JP2015103738A - 電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】内部を収容部とし、絶縁性を有する凹状容器と、凹状容器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の凹部の内部（収容部）には、正極が収容されており、前記シールリング３の内周面に絶縁体１２を設けた電気化学セルを提供する。
【選択図】図３

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。

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。

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。

ＷＯ２００７／０１３２２３

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。

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。

（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、前記シールリング3の内周面に絶縁体12を設けたことを特徴とする。
本発明では、シールリング3の内周面に絶縁体12を設けることで、負の電位を有する部分の露出を防止している。

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。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、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。
（第２の発明）
本発明のうち第２の発明は、上記の第１の発明の特徴点に加えて、次の点を特徴とする。すなわち、シールリング3は、その幅が壁部2cの幅よりも薄くなるよう形成されており、絶縁体12は、シールリング3内周面から凹状容器2の上端面に至る面に設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、シールリング3の幅が壁部2cよりも薄くなるよう形成されているため、壁部2cの上端面の一部が露出している。ここで、絶縁体12をシールリング3の内周面から露出している壁部2cの上端面まで設けている。これにより、負の電位を有するシールリング3と絶縁性を有する壁部2cの上端面との接合境界を越えた部位まで絶縁体12が形成されているため、確実な絶縁が可能となっている。
（第３の発明）
本発明のうち第３の発明は、上記の第１又は第２の発明の特徴点に加えて、次の点を特徴とする。すなわち、凹状容器2の上端面とシールリング3の下面はロウ材5で接合されており、凹状容器2の上端面に露出したロウ材5にも絶縁体12を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、凹状容器2とシールリング3とが導電材であるロウ材5で接合されており、このロウ材5にも絶縁体12を設けることで、負の電位を有する部分の露出を防止している。
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又はロウ材5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。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の底面の中心から大きく偏ったとしても、負の電位を有するシールリング3又はロウ材5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。

なお、この第３の発明は、第１の発明において（図１及び図３参照）、凹状容器2とシールリング3とが導電材であるロウ材5で接合されている場合のみならず、第２の発明において（図４参照）、シールリング3の幅が壁部2cの幅よりも薄くなるように形成されており、絶縁体12は、シールリング3内周面から導電材であるロウ材5を経て凹状容器2の上端面に至る面に設けられている場合を含むものである。
（第４の発明）
本発明のうち第４の発明は、上記の第１から第３の発明の特徴点に加えて、次の点を特徴とする。すなわち、シールリング3の内周面から凹状容器2の収容部2aの上部に至るまで絶縁体12を設けたことを特徴する。

本発明によれば、絶縁体12が、シールリング3の内周面だけでなく、凹状容器2の収容部2aの上部に至るまで設けてある。これにより、シールリング3の下端面と凹状容器2の収容部2aの上端面との間を使ったショートを防止することができる。
なお、この第４の発明は、第１の発明において（図１及び図３参照）、絶縁体12をそのまま凹状容器2の収容部2aの上端に至るまで設けても良いし、第３の発明のようにロウ材5を介して凹状容器2の収容部2aの上部に至るまで設けても良い。
また、第２の発明のように（図４参照）、シールリング3の幅が壁部2cの幅よりも薄くなるよう形成されている。ここで絶縁体12は、シールリング3内周面から導電材であるロウ材5を経て凹状容器2の上部に至るように設けても良いし、更には図５に記載の発明のようにすることもできる。

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。

本発明の第１の実施形態の電気化学セルの垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態の電気化学セルの凹状容器の平面図である。 本発明の第１の実施形態の電気化学セルのシールリング付近の拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態の電気化学セルのシールリング付近の拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態の電気化学セルのシールリング付近の拡大断面図である。

（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。

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。

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の上端面にロウ材5を介して接合されている。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。また、ロウ材5は、Ａｇ−Ｃｕ合金やＡｕ−Ｃｕ合金などから形成されている。
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。

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。

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。

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。

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。

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、（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＰＢＦ_４、（Ｃ_３Ｈ_７）_４ＰＢＦ_４、（ＣＨ_３）（Ｃ_２Ｈ_５）_３ＮＢＦ_４、（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＮＢＦ_４、（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＰＰＦ_６、（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＰＣＦ_３ＳＯ_４、（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＮＰＦ_６、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_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。

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。
絶縁体12は、図１及び図３に示すとおり、シールリング3及びロウ材5の内周面に密着形成されており、熱硬化性樹脂、シール剤又は無機塗料から形成されている。なお、熱硬化性樹脂としては、エポキシ、ポリイミド、ポリアミドイミド、フェノール樹脂又はフッ素樹脂などが挙げられる。またシール剤としては、ブチルゴム又はアスファルトなど、無機塗料としては、アルミナ又は酸化珪素などが挙げられる。特に、耐熱性の観点から無機塗料又はポリイミド若しくはフッ素樹脂などの高耐熱性材料が好ましい。

これらの絶縁材は、シールリング3及びロウ材5の内周面に対し、ディスペンサを用いて塗布することができる他、熱硬化性樹脂及び無機塗料に関しては刷毛塗りによる塗布も可能である。この時、絶縁体12の厚みは１０μｍ程度あればよい。
絶縁体12によって、負の電位を持つシールリング3又はロウ材5の露出を防ぐことができる。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、負の電位を有することとなるシールリング3又はロウ材5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。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の底面の中心から大きく偏ったとしても、負の電位を有するシールリング3又はロウ材5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。

なお、ロウ材5を用いない場合もある。このときには、壁部2cの上端面にシールリング3が形成され、このシールリング3の上面に蓋部4が溶接されることにより凹状容器2の収容部2aが密封された構造となっている。ここで絶縁体12はシールリング3の内周面に直接密着形成されることとなる。この場合にも、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。
（第２の実施形態）
第２の実施形態の電気化学セル1のシールリング3付近の断面図を図４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の上端面とシールリング3との形状に相違があるものの、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４に示すとおり、シールリング3のリング幅が、凹状容器2の壁部2cの幅より薄くなるように形成されている。このため、壁部2cの上端面に対して、シールリング3及びこのシールリング3の下面に配置されたロウ材5の幅が薄く、壁部2cの上端面の一部が露出している。そして、絶縁体12は、シールリング3の内周面からロウ材5の脇を経て、露出している壁部2cの上端面まで設けられている。
したがって、負の電位を有することとなるシールリング3及びシールリング3の下部に接合されているロウ材5と、絶縁性を有する壁部2cの上端面との接合境界を越えた部位まで絶縁体12が形成されている。これにより、第１の実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、確実な絶縁が可能となる。

なお、ロウ材5を用いない場合もある。このときには、壁部2cの上端面にシールリング3が形成され、このシールリング3の上面に蓋部4が溶接されることにより凹状容器2の収容部2aが密封された構造となっている。また、壁部2cの上端面に対して、シールリング3の幅が薄いことから、壁部2cの上端面の一部が露出している。ここで絶縁体12はシールリング3の内周面及び絶縁性を有する壁部2cの上端面との接合境界を越えた部位まで形成されることとなる。この場合にも、第１の実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、確実な絶縁が可能となる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態の電気化学セル1のシールリング3付近の断面図を図５に示す。第３の実施形態では、ロウ材5がシールリング3の下部だけでなく、壁部2cの上端面全面に形成されている。この場合、負の電位を有することとなるロウ材5と、絶縁性を有する凹状容器2との接合境界を越え、さらに壁部2cの上部にまで絶縁体12が形成されている。これにより、第１の実施形態と同様の作用効果があり、さらに、確実な絶縁が可能となる。

なお、ロウ材5を用いない場合もある。このときには、壁部2cの上端面にシールリング3が形成され、このシールリング3の上面に蓋部4が溶接されることにより凹状容器2の収容部2aが密封された構造となっている。また、壁部2cの上端面に対して、シールリング3の幅が薄いことから、壁部2cの上端面の一部が露出している。ここで絶縁体12はシールリング3の内周面、絶縁性を有する壁部2cの上端面との接合境界及び壁部2cの上部にまで形成されることとなる。この場合にも、第１の実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、確実な絶縁が可能となる。

1 電気化学セル 2 凹状容器 2a 収容部
2b 底部 2c 壁部
3 シールリング 4 蓋部 5 ロウ材
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 12 絶縁体

Claims (4)

1. 内部を収容部とし、絶縁性を有する凹状容器と、
   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、
   前記シールリングの内周面に絶縁体を設けたことを特徴とする電気化学セル。
2. 前記シールリングは、
   その幅が前記壁部の幅よりも薄くなるよう形成されており、
   前記絶縁体は、
   前記シールリング内周面から前記凹状容器の上端面に至る面に設けられたことを特徴とする請求項１記載の電気化学セル。
3. 前記凹状容器の上端面と前記シールリングの下面はロウ材で接合されており、
   前記凹状容器の上端面に露出した前記ロウ材にも絶縁体を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気化学セル。
4. 前記シールリングの内周面から前記凹状容器の収容部の上部に至るまで絶縁体を設けたことを特徴する請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学セル。