JPWO2014196230A1 - 電気化学デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】確実に溶接された電気化学デバイスを提供すること。【解決手段】本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、ケースと、溶接リングと、リッドと、溶融凝固部と、蓄電素子と、電解液とを具備する。ケースは、底部と底部の外縁に沿う枠状の壁部を有する。溶接リングは、ケースに接合され、ケースと共に液室を形成する。リッドは、液室を封止する。溶融凝固部は、リッドと溶接リングの溶融凝固部であって、リッドから溶接リングにわたって形成され、ケースには到達せず、壁部を通り直交する断面において、溶接凝固部の形状は、幅が溶融深度と共に漸減する。蓄電素子は、液室に収容されている。電解液は、液室に収容されている。【選択図】図2
Description
本発明は、内部に蓄電素子が収容された電気化学デバイスに関する。
電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタといった電気化学デバイスは、蓄電素子や電解液がケース内に収容されて構成されているものが一般的である。このような電気化学デバイスは、ケース内に蓄電素子等が収容された後、リッド(蓋)がケースに接合されることによって製造される。
リッドのケースへの接合は、シーム(溶接端子)を利用した抵抗加熱による溶接であるシーム溶接がこれまでの主流であった。しかしながら近年では、電気化学デバイスの小型化が進み、電気化学デバイスの小型化に対応可能なレーザー溶接が注目されている。
例えば特許文献1には、電池ケースと蓋とをレーザー溶接によって封止する技術が開示されている。この文献では、良好な溶接を可能とするため、溶接凝固部の幅に対する深さが規定されている。また、特許文献2には、異種材料のレーザー溶接について開示されている。この文献においても、溶接凝固部の深さが規定されている。
ここで、溶接の強度や封止性は、材料の溶け具合(溶接凝固部の形状)に左右され、溶融が不足しても過剰であっても問題となる。レーザー溶接の溶け具合の指標としては、溶融凝固部の断面がレーザーを照射した幅を底辺とした三角形となることから、この底辺と高さの比率を規定することが一般的である。例えば特許文献1においても底辺に対する三角形の高さが規定されている。しかしながら、溶接強度は溶ける量(溶け込み幅)によって決まるため、当該技術の規定では溶接幅が封止性を保つには不十分となるおそれがある
。
。
また、リッドとケースとを確実に接合するためには、両者が互いに溶け込む必要があるので、溶融凝固部はレーザーを照射した部品から突き抜ける必要がある。しかしながら、上記のような規定方法では、溶接幅と溶融凝固部の深さが規定され、ケースの大きさや部品の厚さによっては溶接ができない場合がある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、確実に溶接された電気化学デバイスを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、ケースと、溶接リングと、リッドと、溶融凝固部と、蓄電素子と、電解液とを具備する。
上記ケースは、底部と上記底部の外縁に沿う枠状の壁部を有する。
上記溶接リングは、上記ケースに接合され、上記ケースと共に液室を形成する。
上記リッドは、上記液室を封止する。
上記溶融凝固部は、上記リッドと上記溶接リングの溶融凝固部であって、上記リッドから上記溶接リングにわたって形成され、上記ケースには到達せず、上記壁部を通り直交する断面において、上記溶接凝固部の形状は、幅が溶融深度と共に漸減する。
上記蓄電素子は、上記液室に収容されている。
上記電解液は、上記液室に収容されている。
上記ケースは、底部と上記底部の外縁に沿う枠状の壁部を有する。
上記溶接リングは、上記ケースに接合され、上記ケースと共に液室を形成する。
上記リッドは、上記液室を封止する。
上記溶融凝固部は、上記リッドと上記溶接リングの溶融凝固部であって、上記リッドから上記溶接リングにわたって形成され、上記ケースには到達せず、上記壁部を通り直交する断面において、上記溶接凝固部の形状は、幅が溶融深度と共に漸減する。
上記蓄電素子は、上記液室に収容されている。
上記電解液は、上記液室に収容されている。
本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスは、ケースと、溶接リングと、リッドと、溶融凝固部と、蓄電素子と、電解液とを具備する。
上記ケースは、底部と上記底部の外縁に沿う枠状の壁部を有する。
上記溶接リングは、上記ケースに接合され、上記ケースと共に液室を形成する。
上記リッドは、上記液室を封止する。
上記溶融凝固部は、上記リッドと上記溶接リングの溶融凝固部であって、上記リッドから上記溶接リングにわたって形成され、上記ケースには到達せず、上記壁部を通り直交する断面において、上記溶接凝固部の形状は、幅が溶融深度と共に漸減する。
上記蓄電素子は、上記液室に収容されている。
上記電解液は、上記液室に収容されている。
上記ケースは、底部と上記底部の外縁に沿う枠状の壁部を有する。
上記溶接リングは、上記ケースに接合され、上記ケースと共に液室を形成する。
上記リッドは、上記液室を封止する。
上記溶融凝固部は、上記リッドと上記溶接リングの溶融凝固部であって、上記リッドから上記溶接リングにわたって形成され、上記ケースには到達せず、上記壁部を通り直交する断面において、上記溶接凝固部の形状は、幅が溶融深度と共に漸減する。
上記蓄電素子は、上記液室に収容されている。
上記電解液は、上記液室に収容されている。
溶融凝固部が、リッドから溶接リングにわたって形成されることにより、リッドと溶接リングが溶接される。一方で、溶接凝固部がケースに到達すると、溶接時の熱によってケースに破損が生じ、液室の気密性が不十分となるおそれがある。即ち、溶融凝固部は、リッドから溶接リングにわたって形成され、ケースに到達しない場合に、リッドと溶接リングを確実に接合することが可能である。
上記溶融凝固部は、最も幅の広い位置における幅を第1の幅とし、溶融深さの半分の位置における幅を第2の幅としたときに、上記第2の幅が上記第1の幅の0.3倍以上0.9倍以下である断面形状を有する。
レーザー溶接による溶け込みが不足し、第2の幅が第1の幅の0.3倍未満となると、僅かな衝撃で溶接が破壊され、液室の気密性が低下し、電気化学デバイスの抵抗上昇や容量低下が生じる。またリフローはんだ付けの際や過充電の状況になった場合、電解液等の分解によりガスが発生し、液室内の圧力が上昇して溶接部が破壊され、内容物が飛び出すおそれがある。一方、レーザー溶接による溶け込みが多過ぎ、第2の幅が第1の幅の0.9倍を超えると、溶接時に周囲の外気が取り込まれて巣穴が生じ、そこからピンポールが空いて液室の気密性が低下する。また溶接による溶け込みが過剰な場合、溶接部がケースの外側にはみ出し、溶接部とリッドの境界でリッドが切断される。これに対し、上記断面形状を有する溶融凝固部は溶け込みが適量であり、リッドと溶接リングを確実に接合することが可能である。
上記溶融凝固部は、漏斗状の断面形状を有してもよい。
溶融凝固部を断面形状が漏斗状となる形状とすることにより、溶接ビードが液室内部へ露出することなく溶接深さを深くすることが可能であり、溶接ビードの露出無しで溶接強度を上げることができる。また、溶接リングの溶け込み量が減少することにより溶接リングの歪を抑えることができるので、溶接リングの変形等による溶接不良を防ぐことが可能となる。
上記ケースはセラミックからなり、
上記溶接リング及び上記リッドはコバールからなり、
上記溶接リングは、上記ケースにロウ付けされていてもよい。
上記溶接リング及び上記リッドはコバールからなり、
上記溶接リングは、上記ケースにロウ付けされていてもよい。
この構成によれば、ケースと溶接リングはロウ付けによって接合され、溶接リングとリッドはレーザー溶接によって接合されることにより液室の気密性が維持される。なお、溶接リングには、AuメッキやNiメッキ等のメッキが施されていてもよい。
上記溶融凝固部は、ファイバーレーザーのレーザー照射によって形成されたものであってもよい。
溶接リングとリッドは、溶接リングと重複するリッドの領域にファイバーレーザーを照射することによって溶接することが可能である。
[電気化学デバイスの構成]
図1は、本実施形態に係る電気化学デバイス10の斜視図であり、図2は電気化学デバイス10のS11−S11線(図1)に沿う断面図である。これらの図に示すように、電気化学デバイス10は、ケース11、リッド12、蓄電素子13、正極配線14、正極端子15、負極配線16、負極端子17、溶接リング18、正極接着層19、負極接着層20及び溶融凝固部21を有する。
図1は、本実施形態に係る電気化学デバイス10の斜視図であり、図2は電気化学デバイス10のS11−S11線(図1)に沿う断面図である。これらの図に示すように、電気化学デバイス10は、ケース11、リッド12、蓄電素子13、正極配線14、正極端子15、負極配線16、負極端子17、溶接リング18、正極接着層19、負極接着層20及び溶融凝固部21を有する。
図2に示すように、電気化学デバイス10は、リッド12と溶接リング18が溶融凝固部21によって溶接され、ケース11、溶接リング18及びリッド12によって形成された液室11aに蓄電素子13及び電解液が封入されて構成されている。正極配線14は蓄電素子13の正極と正極端子15を電気的に接続し、負極配線16は蓄電素子13の負極と負極端子17を電気的に接続している。
ケース11は、リッド12及び溶接リング18と共に液室11aを形成する。図3は、ケース11の分解斜視図である。同図に示すようにケース11は、底部11bと壁部11cからなる。底部11bは、液室11aの底を構成する板状の部分であり、正極配線14用のビア11dが設けられている。壁部11cは、液室11aの側壁を構成し、底部11bの外縁に沿う枠状の部分である。
ケース11は、HTCC(High Temperature Co-fired Ceramics)やLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)等のセラミックからなるものとすることができる。ケース11は液室11aを構成するように凹状に形成されるものとすることができ、例えば図1に示すような直方体形状あるいは円柱形状等、他の形状とすることも可能である。
リッド12は、溶接リング18を介してケース11と接合され、液室11aを封止する。リッド12は、各種金属等の導電性材料からなるものとすることができ、例えばコバール(鉄−ニッケル−コバルト合金)からなるものとすることができる。リッド12は溶融凝固部21によって溶接リングに溶接され、この詳細については後述する。
蓄電素子13は、液室11aに収容され、電荷を蓄積し(蓄電)あるいは放出(放電する)。図2に示すように蓄電素子13は、第1電極シート13a、第2電極シート13b及びセパレートシート13cを有し、第1電極シート13a及び第2電極シート13bによってセパレートシート13cが挟まれた構成とすることができる。
第1電極シート13a、第2電極シート13b及びセパレートシート13cの構成材料は、必要な特性に応じて適宜選択することができる。例えば、第1電極シート13a及び第2電極シート13bは、活性炭、黒鉛(グラファイト)、PAS(Polyacenic Semiconductor:ポリアセン系有機半導体)等から選択される活物質を含む材料からなり、セパレートシート13cはガラス繊維、セルロール繊維、プラスチック繊維等を主材料とする多孔質シートであるものとすることができる。
第1電極シート13a、第2電極シート13b及びセパレートシート13cの材料は、電気化学デバイス10の種類によって同じ場合と異なる場合とがある。例えば、電気化学デバイス10が電気二重層キャパシタの場合は第1電極シート13aと第2電極シート13bの材料は同じものとすることができ、電気化学デバイス10がリチウムイオンキャパシタの場合は第1電極シート13aと第2電極シート13bの材料は異なるものとすることができる。
蓄電素子13と共に液室11aに収容される電解液は、任意に選択することが可能である。電解液は、例えば、電気化学デバイス10が電気二重層キャパシタの場合は電解質塩が溶媒に溶解した電解液とすることができ、電気化学デバイス10がリチウムイオンキャパシタの場合はリチウム塩が溶媒に溶解した電解液とすることができる。
正極配線14は、蓄電素子13の正極(第1電極シート13a)と正極端子15とを電気的に接続する。正極配線14は任意の導電性材料からなるものとすることができる。具体的には、正極配線14は、正極端子15から蓄電素子13の直下までケース11の内部を通過し、ビア11dを経由して正極接着層19に接触し、正極接着層19を介して蓄電素子13に電気的に接続されるものとすることができる。
正極端子15は、蓄電素子13の正極と正極配線14によって接続され、外部、例えば実装基板との接続に用いられる。正極端子15は、任意の導電性材料からなるものとすることができ、図2に示すように、ケース11の側面から下面側に向けて形成されるものとすることができる。
負極配線16は、蓄電素子13(の第2電極シート13b)と負極端子17とを電気的に接続する。具体的には、負極配線16は、負極端子17からケース11の外周に沿って形成され、溶接リング18に接続されるものとすることができる。負極配線16は、導電性を有する溶接リング18、リッド12及び負極接着層20を介して第2電極シート13bに電気的に接続される。負極配線16は任意の導電性材料からなるものとすることができる。
負極端子17は、蓄電素子13の負極と負極配線16によって接続され、外部、例えば実装基板との接続に用いられる。負極端子17は、任意の導電性材料からなるものとすることができ、図2に示すように、ケース11の側面から下面側に向けて形成されるものとすることができる。
溶接リング18は、ケース11とリッド12を接続して液室11aを封止すると共に、リッド12と負極配線16とを電気的に接続する。溶接リング18はロウ材(金−銅合金等)による接着(ロウ付け)によってケース11に接合され、溶融凝固部21によってリッド12と溶接されている。溶接リング18は、コバール(鉄−ニッケル−コバルト合金)等の導電性材料からなるものとすることができる。なお、溶接リング18には、NiメッキやAuメッキ等のメッキが施されていてもよい。
正極接着層19は、第1電極シート13aをケース11に接着すると共に、第1電極シート13aと正極配線14を電気的に接続する。正極接着層19は、導電性接着材が硬化したものであり、導電性接着材は、導電性粒子を含有する合成樹脂であるものとすることができる。導電性粒子は例えば、炭素粒子(カーボンブラック)や黒鉛粒子(グラファイト粒子)等であり、合成樹脂はフェノール樹脂あるいはエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂であるものとすることができる。
負極接着層20は、第2電極シート13bをリッド12に接着すると共に、第2電極シート13bとリッド12を電気的に接続する。負極接着層20は、導電性接着材が硬化したものであり、導電性接着材は正極接着層19のものと同様に、導電性粒子を含有する合成樹脂であるものとすることができる。なお負極接着層20と正極接着層19は、同種の導電性接着材からなるものとすることもでき、他種の導電性接着材からなるものとすることもできる。
[溶融凝固部について]
上述のように、リッド12と溶接リング18は溶融凝固部21によって溶接されている。溶融凝固部21は、リッド12及び溶接リング18の構成材料が溶融凝固した部分であり、後述するレーザー溶接によって形成することができる。
上述のように、リッド12と溶接リング18は溶融凝固部21によって溶接されている。溶融凝固部21は、リッド12及び溶接リング18の構成材料が溶融凝固した部分であり、後述するレーザー溶接によって形成することができる。
図4は図2における溶融凝固部21の拡大図であり、壁部11cと直交する断面図である。図4(a)又は図4(b)に示すように溶融凝固部21は、リッド12から溶接リング18にわたって形成されている。溶融凝固部21が溶接リング18に到達していないと、リッド12を溶接リング18に接合する効果が生じない。一方、溶融凝固部21がケース11まで到達すると、ケース11に破損が生じる。具体的には、溶融凝固部21の溶融深さは、溶接リング18の厚みの半分以下が好適である。
図5は溶融凝固部21の形成領域を示す平面図である。同図に示すように溶融凝固部21は、溶接リング18とリッド12が重複する領域に形成され、即ち液室11aの周囲において環状に形成されるものとすることができる。
溶融凝固部21は、断面の幅が溶融深度と共に漸減する形状を有する。図6は、溶融凝固部21の断面形状を示す断面図である。溶融凝固部21は、図6(a)に示すように、断面形状がリッド12の表面を底辺とする三角形状となる形状を有するものとすることができる。また、溶融凝固部21は、図6(b)に示すように、断面形状が、浅い溶融深度における幅の減少割合(溶融深度に対する幅の減少量)が深い溶融深度における幅の減少割合より大きい形状(漏斗状形状)であるものとすることができる。
溶融凝固部21を図6(b)に示す形状とすることにより、溶接ビードが液室11aの内部へ露出することなく溶接深さを深くすることが可能であり、溶接ビードの露出無しで溶接強度を上げることができる。また、溶接リング18の溶け込み量が減少することにより溶接リング18の歪を抑えることができるので、溶接リング18の変形等による溶接不良を防ぐことが可能となる。溶融凝固部21の形状は、リッド12の表面に対してレーザー照射を行うことによって形成され、レーザー照射条件によって、溶融凝固部21の形状も異なる。
図7は、溶融凝固部21の幅を示す平面図であり、図5の部分拡大図である。図6及び図7に示すように、溶融凝固部21の最も幅の広い位置における幅を第1の幅T1とする。なお、これらの図では、リッド12の表面における溶融凝固部21の幅が最も広いが、リッド12の表面より深い位置において溶融凝固部21の幅が最も広い場合もある。また、図6に示すように、溶接深さの半分の位置における溶融凝固部21の幅を第2の幅T2とする。ここで、溶融凝固部21は、幅T2が幅T1の0.3倍以上0.9倍以下となる形状を有する。
溶接による溶け込みが不足し、幅T2が幅T1の0.3倍未満となると、僅かな衝撃で溶接が破壊され、液室11aの気密性が低下し、電気化学デバイス10の抵抗上昇や容量低下が生じる。またリフローはんだ付けの際や過充電の状況になった場合、電解液等の分解によりガスが発生し、液室内の圧力が上昇して溶接部が破壊され、内容物が飛び出すおそれがある。一方、溶接による溶け込みが多過ぎ、幅T2が幅T1の0.9倍を超えると、溶接時に周囲の外気が取り込まれて巣穴が生じ、そこからピンポールが空いて液室11aの気密性が低下する。また溶接による溶け込みが過剰な場合、溶接部がケース11の外側にはみ出し、溶接部とリッド12の境界でリッド12が切断される。これに対し、幅T2が幅T1の0.3倍以上0.9倍以下であると、溶接による溶け込みが適度となり、これらの問題が生じない。
[溶融凝固部の形成方法]
溶融凝固部21は次のようにして形成することが可能である。なお、液室11aには溶接前に、蓄電素子13と電解液が収容されているものとする。図8は溶融凝固部21の形成方法を示す模式図である。同図に示すように、溶接リング18上に載置されたリッド12に対してレーザーLを照射する。レーザーLが照射されている領域(スポット)を所定の速度で移動(走査)させることにより、走査経路上に溶融凝固部21が形成される。
溶融凝固部21は次のようにして形成することが可能である。なお、液室11aには溶接前に、蓄電素子13と電解液が収容されているものとする。図8は溶融凝固部21の形成方法を示す模式図である。同図に示すように、溶接リング18上に載置されたリッド12に対してレーザーLを照射する。レーザーLが照射されている領域(スポット)を所定の速度で移動(走査)させることにより、走査経路上に溶融凝固部21が形成される。
照射するレーザーは、ファイバーレーザーを利用することができる。溶融凝固部21の形状は、照射するレーザーの出力、走査速度及び焦点距離(スポット径)によって調整することが可能である。具体的には、ファイバーレーザーの場合、出力300W、照射時間60msとすることによって溶融凝固部21を形成することが可能である。
以上のように、本実施形態においては、リッド12は溶融凝固部21によって溶接リング18に溶接されている。溶融凝固部21が上述した形状となるように溶接することにより、液室11aの気密性を確保し、電気化学デバイス10の信頼性を向上させることが可能である。さらに、溶融凝固部21をレーザー溶接によって形成するため、本実施形態は電気化学デバイス10の小型化に適している。
10…電気化学デバイス
11…ケース
12…リッド
13…蓄電素子
18…溶接リング
21…溶接部
11…ケース
12…リッド
13…蓄電素子
18…溶接リング
21…溶接部
Claims (5)
- 底部と前記底部の外縁に沿う枠状の壁部を有するケースと、
前記ケースに接合され、前記ケースと共に液室を形成する溶接リングと、
前記液室を封止するリッドと、
前記リッドと前記溶接リングの溶融凝固部であって、前記リッドから前記溶接リングにわたって形成され、前記ケースには到達せず、前記壁部を通り直交する断面において、前記溶接凝固部の形状は、幅が溶融深度と共に漸減する溶融凝固部と、
前記液室に収容された蓄電素子と、
前記液室に収容された電解液と
を具備する電気化学デバイス。 - 請求項1に記載の電気化学デバイスであって、
前記溶融凝固部は、最も幅の広い位置における幅を第1の幅とし、溶融深さの半分の位置における幅を第2の幅としたときに、前記第2の幅が前記第1の幅の0.3倍以上0.9倍以下である断面形状を有する
電気化学デバイス。 - 請求項1又は2に記載の電気化学デバイスであって、
前記溶融凝固部は、漏斗状の断面形状を有する
電気化学デバイス。 - 請求項1から3のうちいずれか一項に記載の電気化学デバイスであって、
前記ケースはセラミックからなり、
前記溶接リング及び前記リッドはコバールからなり、
前記溶接リングは、前記ケースにロウ付けされている
電気化学デバイス。 - 請求項1から4のうちいずれか一項に記載の電気化学デバイスであって、
前記溶融凝固部は、ファイバーレーザーのレーザー照射によって形成された
電気化学デバイス。
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