b メニスカス
21、22 貫通電極
28 中間電極
41〜45 シート材
61 貫通電極
Claims (6)
- 凹状容器と封口板とから構成され、空洞部を有する容器と、
前記空洞部内における前記凹状容器の底に形成された第1の金属層と、
前記空洞部内に配設された第1の電極と、
前記第1の電極を前記第1の金属層に電気的に接続すると共に、前記第1の電極を前記凹状容器の内側底面に配設する第1集電体と、
前記封口板の前記空洞部側に形成された第2の金属層と、
前記第1の電極と所定距離をおいて前記空洞部内に配設された第2の電極と、
前記第2の電極を前記第2の金属層に電気的に接続すると共に、前記第2の電極を前記封口板に配設する第2集電体と、
前記第1の電極、及び第2の電極に含浸した電解質と、を備え、
前記第1集電体及び前記第2集電体の少なくとも一方は、炭素を導電材とする樹脂によって形成された、1層目の集電体と2層目集電体と、前記1層目の集電体と2層目の集電体に挟まれた、導電性、前記電解質を遮断する遮断性、前記電解質に対する電気化学的な耐性を有するブロック層とから構成されている、
ことを特徴とする電子部品。 - 前記ブロック層は、アルミニウム層と、前記第1の電極側の面に形成されたカーボン層とから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電子部品。
- 前記封口板は、内側の底面に第2の凹部が形成され、
前記第2の金属層及び前記第2集電体は、前記第2の凹部に形成されていることを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の電子部品。 - 前記封口板は、前記凹状容器に接続される外周平板部と、中央平板部と、前記外周平板部の内周と前記中央平板部の外周を連続的に接続する環状溝部から構成され、
前記第2の金属層と前記第2集電体及び前記第2の電極は、前記中央平板部に配設されている、ことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の電子部品。 - 前記第2の金属層と前記第2集電体及び前記第2の電極は、前記環状溝部と前記中央平板部とで形成される凹み内に配設されている、ことを特徴とする請求項4に記載の電子部品。
- 請求項1から請求項5までのうちの何れか1つの請求項に記載の電子部品と、
前記電子部品に蓄電する蓄電手段と、
所定の機能を発揮する他の電子部品と、
前記蓄電した電荷を用いて前記他の電子部品に電力を供給する電力供給手段と、
を具備したことを特徴とする電子装置。
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