JPWO2014196230A1 - 電気化学デバイス - Google Patents

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。

特開２００５−０４０８５３号公報 特開平１１−２３９８８８号公報

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。

本発明の実施形態に係る電気化学デバイスの斜視図である。 同電気化学デバイスのＳ１１−Ｓ１１線に沿う断面図である。 同電気化学デバイスのケースの分解斜視図である。 同電気化学デバイスの溶融凝固部を示す断面図である。 同電気化学デバイスの溶融凝固部を示す平面図である。 同電気化学デバイスの溶融凝固部を示す模式図である。 同電気化学デバイスの溶融凝固部を示す模式図である。 同電気化学デバイスの溶融凝固部を形成するレーザー溶接を示す模式図である。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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