JP2015198109A - 電気化学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】サイズを大きくすることなく液室容積の拡大が可能な電気化学デバイスを提供する。【解決手段】ケース１１と、溶接リング１８と、リッド１２とを具備する。ケース１１は、底部１１ａと、底部１１ａの外縁に沿う枠状であり、底部１１ａと反対側に接合面を備える壁部１１ｂとを有する。溶接リング１８は、接合面に接合された溶接リングであって、接合面に当接する当接領域と、当接領域に連続する曲面状であり接合面に当接しない非当接領域とを有する。リッド１２は、溶接リング１８に溶接され、ケース１１及び溶接リング１８と共に液室Ｒを形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、充放電可能な蓄電素子を備える電気化学デバイスに関する。

充放電が可能な蓄電素子を備える電気化学デバイスは、バックアップ電源等に広く利用されている。このような電気化学デバイスは一般に、凹状部を有するケースと、当該凹状部を閉塞するリッドによって形成された液室に、蓄電素子と電解液が封入された構造となっている。ケースとリッドの間には溶接リングが設けられ、ケースとリッドは溶接リングを介して接合され、液室が封止される。

電気化学デバイスは、蓄電素子の大容量化が求められている。一方で、電気化学デバイスは基板に実装されることが多く、そのサイズは制限される。サイズを維持したまま大容量化を達成するためには、液室の容積を拡大することが必要である。例えば、液室を形成するケースの側壁を薄くすることにより、液室の大きさを拡大することは可能である。

しかしながら、ケースの側壁上には、上記のように溶接リングが設けられる。このため、ケースの側壁を薄くするには限界がある。例えば、特許文献１及び２には、溶接リングを介してケースとリッドが溶接されている電気化学デバイスが記載されている。これらの文献に記載の構成のように、溶接リングとケースの接触面積はある程度の広さが必要であり、ケースの側壁を薄くすると、この接触面積の確保が困難となる。

特開２００４−２２７９５９号公報 特開２００６−５９７０５号公報

上記のように、従来は、溶接リングとケースの接触面積はある程度の大きさが必要であった。溶接リングとケースの接合強度が不足すると、電解液の液漏れといった故障が発生するためである。溶接リングとケースの接触面積が小さくても、両者の接合強度を確保することができれば、ケースの側壁を薄くし、電気化学デバイスのサイズを維持したまま、液室容積の向上が可能となる。また、溶接リングとケースはロウ材によってロウ付けされることが一般的であるが、溶接リングのケースとの接触面が平面であると、ロウ材の廻りにムラが生じ、溶接リングとケースの接合強度にばらつきが生じるおそれがある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、サイズを大きくすることなく液室容積の拡大が可能な電気化学デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、ケースと、溶接リングと、リッドとを具備する。
上記ケースは、底部と、上記底部の外縁に沿う枠状であり、上記底部と反対側に接合面を備える壁部とを有する。
上記溶接リングは、上記接合面に接合された溶接リングであって、上記接合面に当接する当接領域と、上記当接領域に連続する曲面状であり上記接合面に当接しない非当接領域とを有する。
上記リッドは、上記溶接リングに溶接され、上記ケース及び上記溶接リングと共に液室を形成する。

この構成によれば、溶接リングとケースの接合面の間にロウ材等の接着材を注入すると、接着材が曲面状である溶接リングの非当接領域と接合面の間に配設されるため、接着材と非当接面の接触面積が大きくなり、溶接リングとケースの接合強度を向上させることができる。これにより、溶接リングとケースの接合強度を確保したまま壁部の厚さを薄くすることができ、液室の容積を拡大することが可能となる。また、曲面状の非当接領域を設けることにより、接着材と溶接リングの接触面積が均一となり、溶接リングとケースの接合強度のムラを解消することが可能となる。

上記溶接リングは、上記接合面と上記非当接領域の間に配設されたロウ材によって上記ケースにロウ付けされていてもよい。

この構成によれば、上述のように溶接リングとケースの接合面の間にロウ材を注入すると、ロウ材と非当接面の接触面積が大きくなり、溶接リングとケースの接合強度を向上させることができる。

上記ケースは、セラミック材料からなり、上記溶接リング及び上記リッドはコバールからなるものであってもよい。

この構成によれば、セラミック材料からなるケースと、コバールからなる溶接リングを接合することができ、コバールからなるリッドを溶接リングに溶接することが可能となる。

上記電気化学デバイスは、さらに、上記液室に収容された蓄電素子と、上記液室に収容された電解液とを具備していてもよい。

上記のように、本発明に係る電気化学デバイスは、液室の容積を大きくすることができ、サイズの大きい蓄電素子を液室に収容させ、電気化学デバイスを大容量化することが可能である。また、蓄電素子の大きさをそのままとしても、液室に充填される電解液の充填量を多くすることが可能であり、電気化学デバイスの寿命を向上させることが可能である。

上記のように、本発明によれば、サイズを大きくすることなく液室容積の拡大が可能な電気化学デバイスを提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る電気化学デバイスの斜視図である。 同電気化学デバイスの断面図である。 同電気化学デバイスのケースの斜視図である。 同電気化学デバイスの溶接リングの断面図である。 同電気化学デバイスの一部構成の断面図である。 同電気化学デバイスの製造プロセスを示す模式図である。 同電気化学デバイスの製造プロセスを示す模式図である。 同電気化学デバイスの製造プロセスを示す模式図である。 同電気化学デバイスの製造プロセスを示す模式図である。 同電気化学デバイスの製造プロセスを示す模式図である。 同電気化学デバイスの製造プロセスを示す模式図である。 比較例に係る電気化学デバイスの一部構成の断面図である。 本発明の変形例に係る電気化学デバイスの一部構成の断面図である。 同電気化学デバイスの溶接リングの断面図である。 本発明の別の変形例に係る電気化学デバイスの一部構成の断面図である。 同電気化学デバイスの溶接リングの断面図である。

［電気化学デバイスの構成］
図１は、本実施形態に係る電気化学デバイス１００の外観を示す斜視図であり、図２は電気化学デバイス１００のＳ１１−Ｓ１１線（図１）に沿う断面図である。これらの図に示すように、電気化学デバイス１００は、ケース１１、リッド１２、蓄電素子１３、正極配線１４、正極接着層１５、正極端子１６、負極接着層１７、溶接リング１８、負極配線１９及び負極端子２０を有する。

図２に示すように、電気化学デバイス１００は、ケース１１とリッド１２が溶接リング１８を介して接合され、それによって形成された液室Ｒに蓄電素子１３及び電解液が封入されて構成されている。

ケース１１は、リッド１２及び溶接リング１８と共に液室Ｒを形成する。図３はケース１１を示す斜視図である。同図に示すようにケース１１は、底部１１ａと壁部１１ｂを有する。

底部１１ａは、板状の部分であり、液室Ｒの底面を構成する。底部１１ａには、正極配線１４が挿通されるビア１１ｃが形成されている。壁部１１ｂは底部１１ａの外縁に沿って形成された枠状の部分であり、液室Ｒの側壁を構成する。壁部１１ｂの上面（底部１１ａとは反対側の面）は溶接リング１８が接合される面である（図２参照）。以下、この面を接合面１１ｄとする。接合面１１ｄには、図示しないメタライズ層が形成されている。メタライズ層は、金属材料からなる層であり、例えば印刷によって形成することができる。

ケース１１の形状は特に限定されず、例えば図３に示すような直方体形状や、円柱状形状等、他の形状とすることも可能である。ケース１１は、特に限定されないが、ＨＴＣＣ（High Temperature Co-fired Ceramics：高温焼成セラミックス）やＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温焼成セラミックス）からなるものとすることができる。ＨＴＣＣプロセスやＬＴＣＣプロセスにおいては、ケース１１の内部に正極配線１４や負極配線１９等を配設することが可能であるため、製造効率に優れる。

リッド１２は、溶接リング１８を介してケース１１と接合され、液室Ｒを封止する。リッド１２は、任意の導電性材料からなるものとすることができ、例えばコバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）からなるものとすることができる。また、リッド１２は、電解腐食を防止するため、コバール等の母材がニッケル、白金、銀、金あるいはパラジウム等の耐腐食性の高い金属からなる被膜によって被覆されたクラッド材とすることも可能である。

蓄電素子１３は、液室Ｒに収容され、電荷を蓄積し（蓄電）あるいは放出（放電）する。図２に示すように蓄電素子１３は、正極電極シート１３ａ、負極電極シート１３ｂ及びセパレートシート１３ｃを有し、正極電極シート１３ａ及び負極電極シート１３ｂによってセパレートシート１３ｃが挟まれた構成となっている。

正極電極シート１３ａは、活物質を含むシートである。活物質は電解質イオン（例えばＢＦ^４−）をその表面に吸着させ、電気二重層を形成させる物質であり、例えば活性炭やＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor：ポリアセン系有機半導体）であるものとすることができる。正極電極シート１３ａは、上記活物質、導電助剤（例えばケッチェンブラック）及び合成樹脂（例えば、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene））の混合物を圧延してシート状に形成し、それを裁断したものとすることができる。

負極電極シート１３ｂは、正極電極シート１３ａと同様に活物質を含むシートであり、活物質、導電助剤及びバインダの混合物を圧延してシート状に形成し、それを裁断したものとすることができる。負極電極シート１３ｂは正極電極シート１３ａと同一の材料からなるものとすることもでき、異なる材料からなるものとすることもできる。

セパレートシート１３ｃは、電解質イオンを透過させ、かつ正極電極シート１３ａと負極電極シート１３ｂを絶縁するシートである。セパレートシート１３ｃは、ガラス繊維、セルロース繊維、プラスチック繊維等からなる多孔質シートであるものとすることができる。

蓄電素子１３と共に液室Ｒに収容される電解液は、任意に選択することが可能である。例えば、カチオンとしては、リチウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、トリエチルメチルアンモニウムイオン、５−アゾニアスピロ［４．４］ノナンイオン、エチルメチルイミダゾリウムイオン等を含み、アニオンとしてはＢＦ_４ ⁻（四フッ化ホウ酸イオン）、ＰＦ_６ ⁻（六フッ化リン酸イオン）、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻（ＴＦＳＡイオン）等のアニオンを含み、溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、スルホラン、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、エチルイソプロピルスルホン等を含むものとすることができる。具体的には、５−アゾニアスピロ［４．４］ノナン−ＢＦ_４やエチルメチルイミダゾリウム−ＢＦ_４のプロピレンカーボネート溶液等を用いることができる。

正極配線１４は、導電性材料からなり、正極接着層１５を介して蓄電素子１３の正極電極シート１３ａと正極端子１６とを電気的に接続する。具体的には、正極配線１４は、上記ビア１１ｃを介して底部１１ａの内部を通過し、正極端子１６に接続するものとすることができる。正極配線１４の正極接着層１５側の端部には、電解液の接触による電解腐食から保護するため、金属メッキが形成されていてもよい。

正極接着層１５は、正極電極シート１３ａをケース１１に接着すると共に、正極電極シート１３ａと正極配線１４とを電気的に接続する。正極接着層１５は、図２に示すように液室Ｒの底面に配設され、正極配線１４を被覆する。正極接着層１５は正極配線１４への電解液の到達を防止し、正極配線１４を電解液による電解腐食から保護するものとすることができる。

正極接着層１５は、底部１１ａ上に塗布された導電性接着材が硬化したものとすることができ、導電性接着材は、導電性粒子を含有する合成樹脂であるものとすることができる。導電性粒子は、化学的安定性が高いものが好適であり、例えばカーボンブラックを利用することができる。合成樹脂は、熱硬化性を有し、電解液に対する膨潤性が小さく、耐熱性が高く、化学的安定性が高いものが好適であり、例えばフェノール樹脂を利用することができる。

正極端子１６は、電気化学デバイス１００の外周に配設される端子であり、正極配線１４に当接し、正極配線１４及び正極接着層１５を介して蓄電素子１３の正極（正極電極シート１３ａ）と接続されている。正極端子１６は、電気化学デバイス１００の外部、例えば実装基板と電気化学デバイス１００の接続に用いられる。正極端子１６は、任意の導電性材料からなるものとすることができ、その配置や形状は特に限定されない。

負極接着層１７は、負極電極シート１３ｂをリッド１２に固定すると共に、負極電極シート１３ｂとリッド１２を電気的に接続する。負極接着層１７は、導電性接着材が硬化したものであり、導電性接着材は正極接着層１５のものと同様に、導電性粒子を含有する合成樹脂であるものとすることができる。なお負極接着層１７と正極接着層１５は、同種の導電性接着材からなるものであってもよく、他種の導電性接着材からなるものであってもよい。

溶接リング１８は、ケース１１とリッド１２を接続して液室Ｒを封止すると共に、リッド１２と負極配線１９とを電気的に接続する。図４は、溶接リング１８の断面図である。図５は、電気化学デバイス１００の一部構成の断面図であり、溶接リング１８の近傍の拡大図である。

図４に示すように、溶接リング１８は、当接領域１８ａと非当接領域１８ｂを有する。当接領域１８ａは、図５に示すように接合面１１ｄに当接する領域である。非当接領域１８ｂは、当接領域１８ａに連続する曲面であり、接合面１１ｄに当接しない領域である。

非当接領域１８ｂの曲率半径ｒは、次の式（１）で表される範囲であるものとすることができる。
ｈ／１８＜ｒ＜ｈ …（１）
ここで、ｈは溶接リング１８の高さ（接合面１１ｄとリッド１２の間の距離）である。

溶接リング１８はロウ付けによって接合面１１ｄに接合されているものとすることができる。図５にロウ材からなるロウ材部Ｂを示す。同図に示すようにロウ材部Ｂは、接合面１１ｄと非当接領域１８ｂの間に配設され、溶接リング１８と接合面１１ｄを接合する。ロウ材は例えば銀ロウ（Ａｇ−Ｃｕ）であるものとすることができる。

負極配線１９は、負極接着層１７、リッド１２及び溶接リング１８を介して蓄電素子１３の負極電極シート１３ｂと負極端子２０とを電気的に接続する。具体的には、負極配線１９は接合面１１ｄと負極端子２０の間で壁部１１ｂ内に形成され、両者を接続するものとすることができる。また、負極配線１９はケース１１の外周に沿って形成されてもよい。負極配線１９は任意の導電性材料からなり、配置や形状は特に限定されない。

負極端子２０は、電気化学デバイス１００の外周に配設される端子であり、負極配線１９に当接し、負極配線１９、溶接リング１８、リッド１２及び負極接着層１７を介して蓄電素子１３の負極（負極電極シート１３ｂ）と接続されている。負極端子２０は電気化学デバイス１００の外部、例えば実装基板と電気化学デバイス１００の接続に用いられる。負極端子２０は、任意の導電性材料からなるものとすることができ、その配置や形状は特に限定されない。

［電気化学デバイスの製造プロセス］
電気化学デバイス１００の製造プロセスについて説明する。図６乃至図１１は、電気化学デバイス１００の製造プロセスを示す模式図である。図６に示すように、ケース１１に正極配線１４、正極端子１６、負極配線１９及び負極端子２０を配設する。ケース１１は、板状部材や枠状部材を積層することによって成形することが可能であり、正極配線１４、正極端子１６、負極配線１９及び負極端子２０は、この成形と共にケース１１に配設することが可能である。

続いて、接合面１１ｄにメタライズ層（図示略）を配設する。メタライズ層は印刷によって配設することが可能である。続いて、図７に示すように、接合面１１ｄに溶接リング１８を配置する。上記のように溶接リング１８は、当接領域１８ａが接合面１１ｄに当接し、非当接領域１８ｂは接合面１１ｄに当接しないように配設される。

続いて、ロウ材を接合面１１ｄと溶接リング１８の間に流し込み、ロウ材部Ｂ（図５参照）を形成する。ロウ材は、接合面１１ｄと非当接領域１８ｂの間に充填され、ケース１１と溶接リング１８を接合する。その後、ロウ材部Ｂの表面に表面処理を施してもよい。表面処理は、ニッケルメッキを施した後、金メッキを施すものとすることができる。

続いて、図８に示すように、底部１１ａ上に導電性接着材を塗布して正極接着層１５を形成し、正極接着層１５上に正極電極シート１３ａを配置する。この状態で減圧高温下で加熱乾燥し、正極接着層１５を硬化させる。以下、この構造を正極ユニットとする。

また、図９に示すように、リッド１２に導電性接着材を塗布して負極接着層１７を形成し、負極接着層１７上に負極電極シート１３ｂを配置する。この状態で減圧高温下で加熱乾燥し、負極接着層１７を硬化させる。以下、この構造を負極ユニットとする。

続いて、正極ユニット及び負極ユニットに電解液を注入し、図１０に示すように、正極ユニットと負極ユニットを、セパレートシート１３ｃを介して対向させ、リッド１２を溶接リング１８に当接させる。

続いて、図１１に示すように、リッド１２と溶接リング１８が重なる部分に１周に渡って溶接（図中Ｗ）を施す。溶接は、レーザー溶接又はシーム溶接とすることができる。これにより、リッド１２が溶接リング１８に溶接され、液室Ｒが封止される。電気化学デバイス１００は以上のようにして製造される。なお、ここに示す製造プロセスは一例であり、電気化学デバイス１００は他の製造プロセスによって製造してもよい。

［電気化学デバイスの効果］
電気化学デバイス１００の効果について比較例との比較の上で説明する。図１２は、比較例に係る電気化学デバイス２００の一部構成の断面図である。同図に示すように電気化学デバイス２００は、ケース２１１、リッド２１２及び溶接リング２１８を備える。溶接リング２１８は、ロウ材部Ｂによって接合面２１１ｄにロウ付けされている。また、電気化学デバイス２００の構成のうち、図１２に図示されていない構成は、電気化学デバイス１００と同様である。

同図に示すように、溶接リング２１８は、矩形の断面形状を有する。このため、ロウ材部Ｂと溶接リング２１８の接触面積は小さく、ロウ材部Ｂと溶接リング２１８の接合強度が限定される。特に、ケース２１１の壁部２１１ｂの厚さを薄くすると、接合面２１１ｄの面積が小さくなり、接合面２１１ｄと溶接リング２１８の接合強度が確保できなくなるおそれがある。

これに対し、電気化学デバイス１００の構成（図５参照）では、非当接領域１８ｂが曲面状であるため、電気化学デバイス２００に比較してロウ材部Ｂと溶接リング１８の接触面積が大きくなり、接合面１１ｄと溶接リング１８の接合強度が確保される。特に、非当接領域１８ｂの曲率半径ｒが、上記式（１）で表される範囲（ｈ／１８＜ｒ＜ｈ）にあるときに効果を確認することができる。このため、電気化学デバイス２００と比較して壁部１１ｂの厚さを薄くし、液室Ｒの容積を拡大させることができる。これにより、蓄電素子１３のサイズを大きくし、蓄電容量を大容量化することが可能となる。また、蓄電素子１３のサイズはそのままでも、電解液の充填量を多くすることができ、蓄電素子１３の寿命を向上させることも可能となる。

［変形例］
図１３は、本実施形態の変形例に係る電気化学デバイス１００の一部構成の断面図であり、図１４は同電気化学デバイス１００の溶接リング１８の断面図である。これらの図に示すように、溶接リング１８は、半円形の断面形状を有していてもよい。この形状であっても、ロウ材部Ｂと溶接リング１８の接触面積が大きくなり、接合面１１ｄと溶接リング１８の接合強度を向上させることが可能である。

図１５は本実施形態の別の変形例に係る電気化学デバイス１００の一部構成の断面図であり、図１６は同電気化学デバイス１００溶接リング１８の断面図である。これらの図に示すように、溶接リング１８は、円形の断面形状を有していてもよい。この形状であっても、ロウ材部Ｂと溶接リング１８の接触面積が大きくなり、接合面１１ｄと溶接リング１８の接合強度を向上させることが可能である。また、この溶接リング１８は、リッド１２との溶接深度を深くすることが可能であり、液室Ｒの密閉性も向上させることが可能である。

溶接リング１８は、ここに示すものの他にも、接合面１１ｄに当接する当接領域と、当接領域に連続する曲面であり、接合面１１ｄに当接しない非当接領域を有するものであればよい。

１１…ケース
１２…リッド
１３…蓄電素子
１４…正極配線
１５…正極接着層
１６…正極端子
１７…負極接着層
１８…溶接リング
１９…負極配線
２０…負極端子
１００…電気化学デバイス

Claims (4)

1. 底部と、前記底部の外縁に沿う枠状であり、前記底部と反対側に接合面を備える壁部とを有するケースと、
   前記接合面に接合された溶接リングであって、前記接合面に当接する当接領域と、前記当接領域に連続する曲面状であり前記接合面に当接しない非当接領域とを有する溶接リングと、
   前記溶接リングに溶接され、前記ケース及び前記溶接リングと共に液室を形成するリッドと
   を具備する電気化学デバイス。
2. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
   前記溶接リングは、前記接合面と前記非当接領域の間に配設されたロウ材によって前記ケースにロウ付けされている
   電気化学デバイス。
3. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
   前記ケースは、セラミック材料からなり、
   前記溶接リング及び前記リッドはコバールからなる
   電気化学デバイス。
4. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、さらに、
   前記液室に収容された蓄電素子と、
   前記液室に収容された電解液と
   を具備する電気化学デバイス。

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