JP2015103737A - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は表面実装可能な電気化学セルに関するものである。 The present invention relates to a surface mountable electrochemical cell.
電気二重層キャパシタや電池等の電気化学セルは、時計や半導体メモリのバックアップ用電源としてプリント基板上に実装されている。これらの実装機器の小型化に伴い、電気化学セル自体の小型化や実装面積の縮小化に対応すべく、従前の丸形状であるコイン型やボタン型の電気化学セルに代わって、四角形状であるチップ型の電気化学セルが提供されている。
チップ型の電気化学セルは、ケースに凹状容器が用いられている。この凹状容器の凹部（収容部）には正極及び負極からなる一対の電極、両電極の間に設けたセパレータ及び電解質が収容されている。また凹状容器の上面にシールリングを設け、その上に板状の蓋を被せることにより、容器として形成されている。
Electrochemical cells such as electric double layer capacitors and batteries are mounted on a printed circuit board as a backup power source for watches and semiconductor memories. Along with the miniaturization of these mounting devices, in order to cope with the miniaturization of the electrochemical cell itself and the reduction of the mounting area, instead of the conventional round coin-shaped or button-shaped electrochemical cell, it has a rectangular shape. A chip-type electrochemical cell is provided.
In the chip-type electrochemical cell, a concave container is used for the case. A concave portion (accommodating portion) of the concave container accommodates a pair of electrodes composed of a positive electrode and a negative electrode, a separator provided between both electrodes, and an electrolyte. In addition, a seal ring is provided on the upper surface of the concave container, and a plate-like lid is placed thereon, thereby forming a container.
特許文献１には、小型化及び高容量を実現した電気化学セルが開示されている。凹状容器の収容部の底面に設けられた正極集電体は、電解質と直接接触した状態で使用すると表面が腐食し断線が生じる。そのためこの電気化学セルでは、正極集電体をアルミニウム等からなる保護膜で覆うことで信頼性の向上を実現している。 Patent Document 1 discloses an electrochemical cell that achieves miniaturization and high capacity. When the positive electrode current collector provided on the bottom surface of the housing portion of the concave container is used in a state of being in direct contact with the electrolyte, the surface is corroded and disconnection occurs. Therefore, in this electrochemical cell, reliability improvement is realized by covering the positive electrode current collector with a protective film made of aluminum or the like.
近年、上記電気化学セルの小型化の要請があるものの、電気化学セルを小型化しようとした場合、全体の厚さを薄くする必要が生じている。
そこで全体を薄くしようとして、凹状容器の収容部の高さを低くした場合、正極の上端付近と負の電位を持つシールリングの側面部とが近接することになる。このため、蓋部のシールリングへの溶接時や、基板固定の際のリフロー加熱時に、凹状容器や正極の熱変形が起こり内部の相対的な位置関係に変化が生じた場合、正極とシールリングとの接触により、内部ショートが発生することがある。また、正極を凹状容器の収容部に設置する際の製造プロセスにおいて正極の接着位置が凹状容器の中心から偏った場合、正極とシールリングとの接触により、内部ショートが発生することがある。
In recent years, there has been a demand for miniaturization of the electrochemical cell, but when the electrochemical cell is to be miniaturized, it is necessary to reduce the overall thickness.
Therefore, when the height of the housing portion of the concave container is lowered in an attempt to make the whole thinner, the vicinity of the upper end of the positive electrode and the side surface portion of the seal ring having a negative potential come close to each other. For this reason, if the concave container or the positive electrode undergoes thermal deformation during welding to the seal ring of the lid or reflow heating when fixing the substrate, the internal relative positional relationship will change. May cause an internal short circuit. In addition, in the manufacturing process when the positive electrode is installed in the container of the concave container, when the adhesion position of the positive electrode is deviated from the center of the concave container, an internal short circuit may occur due to contact between the positive electrode and the seal ring.
そこで、本発明は上記の問題点を解決すべく、容器の小型化、薄型化を図っても、内部ショートが発生しない信頼性の高い電気化学セルの提供を目的とする。 Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention aims to provide a highly reliable electrochemical cell that does not cause an internal short circuit even if the container is reduced in size and thickness.
（第１の発明）
本発明のうち第１の発明は、内部を収容部2aとし、絶縁性を有する凹状容器2と、凹状容器2の上端面に接合されたシールリング3と、シールリング3の上面に接合され、かつ、シールリング3の上面を塞ぐ蓋部4とから形成され、凹状容器2は、四角板状の底部2bと、底部2bの外縁に立設した四角枠状の壁部2cとから構成されており、底部2bと壁部2cとから形成された凹状容器2の凹部（収容部2a）の内部には、正極8が収容されており、壁部2cの高さが、０．３ｍｍ以下である場合において、正極8とシールリング3との距離をＤとしたときに、Ｄ≧６０μｍを満たすように凹状容器2とシールリング3と正極8とを配置したことを特徴とする。
(First invention)
The first invention of the present invention has a housing portion 2a inside, a concave container 2 having insulation, a seal ring 3 joined to the upper end surface of the concave container 2, and a top surface of the seal ring 3, The concave container 2 is composed of a square plate-like bottom 2b and a square frame-like wall 2c standing on the outer edge of the bottom 2b. The positive electrode 8 is accommodated in the concave portion (accommodating portion 2a) of the concave container 2 formed by the bottom portion 2b and the wall portion 2c, and the height of the wall portion 2c is 0.3 mm or less. In this case, when the distance between the positive electrode 8 and the seal ring 3 is D, the concave container 2, the seal ring 3 and the positive electrode 8 are arranged so as to satisfy D ≧ 60 μm.
本発明では、凹状容器2の壁部2cの高さが、０．３ｍｍ以下である超小型のチップ型の電気化学セルにおいて、正極8とシールリング3との間隔を距離で規定したものである。すなわち、正極8とシールリング3との距離をＤとしたときに、Ｄ≧６０μｍの関係が成り立つように凹状容器2とシールリング3と正極8とを配置する。これにより、蓋部4のシールリング3への溶接時や、基板固定の際のリフロー加熱時に、各部に熱膨張による変形が生じたとしても、負の電位を有するシールリング3と、正極8との接触を避けることができる。このため、内部ショートの発生を抑えることができる。さらに、正極8を凹状容器2の収容部2aに設置する際の製造プロセスにおいて、正極8の接着位置が凹状容器2の中心から偏った場合であっても、内部ショートの発生を抑えることができる。 In the present invention, the distance between the positive electrode 8 and the seal ring 3 is defined by a distance in an ultra-small chip-type electrochemical cell in which the height of the wall 2c of the concave container 2 is 0.3 mm or less. . That is, when the distance between the positive electrode 8 and the seal ring 3 is D, the concave container 2, the seal ring 3, and the positive electrode 8 are arranged so that a relationship of D ≧ 60 μm is established. Thus, even when the lid 4 is welded to the seal ring 3 or when reflow heating is performed when fixing the substrate, even if deformation occurs due to thermal expansion in each part, the seal ring 3 having a negative potential and the positive electrode 8 Can avoid contact. For this reason, generation | occurrence | production of an internal short can be suppressed. Furthermore, in the manufacturing process when the positive electrode 8 is installed in the accommodating portion 2a of the concave container 2, even when the bonding position of the positive electrode 8 is deviated from the center of the concave container 2, the occurrence of an internal short circuit can be suppressed. .
（第２の発明）
本発明のうち第２の発明は、内部を収容部2aとし、絶縁性を有する凹状容器2と、凹状容器2の上端面に接合されたシールリング3と、シールリング3の上面に接合され、かつ、シールリング3の上面を塞ぐ蓋部4とから形成され、凹状容器2は、四角板状の底部2bと、底部2bの外縁に立設した四角枠状の壁部2cとから構成されており、底部2bと壁部2cとから形成された凹状容器2の凹部（収容部2a）の内部には、正極8が収容されており、壁部2cの高さが、０．３ｍｍ以下である場合において、正極8とシールリング3との距離をＡ、壁部2cの高さをＢとしたときに、Ａ／Ｂ≧２０％を満たすように凹状容器2とシールリング3と正極8とを配置したことを特徴とする。
(Second invention)
Among the present inventions, the second invention is a concave container 2 having insulation inside, a seal ring 3 joined to the upper end surface of the concave container 2, and an upper surface of the seal ring 3, The concave container 2 is composed of a square plate-like bottom 2b and a square frame-like wall 2c standing on the outer edge of the bottom 2b. The positive electrode 8 is accommodated in the concave portion (accommodating portion 2a) of the concave container 2 formed by the bottom portion 2b and the wall portion 2c, and the height of the wall portion 2c is 0.3 mm or less. In this case, when the distance between the positive electrode 8 and the seal ring 3 is A and the height of the wall 2c is B, the concave container 2, the seal ring 3 and the positive electrode 8 are set so as to satisfy A / B ≧ 20%. It is arranged.
本発明では、凹状容器2の壁部2cの高さが、０．３ｍｍ以下である超小型のチップ型の電気化学セルにおいて、正極8とシールリング3との間隔を壁部2cの高さに対する比率で規定したものである。すなわち、正極8とシールリング3との距離をＡ、壁部2cの高さをＢとしたときに、Ａ／Ｂ≧２０％の関係が成り立つように凹状容器2とシールリング3と正極8とを配置する。これにより、蓋部4のシールリング3への溶接時や、基板固定の際のリフロー加熱時に、各部に熱膨張による変形が生じたとしても、負の電位を有するシールリング3と、正極8との接触を避けることができるため、内部ショートの発生を抑えることができる。さらに、正極8を凹状容器2の収容部2aに設置する際の製造プロセスにおいて、正極8の接着位置が凹状容器2の中心から偏った場合であっても、内部ショートの発生を抑えることができる。 In the present invention, in the ultra-small chip-type electrochemical cell in which the height of the wall portion 2c of the concave container 2 is 0.3 mm or less, the interval between the positive electrode 8 and the seal ring 3 is set to the height of the wall portion 2c. It is specified by the ratio. That is, when the distance between the positive electrode 8 and the seal ring 3 is A and the height of the wall 2c is B, the concave container 2, the seal ring 3, and the positive electrode 8 are set so that the relationship of A / B ≧ 20% is established. Place. Thus, even when the lid 4 is welded to the seal ring 3 or when reflow heating is performed when fixing the substrate, even if deformation occurs due to thermal expansion in each part, the seal ring 3 having a negative potential and the positive electrode 8 Therefore, the occurrence of an internal short circuit can be suppressed. Furthermore, in the manufacturing process when the positive electrode 8 is installed in the accommodating portion 2a of the concave container 2, even when the bonding position of the positive electrode 8 is deviated from the center of the concave container 2, the occurrence of an internal short circuit can be suppressed. .
（第３の発明）
本発明のうち第３の発明は、上記第１又は第２の発明の特徴点に加え、次の点を特徴とする。すなわち、収容部2aの底部2b及び壁部2cに接する部分に絶縁性を有する突出部2dを形成し、壁部2cに段差を設けると共に、収容部2aの底部2bのうち突出部2dに囲まれた底面上に正極8を配置したことを特徴とする。
本発明よれば、底部2bと壁部2cとが接する収容部2aの角部に、突出部2dが形成されている。これにより、正極8を収容部2aの底面に接着する際の製造プロセスにおいて、正極8の接着位置が収容部2aの底面の中心から偏ったとしても、突出部2dによって、負の電位を有するシールリング3と、正極8との接触を避けることができるため、内部ショートの発生を抑えることができる。
(Third invention)
The third invention of the present invention is characterized by the following points in addition to the features of the first or second invention. That is, the insulating projection 2d is formed on the bottom 2b and the wall 2c of the housing 2a, and a step is provided on the wall 2c. The housing 2a is surrounded by the projection 2d of the bottom 2b. The positive electrode 8 is disposed on the bottom surface.
According to the present invention, the protruding portion 2d is formed at the corner of the accommodating portion 2a where the bottom portion 2b and the wall portion 2c are in contact. Thus, in the manufacturing process when bonding the positive electrode 8 to the bottom surface of the housing portion 2a, even if the bonding position of the positive electrode 8 is deviated from the center of the bottom surface of the housing portion 2a, the projecting portion 2d causes a seal having a negative potential. Since contact between the ring 3 and the positive electrode 8 can be avoided, the occurrence of an internal short circuit can be suppressed.
本発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明に係る電気化学セルによれば、負の電位を有するシールリングと正極との距離が一定以上に離れるように、凹状容器とシールリングと正極とを配置している。このため、電気化学セルの小型化に伴い凹状容器を薄くしたとしても、内部ショートが発生しないため、信頼性の高い電気化学セルを提供することができる。
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below.
According to the electrochemical cell of the present invention, the concave container, the seal ring, and the positive electrode are arranged so that the distance between the negatively-sealed seal ring and the positive electrode is more than a certain distance. For this reason, even if the concave container is made thinner with downsizing of the electrochemical cell, an internal short circuit does not occur, so that a highly reliable electrochemical cell can be provided.
（第１の実施形態）
本発明の電気化学セル1は、その外観が略立方形状である。図１に示すとおり、電気化学セル1は、内部に収容部2aを有する絶縁材料からなる有底四角筒状の凹状容器2と、凹状容器2の上端面に接合された四角枠状のシールリング3と、シールリング3の上面に接合され、かつ、シールリング3の上面を塞ぐ四角板状の蓋部4とから構成されている。
凹状容器2は、上方を開放した箱体状のセラミックからなる容器であって、長方形状の底部2bと、底部2bの外縁に立設した長方形枠状の壁部2cを有している。図２に示すとおり、凹状容器2の収容部2aの底面には正極8と電気的に接続される正極集電体6bが４箇所形成されている。また、図１に示すとおり、収容部2aの底面から底部2bの厚さの半分の深さまでビア配線6cが４箇所形成されている。そして、各ビア配線6cの上面が正極集電体6bとして収容部2aの底面に露出している。収容部2aの底面と底部2bの下面との中間部分には層間配線6dが形成されている。この層間配線6dは、一端はビア配線6cに接続され、他端は凹状容器2の側面に露出している。そして、この層間配線6dの露出部分から底部2bの下面にかけて正極外部端子6eが形成されている。さらに、正極外部端子6eのある凹状容器2の側面と反対側の側面の上端部から、壁部2cを経て底部2bの下面にかけて負極外部端子7bが形成されている。
(First embodiment)
The electrochemical cell 1 of the present invention has a substantially cubic appearance. As shown in FIG. 1, the electrochemical cell 1 includes a bottomed rectangular tube-like concave container 2 made of an insulating material having an accommodating portion 2 a inside, and a square frame-shaped seal ring joined to the upper end surface of the concave container 2. 3 and a quadrangular plate-like lid portion 4 that is joined to the upper surface of the seal ring 3 and closes the upper surface of the seal ring 3.
The concave container 2 is a container made of a box-shaped ceramic with the top opened, and has a rectangular bottom 2b and a rectangular frame-shaped wall 2c standing on the outer edge of the bottom 2b. As shown in FIG. 2, four positive electrode current collectors 6 b that are electrically connected to the positive electrode 8 are formed on the bottom surface of the accommodating portion 2 a of the concave container 2. In addition, as shown in FIG. 1, four via wirings 6c are formed from the bottom surface of the housing portion 2a to a depth half the thickness of the bottom portion 2b. The upper surface of each via wiring 6c is exposed as the positive electrode current collector 6b on the bottom surface of the housing portion 2a. Interlayer wiring 6d is formed at an intermediate portion between the bottom surface of the accommodating portion 2a and the bottom surface of the bottom portion 2b. The interlayer wiring 6d has one end connected to the via wiring 6c and the other end exposed at the side surface of the concave container 2. A positive external terminal 6e is formed from the exposed portion of the interlayer wiring 6d to the lower surface of the bottom 2b. Further, a negative electrode external terminal 7b is formed from the upper end portion of the side surface opposite to the side surface of the concave container 2 having the positive electrode external terminal 6e, through the wall portion 2c to the lower surface of the bottom portion 2b.
凹状容器2は、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化アルミ、ムライト及びこれらの複合材料からなる群から選ばれた少なくとも１種類を含むセラミックから構成されている。また、凹状容器2は、ガラスやガラスセラミックスなどの耐熱材料を用いることができる。一方、ビア配線6c、層間配線6d、正極外部端子6e及び負極外部端子7bは、タングステン、モリブデン、ニッケル、金及びこれらの複合材料から形成されている。
この凹状容器2は、長方形状に打ち抜かれた底部2bに対応するセラミックグリーンシートに、長方形枠状に打ち抜かれた壁部2cに対応するセラミックグリーンシートを貼り合せた後、焼成することにより形成される。この際、あらかじめセラミックグリーンシートに電極のパターンを印刷しておけば、ビア配線6c、層間配線6d、正極外部端子6e及び負極外部端子7bを形成することができる。また、ビア配線6cは、あらかじめ各ビアホールに炭素と樹脂を混合したペーストを充填し、凹状容器2となるセラミックグリーンシートと共に焼成することにより形成してもよい。
The concave container 2 is made of a ceramic containing at least one selected from the group consisting of alumina, silicon nitride, zirconia, silicon carbide, aluminum nitride, mullite, and composite materials thereof. The concave container 2 can be made of a heat resistant material such as glass or glass ceramics. On the other hand, the via wiring 6c, the interlayer wiring 6d, the positive external terminal 6e and the negative external terminal 7b are made of tungsten, molybdenum, nickel, gold and a composite material thereof.
The concave container 2 is formed by bonding a ceramic green sheet corresponding to the wall 2c punched into a rectangular frame shape to a ceramic green sheet corresponding to the bottom 2b punched into a rectangular shape, and then firing it. The At this time, if an electrode pattern is printed on the ceramic green sheet in advance, the via wiring 6c, the interlayer wiring 6d, the positive external terminal 6e, and the negative external terminal 7b can be formed. Further, the via wiring 6c may be formed by filling each via hole with a paste in which carbon and resin are mixed in advance and firing together with the ceramic green sheet to be the concave container 2.
シールリング3は、凹状容器2の壁部2cの上端面の形状に合わせた四角枠状の断面を有しており、壁部2cの上端面に接合されている。このシールリング3は、熱膨張係数がセラミックの熱膨張係数と近いコバールなどを用いることができる。
なお、壁部2cの上端面とシールリング3は、Ａｇ−Ｃｕ合金やＡｕ−Ｃｕ合金などのロウ材を介して接合してもよい。
蓋部4は、シールリング3の上面に接合されており、凹状容器2の収容部2aを密封している。蓋部4には、熱膨張係数がセラミックの熱膨張係数と近いコバールや４２ａｌｌｏｙなどの合金にニッケルメッキを施したものが使用される。このような材料を用いた蓋部4は、例えば、抵抗シーム溶接、レーザーシーム溶接、電子ビーム溶接などによってシールリング3に溶接させることができ、塞がれた状態の収容部2aの気密性を向上させる。なお、シールリング3を使用せず、壁部2cの上端面と蓋部4とをロウ材で直接接合させてもよい。
The seal ring 3 has a square frame-shaped cross section that matches the shape of the upper end surface of the wall 2c of the concave container 2, and is joined to the upper end surface of the wall 2c. The seal ring 3 may be made of Kovar having a thermal expansion coefficient close to that of ceramic.
The upper end surface of the wall 2c and the seal ring 3 may be joined via a brazing material such as an Ag—Cu alloy or an Au—Cu alloy.
The lid portion 4 is joined to the upper surface of the seal ring 3, and seals the accommodating portion 2a of the concave container 2. The lid 4 is made of a nickel-plated alloy such as Kovar or 42alloy whose thermal expansion coefficient is close to that of ceramic. The lid portion 4 using such a material can be welded to the seal ring 3 by, for example, resistance seam welding, laser seam welding, electron beam welding, etc., and the hermeticity of the closed accommodating portion 2a is improved. Improve. Instead of using the seal ring 3, the upper end surface of the wall 2c and the lid 4 may be directly joined with a brazing material.
本実施の形態の蓋部4は、導電性を有する材料であるため、蓋部4自体が負極集電体としての役割を果たしている。一方、蓋部4に耐熱樹脂、ガラス、セラミック又はセラミックガラス等の材料を使用した場合、蓋部4の下面に負極集電体を形成する必要がある。この負極集電体は、耐食性に優れかつ膜厚法での形成が可能なタングステン、銀や金を使用することが好ましい。
凹状容器2の収容部2aには、正極及び負極からなる一対の電極と電解質などが収容されている。具体的には、収容部2aは図１に示すように、正極集電体6bの上面とその周囲に形成された保護膜6aと、この保護膜6aに接合される正極8と、正極8の上に設置されるセパレータ10と、セパレータ10により正極8と隔離された負極9と、負極9と蓋部4との間位に設けられた接着部7aとから構成されている。また、収容部2a内は、電解質11で満たされている。
Since the lid portion 4 of the present embodiment is a conductive material, the lid portion 4 itself serves as a negative electrode current collector. On the other hand, when a material such as a heat-resistant resin, glass, ceramic, or ceramic glass is used for the lid 4, it is necessary to form a negative electrode current collector on the lower surface of the lid 4. The negative electrode current collector is preferably made of tungsten, silver or gold which has excellent corrosion resistance and can be formed by a film thickness method.
The accommodating portion 2a of the concave container 2 accommodates a pair of electrodes composed of a positive electrode and a negative electrode, an electrolyte, and the like. Specifically, as shown in FIG. 1, the housing portion 2 a includes an upper surface of the positive electrode current collector 6 b and a protective film 6 a formed around the upper surface, a positive electrode 8 bonded to the protective film 6 a, and a positive electrode 8. The separator 10 is disposed above, the negative electrode 9 separated from the positive electrode 8 by the separator 10, and the adhesive portion 7 a provided between the negative electrode 9 and the lid portion 4. In addition, the inside of the accommodating portion 2a is filled with the electrolyte 11.
保護膜6aは、正極集電体6bと正極8とを接着する導通性接着剤であるとともに、正極集電体6bと電解質11との直接の接触を防止することにより、充電や放電による正極集電体6bの腐食を抑制するために設けられている。保護膜6aは、耐腐食性が高く、導電性を有するアルミニウム又は炭素を主体とした材料から構成されている。アルミニウムからなる保護膜6aの場合、ＪＩＳにより規定された純アルミニウム系、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金などを用いた蒸着、スパッタ、容射、ペースト塗布などの方法で形成することができる。
また、蓋部4と負極9との間に設けられた接着部7aは、導通性接着剤から形成されており、この導通性接着剤については、保護膜6aに使用される導通性接着剤と同様のものを用いることができる。
The protective film 6a is a conductive adhesive that bonds the positive electrode current collector 6b and the positive electrode 8, and prevents positive contact with the positive electrode current collector 6b and the electrolyte 11, thereby preventing the positive electrode current collector by charging or discharging. It is provided to suppress corrosion of the electric body 6b. The protective film 6a is made of a material mainly composed of aluminum or carbon having high corrosion resistance and conductivity. In the case of the protective film 6a made of aluminum, vapor deposition, sputtering, spraying, paste coating, etc. using pure aluminum system, Al-Cu system alloy, Al-Mn system alloy, Al-Mg system alloy specified by JIS, etc. Can be formed by a method.
Further, the adhesive portion 7a provided between the lid portion 4 and the negative electrode 9 is formed of a conductive adhesive, and for this conductive adhesive, the conductive adhesive used for the protective film 6a and Similar ones can be used.
正極8と負極9は、電気化学セルを電気二重層キャパシタとして使用する場合には、それぞれおが屑、椰子殻、ピッチなどを賦活処理して得られる活性炭粉末を、適当なバインダーと一緒にプレス成型、又は圧延ロールしたものを用いることができる。また、フェノール系、レーヨン系、アクリル系、ピッチ系などの繊維を、不融化及び炭化賦活処理して活性炭又は活性炭繊維とし、これをフェルト状、繊維状、紙状、又は焼結体状にして用いてもよい。またポリアニリン（ＰＡＮ）やポリアセンなども用いてもよい。
また、正極8は、電気化学セルを電池として使用する場合には、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、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有チタン酸化物、三酸化モリブデン、五酸化ニオブなど、従来から知られている活物質に適当なバインダーと導電助剤であるグラファイトを混合したものを用いることができる。
When using the electrochemical cell as an electric double layer capacitor, the positive electrode 8 and the negative electrode 9 are obtained by press molding together with an appropriate binder, activated carbon powder obtained by activating sawdust, coconut shell, pitch, etc. Or what was rolled and rolled can be used. Also, phenol, rayon, acrylic, pitch, etc. fibers are infusibilized and carbonized to form activated carbon or activated carbon fibers, which are made into a felt, fiber, paper, or sintered body. It may be used. Polyaniline (PAN) or polyacene may also be used.
Further, when the electrochemical cell is used as a battery, the positive electrode 8 is composed of lithium-containing manganese oxide, lithium-containing cobalt oxide, lithium-containing nickel oxide, lithium-containing titanium oxide, molybdenum trioxide, niobium pentoxide, etc. A mixture of a conventionally known active material and a suitable binder and graphite as a conductive aid can be used.
また、負極9は、電気化学セルを電池として使用する場合には、炭素、リチウム−アルミニウムなどのリチウム合金、シリコンやシリコン酸化物など従来から知られている活物質に適当なバインダーと導電助剤であるグラファイトを混合したものを用いることができる。
セパレータ10には、大きなイオン透過度を有し、機械的強度を有する絶縁膜を用いることができる。リフローハンダ付けにおける炉での実装と、蓋部4との溶接による熱影響を考慮すると、セパレータ10は、熱的、機械的耐性に優れたガラス繊維を用いることができる。また、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂を用いてもよい。
In addition, when the electrochemical cell is used as a battery, the negative electrode 9 is a binder and a conductive auxiliary agent suitable for conventionally known active materials such as carbon, lithium alloys such as lithium-aluminum, silicon and silicon oxide. What mixed graphite which is can be used.
As the separator 10, an insulating film having a large ion permeability and mechanical strength can be used. Considering mounting in a furnace in reflow soldering and thermal effects due to welding with the lid 4, the separator 10 can be made of glass fiber having excellent thermal and mechanical resistance. Further, a resin such as polyphenylene sulfide, polyamide, polyimide, polytetrafluoroethylene may be used.
電解質11は、公知の電気二重層キャパシタや非水電解質二次電池に用いられる液体状、ゲル状のものが好ましい。
液体状及びゲル状の電解質11に用いられる有機溶媒には、アセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボーネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、γ−ブチロラクトン（γＢＬ）などがある。
液体状及びゲル状の電解質11に含まれる材料には、（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、リチウム塩などを用いることができるが、これらに限定するものではない。
The electrolyte 11 is preferably a liquid or gel used for known electric double layer capacitors and non-aqueous electrolyte secondary batteries.
Organic solvents used for the liquid and gel electrolyte 11 include acetonitrile, diethyl ether, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and γ-butyrolactone (γBL).
The materials contained in the liquid and gel electrolyte 11 include (C 2 H 5 ) 4 PBF 4 , (C 3 H 7 ) 4 PBF 4 , (CH 3 ) (C 2 H 5 ) 3 NBF 4 , ( C 2 H 5) 4 NBF 4 , (C 2 H 5) 4 PPF 6, (C 2 H 5) 4 PCF 3 SO 4, (C 2 H 5) 4 NPF 6, lithium perchlorate (LiClO 4), Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ], thiocyanate, aluminum fluoride, lithium salt and the like can be used, but are not limited thereto.
また、ゲル状の電解質11は、液体状の電解質をポリマーゲルに含浸させたものである。ポリマーゲルとしては、ポリエチレンオキシド、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデンが適しているが、これらに限定するものではない。
更に、ピリジン系や脂環式アミン系、脂肪族アミン系やイミダゾリウム系のイオン性液体やアミジン系等の常温溶融塩を用いても構わない。
次に、本電気化学セル1における、凹状容器2、シールリング3及び正極8の位置関係について説明する。
電気化学セル1を薄くするに際し、凹状容器2の壁部2cの高さを低くした場合、正極8の上端付近とシールリング3の側面部とが近接することになる。シールリング3は、蓋部4を介して負極9と通電しているため、負の電位を有している。ここで、正極8の上端付近とシールリング3とが接触すれば、ショートが発生することになる。本実施形態は、壁部2cの高さが、０．３ｍｍ以下の超小型化した凹状容器2において、図３（Ａ）に示すように、正極8の上端からシールリング3までの垂直距離をＤとすると、Ｄ≧６０μｍを満たすように設計している。
The gel electrolyte 11 is obtained by impregnating a polymer gel with a liquid electrolyte. Polyethylene oxide, polymethyl methacrylate, and polyvinylidene fluoride are suitable as the polymer gel, but are not limited thereto.
Furthermore, pyridine-based, alicyclic amine-based, aliphatic amine-based or imidazolium-based ionic liquids or amidine-based room temperature molten salts may be used.
Next, the positional relationship among the concave container 2, the seal ring 3, and the positive electrode 8 in the electrochemical cell 1 will be described.
When the electrochemical cell 1 is thinned, if the height of the wall 2c of the concave container 2 is lowered, the vicinity of the upper end of the positive electrode 8 and the side surface of the seal ring 3 are close to each other. Since the seal ring 3 is energized with the negative electrode 9 via the lid portion 4, it has a negative potential. Here, if the vicinity of the upper end of the positive electrode 8 and the seal ring 3 come into contact with each other, a short circuit occurs. In the present embodiment, as shown in FIG. 3 (A), the vertical distance from the upper end of the positive electrode 8 to the seal ring 3 is set in the ultra-miniaturized concave container 2 having a height of the wall 2c of 0.3 mm or less. If D, the design is such that D ≧ 60 μm.
このように形成されている電気化学セル1は、蓋部4のシールリング3への溶接時や、基板固定の際のリフロー加熱時に、各部に熱膨張による変形が生じたとしても、負の電位を有するシールリング3と、正極8との接触を避けることができる。このため、内部ショートの発生を抑えることができるだけでなく、正極8を凹状容器2の収容部2aに設置する際の製造プロセスにおいて、正極8の接着位置が凹状容器2の中心から偏った場合であっても、内部ショートの発生を抑えることができる。
また、図３（Ｂ）に示すように、正極8の側面部から、シールリング3までの水平距離をＤとした場合、Ｄ≧６０μｍを満たすように設計してもよい。この場合も同様の作用効果を得ることができる。
The electrochemical cell 1 formed in this way has a negative potential even if deformation due to thermal expansion occurs in each part during welding of the lid part 4 to the seal ring 3 or during reflow heating when fixing the substrate. Contact between the seal ring 3 having the positive electrode 8 and the positive electrode 8 can be avoided. For this reason, not only can the occurrence of an internal short circuit be suppressed, but also in the manufacturing process when the positive electrode 8 is installed in the accommodating portion 2a of the concave container 2, the bonding position of the positive electrode 8 is deviated from the center of the concave container 2. Even if it exists, generation | occurrence | production of an internal short circuit can be suppressed.
Further, as shown in FIG. 3B, when the horizontal distance from the side surface of the positive electrode 8 to the seal ring 3 is D, it may be designed to satisfy D ≧ 60 μm. In this case, the same effect can be obtained.
また、正極8のシールリング3側の上端部から、シールリング3の正極8側の下端部までの距離をＤとした時にＤ≧６０μｍを満たすように設計してもよい。この場合も同様の作用効果を得ることができる。
なお、ロウ材を介してシールリング3を壁部2cの上端面に接合させた場合や、シールリング3を使用せず、壁部2cの上端面と蓋部4とを直接ロウ材で接合させた場合には、負の電荷を有するロウ材と正極8との距離をＤとするとよい。
図４及び図５は第１の実施形態の変形例である。
図４に示すように、シールリング3の幅が狭く、シールリング3の内周面が、凹状容器2の壁部2cの内壁面と一致しない電気化学セル1場合、図５（Ａ）のように、正極8の側面部からシールリング3までの水平距離をＤとして、Ｄ≧60μｍとなるように設計してもよい。この場合、図５（Ｂ）のように、正極8の上端からシールリング3までの垂直距離ｄ１と、正極8の側面部からシールリング3までの水平距離ｄ２との和をＤと規定してもよい。
Further, when the distance from the upper end of the positive electrode 8 on the seal ring 3 side to the lower end of the seal ring 3 on the positive electrode 8 side is D, it may be designed to satisfy D ≧ 60 μm. In this case, the same effect can be obtained.
In addition, when the seal ring 3 is joined to the upper end surface of the wall portion 2c through the brazing material, or the upper end surface of the wall portion 2c and the lid portion 4 are directly joined with the brazing material without using the seal ring 3. In this case, the distance between the brazing material having a negative charge and the positive electrode 8 may be D.
4 and 5 are modifications of the first embodiment.
As shown in FIG. 4, in the case of the electrochemical cell 1 in which the width of the seal ring 3 is narrow and the inner peripheral surface of the seal ring 3 does not coincide with the inner wall surface of the wall 2c of the concave container 2, as shown in FIG. In addition, the horizontal distance from the side surface portion of the positive electrode 8 to the seal ring 3 may be designed so that D ≧ 60 μm. In this case, as shown in FIG. 5B, the sum of the vertical distance d1 from the upper end of the positive electrode 8 to the seal ring 3 and the horizontal distance d2 from the side surface of the positive electrode 8 to the seal ring 3 is defined as D. Also good.
なお、本実施形態及びその変形例においては、凹状容器2、シールリング3及び正極8の位置関係を上記のように距離ではなく、凹状容器2の壁部2cの高さに対する比率で規定してもよい。
この際、正極8の上端からシールリング3までの垂直距離、正極8の側面部からシールリング3までの水平距離又は両距離の和をＡ、壁部2cの高さをＢとすると、Ｂ＝０．３ｍｍの時、Ａ＝６０μｍ（０．０６ｍｍ）であることを踏まえると、Ａ／Ｂ≧２０％を満たすように設計することができる。
In the present embodiment and its modifications, the positional relationship between the concave container 2, the seal ring 3 and the positive electrode 8 is defined by the ratio to the height of the wall 2c of the concave container 2, not the distance as described above. Also good.
At this time, if the vertical distance from the upper end of the positive electrode 8 to the seal ring 3, the horizontal distance from the side surface of the positive electrode 8 to the seal ring 3 or the sum of both distances is A, and the height of the wall 2c is B, B = Considering that A = 60 μm (0.06 mm) when 0.3 mm, it can be designed to satisfy A / B ≧ 20%.
実施例として、壁部2cの高さが０．２３ｍｍの凹状容器2を製作し、収容部2aには異なる厚さの正極8を収容し、電気二層キャパシタを組み立てる。そして、壁部2cの上面と正極8との垂直距離をＤとした際、異なる厚さの正極8毎に、（１）正極8を壁部2cに接するように接着させた場合、及び、（２）正極8を凹状容器2の中央に配置した場合、それぞれの正極の厚み、垂直距離Ｄ及びショート率（％）について評価を行う。評価結果を下記表１に示す。 As an example, a concave container 2 having a wall 2c height of 0.23 mm is manufactured, and positive electrodes 8 having different thicknesses are accommodated in the accommodating portion 2a to assemble an electric double layer capacitor. When the vertical distance between the upper surface of the wall 2c and the positive electrode 8 is D, for each positive electrode 8 having a different thickness, (1) the positive electrode 8 is adhered so as to be in contact with the wall 2c; 2) When the positive electrode 8 is disposed in the center of the concave container 2, the thickness, the vertical distance D, and the short rate (%) of each positive electrode are evaluated. The evaluation results are shown in Table 1 below.
なお、ショート率は、以下の式１に従って算出した。
ショート率（％）＝（ショート検体数）/全試験検体数×１００・・・式１
The short rate was calculated according to the following formula 1.
Short rate (%) = (number of short specimens) / total number of test specimens x 100 ... Formula 1
上記表１のとおり、Ｄが１０μｍの参考例では、壁部2cと接触するように正極8を配置すれば、１００％の確率でショートが発生し、凹状容器2の中央に配置した場合であっても１．５％の確率でショートが発生する。正極8の凹状容器2内でのわずかな変位や膨張等によって、正極8とシールリング3とが接触したためである。
一方、Ｄが６０μｍの実施例１では、正極8が壁部2cに接触した場合のショート率が２７％に低減し、凹状容器2の中央に配置した場合は、ゼロとなった。また、Ｄが１００μｍの実施例２では、正極8を壁部2cに接触させても、中央に置いてもショートは発生しない。
As shown in Table 1, in the reference example in which D is 10 μm, if the positive electrode 8 is arranged so as to be in contact with the wall portion 2c, a short circuit occurs with a probability of 100%, and the case is arranged in the center of the concave container 2. However, a short circuit occurs with a probability of 1.5%. This is because the positive electrode 8 and the seal ring 3 are in contact with each other due to slight displacement or expansion in the concave container 2 of the positive electrode 8.
On the other hand, in Example 1 where D is 60 μm, the short-circuit rate when the positive electrode 8 is in contact with the wall 2c is reduced to 27%, and is zero when the positive electrode 8 is arranged at the center of the concave container 2. Further, in Example 2 where D is 100 μm, no short circuit occurs even when the positive electrode 8 is brought into contact with the wall 2c or placed in the center.
したがって、Ｄが６０μｍ以上であれば、正極8が凹状容器2の中央に配置された通常状況下でショートが発生せず、正極8が壁部2cに接触するという不測の場合であってもショート率が低減できる。このようなことから、正極8を凹状容器2の中央に配置すべく製造した場合に、結果として若干配置位置にずれがあったとしても、ほぼショートしないＤの値は、６０μｍ以上である。
更に、より望ましくは１００μｍ以上であれば、正極8の位置に係らずショートは発生しない。したがって、電気化学セル1の小型化に伴い凹状容器2を薄くしたとしても、内部ショートが発生しない、信頼性の高い電気化学セルを提供することができる。
Therefore, if D is 60 μm or more, a short circuit does not occur under the normal condition in which the positive electrode 8 is arranged at the center of the concave container 2, and even if it is an unexpected case that the positive electrode 8 contacts the wall 2 c. The rate can be reduced. For this reason, when the positive electrode 8 is manufactured to be arranged at the center of the concave container 2, even if there is a slight deviation in the arrangement position as a result, the value of D that is not substantially short-circuited is 60 μm or more.
Furthermore, if it is more desirably 100 μm or more, no short circuit occurs regardless of the position of the positive electrode 8. Therefore, even if the concave container 2 is made thinner as the electrochemical cell 1 is reduced in size, it is possible to provide a highly reliable electrochemical cell that does not cause an internal short circuit.
（第２の実施形態）
第２の実施形態の電気化学セル1の断面図を図６に示す。第２の実施形態は、第１の実施形態の電気化学セル1の凹状容器2の形状に相違があるのもの、その他については第１の実施形態と同様であるので、相違点についてのみ説明する。
第２の実施形態の凹状容器2は、図６に示すとおり、内部に収容部2aを有する箱体状のセラミックからなる容器であって、長方形状の底部2bと、この底部2bに立設する長方形枠状の壁部2cとが形成されている。さらに、底部2b及び壁部2cに接する部分に突出部2dを形成し、壁部2cに段差を設けている。
(Second Embodiment)
A cross-sectional view of the electrochemical cell 1 of the second embodiment is shown in FIG. The second embodiment is the same as the first embodiment except that the shape of the concave container 2 of the electrochemical cell 1 of the first embodiment is different, and the other points are the same as the first embodiment. .
As shown in FIG. 6, the concave container 2 of the second embodiment is a container made of a box-like ceramic having an accommodating portion 2a therein, and is erected on a rectangular bottom portion 2b and the bottom portion 2b. A rectangular frame-shaped wall 2c is formed. Further, a protruding portion 2d is formed at a portion in contact with the bottom portion 2b and the wall portion 2c, and a step is provided on the wall portion 2c.
そして、収容部2aの底部2bのうち突出部2dに囲まれた底面上に正極8を配置したものである。
突出部2dは絶縁性を有しており、凹状容器2と同じ素材で形成されている。したがって、第２の実施形態に係る凹状容器2は、底部2b、壁部2c及び突出部2dを一体に形成することができる。この凹状容器2は、底部2bにあたる長方形状に切り抜いたセラミックグリーンシートに、壁部2c及び突出部2dに対応する長方形枠状に切り抜いたセラミックグリーンシートを貼り合せ、さらに、壁部2cのみに対応する長方形枠状に切り抜いたセラミックグリーンシートを貼り合せた後、焼成することにより形成される。
The positive electrode 8 is disposed on the bottom surface surrounded by the projecting portion 2d in the bottom portion 2b of the housing portion 2a.
The protrusion 2d has an insulating property and is formed of the same material as the concave container 2. Therefore, the concave container 2 according to the second embodiment can integrally form the bottom 2b, the wall 2c, and the protrusion 2d. This concave container 2 is bonded to a ceramic green sheet cut into a rectangular shape corresponding to the bottom 2b, and a ceramic green sheet cut into a rectangular frame shape corresponding to the wall 2c and the protruding portion 2d, and only to the wall 2c. After the ceramic green sheets cut out in a rectangular frame shape are pasted together, they are formed by firing.
本実施形態の電気化学セル1では、突出部2dの厚さを60μｍ以上、又は、壁部2cの高さに対して２０％以上となるように設計すれば、正極8を凹状容器2に設置する際、正極8とシールリング3との距離を確実に確保することができる。したがって、蓋部4のシールリング3への溶接時や、基板固定の際のリフロー加熱時に、各部に熱膨張による変形が生じたとしても、負の電位を有するシールリング3と、正極8との接触を避けることができるため、内部ショートの発生を抑えることができる。また、正極8を収容部2aの底面に接着する際の製造プロセスにおいて、正極8の接着位置が収容部2aの底面の中心から偏ったとしても、突出部2dによって、負の電位を有するシールリング3と、正極8との接触を避けることができるため、内部ショートの発生を抑えることができる。 In the electrochemical cell 1 of the present embodiment, if the thickness of the projecting portion 2d is 60 μm or more, or 20% or more with respect to the height of the wall portion 2c, the positive electrode 8 is installed in the concave container 2. In doing so, the distance between the positive electrode 8 and the seal ring 3 can be reliably ensured. Therefore, even when the cover 4 is welded to the seal ring 3 or when reflow heating is performed when fixing the substrate, even if deformation occurs due to thermal expansion in each part, the seal ring 3 having a negative potential and the positive electrode 8 Since contact can be avoided, occurrence of internal short circuit can be suppressed. Further, in the manufacturing process when bonding the positive electrode 8 to the bottom surface of the housing portion 2a, even if the bonding position of the positive electrode 8 is deviated from the center of the bottom surface of the housing portion 2a, the projecting portion 2d causes a seal ring having a negative potential Since the contact between 3 and the positive electrode 8 can be avoided, the occurrence of an internal short circuit can be suppressed.
1 電気化学セル 2 凹状容器 2a 収容部
2b 底部 2c 壁部 2d 突出部
3 シールリング 4 蓋部
6a 保護膜 6b 正極集電体 6c ビア配線
6d 層間配線 6e 正極外部端子
7a 接着部 7b 負極外部端子
8 正極 9 負極 10 セパレータ
11 電解質
1 Electrochemical cell 2 Recessed container 2a Housing
2b Bottom 2c Wall 2d Projection
3 Seal ring 4 Lid
6a Protective film 6b Positive electrode current collector 6c Via wiring
6d Interlayer wiring 6e Positive external terminal
7a Bonding part 7b Negative external terminal
8 Positive electrode 9 Negative electrode 10 Separator
11 Electrolyte
Claims (3)
前記凹状容器の上端面に接合されたシールリングと、
前記シールリングの上面に接合され、かつ、前記シールリングの上面を塞ぐ蓋部とから形成され、
前記凹状容器は、四角板状の底部と、前記底部の外縁に立設した四角枠状の壁部とから構成されており、
前記底部と前記壁部とから形成された前記凹状容器の凹部（収容部）の内部には、正極が収容されており、
前記壁部の高さが、０．３ｍｍ以下である場合において、
前記正極と前記シールリングとの距離をＤとしたときに、Ｄ≧６０μｍを満たすように前記凹状容器と前記シールリングと前記正極とを配置したことを特徴とする電気化学セル。 A concave container having an inside as a housing part and having an insulating property;
A seal ring joined to the upper end surface of the concave container;
A lid portion joined to the upper surface of the seal ring and closing the upper surface of the seal ring;
The concave container is composed of a square plate-like bottom part and a square frame-like wall part erected on the outer edge of the bottom part,
A positive electrode is accommodated inside the concave portion (accommodating portion) of the concave container formed from the bottom portion and the wall portion,
In the case where the height of the wall is 0.3 mm or less,
The electrochemical cell, wherein the concave container, the seal ring, and the positive electrode are arranged so as to satisfy D ≧ 60 μm, where D is a distance between the positive electrode and the seal ring.
前記凹状容器の上端面に接合されたシールリングと、
前記シールリングの上面に接合され、かつ、前記シールリングの上面を塞ぐ蓋部とから形成され、
前記凹状容器は、四角板状の底部と、前記底部の外縁に立設した四角枠状の壁部とから構成されており、
前記底部と前記壁部とから形成された前記凹状容器の凹部（収容部）の内部には、正極が収容されており、
前記壁部の高さが、０．３ｍｍ以下である場合において、
前記正極と前記シールリングとの距離をＡ、前記壁部の高さをＢとしたときに、Ａ／Ｂ≧２０％を満たすように前記凹状容器と前記シールリングと前記正極とを配置したことを特徴とする電気化学セル。 A concave container having an inside as a housing part and having an insulating property;
A seal ring joined to the upper end surface of the concave container;
A lid portion joined to the upper surface of the seal ring and closing the upper surface of the seal ring;
The concave container is composed of a square plate-like bottom part and a square frame-like wall part erected on the outer edge of the bottom part,
A positive electrode is accommodated inside the concave portion (accommodating portion) of the concave container formed from the bottom portion and the wall portion,
In the case where the height of the wall is 0.3 mm or less,
The concave container, the seal ring, and the positive electrode are arranged so as to satisfy A / B ≧ 20% when the distance between the positive electrode and the seal ring is A and the height of the wall is B. An electrochemical cell characterized by.
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