JP6705689B2 - 電気化学セル - Google Patents
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Description
請求項1記載の発明は、ベース容器2と、絶縁体(セパレータ6a)、一の電極シート60、前記絶縁体、及び他の電極シート60の順に重ねられ、かつ、前記ベース容器2の中に収納されるセル6と、前記各電極シート60の対向する2つの辺からそれぞれ延出するセルリード8と、前記ベース容器2の底面に形成された弁金属からなり、前記各電極シート60の前記セルリード8毎に接続される一対のパッド膜5と、前記パッド膜5と接続され、かつ前記ベース容器2の底面に形成されたベース内配線(ビア配線3)と、前記ベース容器2の上面に接合されたシールリング9と、前記シールリング9の上面に接合され、かつ、前記シールリング9の上面を塞ぐリッド10と、を少なくとも有する電気化学セル1であって、前記セル6は、前記絶縁体を介して重ねられた前記一対の電極シート60が複数回折り畳まれた状態で前記ベース容器2の中に収納されており、前記各電極シート60毎に対向する前記セルリード8同士が重なるように前記各電極シート60は折り畳まれ、かつ折り畳まれた前記他の電極シート60は2つの層が重ね合わされており、前記ベース容器2の中に収納されている前記セル6における前記各電極シート60では、前記パッド膜5側の2つの層に前記セルリード8を有する前記電極シート60の層が設けられている。
本発明によれば、電極シート60を折り畳んでセル6を形成することで、電極シート60を巻回する場合や積層した場合と比べて、セル容量の増大と内部抵抗の低減を図ることができる。
また、本発明は、セルリード8、折り曲げ部65、及びパッド膜5の相対的な位置関係を特定したものである。すなわち、本発明のセル6では前記電極シート60を折り畳んだ際に、パッド膜5に近い位置から順番にセルリード8、折り曲げ部65が形成されている。
本発明によれば、セルリード8がパッド膜5に近い位置に形成されているため、セルリード8がシールリング9に混触せず、セル6の内部ショートを回避することができる。
請求項2記載の発明は、上記発明の特徴に加えて、前記絶縁体はセパレータ6aであって、前記セル6は、最外部の前記電極シート60がセパレータ6aで覆われている。
請求項3記載の発明は、上記発明の特徴に加えて、前記セルリード8は、前記電極シート60の延長部分であることを特徴する。
本発明によれば、別体のセルリード8を電極シート60に接合する場合と比べて、接合箇所が無い分だけ電極シート60を構成する活物質層の面積を大きくすることができる。
本実施の形態の電気化学セル1を図面に基づいて説明する。本実施の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。
図1は、本実施の形態の電気化学セル1の斜視図である。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良い。本実施の形態の電気化学セル1は、その発電要素であるセル6を収納する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10を外装部品として備えている。本実施の形態の電気化学セル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。本実施の形態の電気化学セル1の大きさは、長さ10mm×幅8mm×高さ1.3mmとなっている。
正極6b及び負極6cの電極シート60は、対向する2辺(短辺側)において電極シート60の一部が外側(側方)に向けて延長されている。本実施の形態では、この延長部分が集電体としての電極シート60とパッド膜5とを接続するセルリード8となる。また、電極シート60及びセパレータ6aは、各電極毎にセルリード8が重なるように折り畳まれ(図4(B)参照)、さらにもう1回折り畳まれている(図4(C)参照)。そして、セルリード8は、一対のパッド膜5それぞれに対して、溶接により固定されている。セル6の正極6b、負極6c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。
図2及び図3に示すように、ベース容器2は上方を開放した箱体状のセラミックス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の外縁に立設した長方形枠状のベース壁部2bを有している。本実施の形態のベース容器2の大きさは、長さ10mm×幅8mm×高さ1.3mmとなっている。なお、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5(A)及び(B)は、それぞれベース容器2のベース底面2cとベース下面2dを示す図である。図5(A)に示すベース底面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個設けられ、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)に垂直に接続されている。
ビア配線3は、ベース容器2のベース底面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が設け、そして貫通孔にはタングステンの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により、貫通孔の気密が満たされている。
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。
図5(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。
本実施の形態では、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。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接続端子の一部として機能する。
パッド膜5は、ベース底面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の上端部と電解質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5aを有している(図5(A)参照)。なお、本実施の形態のパッド膜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。
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が、表面が平滑で、膜の内部も均一な膜であることが知られている。
続いて、セル6に関して説明する。図4(A)から(D)及び図6に本実施の形態のセル6を示す。このセル6は、上述のとおり、正極6b及び負極6cの集電体となる一組の電極シート60が絶縁性のセパレータ6aを挿んで折り畳まれることにより構成されたものである(図4(A)から(D)参照)。本実施の形態の電極シート60は、アルミニウム製の短冊状の箔材である基材61とアルミカーバイドを介して基材61に固着される活性炭等の炭素素材である活物質62により形成されている。
さらに、図4(C)に示すように、最初にセル6を折り畳んだ際に形成された折り曲げ部65がセルリード8の付け根付近に位置するように、もう1度折り畳むことで、各セルリード8と対向する辺にさらに折り曲げ部65が形成される。
電解質7は、公知の電気二重層キャパシタや非水電解質二次電池に用いられる液体状、ゲル状のものが好ましい。
液体状及びゲル状の電解質7に用いられる有機溶媒には、アセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボーネート、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(γBL)、スルホラン、プロピオン酸エステル、鎖状スルホンなどがあり、これらを単一または混合して用いことができる。
更に、ピリジン系や脂環式アミン系、脂肪族アミン系やイミダゾリウム系のイオン性液体やアミジン系等の常温溶融塩を用いても構わない。
セルリード8は、セル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、集電体としての基材61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基材61に機械的に接続して延長部を形成したものがある。本実施の形態のセルリード8は基材61を細く延長させた延長部であって、詳しくは、正極6b及び負極6cにおいて、基材61の活物質62が固着される短冊部分の2つの短辺から基材61を延長させたものである。上述のように、正極セルリード8bと負極セルリード8cとは、上面視した場合に重ならない位置に形成されている。
本実施の形態のセル6は、図4(B)から(D)に示すように、セルリード8に対して折り曲げ部65が上方に位置するように折り畳まれている。すなわち、セルリード8は、セル6を折り畳んだ際にセル6の下端側から延出するように形成されている(図6(A)及び(B)参照)。
次に、図7(A)及び(B)を用いてセルリード8とパッド膜5との具体的な溶接方法を説明する。図7(A)は、セル6に接続する一対のセルリード8と一対のパッド膜5とを示す図である。電極毎に重ねられた一対のセルリード8の先端は、図7(A)に示すように、パッド膜5の表面に置かれた後、セルリード8の上面から溶接され、パッド膜5とセルリード8が接合される。なお、正極6b及び負極6cの一対のセルリード8は、予め溶接して一体化させてからパッド膜5に溶接してもよい。
なお、超音波溶接においては、振動だけでなく、熱エネルギーと機械的な圧接力を併用することも可能である。また、図7(A)では、セルリード8として細い板状の例が示されているが、ワイヤであってもよく、超音波溶接用チップ20の形状を適切に変形させて用いればよい。
シールリング9は、図1及び図2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ス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。
リッド10は、図1及び図2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ス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に溶接させることができ、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。
次に、図8に示す電気二重層キャパシタの製造フローを参照しながら、本実施の形態の製造方法について説明する。まず、外装容器として、図1から図3に示す凹状の形状をなすベース容器2と、リッド10を準備した。ベース容器2は、長辺が10mm、短辺が8mm、高さが1.3mmであり、ベース容器2の底辺の厚みは0.38mmである。材料としては、セラミックスで電子部品のパッケージを製造する時の標準的な材料を用いた。このベース容器2は、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、約1500℃で焼成することにより形成される。ビア配線3は外径を0.2mmとし、ベース底面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。また、ビア配線3の表面にニッケルと金のメッキを施した。ベース下面2dには、一対の接続端子4が配置され、ビア配線3に接続している。接続端子4にはニッケルを下地とした金メッキが施されている(S10)。
一方、リッド10は、長辺が9mm、短辺が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(S20)。
第1の実施の形態の変形例1は、電極シート60とセパレータ6aの折り畳みの方法を変えてセル6を形成したものである。以下、第1の実施の形態との相違点を説明する。
また、正極6bの正極セルリード8bは、電極シート60の後端の左右両端部に形成され、負極6cの負極セルリード8cは、電極シート60の後端からやや前側の左右両端部に形成されている。すなわち、正極セルリード8bと負極セルリード8cとは、上面視した場合に重ならない位置に形成されている。
さらに、図9(C)に示すように、最初にセル6を折り畳んだ際に形成された折り曲げ部65に隣接する2辺が合わさるようにさらに折り畳むことで、各セルリード8に隣接する1辺にさらに折り曲げ部65が形成される。
第1の実施の形態の変形例2は、電極シート60とセパレータ6aの折り畳みの方法をさらに変えてセル6を形成したものである。以下、第1の実施の形態及び変形例1との相違点を説明する。
図11(A)から(D)に変形例2のセル6を示す。図11(A)に示すように、変形例2の電極シート60の形状は、第1の実施の形態のものに等しい。
実施例1のセル6については、図6(B)に示したとおりである。電極シート60及びセパレータ6aを左右方向に2回折り畳むことで、正極6b及び負極6cの電極シート60が計8層、セパレータ6aが8層、並びにセルリード8が2層、形成された状態である。
以上のような各セル6を備えた電気化学セル1について、まず、セル6の容量を決定付ける活物質62層の体積、及び内部抵抗を決定付ける正極6b及び負極6cの活物質62層の対向面積を求める。ここで、実施例1、比較例1及び比較例2の各セル6が収納されるベース容器2のサイズは共通とし、その内部の寸法を長さ8.4mm×幅6.4mm×深さ0.92mmとした。また、電極シート60における基材61及び活物質62、セパレータ6a、並びにセルリード8の厚さは共通としている。以上の前提を基に、長さ8mm×幅6mmの底面を有するセル6について、ベース容器2に収納可能な最大限の大きさのものを設計した。セル6の高さ、セル6の容積、活物質62層の体積、活物質62の対向面積等の設計結果は表1のとおりである。
表1に示すように、基材61及び活物質62、セパレータ6a、並びにセルリード8の厚さを共通化した場合のベース容器2に収納されるセル6の高さ(表1の(A)の値)は、実施例1が0.68mm、比較例1が0.70mm、比較例2が0.66mmとなる。
比較例1は、実施例1に比べ電極シート60及びセパレータ6aの層の数が少なく、また、各電極のセルリード8は1本ずつであるためセルリード8の層も少ない。しかし、比較例1のセル6は、図13に示すように中心部分に巻き芯68により形成された空間を有するため、実施例1のセル6の高さは、比較例1に比べて高くなる。
また、セル6の高さを基にセルリード8を含むセル6の容積(表1の(B)の値)を算出すると、実施例1が32.64mm3、比較例1が33.60mm3、比較例2が31.68mm3となる。
電極シート60における活物質62の体積(表1の(C)の値)は、実施例1が9.24mm3、比較例1が7.56mm3、比較例2が8.40mm3となる。つまり活物質62の体積は、実施例1が最も大きく、続いて比較例2、比較例1の順となる。なお、セル6の単位容積当たりの活物質62層の体積、すなわち、セル6に占める活物質62層の割合は、実施例1は28.31%、比較例1は22.50%、比較例2は26.52%となる。つまり、セル6の単位容積当たりの容量についても実施例1が最も大きく、続いて比較例2、比較例1の順となる。
電極シート60において正極6b及び負極6cの活物質62同士が対向する部分の面積(表1の(D)の値)は、実施例1が154mm2、比較例1は126mm2、比較例2は140mm2となる。つまり活物質62が対向する面積は、実施例1が最も大きく、続いて比較例2、比較例1の順となる。
次に、上記のとおり設計した実施例1の電気化学セル1を製造し、セル容量及びセル内部抵抗を測定した。そして、当該測定値に基づいて、比較例1と比較例2のセル容量及びセル内部抵抗の値をシミュレーションした。結果は表2のとおりである。
以上、実施例1、比較例1及び比較例2の各セル6の性能を比較すると、実施例1が比較例1及び比較例2と比べて、セル容量が最も大きく、かつセル内部抵抗が最も小さい。すなわち、電極シート60及びセパレータ6aを折り畳んでセル6を形成することにより、従来技術の巻回や積層で形成されたセル6と比べて、セル容量の増大と内部抵抗の低減を図ることができた。
本実施の形態の電気化学セル1について、特徴点と作用効果をまとめると以下のとおりとなる。
(1)特徴点1
本実施の形態の電気化学セル1は、セパレータ6aを介して2枚の電極シート60を重ねて折り畳んでセル6を形成することを特徴としている。ここで、従来のセル6の形成方法には以下の問題点があった。
本実施の形態の電気化学セル1は、正極6b及び負極6cの各電極シート60において、対向する2つの辺からセルリード8が延出していることを特徴とする。すなわち、各電極シート60に2本ずつ延びるセルリード8は、それぞれ対向する位置に形成されているため、折り畳む場合の位置合わせが容易となる。
本実施の形態は、セル6がベース容器2の中に収納されている状態において、電極シート60が折り畳まれたことによる折り曲げ部65が、セルリード8に対してパッド膜5と反対側に形成されていることを特徴としている。具体的には、本実施の形態のセル6において、セルリード8は、パッド膜5に近い下端付近から延出していることを特徴としている。ここで、従来のセル6の形成方法には以下の問題点があった。
本実施の形態は、セルリード8は電極シート60の延長部分であることを特徴としている。具体的には、電極シート60の基材61の延長部分がセルリード8として形成されている。ここで、別体のセルリード8を電極シート60に固定する場合には以下の問題点がある。
第2の実施の形態について図20(A)及び(B)に基づいて説明する。本実施の形態の電気化学セル1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を外装容器としたものであり、図20(A)は側面断面図を示している。外装容器の内部には、第1の実施の形態と同様に、セル6と、一対のセルリード8と、電解質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。
第3の実施の形態について図21並びに図22(A)から(D)を用いて説明する。図21に、本実施の形態で用いるベース容器2の斜視図を示した。本実施の形態では、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のベース底面2cには、ベース壁部2b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、反対側の開口部は、リッド10の接合面を形成している。本実施の形態では、リッド10を封止するためのシールリング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、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。
第4の実施の形態について図23(A)及び(B)を用いて説明する。図23(A)は、電気化学セル1の断面を示すもので、セラミックスからなる凹状のベース容器2のベース底面2cには、前述と同様にアルミニウム膜からなるパッド膜5が設けられ、ビア配線3によって接続端子4に接続された構成をなす。本実施の形態では、ビア配線3及びパッド膜5は正極側にだけ設けられている。そして、セル6に接続する一対のセルリード8のうち、正極セルリード8bがパッド膜5に超音波溶接で接続されて、十分に低い接続抵抗値を実現している。
電極シート60とセパレータ6aの折り畳みの方法は、上記にて説明した方法に限らない。各電極シート60毎に対向するセルリード8同士が重なるように折り畳まれていれば、折り畳み方は自由である。
例えば、電極シート60とセパレータ6aとが重ねられたセル6をセルリード8が延びる方向(左右方向)に3回以上折り畳んでもよい。また例えば、セルリード8が延びる方向(左右方向)とセルリード8が延びる方向と直交する方向(前後方向)とで交互に折り畳んでもよい。
第1の実施の形態及びその変形例においては、上から電極シート60、セパレータ6a、電極シート60、セパレータ6aの順に重ねたセル6を折り畳んでいたが、最下層のセパレータ6aを除いた状態で折り畳んでセル6を形成してもよい。つまり、上から電極シート60、セパレータ6a、電極シート60の順に重ねたものを折り畳んでセル6を形成してもよいのである。例えば、図6(A)において、最下層のセパレータ6aを除いても中間層においては、正極6bの電極シート60同士が接するに過ぎず、セル6において内部ショートは生じない。
2a ベース底部 2b ベース壁部
2c ベース底面 2d ベース下面
2e ベース側面 3 ビア配線
4 接続端子 4b 延設部
5 パッド膜 5a 溶接部分
6 セル 6a セパレータ
6b 正極 6c 負極
7 電解質 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 12 金属側壁
20 超音波溶接用チップ 20a チップ先端
60 電極シート 61 基材
62 活物質 65 折り曲げ部
68 巻き芯 80 延出部
81 固定部 83 折り返し部
Claims (3)
- ベース容器と、
絶縁体、一の電極シート、前記絶縁体、及び他の電極シートの順に重ねられ、かつ、前記ベース容器の中に収納されるセルと、
前記各電極シートの対向する2つの辺からそれぞれ延出するセルリードと、
前記ベース容器の底面に形成された弁金属からなり、前記各電極シートの前記セルリード毎に接続される一対のパッド膜と、
前記パッド膜と接続され、かつ前記ベース容器の底面に形成されたベース内配線と、
前記ベース容器の上面に接合されたシールリングと、
前記シールリングの上面に接合され、かつ、前記シールリングの上面を塞ぐリッドと、を少なくとも有する電気化学セルであって、
前記セルは、前記絶縁体を介して重ねられた前記一対の電極シートが複数回折り畳まれた状態で前記ベース容器の中に収納されており、
前記各電極シート毎に対向する前記セルリード同士が重なるように前記各電極シートは折り畳まれ、かつ折り畳まれた前記他の電極シートは2つの層が重ね合わされており、
前記ベース容器の中に収納されている前記セルにおける前記各電極シートでは、前記パッド膜側の2つの層に前記セルリードを有する前記電極シートの層が設けられている電気化学セル。 - 前記絶縁体はセパレータであって、
前記セルは、
最外部の前記電極シートが前記セパレータで覆われている請求項1記載の電気化学セル。 - 前記セルリードは、前記電極シートの延長部分であることを特徴する請求項1又は2に記載の電気化学セル。
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