JP2015198109A - 電気化学デバイス - Google Patents
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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。
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。
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。
[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BF4−)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BF4 −(四フッ化ホウ酸イオン)、PF6 −(六フッ化リン酸イオン)、(CF3SO2)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−BF4やエチルメチルイミダゾリウム−BF4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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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Cited By (1)
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US11830672B2 (en) | 2016-11-23 | 2023-11-28 | KYOCERA AVX Components Corporation | Ultracapacitor for use in a solder reflow process |
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2014
- 2014-03-31 JP JP2014073719A patent/JP2015198109A/ja active Pending
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