JP4865219B2 - 電気化学セルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は非水電解質電池および電気二重層原理を利用した電気二重層キャパシタ等の電気化学セルおよびその製造方法に関する。
非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、時計機能のバックアップ電源や半導体メモリのバックアップ電源、マイクロコンピュータやＩＣメモリ等の電子装置の予備電源、ソーラ時計の電池、モータ駆動用の電源などとして使用されている。近年の電気化学セルは、半導体メモリの不揮発化、時計機能素子の低消費電力化により、容量、電流ともにそれほど大きなものの必要性が減ってきている。むしろ、電気化学セルのニーズとしては、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等と同様に、はんだクリームを塗布した実装基板に部品を載置し、はんだ融点（２００〜２６０℃）に温度設定されたリフロー炉で実装する要求が強くなっている。また、ＩＣや水晶、ＳＡＷデバイス等とともに高密度実装が要求され、小型・薄型化構造が求められている。
従来、非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、コインやボタンのような形状の金属ケースでパッケージングされていた（例えば、特許文献１参照。）。
図８に、従来の電気化学セルを説明する断面図を示す。電極としての正極活物質６０１、負極活物質６０３とセパレータ６０２を収納するための上端面側が円形に開口したステンレスの正極ケース６１と、絶縁性の樹脂からなる円形のガスケット６２を介して正極ケース６１と勘合する円形の負極ケース６３で構成されている。また、表面実装を必要とする場合は、正極ケース６１に溶接される正極端子６５ａと、負極ケース６３に溶接される負極端子６５ｂとを有していた。
特開２００２−１９０４２７号公報
以上に述べた従来の非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、はんだリフローでの耐熱性を確保するため、円形に開口した正極ケース６１と円形の負極ケース６３で円環状のガスケット６２を押しつぶすことでカシメる封止構造がおこなわれていた。電気化学セルの耐熱性と封止性を確保するためには、コインやボタンのような形状であった。ところが、実装基板に配置されるＩＣや水晶、ＳＡＷデバイスなどのパッケージは角型であるため、コイン型の電気化学セルを配置すると隙間が生じる。この隙間を有効に使えば、電気化学セルの蓄積容量は2割強の増加が見込める。また、正極ケース６１は金属材料で成形されているが、負極端子６５ｂと正極ケース６１とは接触すると短絡してしまうため、隙間を確保しなければならない。すなわち、図８に示すように負極端子６５ｂは正極ケース６１の外径よりも外側に張り出す必要があり、実装基板上の占有スペースがさらに増えてしまうこととなった。したがって、実装基板上に配置した際、デッドスペースが生じて占有面積が増え、実装基板上の単位面積あたりの容量を高めることは困難であった。また、正極ケース６１および負極ケース６３に正極端子６５ａや負極端子６５ｂを取り付ける場合、図１２に示すようにそれぞれの部品を重ね合わせて溶接するため、電気化学セルの総厚が増してしまい薄型化が困難となるとともに、正極・負極端子を取り付けるための工数も増えて高価なものとなっていた。
本発明は、電気化学セルの形状自由度を高め、小型・薄型化を容易とするとともに、はんだリフロー温度に耐えること、各々の部品の密着性を高め、また、密着を損なうようなダメージをあたえないという効果を発揮するものである。
そして、本発明は上記目的を達成するために、セパレータと、セパレータの上面及び下面に配置された一対の電極と、セパレータ及び一対の電極に含浸された電解質を収容する容器からなる電気化学セルであって、容器が、底部と底部の外周に沿って底部の上面に設けられた側部とを一体形成したベース部材と、底部の上面に設けられ、ベース部材の内側から外側へ貫通し、底部と接する面と反対側の面が一対の電極の一方と接する金属材料からなる導電性端子と、側部の上面の外壁側全周にわたって接合された金属材料からなる枠部材と、側部の上面の内壁側全周にわたって接合され、かつ、枠部材の内周面を覆う樹脂材料からなる樹脂枠体と、枠部材に接合され、金属材料からなるカバー部材と、を有する。
また、セパレータと、セパレータの上面及び下面に配置された一対の電極と、セパレータ及び一対の電極に含浸された電解質を収容する容器からなる電気化学セルであって、容器が、底部と底部の外周に沿って底部の上面に設けられた側部とを一体形成したベース部材と、底部の上面に設けられ、ベース部材の内側から外側へ貫通し、底部と接する面と反対側の面が一対の電極の一方と接する金属材料からなる導電性端子と、側部の上部の全周にわたって埋設され、全周にわたって側部と接合された接合面と、全周にわたって側部から露出した露出面とを有し、金属材料からなる枠部材と、露出面に接合され、金属材料からなるカバー部材とを有する。
また、枠部材の断面が略台形であり、接合面より、露出面の面積が小さいことを特徴とする。
また、接合面のうち側部の内壁の裏面と接する面から側部の内壁までの距離が１０μｍから１５０μｍであることを特徴とする。
また、セパレータとセパレータを介して対向する一対の電極を収納するベース部材と、ベース部材を貫通する導電性端子と、ベース部材に接合される枠部材と、枠部材に接合されるカバー部材とを有する電気化学セルの製造方法において、フープに形成された枠部材をベース部材の成形型内に配置する工程と、導電性端子をベース部材の成形型内に配置する工程と、成形型内に樹脂材料を注入してベース部材を箱状に成形する工程と、導電性端子と枠部材とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程と、枠部材にニッケルメッキと金メッキとを順次コーティングする工程と、一対の電極のうち一方の電極を導電性端子に接着する工程と、一方の電極の導電性端子と接する面と対向する面にセパレータと一対の電極のうち他方の電極を配置する工程と、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程とを有する。
また、ニッケルメッキをロウ材として枠部材とカバー部材とを抵抗加熱シーム溶接することを特徴とする。
また、ニッケルメッキはコバルトを含有し、該ニッケルメッキの厚さが２〜１２μｍであることを特徴とする。
また、ニッケルメッキのコバルト含有量が３〜２０質量％であることを特徴とする。
上記の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、一対の電極とセパレータと電解質とをベース部材の凹部に収納し、カバー部材と枠部材を重ね合わせて接合することで、任意の形状の電気化学セルとはんだリフロー温度に耐える封止構造が実現する。
上記の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、一対の電極とセパレータと電解質とをベース部材の凹部に収納し、カバー部材と枠部材を重ね合わせて接合することで、任意の形状の電気化学セルとはんだリフロー温度に耐える封止構造が実現する。
ここで、電気化学セルの容器の構成としては、ベース部材の側部の上面の全周にわたって枠部材が接合され、かつ、枠部材の内周面を覆う樹脂材料からなる樹脂枠体とベース部材の側部とが接合されていることが含まれる。また、ベース部材の側部の上部の全周にわたって枠部材が埋設され、全周にわたってベース部材の側部と接合された接合面と、全周にわたって側部から露出した露出面とを有することが含まれる。
すなわち、カバー部材と同電位になる枠部材の容器内での露出が抑えられ、電極を配置する容積が増えるとともに、枠部材とベース部材の接合面積が増えて密着強度を高められる。
また、カバー部材と枠部材とを抵抗加熱シーム溶接する際に、抵抗値をたかめて溶接電流を集中させ、カバー部材とベース部材との密着に熱ダメージをあたえず、カバー部材と枠部材との接合を確実におこなうことができる。
上述したように本発明は、電気化学セルの形状自由度を高め、小型・薄型化を容易とするとともに、はんだリフロー温度に耐えること、各々の部品の密着性を高め、また、密着を損なうようなダメージをあたえないという効果を発揮するものである。
以下、本発明の実施の形態を図１〜８に基づいて説明する。
図１および図２、図３においては、１１は凹部１１ａを有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材で、ベース部材１１の凹部１１ａの内側から外側に、ベース部材１１の壁面を貫通する導電性端子１５と、ベース部材１１と接合された枠部材１２で容器を構成する。また、正極活物質１０１と導電性端子１５とは導電性接着剤で貼りあわせ、凹部１１ａにセパレータ１０２と図示しない電解質を収納する。また、負極活物質１０２とカバー部材１３とは導電性接着剤で貼りあわせ、枠部材１２とカバー部材１３とを重ね合わせて溶接する。また、導電性端子１５にはステンレス、もしくは、アルミニウムを用い、枠部材１２とカバー部材１３にはステンレス、もしくは、アルミニウム、ＦｅＮｉ合金が用いられる。
また、図７は本発明の電気化学セルの断面図である。
ここで、ベース部材１１は、底部の外周に沿って底部の上面に設けられた側部とを一体形成されており、金属材料からなる枠部材１２は、この側部の上面の全周にわたって接合される。また、側部の上面の全周にわたって接合され、かつ、枠部材１２の内周面を覆う樹脂材料からなる樹脂枠体７２を設けた。また、正極活物質１０１と導電性端子１５とは導電性接着剤で貼りあわせ、凹部１１ａにセパレータ１０２と図示しない電解質を収納する。また、負極活物質１０２とカバー部材１３とは導電性接着剤で貼りあわせ、枠部材１２と金属材料からなるカバー部材１３とを重ね合わせて溶接した。
図１および図２、図３においては、１１は凹部１１ａを有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材で、ベース部材１１の凹部１１ａの内側から外側に、ベース部材１１の壁面を貫通する導電性端子１５と、ベース部材１１と接合された枠部材１２で容器を構成する。また、正極活物質１０１と導電性端子１５とは導電性接着剤で貼りあわせ、凹部１１ａにセパレータ１０２と図示しない電解質を収納する。また、負極活物質１０２とカバー部材１３とは導電性接着剤で貼りあわせ、枠部材１２とカバー部材１３とを重ね合わせて溶接する。また、導電性端子１５にはステンレス、もしくは、アルミニウムを用い、枠部材１２とカバー部材１３にはステンレス、もしくは、アルミニウム、ＦｅＮｉ合金が用いられる。
また、図７は本発明の電気化学セルの断面図である。
ここで、ベース部材１１は、底部の外周に沿って底部の上面に設けられた側部とを一体形成されており、金属材料からなる枠部材１２は、この側部の上面の全周にわたって接合される。また、側部の上面の全周にわたって接合され、かつ、枠部材１２の内周面を覆う樹脂材料からなる樹脂枠体７２を設けた。また、正極活物質１０１と導電性端子１５とは導電性接着剤で貼りあわせ、凹部１１ａにセパレータ１０２と図示しない電解質を収納する。また、負極活物質１０２とカバー部材１３とは導電性接着剤で貼りあわせ、枠部材１２と金属材料からなるカバー部材１３とを重ね合わせて溶接した。
ここで、導電性端子の材質としては、ステンレスであれば１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などから、プレス性や切削性、溶接性に適合する金属が用いられる。枠部材とカバー部材の材質としては、ステンレスであれば１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金など、ＦｅＮｉ合金であれば、４２アロイ、ＦｅＮｉＣｏ合金などが含まれる。また、カバー部材と枠部材とを溶接する方法としては、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ランプ加熱などの光吸収を用いる方法、カバー部材に超音波振動子を押し当てて枠部材との間を擦り合わせ、摩擦熱を用いる方法、カバー部材もしくはカバー部材と枠部材に通電して加熱する抵抗加熱を用いる方法が用いられる。また、カバー部材と枠部材の接合材としてロー材を用いることも含まれており、ロー材としては、Ｎｉめっきが用いられる。ここで、カバー部材と枠部材それぞれのロー材を接合しやすくするため、ロー材の表面にＡｕ、もしくは、Ｐｔ、などのフラッシュめっきを施すことも含まれる。
また、ベース部材の材料は絶縁性の樹脂であれば適用できるが、エポキシ系、ポリイミド系の耐熱を有する熱硬化性樹脂や、ポリスチレン系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の熱可塑樹脂が、剛性、耐熱性の面から適している。ここで、ポリスチレン系としてはシンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド系としてはリニア型および架橋型ポリフェニレンサルファイド、ポリエステル系としては液晶ポリマーの呼称の全芳香族ポリエステル、ポリアミド系としてはナイロン、ポリエーテル系としてはポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、などが選択される。また、これら樹脂にガラス繊維、マイカ、セラミックス微粉等を添加したものも用いられる。また、ベース部材に接合される樹脂枠体は、ベース部材と同じ材料であることが望ましい。
また、ベース部材の材料は絶縁性の樹脂であれば適用できるが、エポキシ系、ポリイミド系の耐熱を有する熱硬化性樹脂や、ポリスチレン系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の熱可塑樹脂が、剛性、耐熱性の面から適している。ここで、ポリスチレン系としてはシンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド系としてはリニア型および架橋型ポリフェニレンサルファイド、ポリエステル系としては液晶ポリマーの呼称の全芳香族ポリエステル、ポリアミド系としてはナイロン、ポリエーテル系としてはポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、などが選択される。また、これら樹脂にガラス繊維、マイカ、セラミックス微粉等を添加したものも用いられる。また、ベース部材に接合される樹脂枠体は、ベース部材と同じ材料であることが望ましい。
また、ベース部材と導電性端子と枠部材で構成される容器に収納する電気化学セルの発電要素としては、非水電解質電池であれば、正極活物質に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、リチウム含有チタン酸化物、負極活物質に炭素、リチウム合金、遷移金属酸化物、シリコン酸化物など従来から知られているものを用いることが出来る。電気二重層キャパシタでは正極及び負極活物質に活性炭を用いることができる。
また、セパレータとしては、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。リフロー炉での実装を考慮するとガラス繊維が安定して用いることができるが、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、ポリイミドなどの樹脂を用いることもできる。セパレータの孔径、厚みは特に限定されないが、使用機器の電流値と電気化学セルの内部抵抗にもとづき決定する設計的事項である。また、セラミックスの多孔質体を用いることもできる。
電解液の溶媒としては、電気二重層キャパシタや非水二次電池を例とすると、従来の非水溶媒が用いられる。この非水溶媒には、環状エステル類、鎖状エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、等が含まれる。リフロー実装を考慮すると、γ―ブチロラクトン（γＢＬ）やプロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、等から選ばれる単独または複合物で用いることができる。
電解質としては、（Ｃ2Ｈ5）4ＰＢＦ4、（Ｃ3Ｈ7）4ＰＢＦ4、（ＣＨ3）（Ｃ2Ｈ5）3ＮＢＦ4、（Ｃ2Ｈ5）4ＮＢＦ4、（Ｃ2Ｈ5）4ＰＰＦ6、（Ｃ2Ｈ5）4ＰＣＦ3ＳＯ4、（Ｃ2Ｈ5）4ＮＰＦ6、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2］、チオシアン塩、アルミニウムフッ化塩などのリチウム塩、 等の一種以上の塩を用いることができる。ポリエチレンオキサイド誘導体かポリエチレンオキサイド誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体やポリプロピレンオキサイド誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマー、ＰＶＤＦ等と非水溶媒、支持塩と併用しゲル状または固体状で用いることが含まれる。また、ＬｉＳ／ＳｉＳ2／Ｌｉ4ＳｉＯ4の無機固体電解質を用いることが含まれる。またピリジン系や脂環式アミン系、脂肪族アミン系のイオン性液体やアミジン系などの常温溶融塩でもよい。これらを用いると、カバー部材と枠部材との溶接をおこなう際の蒸気の発生を抑えることに効果がある。
また、ベース部材の安全弁機能としては、ベース部材の壁面厚さを部分的に薄くすることが含まれる。また、枠部材とカバー部材とを溶接する接合部に設ける安全弁機能としては、局所的に接合の弱い部位を形成することが含まれる。安全弁機能は、過電流、もしくは、外部からの加熱などの異常発生時において、内圧上昇のガスを逃がす役目を果たし、破裂などの事故を回避する。本発明においては、コストが高くなることなく電気化学セルに安全弁機能を追加することができる。
本発明の実施の形態では、ベース部材１１と導電性端子１５との接合部、ベース部材１１と枠部材１２との接合部は形状によらず密着し、また、枠部材１２とカバー部材１３との溶接においても、金属接合による封止性が得られるため、形状の制約はない。すなわち、ベース部材１１が角箱型の収納容器であっても、外部からの湿度の浸入を防ぐとともに、はんだ融点（２００〜２６０℃）に温度設定されたリフロー炉を通過させた後も電気化学セルの特性を維持することができる。
本発明の実施の形態では、ベース部材１１と導電性端子１５との接合部、ベース部材１１と枠部材１２との接合部は形状によらず密着し、また、枠部材１２とカバー部材１３との溶接においても、金属接合による封止性が得られるため、形状の制約はない。すなわち、ベース部材１１が角箱型の収納容器であっても、外部からの湿度の浸入を防ぐとともに、はんだ融点（２００〜２６０℃）に温度設定されたリフロー炉を通過させた後も電気化学セルの特性を維持することができる。
図１に本発明の電気化学セルの構成図を示す。また、図２に本発明の電気化学セルの外観図を示す。また、図３に本発明の電気化学セルの断面図を示す。
本実施例では、ベース部材１１はエポキシを、導電性端子１５はステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。また、導電性端子１５がベース部材１１の外壁に延出する部位には、実装基板とはんだ接合を容易とするために錫めっきを施した。枠部材１２とカバー部材１３は４２Ｎｉ-Ｆｅ合金を用いた。枠部材１２がベース部材１１の側部上面と接する面のほかに容器内側となる凹部１１ａ面に枠部材１２の内周をベース部材１１が延設する樹脂で被覆されており、接合面１１ｂを形成した。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてのカーボンブラックと、バインダーとしてＰＴＦＥを混練して作製した。混練物をロールプレスで圧延してシート状にし、切断して正極活物質１０１と負極活物質１０3とした。電解質は（Ｃ2Ｈ5）4ＮＢＦ4を、ＰＣに溶かしたものを用いた。ここで、電気化学セルの組立方法としては、ベース部材成形型内に導電性端子１５と枠部材１２を配置し、エポキシ樹脂を注入して凹部１１ａを有する箱状のベース部材１１を成形する。導電性端子１５と正極活物質１０１とを接着したのち、凹部１１ａにセパレータ１０２を収めた。次に、負極活物質１０３を接着したカバー部材１３と枠部材１２とを重ねあわせ、封止をおこなった。
本実施例では、ベース部材１１はエポキシを、導電性端子１５はステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。また、導電性端子１５がベース部材１１の外壁に延出する部位には、実装基板とはんだ接合を容易とするために錫めっきを施した。枠部材１２とカバー部材１３は４２Ｎｉ-Ｆｅ合金を用いた。枠部材１２がベース部材１１の側部上面と接する面のほかに容器内側となる凹部１１ａ面に枠部材１２の内周をベース部材１１が延設する樹脂で被覆されており、接合面１１ｂを形成した。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてのカーボンブラックと、バインダーとしてＰＴＦＥを混練して作製した。混練物をロールプレスで圧延してシート状にし、切断して正極活物質１０１と負極活物質１０3とした。電解質は（Ｃ2Ｈ5）4ＮＢＦ4を、ＰＣに溶かしたものを用いた。ここで、電気化学セルの組立方法としては、ベース部材成形型内に導電性端子１５と枠部材１２を配置し、エポキシ樹脂を注入して凹部１１ａを有する箱状のベース部材１１を成形する。導電性端子１５と正極活物質１０１とを接着したのち、凹部１１ａにセパレータ１０２を収めた。次に、負極活物質１０３を接着したカバー部材１３と枠部材１２とを重ねあわせ、封止をおこなった。
ここで、カバー部材１３にニッケルめっきを２μｍ、金めっきを０．５μｍ被覆し、枠部材１２にニッケル−コバルトメッキ５μｍを被覆して抵抗加熱工法のシーム溶接をおこなった。カバー部材１３に当てたシーム溶接ローラ電極から発する電流はカバー部材１３で発熱し、カバー部材１３と枠部材１２との接触で枠部材１２表面のニッケル−コバルトメッキが溶融する。枠部材１２にニッケルメッキを被覆したもの、ニッケル−コバルトメッキを被覆したものでのシーム溶接ローラ電極から発する電流は、ニッケル−コバルトメッキを被覆したものの方が１０〜２０％の印加電流を低減できた。また、カバー部材１３と枠部材１２に被覆したニッケルメッキとニッケルコバルトメッキがロー材として機能し、気密封止がなされ、枠部材１２とベース部材１１との界面にかかる伝熱が低減されたため、ベース部材１１の熱ダメージが少なくなった。また、接合面１１ｂの厚さは少なくとも１０μｍ程度あれば電気化学セルに必要な絶縁性は確保でき、接合面１１ｂがあまり厚くなるとカバー部材１３と枠部材１２とのシーム溶接時に発生する熱がベース部材１１に吸熱されてしまうため、ベース部材１１の側部の枠部材１２と接する内壁の厚さは１５０μｍ以内であることが望ましい。
また、図４に本発明の電気化学セルの断面図を示す。枠部材１２はベース部材１１の側部上面と接する面の幅を５００μｍ（断面での長さ）とし、カバー部材１３と接合される面の幅を２００μｍとして断面が略台形の構造とした。また、ベース部材１１の側部の内壁の裏面と枠部材１２とが接する面の幅は４００μｍの長さとし、ベース部材１１の側部上面と枠部材とが接する面の幅の５００μｍと合わせると、９００μｍがベース部材１１と枠部材１２の全周に渡って接合されることとなる。ここでは、カバー部材１３と枠部材１２とが接合される面の幅に対し、ベース部材１１と枠部材１２との接合幅は４．５倍としたが、少なくとも２倍以上とすることが望ましい。
カバー部材１３に当てたシーム溶接ローラ電極から発する電流はカバー部材１３で発熱し、カバー部材１３と枠部材１２との接触で枠部材１２表面のニッケル−コバルトメッキが溶融する。枠部材１２の断面を略台形にしたものの方が印加電流を低減できた。
電気化学セルの封止性を評価するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０-5atm・cc/sec以上の封止性を有していることがわかった。また、この電気化学セルを、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を通してはんだ付けをおこない、はんだ付け前と後での特性に変化がないことを確認した。
図５に本発明の電気化学セルの製造方法を説明するフロー図を示す。また、図６に本発明の電気化学セルの製造方法を説明する外観図を示す。
フープに形成した枠部材５２をベース部材成形型内に配置する（工程４０１）。導電性端子５５をベース部材成形型内に配置する（工程４０２）。次に、ベース部材成形型内に樹脂材料を注入して凹部５１ａを有する箱状にベース部材５１を成形するとともに、導電性端子５５と枠部材５２とを容器として組み立てる（工程４０３）。次に、フープに通電して枠部材５２にロー材をめっきする（工程４０４）。一対の電極とセパレータと電解質とをベース部材の凹部５１ａに収納する（工程４０５）。枠部材５２と図示しないカバー部材を重ね合わせて、加熱手段を用いて溶接する（工程４０６）。
ここで、導電性端子５５と枠部材５２とカバー部材にはステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。また、枠部材５２は厚さ0.4ｍｍの板材をプレス加工してフープを作製した。プレス加工では、各工程においてワークの位置決めにも用いる送り穴５９の加工と、枠部材５３を保持するためのブリッジ５８を残した窓抜き加工をおこなった。また、ベース部材５１の樹脂材料はエポキシを用いた。熱硬化性樹脂のエポキシはベース部材成形型を加熱して硬化した。この際、ベース部材成形型内に配置した導電性端子５５と枠部材５２とはベース部材５１のエポキシに密着するとともに、所望の形状に成形が可能である。また、枠部材５２にメッキするロー材は、ニッケル−コバルトを用い、１０μｍの厚さに被覆した。また、カバー部材にはニッケルめっきを２μｍの厚さに被覆した。ここで、加熱手段としては抵抗加熱を用い、具体的には、ローラ形状の電極２本用意し、カバー部材の両端にバランスよく押し当てて電極間にパルス通電した。電極とカバー部材の接触部が発熱し、カバー部材のニッケルめっきが溶融、枠部材５２のニッケル−コバルトめっきが溶融、ニッケルめっきの固化とともにカバー部材と枠部材５２が接合するプロセスをローラ形状の電極が転がることで繰り返される。この溶接の後、枠部材５２とつながるブリッジ５８をフープから切り離し、電気化学セルを作製した。この電気化学セルをフッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、１０-5atm・cc/sec以上の封止性を有していることがわかった。また、この電気化学セルを、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を通してはんだ付けをおこない、特性に変化がないことを確認した。
ここで、ニッケル−コバルトメッキにおけるコバルトの重量比が２０％を超えると耐食性が低下するため、コバルトの含有量を重量比で３〜２０％でテストし、いずれの場合でも、カバー部材と枠部材５２に被覆したニッケルメッキとニッケル−コバルトメッキがロー材として機能し、気密封止がなされ、枠部材５２とベース部材５１との界面にかかる伝熱が低減されたため、ベース部材１１の熱ダメージが少なくなった。また、フープで形成される枠部材５１は巻き取り歪などから面内のうねりが生じるため、このうねりよりも厚いメッキ層が必要とされた。ただし、メッキ厚が１２μｍを超える場合はカバー部材と枠部材５２との接合強度が低下する傾向のため、２〜１２μｍ厚さのニッケル−コバルトメッキのときロー材として機能し、気密性がなされた。
１１、３１、５１ ベース部材
１２、３２、５２ 枠部材
１３ カバー部材
１５、３５、５５ 導電性端子
６１ 正極缶
６２ ガスケット
６３ 負極缶
６５ａ 正極端子
６５ｂ 負極端子
６０１ 正極
６０２ セパレータ
６０３ 負極
１２、３２、５２ 枠部材
１３ カバー部材
１５、３５、５５ 導電性端子
６１ 正極缶
６２ ガスケット
６３ 負極缶
６５ａ 正極端子
６５ｂ 負極端子
６０１ 正極
６０２ セパレータ
６０３ 負極
Claims (5)
- 発電要素と、金属材料からなるカバー部材と、前記発電要素が収納され、前記カバー部材を溶接により封止した箱状の容器とからなる電気化学セルであって、
前記容器は、側壁と、樹脂材料からなる底部とを有し、
前記側壁は、前記底部の外周に沿って前記底部の上面に設けられた樹脂材料からなる側部と、前記側部上に接合された金属材料からなる枠部材と、前記枠部材の内側面に接合された樹脂枠体とから構成され、
前記カバー部材は、前記側壁の上端面を形成する前記枠部材と溶接され、
前記底部の上面には、前記発電要素と接し、前記側壁を貫通し外部と電気的に接続される導電性端子が配設されることを特徴とする電気化学セル。 - 前記樹脂枠体は、前記側部と一体形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記枠部材の断面が略台形であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学セル。
- 発電要素と、金属材料からなるカバー部材と、前記発電要素が収納され、前記カバー部材を溶接により封止した箱状の容器からなる電気化学セルの製造方法であって、
前記容器の底部の外周に沿って前記底部の上面に設けられた樹脂材料からなる側部と、前記側部上に接合された金属材料からなる枠部材と、前記枠部材の内側面に接合された樹脂枠体とを構成し、前記底部の上面に前記発電要素と接し前記側壁を貫通し外部と電気的に接続される導電性端子を配設して、前記容器を形成する容器形成工程と、
前記容器に、発電要素を収納する工程と、
前記枠部材と前記カバー部材を溶接し前記容器を封止する工程と、
を有することを特徴とする電気化学セルの製造方法。 - 前記容器形成工程において、前記樹脂枠体と前記側部とは一体形成されることを特徴とする請求項４に記載の電気化学セルの製造方法。
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