JP6749804B2 - Electrochemical cell - Google Patents
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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 reflow solderable and reliable electrochemical cell.
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 is known an electrochemical cell such as an electric double layer capacitor that is used for supporting data writing to a memory when a momentary power failure occurs and smoothing a circuit voltage, and has a low resistance due to winding and stacking. In addition, as a package of these electrochemical cells, a laminate type package has been conventionally known.
In this type of electrochemical cell package, there has been proposed a ceramic package that has excellent sealing properties, improves long-term reliability, and is compatible with reflow soldering (see Patent Document 1).
As the electrodes 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 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 in this type of electrochemical cell, a constant container wall thickness has been required due to manufacturing and durability requirements. Further, since the lead of the element internally 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, it is necessary to have higher conductivity and capacity density than the conventional configuration in order to place an electrochemical cell equipped with a ceramic package in the same mounting space as the conventional laminate type. It was
Further, in order to further reduce the mounting space, it is necessary to provide an element which has improved heat resistance and withstand voltage and is required to be used in a single cell.
Further, in an electrochemical cell using a ceramic package, when reflow soldering is performed, problems such as an increase in internal resistance due to the heat of the solder occur and there is a problem that the electrochemical cell deteriorates in characteristics 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 to provide an electrochemical cell having high conductivity, high capacity density, high reliability even with a small element shape, and less characteristic deterioration due to reflow soldering. To aim.
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と、前記炭素材料の層の上に形成された活性炭と導電助剤とバインダーを含む活物質層を含み、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。
また、前記非水電解液が、スピロ化合物の支持塩15〜40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:64〜88質量%、エチルメチルスルホン:12〜36質量%の組成を有しても良い。
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 that 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, an intra-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 that hermetically closes the base container. In the cell element, the positive electrode and the negative electrode are arranged with a separator interposed therebetween, and further, a nonaqueous electrolytic solution is contained, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is an aluminum current collector, and on the aluminum current collector. A layer of a carbon material fixed by a compound of aluminum and carbon, and an active material layer formed on the layer of the carbon material and containing activated carbon, a conductive additive and a binder , wherein the non-aqueous electrolytic solution is a supporting salt. : 13 to 43% by mass and the balance solvent, and the composition has a composition of sulfolane: 60 to 90% by mass and ethylmethylsulfone: 10 to 40% by mass in the balance solvent mass ratio.
Since the cell element and the electrolytic solution are housed in the airtight base container and the supporting salt, sulfolane and ethyl methyl sulfone are used as the proper ratio of the electrolytic solution, the supporting salt has high solubility and receives the heat of the reflow solder. In addition, it is possible to provide an electrochemical cell having a low internal resistance increase rate and a small decrease in capacity and improved heat resistance.
Further, since the interface between the layer of carbon material and the aluminum current collector is fixed by the compound of aluminum and carbon, the adhesion of the carbon particles on the surface of the aluminum current collector does not easily deteriorate even when the heat of the reflow solder is received. Therefore, an electrochemical cell having high heat resistance can be obtained.
Further, the non-aqueous electrolytic solution is a supporting salt of a
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 intervening layer containing the compound of aluminum and carbon is formed on a surface portion of the aluminum current collector, and a second surface portion extending outward from the intervening layer is formed. It is possible to adopt a structure in which a layer of the carbon material having a conductive layer in which a plurality of carbon particles are fixed is formed on the surface portion of.
By adopting a structure having a conductive layer having a plurality of carbon particles fixed on a second surface portion extending from an intervening layer containing a compound of aluminum and carbon formed on the surface portion of the aluminum current collector, An electrode structure can be formed in which the carbon particles do not separate from the aluminum current collector even when subjected to the above. Therefore, even if the heat of the reflow solder is received, the adhesion of the carbon particles on the surface of the aluminum current collector is unlikely to be lowered, so that an electrochemical cell having high heat resistance can be provided.
In the present invention, it is possible to adopt a configuration in which the conductive layer contains an active material.
The capacity of the cell can be increased by including the active material in the conductive layer.
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, the supporting salt may be a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt.
With these supporting salts, high solubility of the supporting salt in the electrolytic solution can be obtained, and the solvent can have high electric conductivity.
In the present invention, it is possible to employ a configuration in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator of the cell element housed in the base container are impregnated with the nonaqueous electrolytic solution.
When impregnating the positive electrode, the negative electrode of the cell element, and the periphery of the separator with the non-aqueous electrolytic solution, the size was reduced by using an electrolytic solution composed of a solvent containing sulfolane and ethylmethylsulfone in the above composition ratio and a supporting salt in the above composition ratio. It is possible to provide an electrochemical cell in which the cell element is sufficiently impregnated with the electrolytic solution.
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、その上に活性炭と導電助剤とバインダーを含む活物質層を備え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。
The electrochemical cell of the present invention has a structure in which a layer of a carbon material is fixed by a compound of aluminum and carbon on an aluminum current collector of a cell element, and an active material layer containing activated carbon, a conductive additive and a binder is provided thereon. Since the above electrode is provided, it has good adhesion between the aluminum current collector and the carbon material layer, 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 higher capacity density than an electrochemical cell having a conventional structure in which a slurry containing an active material, a conductive auxiliary agent, and a binder is directly coated on an aluminum current collector. In addition, since good adhesion between the aluminum current collector and the carbon material layer is less likely to be deteriorated even when receiving heat of the reflow solder, the cell element is housed in the base container, and wiring is provided in the base container. It is possible to provide an electrochemical cell capable of highly reliable reflow soldering with a small element shape.
Since 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 13 to 43% by mass of the supporting salt, the conductivity and the capacity density are It is possible to provide an electrochemical cell having high chargeability and excellent charging characteristics. Further, when the base container accommodating the cell element is sealed with the lid, the heat of welding for sealing is transferred to the non-aqueous electrolytic solution, the non-aqueous electrolytic solution is difficult to evaporate, and the quality of the non-aqueous electrolytic solution deteriorates. It is possible to provide an electrochemical cell in which resistance is unlikely to increase.
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, the electrochemical cell according to the 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. 1A 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 in the shape of a rectangular parallelepiped as an example, but it may be in the shape of a track or a cylinder. The electrochemical cell 1 of the present embodiment stores 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. 1B is a sectional view taken along the line AA of FIG. 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 holes 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 the present 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
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 a screen printing method. 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 high temperatures. Since this method is a printing method, a thicker film can be formed as compared with a thin film forming technique such as a vapor deposition method, and a thick film of several tens of μm can be easily obtained. Further, the aluminum film can be produced by an electroplating method. If the film is formed to a thickness of about 40 μm using a plating solution composed of dimethyl sulfone and aluminum chloride, a film having a smooth surface and a uniform inside can be obtained.
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。
Then, the film thickness of the
As a result, it was confirmed that minute cracks were generated in the glass plate in one sample out of five cell leads. Therefore, it can be estimated that 5 μm is the practically lower limit of 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, WO2004/087984. Specifically, it can be obtained by applying carbon particles to the surface of the aluminum foil and then heating the carbon foil in a hydrocarbon atmosphere to about 300 to 650°C.
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. As the compound of aluminum and carbon, aluminum carbide (Al 4 C 3 ) is particularly preferable.
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
Further, the
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 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), titanium (Ti), vanadium (V), gallium (Ga), aluminum alloy in which at least one alloy element of nickel (Ni) and boron (B) is added within a necessary range, or an unavoidable impurity element. It also includes aluminum containing.
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 may be in the range of 5 μm or more and 100 μm or less, for example, in the range of 5 μm or more and 20 μm or less.
The thickness of the carbon material layer can be set in the range of 0.01 μm or more and 200 μm or less, for example, in the range of 0.3 μm or more and 50 μm or less.
The relationship between the positive electrode
Further, in the present embodiment, it is preferable that an active material layer made of activated carbon, a conductive auxiliary agent, and a binder is formed to a required thickness (for example, about 30 μm) 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。
(Electrolyte 7)
As the
Sulfolane (SL) is one of cyclic sulfones, and has a high dielectric constant and can dissolve a large amount of supporting salt to form an electrolytic solution having good conductivity. Since SL has a high boiling point and strong oxidation resistance, it can be used as the main solvent of the electrolytic solution of the electrochemical cell. In addition, 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 the solvent of the electrolytic solution, the viscosity can be lowered as compared with the solvent containing only sulfolane (SL).
Examples of the supporting salt include a quaternary ammonium salt and a quaternary phosphonium salt. More specifically, of the quaternary ammonium salts, examples of compounds having only a fatty chain include triethylmethylammonium (TEMA) salts and tetraethylammonium (TEA) salts. Examples of the spiro compound include 5-azoniaspiro[4,4]nonanetetrafluoroborate (spiro-(1,1′)-bipyrrolidinium:SBP-BF4), 6-azoniaspiro[5,5]undecanetetrafluoroborate, 3 -Azoniaspiro[2,6]nonanetetrafluoroborate, 4-azoniaspiro[3,5]nonanetetrafluoroborate and the like can be mentioned. Examples of the quaternary phosphonium salt include 5-phosphonylspiro[4,4]nonanetetrafluoroborate.
As the supporting salt, a quaternary ammonium salt is preferable, a spiro compound is more preferable, and 5-azoniaspiro[4,4]nonanetetrafluoroborate is further preferable. Since the spiro compound of the quaternary ammonium salt has high electric 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 a mass ratio (%) of the supporting electrolyte is 25 mass% and SL:EMS=80 mass%:20 mass% with respect to the mass of the entire electrolytic solution.
Further, the mass of the supporting salt is more preferably in the range of 20 to 30% by mass and further preferably in the range of 22 to 27% by mass with respect to the mass of the entire electrolytic solution.
The mass ratio of each component to the entire solvent is more preferably SL: 75 to 85 mass% and EMS: 15 to 25 mass%.
(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. 3( a) and 3 (b ), 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 the 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。
Welding of the
When the
Seam welding may use roller electrodes or laser scanning irradiation.
It is considered that the reason why the airtight welding is possible even if liquid is present at the interface is that the liquid present at the interface evaporates and scatters because the temperature in the vicinity rapidly rises during welding. 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 has the positive electrode including the
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 the present embodiment has a composition of a supporting salt of 13 to 43 mass% and a balance solvent, and a composition of sulfolane: 60 to 90 mass% and ethylmethylsulfone: 10 to 40 mass% in a balance solvent mass ratio. Since the
When the
In addition, since it is possible to secure a withstand voltage of 3V in the case of the above-mentioned electrolytic solution, the conventional method of using two electrochemical cells with a withstand voltage of 2.5V in series is replaced with a single booster circuit. It can be a cell. This has the effect of reducing the mounting space.
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。
Other configurations 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 cavity-
In the cavity-
As a result, it is possible to prevent the efficiency of the sealing operation from being lowered due to the presence of 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。
Other configurations 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。
In 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, TOYAL CARBON (registered trademark) manufactured by Toyo Aluminum Co., Ltd. in which carbon particles were fixed to the surface of a collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm with aluminum carbide (Al 4 C 3 ) was used as the surface layer. 85% by mass of activated carbon having a particle size of 6 μm, a conductive auxiliary agent (Ketjen black, 8% by mass), a binder (polytetrafluoroethylene, 7% by mass) and a 30 μm thick active material layer consisting of a thickener are applied on one side. The prepared sheet electrode was produced. In Example 2, an electrode sheet was prepared in which a 10 μm-thick active material layer containing activated carbon having a particle diameter of 6 μm was fixed to one surface of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm with aluminum carbide (Al 4 C 3 ). ..
After these sheet electrodes were cut to an appropriate length, a thin aluminum plate having a thickness of 80 μm, a width of 1.5 mm and a length of 4 mm was attached to one end of the sheet electrode by ultrasonic welding to form 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。
Then, ultrasonic welding is performed. 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。
Then, after returning to atmospheric pressure and taking out the
The electrical characteristic test of the produced electrochemical cell was performed.
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 size of 6 μm and a conductive auxiliary is applied to the surface of a current collector made of aluminum having a thickness of 20 μm as in Example 1. A sheet electrode for comparison having a 30 μm-thick active material layer consisting of an agent (Ketjen black, 8% by mass), a binder (polytetrafluoroethylene, 7% by mass) and a thickener was applied on one side to prepare a sheet electrode for comparison. An electrochemical cell of Comparative Example 1 which was housed in the
In order to evaluate the resistance to the reflow solder for each of the obtained electrochemical cells, a reflow solder test in which the whole is kept at 260° C. for 5 seconds is performed, and the internal resistance (Ω) before and after the reflow solder test is measured. The change rate (change rate before and after reflow) was calculated.
The internal resistance was obtained by measuring the impedance at an alternating current of 1 kHz (the same applies to the measurement of the internal resistance shown 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 clear from the results shown in Table 1 and FIG. 8, an electrochemical cell (electric double layer capacitor) equipped with 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. It was found that even when exposed to the heating environment of the reflow solder, the internal resistance did not increase much and the deterioration was extremely small compared to the conventional structure shown in Comparative Example 1. 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 those of Examples 1 and 2 and the electrochemical cell having the same structure as Comparative Example 1 were charged at a charging voltage of 3.0 V/charging current of 10 mA for 10 minutes, and then discharged. The discharge time (sec) was measured under the conditions of 1 mA and a discharge end voltage of 2.0V. Further, the same reflow soldering test as in the previous example was carried out, the discharge time (sec) before and after the reflow soldering test was measured, and the change rate before and after that (change 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 clear 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 heating environment of the reflow solder, the discharge time is reduced less and the capacity is less reduced. It has been found. Therefore, it can be seen that the electrochemical cell according to the present invention can withstand the process of reflow soldering and can suppress the decrease in capacity of the 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, 25% by mass of the supporting salt, the mass ratio of the remaining solvent 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 in the proportion of 29% by mass was used.
With respect to each electrochemical cell having the same structure as that of the above-described Example 1 and Comparative Example 2, the same reflow soldering test as in the previous example was performed, the internal resistance (Ω) before and after the reflow soldering test was measured, and the change before and after that was measured. The rate (change rate before and after reflow) was evaluated. Further, the discharge time (sec) before and after the reflow soldering test and the change rate before and after that (change rate before and after reflow) were evaluated. The results are shown in Tables 3 and 4 below and FIGS. 10 and 11.
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, with respect to the change rate of the internal resistance before and after the reflow soldering test (change rate 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, with respect to the rate of change of the discharge time before and after the reflow soldering test at 3.0-2.0 V, the SL-based electrolytic solution having high withstand voltage was used in Example 1 Then, the decrease in discharge time due to reflow was smaller than that in Comparative Example 2. As described above, regarding the initial electrical characteristics (internal resistance, capacity), it was found that when the SL-based electrolytic solution was used, the characteristics were particularly excellent in the high voltage band.
<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, using an electrochemical cell having the same structure as that of Example 1 and Comparative Example 2, using a charging voltage of 3.0 V at 60° C. and a charging voltage of 2.5 V at 85° C. Table 5, Table 7, FIG. 12 and FIG. 14 show the capacity retention rate according to the number of days (HTV (storage characteristic), internal resistance increase rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristic)). ) 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 increased significantly and the capacity retention rate decreased significantly with the passage of storage days. On the other hand, the electrochemical cell of Example 1 has a small internal resistance increase rate at a storage temperature of 60° C./charging voltage of 3.0 V and a storage temperature of 85° C./charging voltage of 2.5 V, and maintains the capacity. Almost no decrease in the rate has occurred.
Therefore, it can be seen that the electrochemical cell of Example 1 has a low internal resistance increase rate even after the elapse of days and a high capacity retention rate even after the elapse of days.
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. Electrochemical cell using electrolyte solution is superior to conventional electrochemical cell equipped with coating type electrode and electrochemical cell using 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 withstand voltage characteristics, can obtain high capacity, and have excellent heat resistance characteristics.
Further, 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 different from that of a conventional electrode structure of a coating type even when exposed to a heating environment of reflow solder. 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 preparing the electrochemical cell of Example 1, the electrochemical cell of Example 3 using the electrolytic solution in which the mass ratio of the supporting salt in the applied electrolytic solution was set to 15 mass%, and 40 mass % Of the electrochemical cell using the electrolytic solution set to 100%, Comparative Example 3 using the electrolytic solution of 10% by mass, and Comparative Example 3 using the electrolytic solution of 45% by mass The electrochemical cell of Example 4 was prepared and subjected to the following impedance measurement test.
In the impedance measurement test, taking into consideration the resistance to reflow solder, a reflow solder test in which the entire electrochemical cell is held at 260°C for 5 seconds is performed, the internal resistance before and after the reflow solder test is measured, and the change rate of the internal resistance before and after that is measured. (Rate before and after reflow) was calculated. 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 clear 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 mass% exhibited 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 (13 to 43 mass%) of the present invention, the conductivity was decreased and the internal resistance was increased. In the electrochemical cell of Comparative Example 4 in which the mass ratio of the supporting salt was excessively larger than the above range, since the ratio of the solvent to the supporting salt was small, the influence of decomposition or deterioration of the solvent due to heating became large, and the reflow soldering was 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 the electrochemical cells having the same structures as those in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4, the same reflow solder test as in the previous example was performed, and the discharge time (sec) after the reflow solder test was measured. The change rate before and after that (change rate 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 to have a charging voltage of 3.0 V, a charging current of 10 mA, and a charging time of 10 minutes. As the 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) was exposed to the heating environment of the reflow solder by setting the range of 13 mass% to 43 mass% in which the increase in internal resistance due to the reflow solder was small. Even if it does, it can be seen that it is possible to provide an electrochemical cell with a small decrease in discharge time and a small decrease in capacity.
<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。
<Evaluation of storage characteristics by changing the ratio of supporting salt>
Using electrochemical cells having the same structure as those in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4, a test for evaluating storage characteristics was 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。
Table 11 and FIG. 18 below show the capacity retention rate (the 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. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristic)) is shown in Table 12 and FIG. 19 below.
Table 13 and FIG. 20 below show the capacity retention rate (the 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. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristic)) is shown in Table 14 and FIG. 21 below.
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。
From 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 reduced showed a large decrease in the 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 was increased, and the influence of decomposition or deterioration of the supporting salt due to heating was 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 that in Examples 3 and 4. This is because the amount of the supporting salt was too large and the ratio of the solvent in the electrolytic solution was small, and the influence of the decomposition and deterioration of the solvent became large. 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 mass% has an internal resistance of 70°C at a voltage of 2.5 V even after a lapse of days. It can be seen that the storage characteristics are excellent because the increase and the capacity retention rate are suppressed.
Further, from the data of 85° C. in Tables 13 and 14, Comparative Example 3 in which the content of the supporting salt was reduced showed a large decrease in the capacity retention rate as compared with 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 these results, 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 showed that the internal resistance was maintained even when the number of days passed while the voltage of 2.5 V was applied at the temperature of 85°C. It can be seen that the storage characteristics are excellent because the increase and the capacity retention rate are suppressed.
<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 preparing the electrochemical cell having the above-mentioned structure, 25 mass% of SBP.BF4 (5-azoniaspiro[4.4]nonane tetrafluforoborate) was used as the supporting salt, and sulfolane (SL) and ethyl were used as the non-aqueous solvent. A mixed solution of methyl sulfone (EMS) was prepared in the following proportions and used as a mixed electrolytic solution. The other structure is the same as that of the first embodiment.
The mixture ratio of SL and EMS used as a solvent was SL:EMS=80 mass%:20 mass% in Example 5, SL:EMS=88 mass%:12 mass% in Example 6, SL: EMS=64% by mass: 36% by mass for Example 7, SL:EMS=93% by mass: 7% by mass for 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。 Similar to the evaluations carried out previously for the electrochemical cells having the same structure as Examples 5 to 7 and Comparative Examples 5 and 6, the internal resistance and the change rate before and after it (change rate before and after reflow) were compared. 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, it is considered that Comparative Example 5 having a small EMS had an increased viscosity and an impaired impregnation property with an electrolytic solution when a cell element was produced, and thus an internal resistance increased. On the contrary, it is considered that Comparative Example 6 containing a large amount of EMS has a reduced viscosity and a 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。
The discharge time (sec) after the reflow soldering test and the change rate before and after it (change rate before and after reflow) were measured using the electrochemical cells having the same structures as those in Examples 5 to 7 and Comparative Examples 5 and 6 described above. The results are shown in Table 16 below and FIG.
As the charging conditions, the electrochemical voltage of each Example and Comparative Example was set to 3.0 V, the charging current was 10 mA, and the charging time was 10 minutes. As the discharge conditions, the discharge current was set to 1 mA and the final 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 in which EMS was large and SL was small, the capacity was a small value. This is because the dielectric constant of the electrolytic solution decreased due to the small amount of SL. On the other hand, the electrochemical cells of Examples 5 to 7 and Comparative Example 5 exhibited 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 preservation characteristic evaluation>
Using an electrochemical cell having the same structure as that of Example 5 and Comparative Examples 5 and 6 described above, a test for evaluating storage characteristics was performed.
Table 17 and FIG. 24 below show the capacity retention rate (the 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. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristic)) is shown in Table 18 and FIG. 25 below.
Table 19 and FIG. 26 below show the capacity retention rate (the 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. The rate (internal resistance increase rate in HTV (storage characteristic)) is shown in Table 20 and FIG. 27 below.
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 Comparative Example 5 in which the EMS is less than the preferable range (10 to 40 mass%) of the present application and Comparative Example 6 in which the EMS is more than the preferable range of the present application, maintain the capacity. The rate decreased and the internal resistance increased. This is because in Comparative Example 5 where the EMS is small, since the viscosity is high and the impregnation property of the electrolytic solution when manufacturing the cell element is poor, the electrolytic solution that is not impregnated when sealing the cell during assembly overflows to the outside of the cell, This is because the lack of the electrolytic solution in the inside causes the electrolytic solution to easily deteriorate with time. On the contrary, in Comparative Example 6 in which EMS is large, the withstand voltage is lowered due to the decrease in SL.
Further, as shown in Tables 19 and 20 and FIGS. 26 and 27, in Comparative Example 5 in which the EMS is less than the preferable range of the present application and Comparative Example 6 in which the EMS is more than that in the present invention, the capacity retention ratio decreases and the internal resistance increases. It was seen.
As shown in Tables 15 to 20 above, 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 inner bottom surface, 2d... Base lower surface, 2e... Base side surface, 2f... Base 1st bottom part, 2g... Base second Bottom part, 3... Via wiring, 4... Connection terminal, 5... Pad film, 5a... Welding part, 6... Cell element, 7... Electrolyte, 8... Cell lead, 8a... Welding area, 8b... Positive cell lead, 8c... Negative cell lead , 9... Seal ring, 10... Lid, 10a... Cavity type lid, 10b... Sealing plug, 15, 16, 17... Electrochemical cell, 18... Wiring pattern, 20... Ultrasonic tip, 20a... Tip of 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... Conductivity Layer, 41... Negative electrode collector, 42... Negative electrode body (negative electrode).
Claims (7)
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と、前記炭素材料の層の上に形成された活性炭と導電助剤とバインダーを含む活物質層を含み、
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 accommodated in the base container, a plurality of cell leads that are extensions of the cell element, a pad film made of a valve metal formed on an inner bottom surface of the base container, and the pad An electrochemical cell having at least a lid connected to a film and formed from an inner bottom surface to a lower surface of the base container, and a lid that hermetically closes the base container,
In the cell element, the positive electrode and the negative electrode are arranged with a separator interposed therebetween, and further, a nonaqueous electrolytic solution is contained, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is an aluminum current collector, and aluminum is provided on the aluminum current collector. A layer of a carbon material fixed by a carbon compound, and an active material layer containing activated carbon, a conductive auxiliary agent and a binder formed on the carbon material layer ,
The non-aqueous electrolyte is a supporting salt: 13 to 43% by mass, the balance solvent, and has a composition of sulfolane: 60 to 90% by mass and ethylmethylsulfone: 10 to 40% by mass in the balance solvent ratio. And an electrochemical cell.
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