JP5466065B2 - Method for producing electrochemical element - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrochemical element such as a nonaqueous electrolyte battery or an electric double layer capacitor.
非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学素子は、時計機能のバックアップ電源、半導体の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等として使用されている。近年、半導体メモリは不揮発化、時計機能素子の低消費電力化により、電気化学素子は、容量、電流とも大型化の需要は低い傾向にある。むしろ、小型化、薄型化やリフローハンダ付けにより基板上への実装化の要求が強く望まれている。このため、小型、薄型の略四角形状の電気化学素子が提案されたが、略四角形状の電気化学素子は、丸い形状の電気化学素子と違い、かしめて(クリンプして)封口することができなかった。そこで、略四角形状の容器に正極負極からなる対電極、セパレータ、電解質を収納し、封口板をその上に載置し、抵抗溶接法を用いたシーム溶接を行っていた。(例えば、特許文献1)。 Electrochemical elements such as non-aqueous electrolyte batteries and electric double layer capacitors are used for clock function backup power supplies, semiconductor memory backup power supplies, standby power supplies for electronic devices such as microcomputers and IC memories, solar watch batteries, and motor drives. It is used as a power source. In recent years, the demand for increasing the size and capacity of electrochemical devices tends to be low due to the non-volatility of semiconductor memories and the reduction in power consumption of timepiece functional devices. Rather, there is a strong demand for mounting on a substrate by downsizing, thinning, and reflow soldering. For this reason, a small and thin approximately square-shaped electrochemical element has been proposed, but an approximately rectangular-shaped electrochemical element can be crimped and crimped unlike a round-shaped electrochemical element. There wasn't. Therefore, a counter electrode made of a positive electrode and a negative electrode, a separator, and an electrolyte are housed in a substantially rectangular container, and a sealing plate is placed thereon, and seam welding is performed using a resistance welding method. (For example, patent document 1).
略四角形状の電気化学素子の封止を、抵抗溶接法を用いたシーム溶接を行う場合、他の溶接方法に比べて、溶接速度が上げられないことや抵抗溶接機の溶接ローラーのメンテナンスに手間がかかるという課題があった。 When seam welding using the resistance welding method is performed for sealing a substantially rectangular electrochemical element, compared to other welding methods, the welding speed cannot be increased and maintenance of the welding roller of the resistance welding machine is troublesome. There was a problem that it took.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、電気化学素子の製造工程において、設備のメンテナンスを簡略することができる電気化学素子の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrochemical device capable of simplifying equipment maintenance in the manufacturing process of the electrochemical device. It is in.
請求項1に記載の発明は、第一の電極と、第二の電極と、前記第一の電極及び前記第二の電極を分離するセパレータと、電解液とを容器に収納する収納工程と、前記容器の縁部に形成された金属リングと、前記容器を封止する封口板とを、前記金属リング上に形成された接合材を介して配置し、前記封口板の周辺部の一箇所以上を残し、前記金属リングと前記封口板とをレーザー溶接法により溶接する第一の溶接工程と、前記第一の溶接工程の後、前記封口板の周辺部で、前記金属リングとレーザー溶接法により溶接されていない箇所を抵抗溶接法により溶接する第二の溶接工程と、を有し、前記第一の溶接工程は、前記封口板と前記容器を固定治具により固定し、前記封口板を前記容器に対し加圧して行うことを特徴とする電気化学素子の製造方法である。
この製造方法によれば、設備のメンテナンスを大幅に簡略することができる。また、封口板と容器に位置ずれがなく、安定した生産ができる。さらに、位置の加圧による固定により、短時間で溶接ができるため、効果的に溶接できる。
The invention according to
According to this manufacturing method, the maintenance of equipment can be greatly simplified. Further, there is no positional deviation between the sealing plate and the container, and stable production can be achieved. Further, since the welding can be performed in a short time by fixing the position by pressurization, the welding can be effectively performed.
請求項2に記載の発明は、請求項1または2に記載の電気化学素子の製造方法において、前記封口板は略四角形であり、前記第一の溶接工程は、前記封口板の対向する二辺を溶接し、前記第二の溶接工程は、前記封口板のまだ溶接されていない二辺を溶接することを
特徴とする。
この製造方法によれば、対向する二辺を同時に溶接できる。
According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electrochemical element according to the first or second aspect, the sealing plate is substantially square, and the first welding step includes two opposite sides of the sealing plate. In the second welding step, two sides of the sealing plate that have not been welded are welded.
According to this manufacturing method, two opposing sides can be welded simultaneously.
請求項3に記載の発明は、請求項3に記載の電気化学素子の製造方法において、前記第二の溶接工程の抵抗溶接はパラレルシーム溶接であることを特徴とする。
この製造方法によれば、パラレルシーム溶接を有効に行うことができ、容器内部に電解液があっても安定して封口することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing an electrochemical element according to the third aspect, the resistance welding in the second welding step is parallel seam welding.
According to this manufacturing method, parallel seam welding can be performed effectively, and even if there is an electrolytic solution inside the container, it can be sealed stably.
本発明の提案する電気化学素子の製造方法は、溶接のほとんどをメンテナンスの頻度の少ないレーザー溶接機により行なうことにより、電解液の最終封止に必要なわずかな部分のみを抵抗溶接機に行なうことができ、抵抗溶接にかかるメンテナンスの時間を大幅に削減できる効果がある。 The method of manufacturing an electrochemical element proposed by the present invention is such that only a small part necessary for the final sealing of the electrolyte is performed on the resistance welder by performing most of the welding with a laser welding machine with low maintenance frequency. This can effectively reduce the maintenance time for resistance welding.
(第1実施形態)
以下、本発明の電気化学素子を電気二重層キャパシタに具体化した第1実施形態を、図1、及び図2に従って説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which an electrochemical element of the present invention is embodied in an electric double layer capacitor will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1は、直方体形状の電気化学素子としての電気二重層キャパシタの断面図を示す。図1において、電気二重層キャパシタは、上方が開放した凹状の容器101を有するとともに、その容器101に溶接されその開口部を封口する封口板102を有している。封口板102にて封口された容器101内には、第1の電極活物質としての正極活物質106、セパレータ105、第2の電極活物質としての負極活物質107等からなる要素が配設されるようになっている。四角い形状の電気化学素子は、表面実装での場所占有率を下げることにおいて効果がある。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an electric double layer capacitor as a rectangular parallelepiped electrochemical element. In FIG. 1, the electric double layer capacitor has a
凹状の容器101はアルミナ製で、グリーンシートにタングステンプリントし、コバール(Co:17、Ni:29、Fe:残の比率の合金)製の金属リング109を載せ焼成した。さらに、接続端子A103、接続端子B104には、ニッケル、金めっきを施し、金属リング109の上部には接合材1081(ろう材)となるニッケルおよび金めっきを施した。金属リング109は、図1左側の側面を通るタングステン層により、接続端子B104に電気的に接続した。
The
接続端子A、Bは凹状の容器の下の面に達しているが、容器側面部で止まっていても、ハンダとの濡れにより、基板とのハンダ付けが可能である。 The connection terminals A and B reach the lower surface of the concave container. However, even if the connection terminals A and B are stopped at the side surface of the container, the connection terminals A and B can be soldered to the substrate by being wet with the solder.
凹状の容器の内側底面全面には、集電体として配線に用いたタングステンと金属層を設け、凹状の容器壁面を貫通し接続端子A103に電気的に接続した。集電体と正極活物質106は炭素を含有する導電性接着剤1111で接着した。
Tungsten used for wiring as a current collector and a metal layer were provided on the entire inner bottom surface of the concave container, and penetrated through the concave container wall surface and electrically connected to the connection terminal A103. The current collector and the positive electrode
封口板102の容器側の部分には、接合材1082(ろう材)となるニッケルめっきを施した。
凹状の容器101の内部に電解液を入れ、蓋をした。そのときの断面図が図1のようになる。
The portion of the
The electrolytic solution was put in the
次に、金属製で四角柱の棒状の固定治具301により、封口板102を押さえつけた。このときの電気化学セルを上部から見た様子を図2のAに示した。封口板102を押さえつけた状態で、上部から見える部分の封口板102の端部近傍をレーザー溶接機により、溶接を行った。固定治具301を取り除いた後の上部から見た様子を図2のBに示した。封口板102の端部の周辺には連続したレーザー溶接部302と溶接されていない箇所303が存在する。
Next, the
さらに、溶接されていない箇所303を抵抗溶接機によりシーム状に溶接することにより、電気化学セルの封口が完成した。 Furthermore, the sealing of the electrochemical cell was completed by welding the unwelded portion 303 in a seam shape with a resistance welder.
仮に、固定治具301を用いず、封口板102を凹状の容器101にスポット溶接等で仮止めした後に、レーザー溶接により全周を溶接し、封口を完成しようとすると、内部の電解液が膨張、ガス化し噴出するため、溶接不良が発生してしまう。
If the
(第2実施形態)
電気化学セルの構成は、第1実施形態と同様に、固定治具301を変更し、電気化学セルを作製した。
金属製で四角柱の棒状で両側が中心部より細い固定治具304により、封口板102を押さえつけた。このときの電気化学セルを上部から見た様子を図3のCに示した。封口板102を押さえつけた状態で、上部から見える部分の封口板102の端部近傍をレーザー溶接機により、溶接を行った。固定治具304を取り除いた後の上部から見た様子を図3のDに示した。封口板102の端部の周辺には連続したレーザー溶接部302が二箇所と溶接されていない箇所303が二箇所存在する。
(Second Embodiment)
As for the configuration of the electrochemical cell, as in the first embodiment, the fixing jig 301 was changed to produce an electrochemical cell.
The
次に、溶接されていない箇所303を抵抗溶接の原理を利用したパラレルシーム溶接機によりシーム状に溶接することにより、電気化学セルの封口が完成した。これにより、内部に電解液があっても安定して封口することができた。 Next, the non-welded portion 303 was welded in a seam shape by a parallel seam welding machine using the principle of resistance welding, thereby completing the sealing of the electrochemical cell. Thereby, even if there existed electrolyte solution inside, it was able to seal stably.
抵抗溶接の原理を利用したパラレルシーム溶接機の溶接部は、通常対向するローラー状のヘッドが用いられることが多い。抵抗溶接時にヘッドが毎回加熱され、溶解した金属が付着したり、溶接時の加圧により磨耗が起こりやすい。そのため、定期的に交換や研磨などのメンテナンスが必要とされる。また、レーザー溶接に比べて、溶接時間も長く、生産効率を上げることが難しい。本発明によれば、溶接のほとんどをメンテナンスの頻度の少ないレーザー溶接機により行なうことができる。電解液の最終封止に必要なわずかな部分のみを抵抗溶接機に行なうことができる。従って、生産効率を大幅に改善できる。 In general, a roller-shaped head facing each other is often used as a welded portion of a parallel seam welding machine using the principle of resistance welding. The head is heated each time during resistance welding, and molten metal adheres to it, or wear is likely to occur due to pressurization during welding. Therefore, regular maintenance such as replacement and polishing is required. Also, compared to laser welding, the welding time is longer and it is difficult to increase production efficiency. According to the present invention, most of the welding can be performed by a laser welding machine having a low maintenance frequency. Only a small part necessary for the final sealing of the electrolyte can be performed on the resistance welder. Therefore, production efficiency can be greatly improved.
凹状の容器101は耐熱樹脂、ガラス、セラミックスまたはセラミックスガラス等の耐熱材料がよい。製法としては、低融点のガラスやガラスセラミックスに導体印刷により配線を施し、積層し低温で焼成することも可能である。また、アルミナのグリーンシートと導体印刷により積層し、焼成することも可能である。
The
金属リング109の材質は、凹状の容器101に熱膨張係数の近いものが望まれる。
たとえば、凹状の容器101が熱膨張係数6.8×10−6/℃のアルミナを用いる場合金属リングとしては熱膨張係数5.2×10−6/℃のコバールを用いることが望ましい。
The
For example, when the
また、封口板102も溶接後の信頼性を高めるため、金属リングと同じコバールを用いることが望ましい。溶接後、機器の基板に表面実装されるとき、すなわちリフローハンダ付けのとき再び加熱されるためである。
Further, it is desirable to use the same Kovar as the metal ring in order to increase the reliability after welding for the sealing
また、配線の集電体となる部分は、耐食性の良く、厚膜法での形成が可能なタングステン、パラジウム、銀、白金または金が好ましい。また、アルミニウム、炭素を使用することもできる。凹状の容器101の底面の配線を正極側の集電体とする場合は、特に金またはタングステンが好ましい。これは、耐電圧の高い材料を用い、プラス側の電位がかかったときに溶解しないようにするためである。
Further, the portion of the wiring that becomes the current collector is preferably tungsten, palladium, silver, platinum, or gold, which has good corrosion resistance and can be formed by a thick film method. Aluminum and carbon can also be used. In the case where the wiring on the bottom surface of the
更に電極と配線の導通をよくするため、炭素を含有する導電性接着剤を用いることは有効である。また、耐電圧の低い材料を用いた場合は、集電体の金属に炭素を含有する導電性接着剤を単独で全面に塗りつけ焼付け硬化させることが有効である。アルミニウムを用いる場合は、蒸着法やスパッタリング法といった乾式製膜が利用できる。 Furthermore, in order to improve the electrical connection between the electrode and the wiring, it is effective to use a conductive adhesive containing carbon. When a material having a low withstand voltage is used, it is effective to apply a conductive adhesive containing carbon to the metal of the current collector on the entire surface and bake and cure it. When aluminum is used, dry film formation such as vapor deposition or sputtering can be used.
接続端子A103、接続端子B104の部分については、基盤とハンダ付けするためにニッケル、金、スズ、ハンダの層を設けることがよい。凹状の容器101の縁部についても接合材とのなじみの良いニッケルや金などの層を設けることが好ましい。層の形成方法としては、めっき、蒸着などの気相法等もある。
The connection terminals A103 and B104 are preferably provided with nickel, gold, tin, and solder layers for soldering to the base. It is preferable to provide a layer of nickel, gold, or the like that is compatible with the bonding material at the edge of the
金属リング109および封口板102の接合される面には、ろう材としてニッケル及び/または金の層を設けることが有効である。金の融点は1063℃、ニッケルの融点は1453℃であるが、金とニッケルの合金にすることにより融点を1000℃以下に下げることができるためである。層の形成方法としては、めっき、蒸着などの気相法、印刷を用いた厚膜法等がある。特にめっき、印刷を用いた厚膜法がコスト的に有利である。
It is effective to provide a layer of nickel and / or gold as a brazing material on the surfaces where the
ただし、ろう材の層のP、B、S、N、C等の不純物元素は10%以下にする必要がある。特にめっきを用いた場合は注意が必要である。たとえば、無電解めっきにおいては還元剤の次亜リン酸ナトリウムからP(リン)、ジメチルアミンボランからB(ホウ素)が入りやすい。また、電解めっきにおいては光沢剤の添加剤や陰イオンから入る可能性があるため注意が必要である。還元剤、添加物等の量を調整して入る不純物を10%以下とする必要がある。10%以上入ってしまうと接合面に金属間化合物が生成しクラックが入ってしまう。 However, impurity elements such as P, B, S, N, and C in the brazing material layer need to be 10% or less. Care must be taken especially when plating is used. For example, in electroless plating, P (phosphorus) tends to enter from the reducing agent sodium hypophosphite, and B (boron) easily enters from dimethylamine borane. Also, in electroplating, care must be taken because it may enter from brightener additives and anions. It is necessary to adjust the amount of reducing agent, additive, etc. to 10% or less. If it enters 10% or more, an intermetallic compound is formed on the joint surface and cracks are generated.
封口板102側の接合材1082にニッケルを用いた場合は、凹状の容器101側の接合材1082には金を用いることが好ましい。金とニッケルの比は1:2から1:1の間がよく、合金の融点が下がることにより溶接温度が下がり接合性もよくなる。
When nickel is used for the
レーザー溶接は、パルスによるシーム溶接でもいいし、連続照射の方式であってもかまわない。パルスによるシーム溶接では、パルス状にレーザーを照射するため、溶接後はシーム状になる。パルスによる個々の溶接跡が重なるようにパルス幅をコントロールしなければ、完全に封止することができない。 Laser welding may be pulsed seam welding or continuous irradiation. In the seam welding by pulse, the laser is irradiated in a pulse shape, so that it becomes a seam shape after welding. If the pulse width is not controlled so that individual weld marks by the pulses overlap, complete sealing cannot be achieved.
抵抗溶接法を利用したシーム溶接は、封口板102の対向する二辺に対向するローラー型の電極を押し付け、電流を流すことで、抵抗溶接の原理により溶接する。ローラー電極を回転させながら電流をパルス状に流すため溶接後はシーム状になる。パルスによる個々の溶接跡が重なるようにパルス幅をコントロールしなければ、完全に封止することができない。
In the seam welding using the resistance welding method, welding is performed according to the principle of resistance welding by pressing a roller-type electrode facing two opposite sides of the sealing
使用するセパレータは耐熱性のある不織布であることが好ましい。たとえば、ロール圧延したポーラスフィルム等のセパレータにおいては、耐熱性があるものの、抵抗溶接法を利用したシーム溶接時の熱で圧延方向に縮んでしまう。その結果、内部ショートを起こしやすい。耐熱性のある樹脂またはガラス繊維を用いたセパレータの場合縮みが少なく良好であった。樹脂としてはPPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)が良好であった。特にはガラス繊維が有効であった。また、セラミックスの多孔質体を用いることもできる。 The separator to be used is preferably a heat-resistant nonwoven fabric. For example, a roll-rolled separator such as a porous film has heat resistance but shrinks in the rolling direction due to heat during seam welding using a resistance welding method. As a result, internal short circuit is likely to occur. In the case of a separator using a heat-resistant resin or glass fiber, shrinkage was good with little shrinkage. As the resin, PPS (polyphenylene sulfide) and PEEK (polyether ether ketone) were good. In particular, glass fiber was effective. A ceramic porous body can also be used.
本発明の電気化学素子の形状は基本的に自由であるが、四角い形状が端子等の出っ張りがないため効率的に基板上に配置することにおいて有利である。
また、本発明の電気化学素子は、電気二重層キャパシタを例にとり説明したが、非水電解質二次電池等へも応用できる。
The shape of the electrochemical element of the present invention is basically free, but the square shape is advantageous in efficiently arranging on the substrate because there is no protrusion such as a terminal.
Moreover, although the electrochemical element of the present invention has been described by taking an electric double layer capacitor as an example, it can also be applied to a non-aqueous electrolyte secondary battery or the like.
101 凹状の容器
102 封口板
103 接続端子A
104 接続端子B
105 セパレータ
106 正極活物質
107 負極活物質
1081 接合材
1082 接合材
109 金属リング
1111 導電性接着剤
1112 導電性接着剤
301 固定治具
302 レーザー溶接部
303 溶接されていない箇所
304 固定治具
101
104 Connection terminal B
105
Claims (3)
前記容器の縁部に形成された金属リングと、前記容器を封止する封口板とを、前記金属リング上に形成された接合材を介して配置し、前記封口板の周辺部の一箇所以上を残し、前記金属リングと前記封口板とをレーザー溶接法により溶接する第一の溶接工程と、
前記第一の溶接工程の後、前記封口板の周辺部で、前記金属リングとレーザー溶接法により溶接されていない箇所を抵抗溶接法により溶接する第二の溶接工程と、
を有し、
前記第一の溶接工程は、前記封口板と前記容器を固定治具により固定し、前記封口板を前記容器に対し加圧して行う
ことを特徴とする電気化学素子の製造方法。 A storage step of storing a first electrode, a second electrode, a separator separating the first electrode and the second electrode, and an electrolytic solution in a container;
A metal ring formed on the edge of the container and a sealing plate for sealing the container are arranged via a bonding material formed on the metal ring, and one or more peripheral portions of the sealing plate A first welding step of welding the metal ring and the sealing plate by a laser welding method,
After the first welding step, a second welding step of welding a portion not welded by the laser welding method with the metal ring at the peripheral portion of the sealing plate,
I have a,
The first welding step is performed by fixing the sealing plate and the container with a fixing jig and pressurizing the sealing plate against the container .
前記第一の溶接工程は、前記封口板の対向する二辺を溶接し、
前記第二の溶接工程は、前記封口板のまだ溶接されていない二辺を溶接することを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子の製造方法。 The sealing plate is substantially rectangular,
In the first welding step, two opposing sides of the sealing plate are welded,
2. The method of manufacturing an electrochemical element according to claim 1 , wherein the second welding step welds two sides of the sealing plate that are not yet welded.
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