JP2017028274A - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リフローはんだ付けが可能で信頼性の高い電気化学セルに関する。 The present invention relates to a highly reliable electrochemical cell capable of reflow soldering.
瞬停発生時のメモリへのデータ書き込みサポートや、回路電圧の平滑化のために用いられ、巻回・積層等により低抵抗化した電気二重層キャパシタ等の電気化学セルが知られている。また、これら電気化学セルのパッケージとして、従来から、ラミネートタイプのパッケージが知られている。
この種の電気化学セルのパッケージにおいて、封止性に優れ、長期信頼性を向上させるとともにリフローはんだ付けに対応できるセラミックパッケージが提案されている(特許文献1参照)。
また、この種の電気化学セルの電極として、アルミニウム箔等からなる集電体に活物質を含むスラリーを塗工した電極シートの他、種々の電極シートの構成が知られている。例えば、以下の特許文献2に記載の電極は、活物質と集電体との密着性を向上させ、表面抵抗値を抑制できる構造が採用されている。
There are known electrochemical cells such as an electric double layer capacitor that is used for data writing support to a memory at the time of a momentary power failure or for smoothing a circuit voltage and has a low resistance by winding or stacking. Conventionally, a laminate type package is known as a package of these electrochemical cells.
In this type of electrochemical cell package, there has been proposed a ceramic package that is excellent in sealing performance, improves long-term reliability, and is compatible with reflow soldering (see Patent Document 1).
As an electrode of this type of electrochemical cell, various electrode sheet configurations are known in addition to an electrode sheet obtained by applying a slurry containing an active material to a current collector made of aluminum foil or the like. For example, the electrode described in
従来、この種の電気化学セルに用いられるセラミックパッケージでは、製造上と耐久性の要請から一定の容器壁厚が求められていた。さらに、容器のパッド膜に内部で接続する素子のリードが一定の厚みを有しているため、容器に収容できる素子の大きさはさらに制約を受ける問題がある。
このため、従来のラミネートタイプと同様の用途に用いられ、同様の搭載空間にセラミックパッケージを備えた電気化学セルを配置するためには、導電性や容量密度を従来の構成よりも高める必要があった。
さらに、実装スペースをより少なくするために、耐熱性、耐電圧を向上させ、シングルセルで用いることが求められる素子を提供する必要がある。
また、セラミックパッケージを用いた電気化学セルにおいては、リフローはんだ付けを行うと、はんだの熱によって内部抵抗が上昇するなどの問題が生じ、電気化学セルがリフローはんだ工程によって特性劣化するという課題があった。
Conventionally, in a ceramic package used for this type of electrochemical cell, a constant container wall thickness has been required from the viewpoint of manufacturing and durability. Furthermore, since the lead of the element connected to the pad film of the container has a certain thickness, there is a problem that the size of the element that can be accommodated in the container is further restricted.
For this reason, in order to arrange an electrochemical cell having a ceramic package in the same mounting space that is used for the same application as the conventional laminate type, it is necessary to increase the conductivity and capacity density compared to the conventional configuration. It was.
Furthermore, in order to reduce the mounting space, it is necessary to provide an element that is required to be used in a single cell with improved heat resistance and withstand voltage.
In addition, in an electrochemical cell using a ceramic package, when reflow soldering is performed, there is a problem that the internal resistance increases due to the heat of the solder, and there is a problem that characteristics of the electrochemical cell deteriorate due to the reflow soldering process. It was.
本発明は、従来の実情に鑑みなされたものであり、導電性、容量密度を高め、小さな素子形状であっても信頼性が高く、リフローはんだによる特性劣化も少ない電気化学セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the conventional circumstances, and provides an electrochemical cell that increases conductivity and capacity density, is highly reliable even in a small element shape, and has little characteristic deterioration due to reflow soldering. Objective.
本発明は前述の課題を解決するために、ベース容器と、前記ベース容器の中に収納されるセル要素と、前記セル要素の延長部である複数のセルリードと、前記ベース容器の内底面に形成された弁金属からなるパッド膜と、前記パッド膜と接続され、かつ前記ベース容器の内底面から下面にかけて形成されたベース内配線と、前記ベース容器を気密に閉じるリッドを少なくとも有する電気化学セルであり、前記セル要素において正極と負極がセパレータを挟んで配置され、さらに、非水電解液が含有されており、前記正極と負極の少なくとも一方がアルミニウム集電体と、該アルミニウム集電体上にアルミニウムと炭素の化合物により固定された炭素材料の層を含み、前記非水電解液が、支持塩:13〜43質量%、残部溶媒であり、残部溶媒質量比率において、スルホラン:60〜90質量%、エチルメチルスルホン:10〜40質量%の組成を有することを特徴とする。
気密構造のベース容器にセル要素と電解液を収容し、支持塩とスルホランとエチルメチルスルホンを好適な割合とする電解液としているので、支持塩の溶解性が高く、リフローはんだの熱を受けても内部抵抗の上昇割合が低く、容量低下の少ない耐熱性を高めた電気化学セルを提供できる。
また、炭素材料の層とアルミニウム集電体との界面をアルミニウムと炭素の化合物で固定しているので、リフローはんだの熱を受けてもアルミニウム集電体表面における炭素粒子の密着性が低下し難いため、耐熱性の高い電気化学セルとすることができる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is formed on a base container, a cell element housed in the base container, a plurality of cell leads which are extensions of the cell element, and an inner bottom surface of the base container. An electrochemical cell having at least a pad film made of a valve metal, a base wiring connected to the pad film and formed from an inner bottom surface to a lower surface of the base container, and a lid for hermetically closing the base container In the cell element, a positive electrode and a negative electrode are disposed with a separator interposed therebetween, and further, a non-aqueous electrolyte is contained. At least one of the positive electrode and the negative electrode is an aluminum current collector, and the aluminum current collector is disposed on the aluminum current collector. Including a layer of a carbon material fixed by a compound of aluminum and carbon, and the non-aqueous electrolyte is a supporting salt: 13 to 43% by mass, the remaining solvent, and the remaining solvent In an amount ratio of sulfolane: 60 to 90 wt%, ethyl methyl sulfone and having a composition of 10 to 40 wt%.
The cell element and electrolyte are contained in an airtight base container, and the supporting salt, sulfolane, and ethylmethylsulfone are used in an appropriate ratio, so the supporting salt is highly soluble and receives the heat of reflow soldering. However, it is possible to provide an electrochemical cell having a low rate of increase in internal resistance and improved heat resistance with little decrease in capacity.
In addition, since the interface between the carbon material layer and the aluminum current collector is fixed with a compound of aluminum and carbon, the adhesion of carbon particles on the surface of the aluminum current collector is unlikely to deteriorate even when subjected to the heat of reflow soldering. Therefore, an electrochemical cell having high heat resistance can be obtained.
本発明において、前記アルミニウム集電体の表面部分に前記アルミニウムと炭素の化合物を含む介在層が形成され、前記介在層から外側に向かって延在する第2の表面部分が形成され、該第2の表面部分に複数の炭素粒子が固定された導電層を有する前記炭素材料の層が形成されている構造を採用できる。
アルミニウム集電体の表面部分に形成されたアルミニウムと炭素の化合物を含む介在層から延在する第2の表面部分に複数の炭素粒子が固定された導電層を有する構造を採用することで、熱を受けても炭素粒子がアルミニウム集電体から分離しない電極構造にできる。このため、リフローはんだの熱を受けてもアルミニウム集電体表面における炭素粒子の密着性が低下し難いので、耐熱性の高い電気化学セルを提供できる。
本発明において、前記導電層が活物質を含む構成を採用できる。
導電層に活物質を含むことでセルの容量を大きくすることができる。
In the present invention, an intermediate layer containing the compound of aluminum and carbon is formed on the surface portion of the aluminum current collector, and a second surface portion extending outward from the intermediate layer is formed. A structure in which a layer of the carbon material having a conductive layer in which a plurality of carbon particles are fixed can be employed on the surface portion.
By adopting a structure having a conductive layer in which a plurality of carbon particles are fixed to a second surface portion extending from an intervening layer containing an aluminum and carbon compound formed on the surface portion of the aluminum current collector, Even if it receives, it can be set as the electrode structure which a carbon particle does not isolate | separate from an aluminum electrical power collector. For this reason, since the adhesion of the carbon particles on the surface of the aluminum current collector is unlikely to deteriorate even when subjected to the heat of the reflow solder, an electrochemical cell having high heat resistance can be provided.
In the present invention, a configuration in which the conductive layer includes an active material can be employed.
By including an active material in the conductive layer, the capacity of the cell can be increased.
本発明において、前記支持塩が、4級アンモニウム塩または4級ホスホニウム塩である構成を採用できる。
これらの支持塩であるならば、電解液中の支持塩の高い溶解性を得ることができ、電気伝導度の高い溶媒とすることができる。
本発明において、前記ベース容器に収容されたセル要素の正極と負極とセパレータの周囲に前記非水電解液が含浸された構成を採用できる。
セル要素の正極と負極とセパレータの周囲に非水電解液を含浸させる場合、スルホランとエチルメチルスルホンを前記組成比で含む溶媒と前記組成比の支持塩からなる電解液を用いることで小型化したセル要素に対し電解液を十分に含浸させた電気化学セルを提供できる。
In the present invention, a configuration in which the supporting salt is a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt can be employed.
If these supporting salts are used, a high solubility of the supporting salt in the electrolytic solution can be obtained, and a solvent having high electrical conductivity can be obtained.
In the present invention, a configuration in which the nonaqueous electrolyte is impregnated around the positive electrode, the negative electrode, and the separator of the cell element accommodated in the base container can be employed.
When impregnating the non-aqueous electrolyte around the positive electrode, negative electrode and separator of the cell element, the size was reduced by using an electrolyte composed of a solvent containing sulfolane and ethylmethylsulfone in the above composition ratio and a supporting salt in the above composition ratio. An electrochemical cell in which the cell element is sufficiently impregnated with the electrolyte can be provided.
本発明の電気化学セルは、セル要素のアルミニウム集電体上にアルミニウムと炭素の化合物により炭素材料の層を固定した構造の電極を備えているので、アルミニウム集電体と炭素材料の層との良好な密着性を有し、アルミニウム集電体と炭素材料の層との界面抵抗の増加を抑制できる。このため、アルミニウム集電体上に活物質や導電助剤、バインダーを含むスラリーを直接塗工していた従来構造の電気化学セルよりも導電性と容量密度を高めた電気化学セルを提供できる。また、アルミニウム集電体と炭素材料の層との良好な密着性はリフローはんだの熱を受けても低下するおそれが少ないので、セル要素をベース容器の中に収容し、ベース容器に配線を有した小さな素子形状であっても信頼性の高いリフローはんだ付けが可能な電気化学セルを提供できる。
本発明の電気化学セルは、13〜43質量%の支持塩の他に溶媒としてスルホラン:60〜90質量%、エチルメチルスルホン:10〜40質量%を有しているので、導電性および容量密度が高く充電特性に優れた電気化学セルを提供できる。また、セル要素を収容したベース容器をリッドで封止する場合、封止のための溶接の熱が非水電解液に伝わったとして、非水電解液が蒸発し難く、非水電解液の変質による抵抗上昇の生じ難い電気化学セルを提供できる。
Since the electrochemical cell of the present invention includes an electrode having a structure in which a carbon material layer is fixed by an aluminum and carbon compound on an aluminum current collector of a cell element, the aluminum current collector and the carbon material layer It has good adhesion and can suppress an increase in interface resistance between the aluminum current collector and the carbon material layer. Therefore, it is possible to provide an electrochemical cell having higher conductivity and capacity density than an electrochemical cell having a conventional structure in which a slurry containing an active material, a conductive additive, and a binder is directly coated on an aluminum current collector. In addition, since the good adhesion between the aluminum current collector and the carbon material layer is less likely to decrease even when subjected to the heat of reflow solder, the cell element is accommodated in the base container and the base container has wiring. Thus, an electrochemical cell capable of highly reliable reflow soldering even with a small element shape can be provided.
The electrochemical cell of the present invention has sulfolane: 60 to 90% by mass and ethylmethylsulfone: 10 to 40% by mass as a solvent in addition to the supporting salt of 13 to 43% by mass. Therefore, it is possible to provide an electrochemical cell having high charge characteristics and excellent charge characteristics. Also, when the base container containing the cell element is sealed with a lid, the heat of welding for sealing is transferred to the non-aqueous electrolyte, so that the non-aqueous electrolyte is difficult to evaporate, and the non-aqueous electrolyte is altered. Thus, it is possible to provide an electrochemical cell in which resistance increase due to the occurrence of resistance is difficult.
以下、本発明の第1実施形態に係る電気化学セルについて図面に基づいて説明する。
本第1実施形態の電気化学セル1は、主にパーソナルコンピューターや小型の携帯機器内部の基板に実装されて用いられる。
(電気化学セル1)
図1(a)は、本実施形態の電気化学セル1の外観図(斜視図)である。
図1に示すように電気化学セル1は一例として直方体の形状で示されているが、トラック形状や円筒形状であってもよい。本実施形態の電気化学セル1は、発電要素であるセル要素6を収納して容器として機能するベース容器2と、その開口部を気密に塞ぐための封口板として機能するリッド(蓋体)10を外装部品として備えている。電気化学セル1の外装容器は、このベース容器2とベース容器2の開口部を封止するリッド10とから構成されている。
Hereinafter, an electrochemical cell according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The electrochemical cell 1 of the first embodiment is mainly used by being mounted on a substrate inside a personal computer or a small portable device.
(Electrochemical cell 1)
Fig.1 (a) is an external view (perspective view) of the electrochemical cell 1 of this embodiment.
As shown in FIG. 1, the electrochemical cell 1 is shown as a rectangular parallelepiped shape as an example, but may be a track shape or a cylindrical shape. The electrochemical cell 1 of the present embodiment includes a
図1(b)は、図1(a)のAA線に沿う断面図である。凹状のベース容器2の中にセル要素6が収納され、さらに電解液7が充填され、ベース容器2の開口部上面を一周するように設けられたシールリング9に押し当てられたリッド10によってベース容器2が気密に封止されている。ベース容器2のベース内底面2cには、一対の集電体金属膜であるパッド膜5が並置されている。また、パッド膜5の底面側であって、ベース内底面2cからベース下面2dにかけてベース容器底壁を貫通するように複数のビア配線3が形成されている。これらのビア配線3は、パッド膜5とベース下面2dに形成された接続端子4とを電気的に接続している。
FIG.1 (b) is sectional drawing which follows the AA line of Fig.1 (a). The
一方、ベース容器2内にはセル要素6が収容されている。このセル要素6は、炭素粒子などの炭素材料の層を担持する金属シートの集電体からなる一組の電極シートが絶縁性のセパレータを挿んで巻回法や積層法などで構成されたものである。正極及び負極の集電体の各端部には、金属板からなるセルリード8が接続されている。正極、負極のそれぞれのセルリード8は、一対のパッド膜5のそれぞれに対して、例えば溶接により固定されている。セル要素6の正極、負極は接続端子4によって実装される基板の実装用パターンに電気的に接続されることになる。
On the other hand, the
(ベース容器2)
ベース容器2は上方を開口部とした箱体状のセラミックからなる容器であって、長方形状のベース底部2aと、ベース底部2aの外縁に立設された長方形枠状のベース周壁部2bを有している。このベース容器2の大きさは、一辺が5〜20mm程度、高さは1〜3mm程度とすることができる。図2(a)、(b)は、それぞれベース容器2のベース内底面2cとベース下面2dを示す図である。図2(a)に示すベース内底面2cには、導電性材料からなる一対のパッド膜5が配置されている。パッド膜5の下面には、破線で示されるビア配線3がそれぞれ4個隣接して設けられ、これらビア配線3はそれぞれベース下面2dに配置された接続端子4(同じく破線で示す)に接続されている。
(Base container 2)
The
なお、ベース容器2の構成材料としては、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が挙げられるが、構成材料はこれに限らない。ソーダライムガラスや耐熱ガラスなども使用可能である。ガラスは素材として長尺のものが利用できるので、小型のパッケージの場合は、1枚のガラスに多くの取り個数を設定することができ、ベース部材の低コスト化が期待できる。
本実施形態のベース容器2は、例えば、長方形状に打ち抜かれたベース底部2a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ベース周壁部2b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。なお、ベース底部2bに対応するセラミックグリーンシートにパンチングによりあらかじめ孔を開けることにより貫通孔を形成することができ、この貫通孔を利用してビア配線3を形成することができる。
The constituent material of the
In the
(ビア配線3)
ビア配線3は、ベース容器2のベース内底面2cからベース下面2dにかけて形成された配線である。このビア配線3は、まず、ベース底部2aに、ベース内底面2cとベース下面2dとを略垂直に貫通して接続する貫通孔を設け、貫通孔にタングステンなどの金属の配線用ペーストを充填することにより形成される。また、ビア配線3を形成することにより、貫通孔の気密が満たされている。
なお、ビア配線3に使用する導電性ペーストとして、炭素と樹脂を混合したペーストや、タングステン、モリブデン、ニッケル、金、又はこれら金属の複合材料と樹脂を混合したペーストを用いることができる。
(Via wiring 3)
The via
As the conductive paste used for the via
貫通孔に充填されたペーストは、ベース容器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ビア配線3となる。
なお、前述のとおり、ベース容器2をソーダライムガラスや耐熱ガラスなどのガラス素材で形成する場合、これらのガラスに凹部や貫通孔を形成する手段としては、化学的なエッチング法、サンドブラストのような物理的方法、あるいは高温雰囲気において型を用いて凹部と貫通孔を同時に形成することができる。そして、貫通孔の内面にアルミニウム膜を形成した後、熱膨張係数をマッチングさせたガラスペーストを貫通孔に充填し、脱バインダー及び焼成を実施することにより、気密で導電性を有するビア配線3を形成することができる。このような場合は、ビア配線3が後述する電解液7により溶解するという懸念はない。また、ビア配線3の内面を形成する膜はアルミニウムに限定されることなく、チタンなどのその他の弁金属を含む膜であってよい。
The paste filled in the through hole becomes the via
As described above, when the
(接続端子4)
図2(b)に示すベース下面2dには、パッド膜5に対向するように一対の接続端子4が設けられている。接続端子4は、リフロー処理などにより、実装基板のパターンに設けられたクリームハンダなどで基板に固着される。
本実施形態では、ベース容器2となるセラミックグリーンシートにあらかじめタングステンによる電極のパターンを印刷し、当該セラミックグリーンシートを焼成することにより、接続端子4を形成することができる。また、接続端子4は、印刷法により形成したタングステンのパターンに、ニッケルと金とからなるメッキ膜が施されていることが好ましい。さらに、ベース側面2eの凹部にもタングステンやこれらメッキ材料がパターニングされ、これらが接続端子の一部として機能する。
(Connection terminal 4)
A pair of
In this embodiment, the
(パッド膜5)
パッド膜5は、ベース内底面2cの2箇所に配置される導電性材料からなる略矩形状の膜である。このパッド膜5は、ビア配線3の上端部と電解液7との直接の接触を防止するとともに、セルリード8を溶接により接続するための溶接部分を有している。
なお、本実施形態のパッド膜5は、ベース容器2の長手方向に並置されているが、短辺方向に並置することや、長手方向の対角線方向に並べることも可能である。
パッド膜5は、アルミニウムやチタン等の化学的に安定な弁金属からなる膜であり、電解液7に溶解しにくい材料からなる。これらの膜は、例えば、蒸着、イオンプレーティングやスパッタリングなどの周知の膜形成方法によって設けることができる。これらの方法による場合は、まず、タングステンなどの金属を貫通孔に印刷法等により充填・焼成し、気密なビア配線3を仕上げた後に形成する。真空中で成膜する場合は、例えば、正極及び負極のパッド膜5をそれぞれ構成するように、互いに空間的に分離した2つの開口を持つようにパターニングした金属製等のマスクを準備して、成膜装置のチャンバーの中に収納し、真空排気系で所定の真空度に排気した後、弁金属材料を蒸着させるか、弁金属材料からなるターゲットを物理的にイオンで叩いて弁金属材料を飛ばして、ベース内底面2cに成膜する。これらの成膜法では、成膜の条件が制御し易いので、形成した膜の抵抗率が低く、かつ液体が浸透しにくい高密度な膜が形成できる。
(Pad film 5)
The
In addition, although the pad film |
The
また、アルミニウムの膜はスクリーン印刷法によっても形成可能である。高温では酸化しやすいアルミニウムにおいても、150℃以下の温度で配線パターンを形成可能な技術が開発されている。この方法は印刷法であるので、蒸着法などの薄膜形成技術に比較し、より厚い膜を形成可能であり、数十μmの厚膜も容易に得ることができる。さらに、アルミニウム膜は電気メッキ法により作製することも可能である。ジメチルスルホンと塩化アルミニウムからなるメッキ液を用いて、約40μmの膜厚で形成した膜であれば、表面が平滑で、膜の内部も均一な膜を得ることができる。 The aluminum film can also be formed by screen printing. A technique has been developed that can form a wiring pattern at a temperature of 150 ° C. or lower even for aluminum that is easily oxidized at a high temperature. Since this method is a printing method, a thicker film can be formed and a thick film of several tens of μm can be easily obtained as compared with a thin film forming technique such as a vapor deposition method. Further, the aluminum film can be produced by electroplating. A film formed with a film thickness of about 40 μm using a plating solution comprising dimethylsulfone and aluminum chloride can provide a film having a smooth surface and a uniform film interior.
続いて、パッド膜5の膜厚は5μm以上でかつ100μm以下が望ましい。好ましくは、10μm以上で30μm以下の範囲がより望ましい。膜厚が薄いと膜内部に存在する微細なポーラスが繋がって電解液7がパッド膜の下にあるタングステンのビア配線3に浸透してタングステンの電解腐食を引き起こしやすいこと、及び、後述のように、溶接でセルリード8と接続される場合、溶接の条件が極めて限定され、信頼性ある接合の実現が難しくなることによる。ここで、厚さ約1.3mmのソーダライムガラス板に、パッド膜5として厚み5μmのアルミニウム膜をイオンプレーティング法により形成したのち、厚み80μmのアルミニウムの薄板を超音波溶接で溶接させる実験を実施した。
この結果、セルリード5個中1個のサンプルにおいて、ガラス板に微小なクラックを発生することが認められた。従って、5μmはパッド膜5の膜厚としては実用上の下限値であると推定できる。実用的にパッド膜5の膜厚を10μm以上とすることが望ましい。
Subsequently, the film thickness of the
As a result, it was confirmed that a minute crack was generated in the glass plate in one sample out of five cell leads. Therefore, it can be estimated that 5 μm is a practical lower limit for the thickness of the
(セル要素6)
続いて、セル要素6について説明する。セル要素6は、厚み5μm〜100μmのアルミニウム箔を集電体とし、その表面に活物質を含む炭素材料の層を設けた正負の一対の電極シートを、絶縁物からなるセパレータを挟んで巻回、積層、折畳みなどの手法で一体化した発電要素である。
本実施形態のセル要素6は、後述するようにアルミニウム集電体の表面部分にアルミニウムと炭素の化合物を含む介在層が形成され、前記介在層から外側に向かって延在する第2の表面部分に複数の炭素粒子が固定された導電層を炭素材料の層に有する特殊な構造を電極シートに備えている。また、この電極シートは導電層上に活物質層が形成されていることが好ましい。さらに、導電層は活物質を含んでいてもよい。導電層に活物質を含む場合は活性炭を含むことが好ましい。活物質を含む導電層を有する電極シートを形成することにより、電気化学セルの容量を大きくすることができる。この場合でも、リフローはんだの熱を受けてもアルミニウム集電体表面における炭素粒子の密着性が低下し難いため、耐熱性の高い電気化学セルとすることができる。
この電極シートは、例えばWO2004/087984等を参照して製作することができる。具体的には、アルミニウム箔の表面に炭素粒子を塗布した後、炭化水素雰囲気中で300〜650℃程度に加熱することで得ることができる。
この熱処理によりアルミニウム箔の表面にアルミニウムと炭素の化合物を生成させることができ、このアルミニウムと炭素の化合物により炭素粒子をアルミニウム箔表面に固定することができる。より具体的には東洋アルミニウム株式会社製トーヤルカーボ(登録商標)を用いることができる。アルミニウムと炭素の化合物は特にアルミニウム炭化物(Al4C3)が好ましい。
(Cell element 6)
Next, the
In the
This electrode sheet can be manufactured with reference to, for example, WO2004 / 089784. Specifically, it can be obtained by applying carbon particles to the surface of the aluminum foil and then heating to about 300 to 650 ° C. in a hydrocarbon atmosphere.
By this heat treatment, a compound of aluminum and carbon can be generated on the surface of the aluminum foil, and the carbon particles can be fixed on the surface of the aluminum foil by the compound of aluminum and carbon. More specifically, Toyal Carbo (registered trademark) manufactured by Toyo Aluminum Co., Ltd. can be used. The aluminum and carbon compound is particularly preferably aluminum carbide (Al 4 C 3 ).
セル要素6を巻回構造とした一例について図4に概略構造を示す。
セル要素6は図4(a)に示すように、炭素粒子の集合体を含む導電層30及びアルミニウム箔の正極集電体31からなるフィルム状の正極体(正極)32と、炭素粒子の集合体を含む導電層40及びアルミニウム箔の負極集電体41からなるフィルム状の負極体(負極)42と、これら正極体32と負極体42との間に設けられるフィルム状のセパレータ35とが積層されたラミネート構造を有している。即ち、セル要素6は、フィルム状の正極体32と負極体42とが、セパレータ35を介し対向して重ね合わせられ、このラミネート状の積層体が、同方向に巻回されたスパイラル構造とされている。
また、正極集電体31の一部に正極用のセルリード8が接合され、負極集電体41の一部に負極用のセルリード8が接合され、これらがスパイラル構造体の外部に引き出されて図4(a)に示すセル要素6が構成されている。
FIG. 4 shows a schematic structure of an example in which the
As shown in FIG. 4A, the
In addition, the positive
アルミニウム箔として用いるアルミニウムは、特に限定されず、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を広く用いることができる。本実施形態で用いられるアルミニウムは、その組成として、鉛(Pb)、珪素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ニッケル(Ni)およびホウ素(B)の少なくとも1種の合金元素を必要範囲内において添加したアルミニウム合金、または、不可避的不純物元素を含有したアルミニウムも含む。 Aluminum used as the aluminum foil is not particularly limited, and pure aluminum or an aluminum alloy can be widely used. Aluminum used in the present embodiment has a composition of lead (Pb), silicon (Si), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), magnesium (Mg), chromium (Cr), zinc ( Zn alloy, titanium (Ti), vanadium (V), gallium (Ga), nickel (Ni), and aluminum alloy to which at least one alloy element is added within the necessary range, or an inevitable impurity element Including aluminum containing selenium.
アルミニウム箔の厚みは、特に限定されないが、5μm以上100μm以下の範囲とすることができ、例えば、5μm以上20μm以下の範囲内とすることができる。
炭素材料の層の厚みは0.01μm以上200μm以下の範囲とすることができ、例えば、0.3μm以上50μm以下の範囲とすることができる。
正極集電体31と導電層30との関係は図4(b)に拡大して示す構造とされている。すなわち、正極集電体31の表面部分に炭素粒子の集合体を含む導電層30が形成され、正極集電体31と導電層30との間に介在層33が形成されている。介在層33は、アルミニウムからなる正極集電体31の表面の少なくとも一部の領域に形成されたアルミニウムと炭素の化合物を含む第1の表面部分を構成している。導電層30は介在層33のアルミニウムと炭素の化合物から外側に向かって伸びるように延在されたアルミニウムと炭素の化合物を含む第2の表面部分34を含む。この第2の表面部分34に複数の炭素粒子36が固定されて、導電層30が構成されている。この導電層30は、図4(a)に示すように正極集電体31の一つの面に形成されていても良く、両面に形成されていても良い。
また、本実施形態において、炭素粒子36を表面に形成した導電層30上に、活性炭、導電助剤、バインダーからなる活物質層が必要な厚さ(例えば30μm程度)形成されることが好ましい。
負極集電体41と導電層40との関係も同様に、負極集電体41の表面に介在層(第1の表面部分)33が形成され、その上に第2の表面部分34が形成され、第2の表面部分34に複数の炭素粒子36が固定されて導電層40が構成されている。この導電層40上にも活性炭、導電助剤、バインダーからなる活物質層が必要な厚さ(例えば30μm程度)形成されることが好ましい。また、導電層40は、図4(a)に示すように負極集電体41の一つの面に形成されていても良く、両面に形成されていても良い。
The thickness of the aluminum foil is not particularly limited, but can be in the range of 5 μm to 100 μm, for example, in the range of 5 μm to 20 μm.
The thickness of the carbon material layer can be in the range of 0.01 μm to 200 μm, for example, in the range of 0.3 μm to 50 μm.
The relationship between the positive electrode
Moreover, in this embodiment, it is preferable that the active material layer which consists of activated carbon, a conductive support agent, and a binder is formed in the required thickness (for example, about 30 micrometers) on the
Similarly, the relationship between the negative electrode
セパレータ35は、正極体32及び負極体42の直接的な接触を規制するものであり、大きなイオン透過度を有し、所定の機械的強度を有する絶縁膜が用いられる。例えば、耐熱性が求められる環境においては、ガラス繊維の他、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド等の樹脂を用いることができる。また、セパレータの孔径、厚みに関しては、特に限定されるものではないが、使用機器の電流値や、電気化学セル1の内部抵抗に基づいて決定される。また、セラミックスの多孔質体をセパレータとして用いることも可能である。
なお、図4(a)に示すセル要素6の構成は、巻回型のセル要素の一般例であるが、セル要素は積層型、折り畳み型等、いずれの構成を採用しても良い。
The
The configuration of the
(電解液7)
電解液7は、スルホラン(SL)とエチルメチルスルホン(EMS)を含む混合溶媒に支持塩を溶解した混合電解液を用いることが好ましい。
スルホラン(SL)は環状スルホンの一つであり、誘電率が高く支持塩を多く溶解させることにより導電性の良好な電解液とすることができる。このSLは沸点が高く、耐酸化性が強いことから、電気化学セルの電解液の主溶媒として用いることができる。また、エチルメチルスルホン(EMS)は鎖状スルホンの一つである。このEMSを融点の高いスルホラン(SL)と混合して電解液の溶媒として用いることにより、スルホラン(SL)のみの溶媒よりも粘性を低下させることができる。
支持塩は、4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩などが挙げられる。より具体的には、4級アンモニウム塩の内、脂肪鎖のみを有する化合物としては、例えば、トリエチルメチルアンモニウム(TEMA)塩、テトラエチルアンモニウム(TEA)塩等が挙げられる。スピロ化合物としては、例えば、5−アゾニアスピロ[4,4]ノナンテトラフルオロボレート(スピロ−(1,1’)−ビピロリジニウム:SBP−BF4)、6−アゾニアスピロ[5,5]ウンデカンテトラフルオロボレート、3−アゾニアスピロ[2,6]ノナンテトラフルオロボレート、4−アゾニアスピロ[3,5]ノナンテトラフルオロボレート等が挙げられる。また、4級ホスホニウム塩としては、5−ホスホニルスピロ[4,4]ノナンテトラフルオロボレートが挙げられる。
支持塩としては、4級アンモニウム塩が好ましく、スピロ化合物がより好ましく、5−アゾニアスピロ[4,4]ノナンテトラフルオロボレートがさらに好ましい。4級アンモニウム塩のスピロ化合物は電気伝導率が高いため、放電容量を増大できる。
(Electrolytic solution 7)
As the
Sulfolane (SL) is one of cyclic sulfones, and has a high dielectric constant. By dissolving a large amount of the supporting salt, it is possible to obtain an electrolyte with good conductivity. Since this SL has a high boiling point and strong oxidation resistance, it can be used as the main solvent of the electrolyte solution of the electrochemical cell. Ethyl methyl sulfone (EMS) is one of chain sulfones. By mixing this EMS with sulfolane (SL) having a high melting point and using it as a solvent for the electrolyte, the viscosity can be lowered as compared with a solvent containing only sulfolane (SL).
Examples of the supporting salt include quaternary ammonium salts and quaternary phosphonium salts. More specifically, examples of the compound having only a fatty chain in the quaternary ammonium salt include triethylmethylammonium (TEMA) salt and tetraethylammonium (TEA) salt. Examples of the spiro compound include 5-azonia spiro [4,4] nonanetetrafluoroborate (spiro- (1,1 ′)-bipyrrolidinium: SBP-BF4), 6-azoniaspiro [5,5] undecanetetrafluoroborate, 3 -Azonia spiro [2, 6] nonane tetrafluoroborate, 4-azonia spiro [3, 5] nonane tetrafluoroborate, etc. are mentioned. Examples of the quaternary phosphonium salt include 5-phosphonyl spiro [4,4] nonanetetrafluoroborate.
As the supporting salt, a quaternary ammonium salt is preferable, a spiro compound is more preferable, and 5-azonia spiro [4,4] nonanetetrafluoroborate is more preferable. Since the quaternary ammonium salt spiro compound has high electrical conductivity, the discharge capacity can be increased.
電解液7は、例えば、支持塩13〜43質量%、残部溶媒の組成であり、残部溶媒質量比率において、スルホラン(SL):60〜90質量%、エチルメチルスルホン(EMS):10〜40質量%の組成を有する電解液であることが好ましい。なお、本実施形態において質量%の上限と下限を13〜43質量%のように表記する場合、特に注記しない限り、上限と下限を含むこととする。よって、13〜43質量%は、13質量%以上、43質量%以下を意味する。
例えば、電解液全体の質量に対し質量比(%)において支持塩25質量%、SL:EMS=80質量%:20質量%の割合で混合した電解液を用いることができる。
また、電解液全体の質量に対し支持塩の質量は、20〜30質量%の範囲がより好ましく、22〜27質量%の範囲が更に好ましい。
また、溶媒全体に対する各成分の質量比については、SL:75〜85質量%、EMS:15〜25質量%の範囲がより好ましい。
The
For example, it is possible to use an electrolytic solution in which the supporting salt is 25% by mass and SL: EMS = 80% by mass: 20% by mass in a mass ratio (%) with respect to the total mass of the electrolytic solution.
The mass of the supporting salt is more preferably in the range of 20 to 30% by mass, and still more preferably in the range of 22 to 27% by mass with respect to the total mass of the electrolytic solution.
Moreover, about mass ratio of each component with respect to the whole solvent, the range of SL: 75-85 mass% and EMS: 15-25 mass% is more preferable.
(セルリード8)
セルリード8は、セル要素6から電力を取り出すための端子である。このセルリード8は、集電体そのものを細く延長させた延長部や、別の細く薄い板やワイヤ状のリードを機械的に接続して延長部を形成したものが用いられる。本実施形態のセルリード8は、集電体そのものを延長させたものが望ましく、このセルリード8の一部分である溶接領域8aがパッド膜5の溶接部分5aに溶接により固定される。
本実施形態のセルリード8は、図3(a)、(b)に示すように、セル6をベース容器2の外に置くことができる程度の長さであって、パッド膜5と溶接する際に溶接用チップ20の移動の妨げにならない程度の長さにすることが望ましい。過度に長くすると内部抵抗が増加するからである。なお、セル要素6は、セルリード8とパッド膜5とを溶接した後、ベース容器2の中に収納されるが、この際セルリード8はベース容器2の内部で折りたたまれる。また、セルリード8を折りたたむ際は、セル要素6のショートを回避するため、セルリード8がシールリング9に混触しないように注意する必要がある。
(Cell Lead 8)
The
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
(シールリング9)
シールリング9は、図1に示すように、ベース容器2のベース壁部2b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、ベース壁部2bの上端面にロウ材を介して接合されている。このシールリング9は、熱膨張係数がセラミックの熱膨張係数と近い材料、例えば、鉄・コバルト・ニッケル合金であるコバール(ウェスティングハウス社商品名)などを用いることができる。また、ロウ材は、Ag−Cu合金やAu−Cu合金などから形成されている。
(Seal ring 9)
As shown in FIG. 1, the
(リッド10)
リッド10は、図1に示すように、シールリング9の上面に接合されており、ベース容器2を密封している。リッド10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。具体的には、コバールの0.1mmから0.2mm程度の厚みを有する薄板で、表面には2μmから4μm程度の厚みで電解ニッケルメッキや無電解ニッケルメッキが施されたものが用いられる。このような材料を用いたリッド10は、例えば、抵抗シーム溶接、レーザーシーム溶接などによってシールリング9に溶接することができ、塞がれた状態のベース容器2内部の気密性を向上させる。
(Lid 10)
As shown in FIG. 1, the
リッド10とシールリング9を溶接する方法として用いられる抵抗シーム溶接では、リッド10をシールリング9に当接させた後に、リッド10の長辺側の略中心の2点に、対向した台形形状のローラー電極を配置して低電圧大電流を短時間流し、リッド10の仮溶接(スポット溶接)が行われる。このようにして、リッド10は仮に固定され、溶接作業中の振動等で位置がずれることはない。
続いて、例えば、長辺の端からローラー電極で長辺がなぞられるようにベース容器2とリッド10が移動して溶接される。次に、ベース容器2とリッド10は90度回転され、同様に短辺が溶接される。このようにして、リッド10の一周に亘って溶接が行われる。前述した仮固定においても、本抵抗シーム溶接においても、リッド10とシールリング9との界面で、金とニッケルの拡散が発生し、気密で強固な拡散接合層が形成される。これにより、リッド10は、ベース容器2を高い気密性でもって封止する。
In resistance seam welding used as a method of welding the
Subsequently, for example, the
リッド10とシールリング9の溶接は、レーザーの走査照射を用いても可能である。仮溶接を前述と同様に実施した後、レーザーを、リッド10を一周するように走査照射する。これにより、リッド10とシールリング9の界面で拡散接合層が形成される。この場合、リッド10の接合側の面に銀と銅からなるロウ材のシートを貼ることにより、溶融温度をロウ材の温度まで低下させることも可能である。
なお、電解液7が常温で液体状の溶媒や支持塩からなり、リッド10を封止する前に電解液7を充填する工程を採用する場合は、液体がリッド10とシールリング9の界面に存在する場所があり得る。このような場合でも、シーム溶接を用いた接合は可能である。
シーム溶接は、ローラー電極を使用するものでも、レーザーの走査照射を用いるものでもかまわない。
前記界面に液体が存在しても気密な溶接が可能となるのは、界面に存在する液体は、溶接時に近傍の温度が急激に上昇するので蒸発して飛散することによるものと考えられる。なお、シールリング9を使用せず、ベース容器2の上端面とリッド10とをロウ材を介して接合させてもよい。
The
In addition, when the
Seam welding may be performed using a roller electrode or using laser scanning irradiation.
The reason why airtight welding is possible even if liquid exists at the interface is considered to be that the liquid present at the interface evaporates and scatters because the temperature in the vicinity of the liquid increases rapidly during welding. Note that the upper end surface of the
以上のように構成された電気化学セル1は、セル要素6を構成するアルミニウムからなる集電体31、41上にアルミニウムと炭素の化合物により炭素粒子を固定した導電層30、40を備えた正極体32、負極体42を備えているので、アルミニウムの集電体31、41と炭素材料の層の導電層30、40との良好な密着性を有し、アルミニウムの集電体31、41と炭素材料の層の導電層30、40との界面抵抗の増加を抑制できる。このため、アルミニウムの集電体上に直接、活物質や導電助剤、バインダーなどを含むスラリーを塗工していた従来構造の電気化学セルよりも導電性と容量密度を高めた電気化学セル1を提供できる。また、アルミニウムの集電体31、41と炭素材料の層の導電層30、40との良好な密着性はリフローはんだの熱を受けても低下するおそれが少ないので、セル要素6をベース容器2の中に収容し、ベース容器2に配線を有した小さな素子形状であっても信頼性の高いリフローはんだ付けが可能な電気化学セル1を提供できる。
The electrochemical cell 1 configured as described above includes a positive electrode including
本実施形態の電気化学セルは、支持塩13〜43質量%、残部溶媒の組成であり、残部溶媒質量比率において、スルホラン:60〜90質量%、エチルメチルスルホン:10〜40質量%の組成を有する電解液7を備えるので、導電性および容量密度が高く充電特性に優れた電気化学セル1を提供できる。前記組成の電解液は、2.5V耐電圧にするための電解液として望ましく、更に高い電圧の充電にも耐えるとともに、長期保存安定性に優れる特徴を有する。長期保存安定性については、70℃や85℃の高温安定性にも優れる特徴を有する。
セル要素6を収容したベース容器2をリッド10でレーザー溶接やシーム溶接あるいはロウ付けなどの方法で封止する場合、封止のための熱がリッド近くの非水電解液に伝わったとしても、非水電解液が蒸発し難く、非水電解液の変質による抵抗上昇の生じ難い電気化学セル1を提供できる。
また、前記電解液であるならば、3V耐電圧を確保することができるので、従来の2.5V耐電圧の電気化学セルを2個直列で用いる用い方に替えて、昇圧回路を用いてシングルセルとすることが可能となる。これにより、実装スペースを少なくできる効果を奏する。
The electrochemical cell of this embodiment has a composition of 13 to 43% by mass of the supporting salt and the remaining solvent, and the composition of sulfolane: 60 to 90% by mass and ethylmethylsulfone: 10 to 40% by mass in the remaining solvent mass ratio. Since the
When the
Moreover, if it is the said electrolyte solution, since 3V withstand voltage can be ensured, it replaces with the usage which uses the conventional electrochemical cell of 2.5V withstand voltage two in series, and uses a booster circuit and is single. It becomes possible to make a cell. Thereby, there is an effect that the mounting space can be reduced.
本発明に係る電気化学セルの第2実施形態について図5を用いて説明する。
図5に示す電気化学セル15では、ビア配線3をベース内底面2cからベース下面2dに直接貫通させたものではなく、ビア配線3をベース底部2aを構成する2枚の板であるベース第1底部2fとベース第2底部2gとの界面で止めた構造になっている。この界面には、配線パターン18が設けられている。配線パターン18は、ビア配線3と接続し、水平に延出して外面に露出し、更に接続端子4に接続した構成である。
パッド膜5は、前述した第1実施形態と同様に、アルミニウム膜が5μmから100μmの厚みで形成されたものである。セル要素6に接続する一対のセルリード8は、パッド膜5に溶接で接続されている。また、電解液7が充填された後、ベース容器2はリッド10によって気密に封止され、外装容器を構成している。
A second embodiment of the electrochemical cell according to the present invention will be described with reference to FIG.
In the
The
図5に示す電気化学セル15において、その他の構成は先の第1実施形態の電気化学セル1と同等である。
図5に示す構成の電気化学セル15においても、先の電気化学セル1と同様に、導電性と容量密度が高く、小さな素子形状であっても信頼性の高い電気化学セル15を提供できる。また、導電性および容量密度が高く充電特性に優れ、気密封止構造であっても非水電解液の変質による抵抗上昇の生じ難い電気化学セル15を提供できる。更に、高い電圧の充電に耐え、長期保存安定性に優れる電気化学セルを提供できる。
The other configuration of the
Also in the
本発明に係る電気化学セルの第3実施形態について図6を用いて説明する。
図6に示す電気化学セル16では、セラミックスの平板のみからなるベース容器2と、凹状の形状からなる金属製のキャビティ型リッド10aから外装容器を構成したものであり、図6は電気化学セル16の断面を示している。外装容器の内部には、先の実施形態と同様に、セル要素6と、一対のセルリード8と、電解液7とが収納され、セルリード8とベース容器2に形成されたパッド膜5とは溶接により接続されている。
A third embodiment of the electrochemical cell according to the present invention will be described with reference to FIG.
In the
図6に示すように、キャビティ型リッド10aは、セル要素6等を覆うように、その開口部をベース容器2の周囲に設けられたシールリング9に当接させて溶接されている。この溶接には、レーザーによるシーム溶接が好ましい。また、シーム溶接を行う際は、図6の矢印方向からレーザーを走査照射する。ローラー電極を用いた抵抗シーム溶接では、ローラー電極がキャビティ型リッド10aの段差に接触しやすく、ローラー電極を接合部に適切に当接させることが難しくなる。
キャビティ型リッド10aでは、キャビティ型リッド10aの底面部(図中では上端部)に小孔を設けている。これは、ベース容器2とキャビティ型リッド10aを溶接した後に、電解液7をこの小孔から充填し、その後に封止栓10bを用いて気密に封止できるように意図されたものである。
これにより、シールリング9とキャビティ型リッド10aの接合面との間に電解液7が存在することによる、封止作業の能率低下を防ぐことができる。ベース容器2の内側面に形成されるパッド膜5の材料やその厚みの範囲、ビア配線3の構造やその個数、セルリード8とパッド膜5との接合手段は、前述と同様であるので記載を省略する。
As shown in FIG. 6, the
In the cavity-
Thereby, the efficiency fall of the sealing work by the
図6に示す電気化学セル16において、その他の構成は先の第1実施形態の電気化学セル1と同等である。
図6に示す構成の電気化学セル16においても、先の電気化学セル1と同様に、導電性と容量密度が高く、小さな素子形状であっても信頼性の高い電気化学セル16を提供できる。また、導電性および容量密度が高く充電特性に優れ、気密封止構造であっても非水電解液の変質による抵抗上昇の生じ難い電気化学セル16を提供できる。また、導電性および容量密度が高く充電特性に優れ、気密封止構造であっても非水電解液の変質による抵抗上昇の生じ難い電気化学セル16を提供できる。更に、高い電圧の充電に耐え、長期保存安定性に優れる電気化学セル16を提供できる。
The other configuration of the
Also in the
本発明に係る電気化学セルの第4実施形態について図7を用いて説明する。
図7(a)に、第4実施形態で用いるベース容器2を示した。本実施形態では、ベース容器2が、セラミックス製の平板と、平板に接合された金属製の筒状の金属側壁12から構成されており、これによって凹状の容器を成している。ベース容器2のベース内底面2cには、ベース底部2aを直接貫通するビア配線3が設けられ、その上にパッド膜5が一対配置されている。金属製の金属側壁12は、熱膨張率がベース容器2とマッチングするように選択され、平板にロウ材で接合されている。
一方、ベース容器2において反対側の開口部は、リッド10の接合面を形成している。本変形例では、リッド10を封止するための第1実施形態のシールリング9は不要であり、金属側壁12それ自体がシールリング9の役割も果たしている。そのため、金属側壁12において少なくともリッド10と接合する面には、ニッケルと金のメッキ膜が施されており、リッド10は、メッキ面に当接されて、抵抗シーム溶接やレーザーシーム溶接を用いて接合が可能なように構成されている。
A fourth embodiment of the electrochemical cell according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 7A shows the
On the other hand, the opening on the opposite side of the
図7(b)は、平板状のベース容器2を用いた電気化学セル17の断面図を示す。セル要素6に接続する一対のセルリード8が溶接手段でパッド膜5に接続され、ビア配線3によって、接続端子4に接続されている。外装容器内には、電解液7が充填されて、リッド10により気密に封止されている。パッド膜の材質やその厚みは前述と同様である。金属側壁12は、金属製であるので、様々な形状に加工することが可能である。またその形状は、角、トラック形状、楕円、円等の選択が可能である。特に、規格品の中空パイプを任意の長さで切断して用いると、電気化学セル17の高さが自由に決定することができる上、製造コストの低減を図ることができる。
図7(c)に示す電気化学セル17では、図7(b)と同様に金属側壁12を用いているが、パッド膜5は正極側にのみ形成されている。正極セルリード8bはパッド膜5に超音波溶接で接続される一方で、負極セルリード8cは、金属側壁12の内側に溶接で接続されている。金属側壁12が金属製で、かつ、電流の流れる経路が大きいので、負極側の配線抵抗値は低く抑えられる。従って、本実施の形態の電気化学セル17は大電流放電が可能となる。
FIG. 7B shows a cross-sectional view of the
In the
図7に示す電気化学セル17において、その他の構成は先の第1実施形態の電気化学セル1と同等である。
図7に示す構成の電気化学セル17においても、先の電気化学セル1と同様に、導電性と容量密度が高く、小さな素子形状であっても信頼性の高いリフローはんだ付けが可能な電気化学セル17を提供できる。また、導電性および容量密度が高く充電特性に優れ、気密封止構造であっても非水電解液の変質による抵抗上昇の生じ難い電気化学セル17を提供できる。更に、高い電圧の充電に耐え、長期保存安定性に優れる電気化学セル17を提供できる。
The other configuration of the
Also in the
図1(a)、(b)に示す凹形状のベース容器2とリッド10を準備した。ベース容器2は長辺10mm、短辺8mm、高さ1.8mm、底壁の厚み0.38mmのアルミナからなる箱型の容器を用いた。
ベース容器2は、セラミックグリーンシートに長方形枠状に打ち抜いた壁部2bに対応するセラミックグリーンシートを貼り合わせ、約1500℃で焼成することにより形成した。ビア配線3は外径0.2mmのものをベース内底面2cとベース下面2dを直接貫通するように正極側と負極側にそれぞれ4個ずつ設けた。ビア配線3の表面にニッケルと金のめっきを施した。ベース下面2dには一対の接続端子4を配置し、ビア配線3に接続した。接続端子4にはニッケルを下地とした金めっきを施した。
A
The
次に、ベース内底面2cに、アルミニウムの蒸着膜からなる一対のパッド膜5を形成した。パッド膜5の寸法は、短辺2.4mm、長辺3mmで厚みは約15μmである。一方、リッド10は、長辺9mm、短辺7mm、厚み0.125mmのコバール板を準備し、表面に電解ニッケルメッキを施した。
続いてセル要素6の準備を行う。
実施例1では、20μmの厚みを持つアルミニウム箔からなる集電体表面にアルミニウム炭化物(Al4C3)で炭素粒子を固定した東洋アルミニウム株式会社製トーヤルカーボ(登録商標)を用いて、その表層に粒子径6μmの活性炭85質量%、導電助剤(ケッチェンブラック、8質量%)及びバインダー(ポリテトラフルオロエチレン、7質量%)及び増粘剤からなる厚み30μmの活物質層を片面に塗工したシート電極を作製した。実施例2では、20μmの厚みを持つアルミニウム箔からなる集電体にアルミニウム炭化物(Al4C3)で粒子径6μmの活性炭を含む厚み10μmの活物質層を片面に固定した電極シートを作製した。
これらのシート電極を適切な長さに切断した後、その一端に、厚みが80μmで幅が1.5mm、長さ4mmのアルミニウムの薄板を超音波溶接で取り付けてセルリード8とした。セルリード8が溶接された正極及び負極一対のシート電極に、PTFE/ガラス/PPA/ナイロン/PEEK/PBT(PTFE:ポリテトラフルオロエチレン、PPA:ポリフタルアミド、PEEK:ポリエーテルエーテルケトン、PBT:ポリブチレンテレフタレート)なる積層構造のセパレータを挟持させた後、巻芯を入れて、トラック状に巻回した。その後、巻芯を取り出し、隙間を軽くつぶして巻回型のセル要素6とした。
Next, a pair of
Subsequently, the
In Example 1, Toyo Carbo (registered trademark) manufactured by Toyo Aluminum Co., Ltd., in which carbon particles were fixed with aluminum carbide (Al 4 C 3 ) on the surface of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, was used for the surface layer. An active material layer with a thickness of 30 μm consisting of 85% by mass of activated carbon having a particle size of 6 μm, a conductive additive (Ketjen black, 8% by mass), a binder (polytetrafluoroethylene, 7% by mass) and a thickener is coated on one side. A sheet electrode was prepared. In Example 2, an electrode sheet in which an active material layer having a thickness of 10 μm including activated carbon having a particle diameter of 6 μm made of aluminum carbide (Al 4 C 3 ) on a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm was prepared on one side. .
After cutting these sheet electrodes to an appropriate length, a
続いて、超音波溶接を行う。先に準備したベース容器2のパッド膜5の表面に、セルリード8を密着させて位置決めした。超音波溶接は、セルリード8を片方ずつ行った。超音波溶機の発振周波数は40kHzとした。溶接ホーンは鉄製であり、同じ材料からなる超音波溶接用チップ20はホーンの先端に一体型に設けられている。超音波溶接用チップ20の表面には、2.0×1.5mmの領域に、0.2mmピッチの千鳥格子状の凹凸パターン(ナール)を設けた。山の高さと谷底の差は0.2mmである。溶接のモードは、溶接中にセルリード8に供給するエネルギーを制御するモードとし、溶接エネルギーの設定値を0.5〜100Jの範囲とし、溶接時間を50〜2000msecの範囲とした。超音波溶接用チップ20が、エアー機構によりアルミニウムからなるセルリード8の表面に降下した後、セルリード8の表面に食い込んで、セルリード8とパッド膜5の界面の間で振動することにより溶接が行われる。
Subsequently, ultrasonic welding is performed. The cell leads 8 were brought into close contact with the surface of the
超音波溶接終了後、セルリード8を折りたたむようにしてセル要素6をベース容器2の中に収納した。この時に、セルリード8がシールリング9に接触しないように注意した。電気化学セルのショートを回避するためである。
次に、セル要素6が収納されたベース容器2を、液体の電解液7の中に浸漬させ、1分間真空脱泡した。ここで、電解液7の支持塩はSBP・BF4(5−アゾニアスピロ[4.4]ノナン テトラフルホロボラート)を用い、非水溶媒としてスルホラン(SL)とエチルメチルスルホン(EMS)の混合液を以下の割合で作製し、混合電解液として用いた。混合の割合は、電解液全体の質量に対し質量比において支持塩25質量%、残部溶媒の組成を有し、溶媒においてSL:80質量%、EMS:20質量%の割合で含有する電解液としている。
After the ultrasonic welding was completed, the
Next, the
続いて、大気圧に戻して、電解液7中からセル要素6が収納されたベース容器2を取り出した後に、窒素雰囲気下でリッド10をシールリング9に当接し、長辺側の2点の仮溶接を行い、続いて長辺側と短辺側をこの順に連続して抵抗シーム溶接を行いベース容器2を気密に封止した。このようにして本実施例の電気化学セルを作製した。
作製した電気化学セルの電気特性試験を行った。
Subsequently, after returning to atmospheric pressure and taking out the
The electrical characteristics of the produced electrochemical cell were tested.
また、比較のために、前記製造工程においてシート電極を作製する場合に、20μmの厚みを持つアルミニウムからなる集電体の表面に実施例1と同様に粒子径6μmの活性炭85質量%、導電助剤(ケッチェンブラック、8質量%)、バインダー(ポリテトラフルオロエチレン、7質量%)及び増粘剤からなる厚み30μmの活物質層を片面に塗工した比較用のシート電極を作製し、前記ベース容器2に上述と同じ方法で収容し、リッド10で封止した比較例1の電気化学セルを作製した。
得られた各電気化学セルについてリフローはんだに対する耐性を評価するために、全体を260℃に5秒間保持するリフローはんだテストを行い、リフローはんだテスト前後の内部抵抗(Ω)を測定し、その前後の変化率(リフロー前後変化率)について算出した。
内部抵抗は交流1kHzにおけるインピーダンスを測定することにより求めた(以下に示す内部抵抗の測定も同様である)。この結果を以下の表1と図8に記載する。
For comparison, when a sheet electrode is manufactured in the manufacturing process, 85% by mass of activated carbon having a particle diameter of 6 μm and a conductive assistant on the surface of a current collector made of aluminum having a thickness of 20 μm are used. A sheet electrode for comparison, in which an active material layer having a thickness of 30 μm composed of an agent (Ketjen Black, 8% by mass), a binder (polytetrafluoroethylene, 7% by mass) and a thickener is applied on one side, An electrochemical cell of Comparative Example 1 was produced that was accommodated in the
In order to evaluate the resistance to reflow soldering for each obtained electrochemical cell, a reflow soldering test was performed by holding the whole at 260 ° C. for 5 seconds, and the internal resistance (Ω) before and after the reflow soldering test was measured. The rate of change (rate of change before and after reflow) was calculated.
The internal resistance was determined by measuring the impedance at an alternating current of 1 kHz (the same applies to the measurement of the internal resistance described below). The results are shown in Table 1 below and FIG.
表1と図8に示す結果から明らかなように、本発明に係るアルミニウム炭化物(Al4C3)で炭素材料の層を担持した構造のシート電極を備えた電気化学セル(電気二重層キャパシタ)はリフローはんだの加熱環境に晒されたとしても、比較例1が示す従来構造に比べ内部抵抗の上昇が小さく、劣化が極めて少ないことが判明した。このため本発明に係る電気化学セルはリフローはんだの工程に耐えることができ、電気化学セルとしての内部抵抗の上昇を抑制できることがわかる。 As is apparent from the results shown in Table 1 and FIG. 8, an electrochemical cell (electric double layer capacitor) having a sheet electrode having a structure in which a layer of a carbon material is supported by aluminum carbide (Al 4 C 3 ) according to the present invention. Even when exposed to the reflow soldering heating environment, it was found that the increase in internal resistance was small compared to the conventional structure shown in Comparative Example 1, and the deterioration was extremely small. Therefore, it can be seen that the electrochemical cell according to the present invention can withstand the process of reflow soldering and can suppress an increase in internal resistance as an electrochemical cell.
次に、前述の実施例1、実施例2と同等構造の電気化学セルと比較例1と同等構造の電気化学セルに対し、充電電圧3.0V/充電電流10mAで10分間充電後、放電電流1mA、放電終止電圧は2.0Vの条件にて放電時間(sec)を計測した。また、先の例と同等のリフローはんだテストを実施し、リフローはんだテスト前後の放電時間(sec)を計測し、その前後の変化率(リフロー前後変化率)について算出した。この結果を以下の表2と図9に記載する。 Next, the electrochemical cell having the same structure as that of Example 1 and Example 2 and the electrochemical cell having the same structure as that of Comparative Example 1 were charged at a charging voltage of 3.0 V / a charging current of 10 mA for 10 minutes, and then discharged. The discharge time (sec) was measured under the condition of 1 mA and a discharge end voltage of 2.0V. Moreover, the reflow solder test equivalent to the previous example was implemented, the discharge time (sec) before and after the reflow solder test was measured, and the rate of change before and after (reflow rate before and after reflow) was calculated. The results are shown in Table 2 below and FIG.
表2と図9に示す結果から明らかなように、本発明構造のシート電極を備えた電気化学セルはリフローはんだの加熱環境に晒されたとしても、放電時間の減少が小さく、容量低下が少ないことが判明した。このため本発明に係る電気化学セルはリフローはんだの工程に耐えることができ、電気化学セルとしての容量低下を抑制できることがわかる。 As is apparent from the results shown in Table 2 and FIG. 9, even when the electrochemical cell having the sheet electrode of the present invention structure is exposed to the reflow soldering heating environment, the discharge time is reduced little and the capacity is reduced little. It has been found. For this reason, it can be seen that the electrochemical cell according to the present invention can withstand the process of reflow soldering and can suppress a decrease in capacity as an electrochemical cell.
次に、比較のために、支持塩25質量%、残部溶媒として、溶媒中の質量比、PC(プロピレンカーボネート):EC(エチレンカーボネート):DMC(ジメチルカーボネート)=39質量%:32質量%:29質量%の割合で混合した電解液を用いた他は実施例1と同様である比較例2を作製した。
前述の実施例1と比較例2と同等構造の各電気化学セルについて、先の例と同等のリフローはんだテストを実施し、リフローはんだテスト前後の内部抵抗(Ω)を測定し、その前後の変化率(リフロー前後変化率)を評価した。また、リフローはんだテスト前後の放電時間(sec)とその前後の変化率(リフロー前後変化率)について評価した。これらの結果を以下の表3、表4、図10、図11に記載する。
Next, for comparison, the supporting salt is 25% by mass, the remaining solvent is the mass ratio in the solvent, PC (propylene carbonate): EC (ethylene carbonate): DMC (dimethyl carbonate) = 39% by mass: 32% by mass: Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution mixed at a ratio of 29% by mass was used.
For each electrochemical cell having the same structure as Example 1 and Comparative Example 2 described above, the reflow solder test equivalent to the previous example was performed, the internal resistance (Ω) before and after the reflow solder test was measured, and the change before and after that The rate (rate of change before and after reflow) was evaluated. Further, the discharge time (sec) before and after the reflow solder test and the rate of change before and after (reflow rate before and after reflow) were evaluated. These results are shown in the following Table 3, Table 4, FIG. 10, and FIG.
表3と図10に示す結果からは、リフローはんだテスト前後の内部抵抗の変化率(リフロー前後変化率)について、SLを主溶媒とする実施例1はPC及びECを主溶媒とする比較例2よりも内部抵抗は高いものの、リフロー前後変化率は少し小さい結果が得られた。また、表4と図11に示す結果からは、3.0−2.0Vにおけるリフローはんだテスト前後の放電時間の変化率について、耐電圧性の高いSL系電解液を使用している実施例1では、比較例2よりもリフローによる放電時間の低下が小さかった。このように、初期の電気的特性(内部抵抗、容量)について、SL系電解液を使用する場合、特に高電圧帯における特性に優れていることが分かった。 From the results shown in Table 3 and FIG. 10, regarding the rate of change in internal resistance before and after the reflow solder test (rate of change before and after reflow), Example 1 in which SL is the main solvent is Comparative Example 2 in which PC and EC are the main solvents. Although the internal resistance was higher than that, the rate of change before and after reflow was slightly smaller. Further, from the results shown in Table 4 and FIG. 11, Example 1 using an SL-based electrolyte with high voltage resistance with respect to the change rate of the discharge time before and after the reflow solder test at 3.0 to 2.0 V. Then, the fall of the discharge time by reflow was smaller than the comparative example 2. Thus, it was found that the initial electrical characteristics (internal resistance, capacity) are excellent particularly in the high voltage band when the SL electrolyte is used.
<保存特性評価>
次に、実施例1と比較例2と同等構造の電気化学セルを用い、60℃において充電電圧を3.0Vに設定した場合、及び、85℃において充電電圧2.5Vに設定した場合の経過日数に応じた容量維持率(HTV(保存特性)での容量維持率)を表5、表7、図12、図14に示し、内部抵抗上昇率(HTV(保存特性)での内部抵抗上昇率)を表6、表8、図13、図15に示す。これらの試験は高温保存下において電圧印加を行っているフローティング試験に相当する。
<Evaluation of storage characteristics>
Next, when an electrochemical cell having the same structure as in Example 1 and Comparative Example 2 is used, the charging voltage is set to 3.0 V at 60 ° C., and the charging voltage is set to 2.5 V at 85 ° C. The capacity maintenance rate (capacity maintenance rate at HTV (storage characteristics)) according to the number of days is shown in Table 5, Table 7, FIG. 12, and FIG. 14, and the internal resistance increase rate (internal resistance increase rate at HTV (storage characteristics)) ) Are shown in Table 6, Table 8, FIG. 13, and FIG. These tests correspond to floating tests in which voltage is applied under high temperature storage.
比較例2の電気化学セルは保存日数の経過に伴い内部抵抗が大幅に上昇し、容量維持率が大幅に低下する。これに対し、実施例1の電気化学セルは保存温度60℃/充電電圧3.0Vの場合、保存温度85℃/充電電圧2.5Vの場合のいずれにおいても内部抵抗上昇率が小さく、容量維持率の低下も殆ど発生していない。
このため、実施例1の電気化学セルは日数が経過しても内部抵抗上昇率が低く、日数が経過しても容量維持率が高いことがわかる。
以上の結果から、アルミニウム炭化物(Al4C3)で炭素材料の層を担持した構造のシート電極をセル要素に備え、さらに、望ましい割合のスルホラン(SL)とエチルメチルスルホン(EMS)の混合溶媒を用いた電解液を適用した電気化学セルは、従来の塗布型電極を備えた電気化学セル、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒を用いた電気化学セルに比べて優位性が明らかになった。即ち、実施例3、4の電気化学セルは3Vでの充電が可能となり、耐電圧性に優れ、高容量を得ることができ、耐熱性にも優れた特徴を有する。
また、アルミニウム炭化物(Al4C3)で炭素材料の層を担持した構造のシート電極を備えた電気化学セルはリフローはんだの加熱環境に晒されたとしても、塗布型の従来電極構造に比べ内部抵抗の上昇が小さいことが判明した。
In the electrochemical cell of Comparative Example 2, the internal resistance greatly increases with the passage of storage days, and the capacity retention rate significantly decreases. On the other hand, the electrochemical cell of Example 1 has a small internal resistance increase rate in both the storage temperature of 60 ° C./charge voltage of 3.0 V and the storage temperature of 85 ° C./charge voltage of 2.5 V, and the capacity is maintained. There is almost no decrease in rate.
For this reason, it can be seen that the electrochemical cell of Example 1 has a low internal resistance increase rate even when the number of days elapses, and a high capacity maintenance rate even when the days elapse.
From the above results, the cell element is provided with a sheet electrode having a structure in which a carbon material layer is supported by aluminum carbide (Al 4 C 3 ), and a mixed solvent of sulfolane (SL) and ethyl methyl sulfone (EMS) in a desired ratio. The electrochemical cell using the electrolytic solution using clarified advantages over the conventional electrochemical cell equipped with a coating electrode, and the electrochemical cell using a mixed solvent of propylene carbonate, ethylene carbonate and dimethyl carbonate became. That is, the electrochemical cells of Examples 3 and 4 can be charged at 3 V, have excellent voltage resistance, high capacity, and excellent heat resistance.
In addition, an electrochemical cell equipped with a sheet electrode having a structure in which a carbon material layer is supported by aluminum carbide (Al 4 C 3 ) has an internal structure compared to a coating type conventional electrode structure even when exposed to a reflow soldering heating environment. It was found that the increase in resistance was small.
<支持塩比率変更試験>
次に、実施例1の電気化学セルを作製する際、適用する電解液中の支持塩の質量比について、15質量%に設定した電解液を用いた実施例3の電気化学セルと、40質量%に設定した電解液を用いた実施例4の電気化学セルと、10質量%に設定した電解液を用いた比較例3の電気化学セルと、45質量%に設定した電解液を用いた比較例4の電気化学セルを作製し、以下のインピーダンス測定試験に供した。
インピーダンス測定試験は、リフローはんだに対する耐性も考慮し、電気化学セル全体を260℃に5秒間保持するリフローはんだテストを行い、リフローはんだテスト前後の内部抵抗を測定し、その前後の内部抵抗の変化率(リフロー前後変化率)について算出した。その結果を以下の表9と図16に記載する。
<Supported salt ratio change test>
Next, when producing the electrochemical cell of Example 1, the electrochemical cell of Example 3 using an electrolytic solution set to 15% by mass with respect to the mass ratio of the supporting salt in the applied electrolytic solution, and 40% by mass. The electrochemical cell of Example 4 using the electrolyte set to%, the electrochemical cell of Comparative Example 3 using the electrolyte set to 10% by mass, and the comparison using the electrolyte set to 45% by mass The electrochemical cell of Example 4 was prepared and subjected to the following impedance measurement test.
The impedance measurement test takes into account the resistance to reflow soldering, performs a reflow soldering test in which the entire electrochemical cell is held at 260 ° C. for 5 seconds, measures the internal resistance before and after the reflow soldering test, and the rate of change of the internal resistance before and after the reflow soldering test. It calculated about (change rate before and after reflow). The results are shown in Table 9 below and FIG.
表9と図16に示す結果から明らかなように、支持塩の質量比を13〜43質量%の範囲に設定した電解液を有する電気化学セルはリフローはんだを経ても低い内部抵抗を示した。
支持塩の質量比を本発明の望ましい範囲(13〜43質量%)より少なくした比較例3の電気化学セルは電導度が減少し、内部抵抗が増大した。支持塩の質量比を前記範囲より多くし過ぎた比較例4の電気化学セルは、支持塩に対する溶媒の割合が小さいことにより、加熱による溶媒の分解や劣化の影響が大きくなり、リフローはんだを経ることにより内部抵抗が上昇した。
As is apparent from the results shown in Table 9 and FIG. 16, the electrochemical cell having the electrolytic solution in which the mass ratio of the supporting salt was set in the range of 13 to 43% by mass exhibited a low internal resistance even after the reflow soldering.
In the electrochemical cell of Comparative Example 3 in which the mass ratio of the supporting salt was less than the desirable range of the present invention (13 to 43 mass%), the conductivity decreased and the internal resistance increased. In the electrochemical cell of Comparative Example 4 in which the mass ratio of the supporting salt is excessively larger than the above range, the influence of decomposition and deterioration of the solvent due to heating increases due to the small ratio of the solvent to the supporting salt, and the reflow soldering is performed. This increased the internal resistance.
前述の実施例3、4、比較例3、4と同等構造の電気化学セルを用い、先の例と同等のリフローはんだテストを実施し、リフローはんだテスト後の放電時間(sec)を計測し、その前後の変化率(リフロー前後変化率)を評価した。その結果を以下の表10と図17に示す。
充電条件として、実施例3、4、比較例3、4の電気化学セルは充電電圧を3.0V、充電電流を10mA、充電時間を10分間に設定した。また、放電条件として、放電電流を1mA、放電終止電圧を2.0Vに設定した。
Using an electrochemical cell having the same structure as in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4 described above, the reflow solder test equivalent to the previous example was performed, and the discharge time (sec) after the reflow solder test was measured. The rate of change before and after that (rate of change before and after reflow) was evaluated. The results are shown in Table 10 below and FIG.
As charging conditions, the electrochemical cells of Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4 were set with a charging voltage of 3.0 V, a charging current of 10 mA, and a charging time of 10 minutes. As discharge conditions, the discharge current was set to 1 mA and the discharge end voltage was set to 2.0V.
表10と図17に示す結果から、支持塩(SBP・BF4)を、リフローはんだによる内部抵抗の上昇の小さい13質量%〜43質量%の範囲とすることで、リフローはんだの加熱環境に晒されたとしても、放電時間の減少が小さく、容量低下が少ない電気化学セルを提供できることがわかる。 From the results shown in Table 10 and FIG. 17, the supporting salt (SBP · BF4) is exposed to the reflow soldering heating environment by setting the range of 13 mass% to 43 mass% in which the increase in internal resistance due to the reflow solder is small. Even so, it can be seen that an electrochemical cell can be provided in which the decrease in discharge time is small and the capacity is reduced little.
<支持塩比率変更保存特性評価>
先の実施例3、4および比較例3、4と同等構造の電気化学セルを用い、保存特性について評価する試験を行った。
<Supported salt ratio change storage characteristics evaluation>
Using an electrochemical cell having the same structure as in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4, tests for evaluating storage characteristics were performed.
70℃において充電電圧2.5Vに設定した場合の経過(保存)日数に応じた容量維持率(HTV(保存特性)での容量維持率)を以下の表11と図18に示し、内部抵抗上昇率(HTV(保存特性)での内部抵抗上昇率)を以下の表12と図19に示す。
85℃において充電電圧2.5Vに設定した場合の経過(保存)日数に応じた容量維持率(HTV(保存特性)での容量維持率)を以下の表13と図20に示し、内部抵抗上昇率(HTV(保存特性)での内部抵抗上昇率)を以下の表14と図21に示す。
The capacity maintenance ratio (capacity maintenance ratio in HTV (storage characteristics)) according to the elapsed (storage) days when the charging voltage is set to 2.5 V at 70 ° C. is shown in Table 11 and FIG. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristics)) is shown in Table 12 below and FIG.
The capacity retention rate (capacity retention rate in HTV (storage characteristics)) according to the elapsed (storage) days when the charging voltage is set to 2.5 V at 85 ° C. is shown in Table 13 and FIG. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristics)) is shown in Table 14 below and FIG.
以上の結果において、表11、表12の70℃のデータから、支持塩の含有量を少なくした比較例3は実施例3、4と比較して容量維持率の低下が大きくなった。これは支持塩の含有量を少なくしたことにより、支持塩に対する溶媒の割合が大きくなり、加熱による支持塩の分解や劣化の影響が大きくなったためである。一方、支持塩の含有量を多くした比較例4は実施例3、4と比較して内部抵抗の上昇が大きくなった。これは、支持塩の量が多すぎて電解液中の溶媒比率が小さく、溶媒の分解や劣化の影響が大きくなったためである。このことから、支持塩の質量比を13〜43質量%の範囲に設定した電解液を有する電気化学セルは、温度70℃において電圧2.5Vを印加した状態で日数が経過しても内部抵抗上昇、容量維持率低下が抑制されており、保存特性に優れていることがわかる。
また、表13、表14の85℃のデータから、支持塩の含有量を少なくした比較例3は実施例3、4と比較して容量維持率の低下が大きくなった。支持塩の含有量を多くした比較例4は実施例3、4と比較して内部抵抗の上昇が大きくなった。この結果から、支持塩の質量比を13〜43質量%の範囲に設定した電解液を有する電気化学セルは、温度85℃において電圧2.5Vを印加した状態で日数が経過しても内部抵抗上昇、容量維持率低下が抑制されており、保存特性に優れていることがわかる。
In the above results, from the data at 70 ° C. in Tables 11 and 12, Comparative Example 3 in which the content of the supporting salt was decreased showed a large decrease in capacity retention rate as compared with Examples 3 and 4. This is because by reducing the content of the supporting salt, the ratio of the solvent to the supporting salt is increased, and the influence of decomposition and deterioration of the supporting salt due to heating is increased. On the other hand, in Comparative Example 4 in which the content of the supporting salt was increased, the increase in internal resistance was larger than those in Examples 3 and 4. This is because the amount of the supporting salt is too large and the solvent ratio in the electrolytic solution is small, and the influence of the decomposition and deterioration of the solvent is increased. From this, the electrochemical cell having the electrolytic solution in which the mass ratio of the supporting salt is set in the range of 13 to 43% by mass has an internal resistance even when the number of days elapses with a voltage of 2.5 V applied at a temperature of 70 ° C. It can be seen that the increase and the capacity retention rate decrease are suppressed, and the storage characteristics are excellent.
Further, from the data at 85 ° C. in Tables 13 and 14, Comparative Example 3 in which the content of the supporting salt was reduced showed a greater decrease in the capacity retention rate than Examples 3 and 4. In Comparative Example 4 in which the content of the supporting salt was increased, the increase in internal resistance was larger than that in Examples 3 and 4. From this result, the electrochemical cell having the electrolytic solution in which the mass ratio of the supporting salt is set in the range of 13 to 43% by mass has an internal resistance even when the number of days elapses with a voltage of 2.5 V applied at a temperature of 85 ° C. It can be seen that the increase and the capacity retention rate decrease are suppressed, and the storage characteristics are excellent.
<溶媒比率変更試験>
前記構成の電気化学セルを作製する場合、支持塩として25質量%のSBP・BF4(5−アゾニアスピロ[4.4]ノナン テトラフルホロボラート)を用い、非水溶媒としてスルホラン(SL)とエチルメチルスルホン(EMS)の混合液を以下の割合で作製し、混合電解液として用いた。他の構造は実施例1と同等構造である。
溶媒として用いるSLとEMSの混合割合をSL:EMS=80質量%:20質量%としたものを実施例5、SL:EMS=88質量%:12質量%としたものを実施例6、SL:EMS=64質量%:36質量%としたものを実施例7、SL:EMS=93質量%:7質量%としたものを比較例5、SL:EMS=53質量%:47質量%としたものを比較例6として用いた。
<Solvent ratio change test>
When the electrochemical cell having the above-described structure is prepared, 25% by mass of SBP · BF4 (5-azoniaspiro [4.4] nonane tetrafluoroborate) is used as a supporting salt, and sulfolane (SL) and ethyl are used as nonaqueous solvents. A mixed solution of methylsulfone (EMS) was prepared at the following ratio and used as a mixed electrolyte. Other structures are the same as those of the first embodiment.
A mixture ratio of SL and EMS used as a solvent was set to SL: EMS = 80 mass%: 20 mass% in Example 5, and SL: EMS = 88 mass%: 12 mass% in Example 6, SL: EMS = 64% by mass: 36% by mass Example 7 SL: EMS = 93% by mass: 7% by mass Comparative Example 5, SL: EMS = 53% by mass: 47% by mass Was used as Comparative Example 6.
実施例5〜7、比較例5、6と同等構造の電気化学セルについて先に実施した評価と同様に、内部抵抗とその前後の変化率(リフロー前後変化率)を比較した。その結果を以下の表15と図22に記載する。 Similarly to the evaluation performed previously for the electrochemical cells having the same structure as in Examples 5 to 7 and Comparative Examples 5 and 6, the internal resistance was compared with the rate of change before and after (reflow rate before and after reflow). The results are shown in Table 15 below and FIG.
表15と図22に示すようにEMSの少ない比較例5は粘性が増大し、セル要素を作製する場合の電解液の含浸性が悪化したことにより内部抵抗が増大したと思われる。逆に、EMSの多い比較例6は粘性が低減し、内部抵抗が減少したと思われる。 As shown in Table 15 and FIG. 22, in Comparative Example 5 with a small amount of EMS, the viscosity was increased, and the internal resistance was considered to be increased due to the deterioration of the impregnation property of the electrolyte when the cell element was produced. On the contrary, it is considered that Comparative Example 6 with a lot of EMS has reduced viscosity and reduced internal resistance.
前述の実施例5〜7、比較例5、6と同等構造の電気化学セルを用い、リフローはんだテスト後の放電時間(sec)とその前後の変化率(リフロー前後変化率)を計測した。その結果を以下の表16と図23に示す。
充電条件として、各実施例及び比較例の電気化学セルは充電電圧を3.0V、充電電流を10mA、充電時間を10分間に設定し。また、放電条件として、放電電流を1mA、終止電圧を2.0Vに設定した。
Using an electrochemical cell having the same structure as that of Examples 5 to 7 and Comparative Examples 5 and 6, the discharge time (sec) after the reflow solder test and the rate of change before and after (reflow rate before and after reflow) were measured. The results are shown in Table 16 below and FIG.
As the charging conditions, the electrochemical cells of the examples and comparative examples were set with a charging voltage of 3.0 V, a charging current of 10 mA, and a charging time of 10 minutes. Further, as discharge conditions, the discharge current was set to 1 mA and the end voltage was set to 2.0V.
表16と図23に示すように、EMSが多くSLが少ない比較例6では、容量が小さい値となった。これはSLが少ないことにより電解液の誘電率が減少したためである。これらに対し、実施例5〜7及び比較例5の電気化学セルはリフロー後においても高い容量を示した。 As shown in Table 16 and FIG. 23, in Comparative Example 6 with a large amount of EMS and a small amount of SL, the capacitance was a small value. This is because the dielectric constant of the electrolyte decreased due to the small amount of SL. On the other hand, the electrochemical cells of Examples 5 to 7 and Comparative Example 5 showed a high capacity even after reflow.
<EMS比率変更保存特性評価>
先の実施例5および比較例5、6と同等構造の電気化学セルを用い、保存特性について評価する試験を行った。
70℃において充電電圧2.5Vに設定した場合の経過(保存)日数に応じた容量維持率(HTV(保存特性)での容量維持率)を以下の表17と図24に示し、内部抵抗上昇率(HTV(保存特性)での内部抵抗上昇率)を以下の表18と図25に示す。
85℃において充電電圧2.5Vに設定した場合の経過(保存)日数に応じた容量維持率(HTV(保存特性)での容量維持率)を以下の表19と図26に示し、内部抵抗上昇率(HTV(保存特性)での内部抵抗上昇率)を以下の表20と図27に示す。
<EMS ratio change storage characteristics evaluation>
Using an electrochemical cell having the same structure as in Example 5 and Comparative Examples 5 and 6, a test for evaluating the storage characteristics was performed.
The capacity retention rate (capacity retention rate in HTV (storage characteristics)) according to the elapsed (storage) days when the charging voltage is set to 2.5 V at 70 ° C. is shown in Table 17 and FIG. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristics)) is shown in Table 18 below and FIG.
The capacity retention rate (capacity retention rate in HTV (storage characteristics)) according to the elapsed (storage) days when the charging voltage is set to 2.5 V at 85 ° C. is shown in Table 19 and FIG. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristics)) is shown in Table 20 below and FIG.
表17、18と図24、25に示すように、EMSが本願の好ましい範囲(10〜40質量%)よりも少ない比較例5、EMSが本願の好ましい範囲よりも多い比較例6ともに、容量維持率の低下及び内部抵抗の上昇がみられた。これは、EMSの少ない比較例5では、粘性が大きくセル要素を作製する場合の電解液の含浸性が悪いため、組立時セルを封止する際に含浸されない電解液がセル外部に溢れ、セル内の電解液が不足することにより、経時で電解液が劣化しやすくなるためである。逆に、EMSの多い比較例6はSLが少なくなることにより耐電圧が低下したためである。
また、表19、20と図26、27にも示すように、本願の好ましい範囲よりもEMSの少ない比較例5、及びEMSの多い比較例6では、容量維持率の低下及び内部抵抗の上昇がみられた。
上述の表15〜20に示すように、SL:60〜90質量%、EMS:10〜40質量%の範囲に混合した溶媒を用いることで、保存特性に優れたセルとすることができる。
As shown in Tables 17 and 18 and FIGS. 24 and 25, both the comparative example 5 in which the EMS is less than the preferred range of the present application (10 to 40% by mass) and the comparative example 6 in which the EMS is greater than the preferred range of the present application are maintained. The rate decreased and the internal resistance increased. This is because in Comparative Example 5 with a small amount of EMS, since the viscosity of the cell element is large and the impregnation property of the electrolyte solution is poor, the electrolyte solution not impregnated when sealing the cell during assembly overflows to the outside of the cell. This is because the electrolyte solution tends to deteriorate over time due to the lack of the electrolyte solution inside. On the contrary, Comparative Example 6 with a large number of EMSs was because the withstand voltage was lowered due to a decrease in SL.
In addition, as shown in Tables 19 and 20 and FIGS. 26 and 27, in Comparative Example 5 with less EMS and with Comparative Example 6 with more EMS than the preferred range of the present application, the capacity retention rate decreased and the internal resistance increased. It was seen.
As shown in the above Tables 15 to 20, by using a solvent mixed in the range of SL: 60 to 90% by mass and EMS: 10 to 40% by mass, a cell having excellent storage characteristics can be obtained.
1…電気化学セル、2…ベース容器、2a…ベース底部、2b…ベース壁部、2c…ベース内底面、2d…ベース下面、2e…ベース側面、2f…ベース第1底部、2g…ベース第2底部、3…ビア配線、4…接続端子、5…パッド膜、5a…溶接部分、6…セル要素、7…電解液、8…セルリード、8a…溶接領域、8b…正極セルリード、8c…負極セルリード、9…シールリング、10…リッド、10a…キャビティ型リッド、10b…封止栓、15、16、17…電気化学セル、18…配線パターン、20…超音波チップ、20a…チップ先端、30…導電層、31…正極集電体、32…正極体(正極)、33…介在層(第1の表面部分)、34…第2の表面部分、35…セパレータ、36…炭素粒子、40…導電層、41…負極集電体、42…負極体(負極)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrochemical cell, 2 ... Base container, 2a ... Base bottom part, 2b ... Base wall part, 2c ... Base bottom face, 2d ... Base bottom face, 2e ... Base side face, 2f ... Base 1st bottom part, 2g ... Base 2nd Bottom part, 3 ... via wiring, 4 ... connecting terminal, 5 ... pad film, 5a ... welded part, 6 ... cell element, 7 ... electrolyte, 8 ... cell lead, 8a ... welded region, 8b ... positive electrode cell lead, 8c ... negative electrode cell lead , 9 ... Seal ring, 10 ... Lid, 10a ... Cavity-type lid, 10b ... Seal plug, 15, 16, 17 ... Electrochemical cell, 18 ... Wiring pattern, 20 ... Ultrasonic tip, 20a ... Tip tip, 30 ... Conductive layer, 31 ... positive electrode current collector, 32 ... positive electrode body (positive electrode), 33 ... intervening layer (first surface portion), 34 ... second surface portion, 35 ... separator, 36 ... carbon particles, 40 ... conductive Layer, 41 ... collection of negative electrodes Body, 42 ... negative electrode body (negative electrode).
Claims (6)
前記セル要素において正極と負極がセパレータを挟んで配置され、さらに、非水電解液が含有されており、前記正極と負極の少なくとも一方がアルミニウム集電体と、該アルミニウム集電体上にアルミニウムと炭素の化合物により固定された炭素材料の層を含み、
前記非水電解液が、支持塩:13〜43質量%、残部溶媒であり、残部溶媒比率において、スルホラン:60〜90質量%、エチルメチルスルホン:10〜40質量%の組成を有することを特徴とする電気化学セル。 A base container; a cell element housed in the base container; a plurality of cell leads which are extensions of the cell element; a pad film made of a valve metal formed on the inner bottom surface of the base container; and the pad An electrochemical cell having at least a base internal wiring connected to a membrane and formed from an inner bottom surface to a lower surface of the base container, and a lid for hermetically closing the base container;
In the cell element, a positive electrode and a negative electrode are disposed with a separator interposed therebetween, and further, a non-aqueous electrolyte is contained, at least one of the positive electrode and the negative electrode is an aluminum current collector, and aluminum is disposed on the aluminum current collector. A layer of carbon material fixed by a compound of carbon,
The non-aqueous electrolyte is a supporting salt: 13 to 43% by mass and the remaining solvent, and the remaining solvent ratio has a composition of sulfolane: 60 to 90% by mass and ethyl methyl sulfone: 10 to 40% by mass. And electrochemical cell.
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