WO2024034601A1 - 電気化学素子 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to an electrochemical device in which a power generation element is sealed within a case.
- a power generation element is housed in an internal space formed by a concave container and a lid material covering the opening of the concave container.
- Patent Document 1 JP 2012-69508A discloses an electrochemical cell with stable electrochemical properties.
- An electrochemical cell has a sealed container.
- the sealed container consists of a base member and a lid member.
- a storage space in which an electrochemical element is stored is formed between both members.
- An elastic member that presses the electrochemical element is disposed between the lid member and the electrochemical element.
- Patent Document 1 discloses, as an elastic member, a plate spring bent in a V-shape in cross-sectional view, or a diaphragm-shaped spring formed in a concave curved shape that is warped from the center toward the outer peripheral edge.
- Patent Document 2 discloses that a battery element having a first electrode, a solid electrolyte, and a second electrode is connected to a metal case, a metal sealing plate, and a gasket interposed between them.
- a coin-type lithium secondary battery which is enclosed in a container having a lithium battery and a conductive elastic body is disposed between the battery element and a metal case or a metal sealing plate.
- the conductive elastic body can press the laminate with a pressure of 0.1 MPa or more, and can increase the contact pressure between the first electrode and the second electrode and the solid electrolyte. As a result, a decrease in current density can be suppressed.
- the width from the center to the outer edge in the height direction (the width of the entire spring)
- the spring locking position is at the upper end in the height direction, which is the outer periphery, there is a large gap between the lid member and the electrochemical element, including the gap between the elastic member and the lid member. This results in the creation of voids, which becomes a factor that prevents the electrochemical cell from increasing its capacity.
- an object of the present disclosure is to provide an electrochemical element that can maintain good electrical connection.
- the electrochemical device includes a case including a concave container having a bottom and a side wall, a lid material covering an opening of the concave container, and a first electrode sealed in the case and disposed on the bottom side.
- a power generation element having a second electrode layer disposed on the side of the power generation element and the cover material, and an isolation layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer; and a power generation element disposed between the power generation element and the cover material. It is equipped with a conductive plate.
- the first electrode layer is electrically connected to a first conduction path leading from the inside of the case to the outside.
- the second electrode layer is electrically connected to a second conduction path leading from the inside of the case to the outside via the conductive plate.
- the concave container has an insertion hole having an opening in the upper end surface of the side wall.
- the conductive plate extends from the edge of the conductive plate, is inserted into the insertion hole, and has an elastic locking portion for attaching the conductive plate to the recessed container. The elastic locking portion inserted into the insertion hole presses against the side surface of the insertion hole.
- FIG. 1 is a sectional view showing an electrochemical device according to a first embodiment.
- FIG. 2 is an external perspective view showing the concave container of the electrochemical device of FIG. 1.
- FIG. 3 is a plan view showing the electrochemical element of FIG. 1 (excluding the lid material and the conductive plate).
- FIG. 4 is a plan view showing a conductive plate of the electrochemical device of FIG. 1.
- FIG. 5 is an external perspective view showing a modification of the conductive plate of the electrochemical device shown in FIG.
- FIG. 6 is a sectional view showing an electrochemical device according to the second embodiment.
- FIG. 7 is a sectional view showing an electrochemical device according to a third embodiment.
- FIG. 8 is a sectional view showing an electrochemical device according to a fourth embodiment.
- FIG. 1 is a sectional view showing an electrochemical device according to a first embodiment.
- FIG. 2 is an external perspective view showing the concave container of the electrochemical device of FIG. 1.
- FIG. 3 is a plan
- FIG. 9 is an external perspective view showing a concave container of an electrochemical device according to Modification Example 1.
- FIG. 10 is an external perspective view showing a conductive plate according to Modification 2.
- FIG. 11 is an external perspective view showing a concave container corresponding to the conductive plate shown in FIG. 10.
- FIG. 12 is an external perspective view showing a concave container of an electrochemical device according to Modification Example 3.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing an electrochemical device according to modification example 4.
- FIG. 14 is an external perspective view showing a concave container according to modification 6.
- An electrochemical device includes a case including a concave container having a bottom and a side wall, a lid material covering an opening of the concave container, and a first container sealed in the case and disposed on the bottom side.
- a power generation element having an electrode layer, a second electrode layer disposed on the lid material side, and an isolation layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer, and a power generation element disposed between the power generation element and the lid material.
- the conductive plate may be provided with a conductive plate.
- the first electrode layer may be electrically connected to a first conduction path leading from the inside of the case to the outside.
- the second electrode layer may be electrically connected to a second conduction path leading from the inside of the case to the outside via a conductive plate.
- the concave container may have an insertion hole having an opening in the upper end surface of the side wall.
- the conductive plate may have an elastic lock extending from the edge of the conductive plate and inserted into the insertion hole to attach the conductive plate to the recessed container. The elastic locking portion inserted into the insertion hole may press against the side surface of the insertion hole.
- the conductive plate is fixed to the concave container by the elastic force of the elastic locking portion, so that a good electrical connection can be maintained.
- the conductive plate can be easily attached to the concave container because the elastic locking portion may be inserted from above the upper end surface of the concave container toward the insertion hole.
- the elastic locking portion may have a tip portion folded back in a direction opposite to the direction of insertion into the insertion hole.
- the elastic locking portion may have a corrugated plate shape.
- An electrochemical device includes a case including a concave container having a bottom and a side wall, a lid material covering an opening of the concave container, and a first electrode sealed in the case and disposed on the bottom side.
- An exterior material including a second electrode terminal arranged on the terminal and lid side, and an exterior material enclosed within the exterior material and arranged between the first electrode layer, the second electrode layer, and the first electrode layer and the second electrode layer.
- the invention may include a flat element having a power generation element including a separated isolation layer, and a conductive plate disposed between the flat element and a lid.
- the first electrode terminal may be electrically connected to a first conduction path leading from the inside of the case to the outside.
- the second electrode terminal may be electrically connected to a second conduction path leading from the inside of the case to the outside through the conductive plate.
- the concave container may have an insertion hole having an opening in the upper end surface of the side wall.
- the conductive plate may have an elastic lock extending from the edge of the conductive plate and inserted into the insertion hole to attach the conductive plate to the recessed container.
- the elastic locking portion inserted into the insertion hole may press against the side surface of the insertion hole. Thereby, the conductive plate is fixed to the concave container by the elastic force of the elastic locking portion, so that good electrical connection can be maintained. Further, since the elastic locking portion may be inserted from above the upper end surface of the concave container toward the insertion hole, the conductive plate can be easily attached to the concave container.
- the electrochemical device 1 includes a case 10, a power generation element 20 and a conductive plate 30 housed in the case 10, and an external terminal 13 and an external terminal 14 arranged on the outer surface of the case 10. It is composed of.
- the case 10 has a concave container 11 and a lid member 12.
- the concave container 11 is made of ceramics.
- the concave container 11 includes a square bottom 111 and a square cylindrical side wall 112 that is formed continuously from the outer periphery of the bottom 111 and has a cylindrical space for accommodating the power generation element 20 therein. There is.
- the side wall portion 112 is provided so as to extend substantially perpendicularly to the bottom portion 111 when viewed in longitudinal section.
- a conductor portion 113 is formed inside the bottom portion 111 .
- the conductor portion 113 extends between the power generation element 20 and the bottom portion 111 so as to be conductively connected to the power generation element 20, and forms a conduction path corresponding to the electrode layer 21.
- a conductor portion 114 is formed inside the side wall portion 112 . As shown in FIG. 1, a portion of the conductor portion 114 is formed to be exposed on the lower surface or side surface of an insertion hole 115, which will be described later, and forms a conduction path corresponding to the electrode layer 22. A method for manufacturing the concave container 11 will be described later.
- the material of the concave container 11 is not particularly limited, and various materials such as resin, glass (borosilicate glass, glass ceramics, etc.), metal, and ceramic can be used. It may also be a composite material in which ceramic or glass powder is dispersed in a resin.
- the concave container 11 is made of a metal material, in order to ensure insulation between the concave container 11 and the power generation element 20, or between the concave container 11 and a flat element 50 (see FIG. 8), which will be described later, It is preferable that the inner surface of the bottom portion 111 and the inner peripheral surface of the side wall portion 112 of the concave container 11 be coated with an insulating material such as a resin material or glass.
- the concave container 11 is not limited to a square shape in plan view, but may be circular, elliptical, or polygonal.
- the internal space for accommodating the power generation element 20 is not limited to a cylindrical shape, but may be formed in a polygonal cylinder shape such as a square cylinder shape depending on the shape of the power generation element 20.
- the conductor portion 114 may be formed on the inner surface of the side wall portion 112 instead of inside the side wall portion 112, and may further penetrate the inside of the bottom portion 111 to be electrically connected to the external terminal 14.
- an insulating layer may be formed between the outer circumferential surface of the power generating element 20 and the conductor section 114, for example, on the inner surface of the conductor section 114, so that the outer circumferential surface of the power generating element 20 and the conductor section 114 do not come into contact with each other. preferable.
- the side wall portion 112 has an insertion hole 115 in the upper end surface of the side wall portion 112, into which an elastic locking portion 31 of a conductive plate 30, which will be described later, is inserted.
- the insertion hole 115 has an opening in the upper end surface of the side wall portion 112.
- the depth of the insertion hole 115 is not particularly limited, but may be any depth that allows the elastic locking portion 31 to be inserted therein. Further, the width of one side of the insertion hole 115 and the other side opposite to the one side is smaller than the width of the elastic locking portion 31 before being inserted into the insertion hole 115.
- the elastic locking portion 31 is inserted into the insertion hole 115 while being reduced and deformed, and presses one side and the other side of the insertion hole 115 by its elastic force.
- four insertion holes 115 are formed in the upper end surface of the side wall portion 112.
- the insertion holes 115 are formed in the same number as the elastic locking portions 31 at positions corresponding to the elastic locking portions 31 .
- the lid material 12 is a rectangular thin metal plate that covers the opening of the concave container 11. As shown in FIGS. 1 and 3, the lid member 12 is joined to the concave container 11 by a square frame-shaped seal ring 15 disposed between the lower surface of its outer peripheral end and the upper end of the concave container 11 (seam welding). ) has been done. Thereby, the internal space of the case 10 is completely sealed.
- the interior space of the case 10 is preferably a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere such as nitrogen, considering the influence on the power generation element 20. Note that the lid material 12 is not limited to a thin metal plate as long as it can cover the opening of the concave container 11.
- the lid material 12 is not limited to a rectangular shape, but can be variously changed to a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, etc. depending on the shape of the concave container 11 in a plan view. Moreover, the lid material 12 may have a shape other than a flat plate. Note that the lid 12 may be bonded to the concave container 11 with an adhesive, and the method of joining the lid 12 and the concave container 11 is not particularly limited as long as the internal space of the case 10 can be sealed.
- the external terminal 13 is arranged on the outer surface of the bottom 111 of the concave container 11.
- the external terminal 13 is electrically connected to an electrode layer 21, which will be described later, via a conductor portion 113.
- the electrode layer 21 functions as a positive electrode layer as described later. Therefore, the conductor portion 113 becomes a conduction path that connects the external terminal 13 and the positive electrode layer, and the external terminal 13 functions as a positive electrode terminal.
- the external terminal 14 is arranged on the outer surface of the bottom 111 of the concave container 11 away from the external terminal 13.
- the external terminal 14 is electrically connected to an elastic locking portion 31 of a conductive plate 30, which will be described later, via a conductor portion 114.
- the conductive plate 30 is electrically connected to the electrode layer 22 functioning as a negative electrode layer. Therefore, the conductor portion 114 becomes a conduction path that connects the external terminal 14 and the negative electrode layer, and the conductive plate 30 functions as a connection terminal that connects this conduction path and the electrode layer 22. Functions as a terminal.
- the arrangement of the external terminals 13 and 14 is not limited to the above, and may be arranged on the outer surface of the side wall portion 112 of the concave container 11, with the lid member 12 functioning as the conductor portion 114, and the external terminals 14 It is also possible to form it on the outer surface of the lid material 12. However, by arranging these terminals on the outer surface of the bottom 111 of the concave container 11 at a constant interval, mounting on the surface of the circuit board becomes easier.
- a method for manufacturing the concave container 11 will be explained.
- a printed pattern that will become the conductor portions 113 and 114 is formed by printing and coating a ceramic green sheet with a metal paste.
- a plurality of green sheets having these printed patterns formed thereon are laminated and fired.
- the above-mentioned insertion hole 115 is formed by stacking a plurality of green sheets having different shapes.
- this manufacturing method is not limited as long as the insertion hole 115 can be formed in the upper end surface of the side wall portion 112.
- the external terminals 13 and 14 can also be formed by printing patterns of this metal paste.
- the power generation element 20 includes a laminate in which an electrode layer (positive electrode layer) 21, an electrode layer (negative electrode layer) 22, and a solid electrolyte layer 23 are stacked. Solid electrolyte layer 23 is arranged between electrode layer 21 and electrode layer 22 as a separation layer. That is, in this embodiment, the isolation layer is the solid electrolyte layer 23.
- the power generation element 20 is formed into a cylindrical shape.
- the power generation element 20 includes an electrode layer 21, a solid electrolyte layer 23, and an electrode layer 22 stacked in this order from the bottom 111 side (lower side in the drawing) of the concave container 11.
- the power generation element 20 is arranged such that the electrode layer 21, which is one end thereof, is on the bottom 111 side of the concave container 11, and the electrode layer 22, which is the other end, is on the lid material 12 side. They are arranged in such a manner that they become symmetrical, and are accommodated in the internal space of the case 10.
- the power generation element 20 is not limited to a cylindrical shape, and can be modified into various shapes such as a rectangular parallelepiped shape and a polygonal column shape.
- the power generation element 20 may have a plurality of laminates. The plurality of laminates may be stacked so as to be connected in series.
- the electrode layer 21 is made of a positive electrode mixture containing lithium cobalt oxide as a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, and graphene as a conductive agent in a mass ratio of 65:30:5.
- the positive electrode pellet was placed in a 45 mm mold and molded into a cylindrical shape.
- the positive electrode active material of the electrode layer 21 is not particularly limited as long as it can function as the positive electrode layer of the power generation element 20, and examples thereof include lithium nickelate, lithium manganate, lithium nickel cobalt manganese composite oxide, It may be an olivine-type complex oxide or the like, or it may be an appropriate mixture of these. There are no particular limitations on other constituent materials or proportions. Further, the size and shape of the electrode layer 21 are not limited to a cylindrical shape, and can be changed in various ways depending on the size and shape of the electrochemical element 1.
- the electrode layer 22 contains LTO (Li 4 Ti 5 O 12 , lithium titanate), a sulfide-based solid electrolyte, and graphene in a weight ratio of 50:40 as a negative electrode active material used in a lithium ion secondary battery.
- This is a negative electrode pellet formed into a cylindrical shape from a negative electrode mixture containing 10 parts.
- the negative electrode active material of the electrode layer 22 is not particularly limited as long as it can function as the negative electrode layer of the power generation element 20, and examples thereof include metallic lithium, lithium alloy, and carbon such as graphite and low crystal carbon. It may be a material, an oxide such as SiO, or a mixture of these as appropriate. There are no particular limitations on other constituent materials or proportions. Further, the size and shape of the electrode layer 22 are not limited to a cylindrical shape, and can be changed in various ways depending on the size and shape of the electrochemical element 1.
- the solid electrolyte layer (separation layer) 23 includes a sulfide-based solid electrolyte.
- the solid electrolyte layer 23 is formed into a cylindrical shape.
- the solid electrolyte contained in the electrode layer 21, the electrode layer 22, and the solid electrolyte layer 23 is not particularly limited, but from the viewpoint of ionic conductivity, a sulfide-based solid electrolyte, particularly an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte is preferable. used.
- the surface of the positive electrode active material is preferably coated with a lithium ion conductive material such as niobium oxide in order to prevent reaction with the positive electrode active material.
- the solid electrolyte included in the solid electrolyte layer 23, the electrode layer 21, and the electrode layer 22 may be a hydride solid electrolyte, an oxide solid electrolyte, or the like.
- the size and shape of the solid electrolyte layer 23 are not limited to a cylindrical shape, and can be changed in various ways depending on the size and shape of the electrochemical element 1.
- the conductive plate 30 is a metal plate installed in the opening of the concave container 11 of the case 10 in a plan view.
- the conductive plate 30 has four elastic locking portions 31 at its edge and at positions corresponding to each insertion hole 115.
- the number of elastic locking parts 31 is not limited, and may be determined according to the number of insertion holes 115.
- the shape of the conductive plate 30 in plan view is not particularly limited, and may be a rectangular shape as shown in FIG. 4 or a circular shape.
- the conductive plate 30 may have a rectangular shape in plan view
- the conductive plate 30 may have two elastic locking parts 31, the conductive plate 30 may have a round shape in plan view.
- the elastic locking portion 31 extends from the edge of the conductive plate 30 toward the insertion hole 115 (downward in FIG. 1).
- the elastic locking portion 31 has a tip portion 311 that is folded back in a direction opposite to the direction in which the elastic locking portion 31 is inserted into the insertion hole 115.
- the tip portion 311 is folded back inward in the radial direction. Note that the tip portion 311 may be folded back radially outward. As shown in FIG.
- the width between one side surface of the insertion hole 115 and the other side surface opposite to the one side surface is as follows: It is smaller than the width of the elastic locking portion 31 before being inserted into the insertion hole 115. Therefore, the elastic locking portion 31 is inserted into the insertion hole 115 while being bent so that the folded end portion 311 is further bent toward the elastic locking portion 31 . After being inserted into the insertion hole 115, the tip of the tip portion 311 presses the side surface of the insertion hole 115 due to its elastic force. Thereby, the conductive plate 30 is fixed to the concave container 11.
- the conductive plate 30 can be easily attached to the concave container 11. Further, since the conductive plate 30 is fixed to the concave container 11 by the elastic force of the elastic locking portion 31, a good electrical connection can be maintained. Further, the elastic locking portion 31 is in contact with the conductor portion 114 exposed on a part of the lower surface or side surface of the insertion hole 115 while being inserted into the insertion hole 115 . Thereby, the conductive plate 30 functions as a current collector, and also functions as a connection terminal that electrically connects the electrode layer 22 and the conduction path leading to the external terminal 14. The conductive plate 30 partially covers the opening of the concave container 11 . The area of the conductive plate 30 in plan view is smaller than the opening area of the concave container 11.
- the conductive plate 30 has a recess that is recessed toward the electrode layer 22 at a position where it contacts the top surface of the electrode layer 22, which is the other end of the power generation element 20.
- the bottom surface 32 of the recess is formed into a planar shape so that the power generation element 20 can be pressed over a wider area.
- the periphery of the bottom surface 32 of the recess is a stepped portion 33 that is displaced in the thickness direction.
- the step portion 33 is a peripheral wall of a truncated cone whose diameter gradually decreases toward the power generation element 20.
- the bottom surface 32 of the recess faces the electrode layer 22 and is in contact with the top surface of the electrode layer 22.
- the planar bottom surface 32 presses the electrode layer 22 over a wide area, so that damage to the electrode layer 22 when the power generation element 20 expands can be suppressed.
- the step portion 33 by ensuring a wider contact area between the conductive plate 30 and the power generation element 20 and making conductive connection between the conductive plate 30 and the power generation element 20 over a wider area, even better electrical connection can be maintained. Can be done.
- the step portion 33 the overall thickness of the conductive plate 30 can be reduced.
- the edge of the conductive plate 30, that is, the position of the elastic locking part 31 can be freely set in the height direction (thickness direction of the conductive plate), a gap is created between the lid member 12 and the conductive plate 30.
- the thickness direction is the vertical direction in FIG. 1 (height direction of the electrochemical element 1), and can also be said to be a direction perpendicular to the bottom surface 32 in the drawing.
- Examples of metals constituting the conductive plate 30 include nickel, iron, copper, chromium, cobalt, titanium, aluminum, and alloys thereof, and in order to facilitate the function as a leaf spring, SUS301-CSP and SUS304-CSP are used. , SUS316-CSP, SUS420J2-CSP, SUS631-CSP, and SUS632J1-CSP are preferably used for springs.
- the thickness of the conductive plate 30 is preferably 0.05 mm or more, more preferably 0.07 mm or more, and 0.1 mm or more, in order to keep the pressing force on the power generation element 20 above a certain level. It is particularly preferable to do so.
- the thickness of the conductive plate 30 is preferably 0.5 mm or less, more preferably 0.4 mm or less, and particularly preferably 0.3 mm or less.
- the area of the bottom surface 32 of the conductive plate 30 is preferably 10% or more of the area of the electrode layer 22 of the opposing power generation element 20 in plan view, and more preferably 30% or more. It is preferably 50% or more, particularly preferably 60% or more, and most preferably 60% or more.
- the area of the bottom surface 32 of the conductive plate 30 should be 100% or less of the area of the electrode layer 22 in a plan view of the opposing power generation element 20. It is preferably 95% or less, more preferably 90% or less, most preferably 85% or less.
- the shape of the bottom surface 32 of the conductive plate 30 does not have to be a completely flat surface, and may have an uneven surface such as an embossed surface in order to reduce the contact resistance with the power generation element 20. good.
- the conductive plate 30 is placed on the top surface of the power generating element 20 after the power generating element 20 is accommodated inside the concave container 11.
- the conductive plate 30 is inserted into the concave container 11 by aligning the positions of the elastic locking portion 31 and the insertion hole 115 in plan view, and then pushing the elastic locking portion 31 of the conductive plate 30 into the insertion hole 115. installed and fixed.
- the conductive plate 30 is pushed further downward. As a result, the conductive plate 30 is slightly bent in the direction opposite to the electrode layer 22 while in contact with the power generation element 20 .
- the conductive plate 30 presses the power generation element 20 toward the bottom 111 of the concave container 11 by its elastic force. As a result, the conductive plate 30 comes into more stable contact with the power generation element 20, and can maintain good electrical connection without being displaced due to vibration or the like. At this time, by forming the above-mentioned recesses in the conductive plate 30, the effect of bending on the planar bottom surface 32 is reduced, so that electrical connection can be maintained better. In this way, although the conductive plate 30 has the stepped portion 33, the power generation element 20 cannot be pressed toward the bottom 111 of the concave container 11 with the elastic locking portion 31 inserted into the insertion hole 115.
- the configuration is not particularly limited.
- the conductive plate 30 may have a spring piece 34 rising from the conductive plate 30 toward the electrode layer 22 of the power generating element 20 so as to contact the upper surface of the electrode layer 22 of the power generating element 20 .
- the spring piece 34 may be formed by cutting out the conductive plate 30 in the vicinity of the center in a plan view in a U-shape, and having its tip inclined toward the electrode layer 22.
- the conductive plate 30 in FIG. 5 is a modification of the conductive plate 30 shown in FIG. 10, which will be described later. Therefore, the tip portion 311 of the elastic locking portion 31 may be folded back in the circumferential direction with respect to the inner circumferential surface of the concave container 11.
- the shape, number, and location of the spring pieces 34 are not particularly limited as long as they can press the power generation element 20 toward the bottom 111 of the concave container 11 .
- a gap is formed between the conductive plate 30 and the lid material 12. That is, the conductive plate 30 and the lid member 12 do not come into contact with each other. Thereby, even if the conductive plate 30 is pushed toward the lid 12 due to a change in the volume of the power generation element 20, deformation of the lid 12 can be suppressed. Further, the lid member 12 and the concave container 11 are welded together via the seal ring 15 as described above. By providing a gap between the conductive plate 30 and the lid member 12, the influence of welding heat on the power generation element 20 can be suppressed.
- the conductive plate 30 and the lid 12 do not come into contact with each other, when the lid 12 is joined to the upper end surface of the side wall 112 of the concave container 11, it is not affected by the volume change of the power generation element 20, and the case 10 is sealed. The stopping performance can be further improved.
- the power generation element 20 has a porous metal layer 24.
- Porous metal layer 24 is formed on the surface of electrode layer 22. That is, the power generation element 20 has a porous metal layer 24 formed between the electrode layer 22 and the conductive plate 30. Porous metal layer 24 contacts bottom surface 32 of conductive plate 30 .
- the porous metal layer 24 is a porous metal base having a high porosity and pores penetrating from one surface to the other, like a foamed metal porous body, and cannot be compressed by pressing. , and functions as a current collector.
- the porous metal layer 24 covers the surface of the electrode layer 22.
- the porous metal layer 24 In order to lower the electrical resistance, the porous metal layer 24 must not only be in contact with the electrode layer 22, but also be partially embedded in the negative electrode mixture of the electrode layer 22 and integrated with the electrode layer 22. Preferably. Note that, as shown in FIG.
- a porous metal layer 24 may be disposed on the surface of the electrode layer 21 on the lower surface of the electrode layer 22, that is, on the bottom 111 side, and a part of the porous metal layer 24 is connected to the positive electrode of the electrode layer 21.
- the porous metal layer 24 may be provided so as to be embedded in the agent and integrated with the electrode layer 21.
- the porosity of the porous metal layer 24 is preferably 80% or more, more preferably 90% or more, in order to easily adjust variations in the thickness of the power generation element 20 due to compression. On the other hand, in order to ensure good conductivity, the porosity of the porous metal layer 24 is preferably 99% or less.
- the thickness of the porous metal layer 24 before assembling the electrochemical device 1 is preferably 0.1 mm or more, more preferably 0.3 mm or more, particularly preferably 0.5 mm or more; , is preferably 3 mm or less, more preferably 2 mm or less, and particularly preferably 1.5 mm or less.
- porous metal layer 24 By providing the porous metal layer 24 in this way, it is possible to sufficiently absorb variations in the thickness of the power generation element 20 or the height of the case 10, and as a result, variations in the value of internal resistance can be suppressed. Can be done. Alternatively, if the porous metal layer 24 is integrated with the second electrode layer in advance, the electrical resistance at the bottom surface 32 of the conductive plate 30 or the electrical connection point between the spring piece and the power generating element 20 can be reduced.
- the electrochemical device 1 of the third embodiment will be specifically described using FIG. 7.
- the explanation of the same configuration as the electrochemical device 1 of the first embodiment will be basically omitted, and only the configuration different from the electrochemical device 1 of the first embodiment will be explained. .
- the electrochemical device 1 of this embodiment has a conductive sheet 40 between the electrode layer 22 and the conductive plate 30.
- the conductive sheet 40 is a conductive carbon sheet made of expanded graphite, that is, a graphite sheet.
- a graphite sheet is manufactured as follows. First, acid-treated graphite particles, which are natural graphite treated with an acid, are heated. Then, the acid-treated graphite expands as the acid between its layers evaporates and foams. This expanded graphite (expanded graphite) is molded into a felt shape, and further rolled using a roll mill to form a sheet body.
- the conductive sheet 40 is manufactured by hollowing out the expanded graphite sheet into a circular shape.
- expanded graphite is formed by vaporizing acid and foaming acid-treated graphite. Therefore, the graphite sheet is formed into a porous shape. Therefore, the graphite sheet has not only the electrical conductivity of graphite itself, but also flexibility that conventional graphite products do not have.
- the method for producing the graphite sheet is not limited to this, and the graphite sheet may be made of a material other than expanded graphite, and the graphite sheet may be produced by any method.
- the apparent density of the graphite sheet is preferably 0.3 g/cm 3 or more, more preferably 0.7 g/cm 3 or more, and preferably 1.5 g/cm 3 or less, more preferably 1.3 g/cm 3 or less. It is better to This is because if the apparent density of the graphite sheet is too low, the graphite sheet will be easily damaged, and if the apparent density is too high, the flexibility will decrease. Note that the apparent density is not limited to the graphite sheet, and can also be applied to the conductive sheet 40 formed of other materials such as conductive tape.
- the thickness of the graphite sheet is preferably 0.05 mm or more, more preferably 0.07 mm or more, preferably 0.5 mm or less, and more preferably 0.2 mm or less. If the thickness of the graphite sheet is too small, the graphite sheet will be easily damaged, and if the thickness is too large, the graphite sheet will narrow the internal space of the case 10 that accommodates the power generation element 20, reducing the volume (thickness) of the power generation element 20 that can be accommodated. This is to do so. Note that the thickness of the graphite sheet is not limited to that of the graphite sheet, and the conductive sheet 40 formed of other materials such as conductive tape and metal can also be used.
- the conductive sheet 40 that is more flexible than the conductive plate 30, that is, easily deformable, the pressing force of the conductive plate 30 described above is more uniformly transmitted to the power generation element 20, thereby preventing damage to the power generation element 20. It is possible to suppress this and stabilize the electrical connection.
- the conductive sheet 40 may be placed between the electrode layer 21 and the bottom 111 of the concave container 11, as shown in FIG. Thereby, it is possible to further suppress damage to the power generation element 20 and stabilize the electrical connection.
- the electrochemical device 1 of this embodiment accommodates a flat element 50 in the internal space of the case 10.
- the flat element 50 includes an outer can (electrode terminal) 51, a sealing can (electrode terminal) 52, the above-described power generation element 20, and a gasket 53.
- the outer can 51 includes a circular flat part 511 and a cylindrical side wall part 512 that is continuously formed from the outer periphery of the flat part 511.
- the cylindrical side wall portion 512 is provided so as to extend substantially perpendicularly to the flat portion 511 when viewed in longitudinal section.
- the outer can 51 is made of a metal material such as stainless steel.
- the outer can 51 is arranged on the bottom 111 side of the concave container 11.
- the sealing can 52 includes a circular flat part 521 and a cylindrical peripheral wall part 522 that is continuously formed from the outer periphery of the flat part 521.
- the opening of the sealed can 52 faces the opening of the outer can 51.
- the sealing can 52 is made of a metal material such as stainless steel.
- the sealing can 52 is arranged on the lid material 12 side.
- the power generation element 20 is housed between the outer can 51 and the sealed can 52. Therefore, the outer can 51 functions as an electrode terminal connected to the conductor portion 113, and the sealed can 52 functions as the other electrode terminal connected to the conductive plate 30.
- the outer can 51 and the sealing can 52 are caulked with a gasket 53 between the cylindrical side wall 512 of the outer can 51 and the peripheral wall 522 of the sealing can 52 after the power generation element 20 is housed in the internal space. More specifically, the outer can 51 and the sealing can 52 are configured such that the openings of the outer can 51 and the sealing can 52 face each other, and the peripheral wall portion 522 of the sealing can 52 is placed inside the cylindrical side wall portion 512 of the outer can 51. After inserting, the gasket 53 is crimped between the cylindrical side wall portion 512 and the peripheral wall portion 522. As a result, the internal space formed by the outer can 51 and the sealing can 52 becomes airtight.
- the exterior can 51 and the sealing can 52 are exterior materials that enclose the power generation element 20 in their internal space.
- the exterior can 51 and the sealing can 52 are not limited to a circular shape in plan view, but can be changed into various shapes such as an elliptical shape or a polygonal shape.
- the gasket 53 is made of a resin material such as polyamide resin, polypropylene resin, or polyphenylene sulfide resin.
- the method for sealing the internal space formed by the outer can 51 and the sealing can 52 is not limited to caulking via the gasket 53, and may be performed by other methods.
- the cylindrical side wall portion 512 of the outer can 51 and the peripheral wall portion 522 of the sealing can 52 may be joined with a hot melt resin, an adhesive, or the like interposed therebetween, and sealed.
- the conductive plate 30 is placed on the upper surface of the flat element 50, and is fixed by engaging the elastic locking portion 31 in the insertion hole 115.
- the conductive plate 30 is pushed further downward and is slightly bent in the opposite direction to the flat element 50.
- the conductive plate 30 presses the flat element 50 toward the bottom 111 of the concave container 11 by its elastic force. As a result, the conductive plate 30 comes into more stable contact with the flat element 50, and similarly to the electrochemical element 1 of the first embodiment described above, a good electrical connection is achieved without positional deviation due to vibration etc. can be maintained.
- the porous metal layer 24 or the conductive sheet 40 described above may be arranged between the flat element 50 and the conductive plate 30. Further, the porous metal layer 24 or the conductive sheet 40 may be arranged between the flat element 0 and the bottom 111 of the concave container 11.
- the flat element 50 is not limited to an all-solid battery having a solid electrolyte layer, but may also be a non-aqueous electrolyte battery such as a lithium ion secondary battery, another flat battery, or a capacitor such as a lithium ion capacitor. There may be.
- the concave container 11 of Modification 1 has two insertion holes 115.
- the number of elastic locking portions 31 formed on the conductive plate 30 is two.
- the number of insertion holes 115 is not limited, and a plurality of insertion holes 115 may be formed so that a plurality of elastic locking portions 31 can be inserted respectively.
- the tip portion 311 of the elastic locking portion 31 may be folded back not in the radial direction but in the circumferential direction with respect to the inner circumferential surface of the concave container 11.
- the insertion hole 115 formed at the upper end of the side wall portion 112 of the concave container 11 allows insertion of the elastic locking portion 31, and after the elastic locking portion 31 is inserted, the tip portion 311 is formed so that the elastic force of the elastic locking portion 31 can press the side surface of the insertion hole 115.
- Modification 3 is a modification of the concave container 11 of Modification 2 shown in FIG.
- the insertion hole 115 formed in the upper end surface of the concave container 11 may communicate with the internal space of the concave container 11 . That is, the insertion hole 115 is a notch cut out across the upper end surface and inner peripheral surface of the concave container 11 .
- the insertion hole 115 has an opening on the upper end surface and inner peripheral surface of the concave container 11 .
- the insertion hole 115 may have an opening at least on the upper end surface of the concave container 11 so that the tip portion 311 of the elastic locking portion 31 can be inserted from above the concave container 11 .
- a tip 311 of an elastic locking portion 31 having a similar shape to the elastic locking portion 31 shown in FIG. 10 is inserted into the insertion hole 115 of the third modification.
- the conductive plate 30 can be attached and fixed to the concave container 11 by inserting the tip portion 311 of the elastic locking portion 31 into the insertion hole 115 communicating with the internal space of the concave container 11.
- the elastic locking portion 31 of the conductive plate 30 may have a corrugated plate shape in the electrochemical device 1 of each embodiment.
- the corrugated plate-shaped elastic locking portion 31 has a plurality of curved surfaces.
- each curved surface of the elastic locking portion 31 is pushed by the side surface of the insertion hole 115 and is bent to extend in the insertion direction.
- each of the curved surfaces of the elastic locking portion 31 presses the side surface of the insertion hole 115 radially inward or radially outward by its elastic force.
- the conductive plate 30 can be easily fixed to the concave container 11.
- the insertion hole 115 may be a notch formed in the upper end surface of the side wall portion 112. That is, the insertion hole 115 may be formed to have an opening at least on the upper end surface of the side wall portion 112 by being pushed and expanded by the elastic locking portion 31 inserted into the cut. In this way, the insertion hole 115 may be a notch as long as the elastic locking part 31 of the conductive plate 30 can be inserted from above the side wall part 112 of the concave container 11, or it may be a cut inside the concave container 11 as described above. It may be connected to space.
- the insertion hole 115 of the side wall portion 112 of the concave container 11 can lock the folded end portion 311 of the elastic locking portion 31 of the conductive plate 30 in the electrochemical device 1 of each embodiment.
- a portion may be closed by the support portion 116.
- the tip portion 311 of the elastic locking portion 31 inserted into the insertion hole 115 can be locked on the lower surface of each support portion 116, and even when a strong force is applied to the conductive plate 30, the elastic locking portion 31 can be prevented from slipping out from the insertion hole 115.
- the concave container 11 shown in FIG. 14 is a modification of the concave container 11 shown in FIG. 12.
- the electrode layer 21 functions as a positive electrode layer and the electrode layer 22 functions as a negative electrode layer, but the electrode layer 21 may function as a negative electrode layer and the electrode layer 22 may function as a positive electrode layer.
- the external terminal 13 functions as a negative terminal, and the external terminal 14 functions as a positive terminal.
- the flat element 50 is housed in the internal space of the case 10 such that the outer can 51 is placed on the bottom 111 side of the concave container 11, but the sealed can 52 is placed on the bottom side of the concave container 11. It may be housed so as to be placed on the 111 side. That is, the flat element 50 may be housed in the internal space of the case 10 with the flat element 50 shown in FIG. 8 turned upside down.
- the power generation element 20 is composed of a laminate in which the electrode layer 21, the electrode layer 22, and the solid electrolyte layer 23 are laminated. ), and by accommodating the electrolytic solution together with the power generation element 20 in the internal space of the case 10, the electrochemical device can be used as a lithium ion secondary battery, a lithium ion capacitor, an electric double layer capacitor, or the like.
- the separator and electrolyte are those commonly used in lithium ion secondary batteries, lithium ion capacitors, electric double layer capacitors, and the like.
- the electrode layer 21 and the electrode layer 22 may be replaced with a mixture layer of a positive electrode and a negative electrode that are commonly used in various electrochemical devices 1.
- An electrochemical device (all-solid-state battery) shown in FIG. 6 was fabricated using a conductive plate made of SUS304-CSP with a thickness of 0.2 mm.
- the electrochemical device of this example was subjected to a vibration test as follows to evaluate its vibration resistance.
- the sine wave sweep was a logarithmic sweep that reciprocated in the range of 7 Hz to 200 Hz in 15 minutes while changing the frequency, and the sweep was repeated 12 times in each of the three directions. Note that between 7Hz and 18Hz, the sweep is performed so that the peak acceleration is maintained at 1G, and from 18Hz, the sweep is performed until the peak acceleration reaches 8G (approximately 50Hz) while maintaining the total amplitude at 0.8mm. Furthermore, a sweep was performed so that the peak acceleration was maintained at 1 G up to 200 Hz.
- the AC impedance at 1 kHz with an applied voltage of 10 mV was measured for the electrochemical element of the example subjected to the vibration test, and compared with the AC impedance value measured before the vibration test, but no change was observed, and a concave shape was observed. It was confirmed that the electrical connection was maintained well by the conductive plate attached to the side wall of the container.
- electrochemical element 10 case, 11 concave container, 12 lid, 13 external terminal, 14 external terminal, 15 seal ring, 111 bottom, 112 side wall, 113 conductor, 114 conductor, 115 insertion hole, 116 support , 20 power generation element, 30 conductive plate, 31 elastic locking part, 311 tip, 32 bottom, 33 step, 34 spring piece, 40 conductive sheet, 50 flat element, 51 outer can, 511 flat part, 52 sealed can , 521 flat part, 53 gasket
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Abstract
発電要素と蓋材との間に配置される導電板を容易に取り付けることができ、かつ、良好な電気的接続を維持することができる電気化学素子を提供する。電気化学素子１は、底部１１１及び側壁部１１２を有する凹状容器１１と凹状容器１１の開口を覆う蓋材１２とを有するケース１０と、電極層２１と電極層２２と固体電解質層２３とを積層した積層体を有し、底部１１１と電極層２１とが対向するようにケース１１の内部空間に収容される発電要素２０と、凹状容器１１の開口側において電極層２２と蓋材１２との間に配置される導電板３０とを備える。凹状容器１１は、側壁部１１２の上端面に開口を有する複数の挿入孔１１５を有する。導電板３０は、その縁端に各々の挿入孔１１５の位置に対応する複数の弾性係止部３１を有する。各々の弾性係止部３１が挿入孔１１５に挿入された状態で、弾性係止部３１の先端部３１１は、挿入孔１１５の側面を押圧する。
Description
本開示は、ケース内に発電要素を封止した電気化学素子に関する。
従来、凹状容器及び凹状容器の開口を覆う蓋材によって形成された内部空間に発電要素が収容された電池が種々開示されている。
特開２０１２－６９５０８号公報（特許文献１）は、電気化学特性が安定した電気化学セルを開示している。電気化学セルは、密封容器を有する。密封容器は、ベース部材とリッド部材とからなる。両部材の間には電気化学素子が収納される収納空間が形成されている。リッド部材と電気化学素子との間には、電気化学素子を押圧する弾性部材が配設されている。特許文献１は、弾性部材として断面視においてＶ字形に屈曲した板バネ、又は、中央部から外周縁部に向かうにしたがって反った凹曲面状に形成されたダイヤフラム状バネを開示している。
また、特開２０１０－５６０６７号公報（特許文献２）は、第一電極と固体電解質と第二電極とを有する電池素子を、金属製ケースと金属製封口板とそれらの間に介在するガスケットとを有する容器内に封入し、前記電池素子と金属製ケース又は金属製封口板との間に導電性の弾性体を配置したコイン型リチウム二次電池を開示している。導電性の弾性体は、０．１ＭＰa以上の圧力で前記積層体を押圧することができ、第一電極および第二電極と固体電解質との接触面圧を高めることができる。その結果、電流密度の低下を抑制することができる。
しかしながら、特許文献１の電気化学セルにおいて、弾性部材がリッド部材により位置規制された状態で電極体を押圧する実施態様では、電気化学セルを封止する時に、リッド部材が弾性部材を押圧した状態でリッド部材とベース部材とを接合する必要がある。そのため、リッド部材が弾性部材からの反力を受けて傾きやすくなり、リッド部材とベース部材との接合が不均一になるおそれがある。また、弾性部材がリッド部材や電極体に固定されていない場合は、封止時に弾性部材が位置ズレするおそれがある。一方、弾性部材（ダイヤフラム状バネ）をシールリングやベース部材に係止させ、弾性部材とリッド部材とを離間させる実施態様では、高さ方向において中央部から外周縁部までの幅（バネ全体の厚み）が大きくなり、また、バネの係止位置が高さ方向の上端である外周縁部となるため、弾性部材とリッド部材との隙間も含め、リッド部材と電気化学素子との間に大きな空隙を生じることになり、電気化学セルの高容量化を妨げる要因となる。
また、特許文献２のコイン型リチウム二次電池では、ガスケットに適切な押圧力を生じさせつつ、導電性の弾性体により電池素子を一定以上の押圧力で押さえるよう金属製ケースをかしめる必要がある。しかし、樹脂製であるガスケットの厚みを全体に均一にすることは困難であり、ガスケット全体に均一に押圧力を生じさせることが難しく、封止性が低下しやすくなる。
そこで、本開示は、良好な電気的接続を維持することができる電気化学素子を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本開示は次のように構成した。すなわち、本開示に係る電気化学素子は、底部及び側壁部を有する凹状容器と凹状容器の開口を覆う蓋材とを有するケースと、ケース内に封止され、底部側に配置された第１電極層と蓋材側に配置された第２電極層と第１電極層及び第２電極層の間に配置された隔離層とを有する発電要素と、発電要素と蓋材との間に配置された導電板とを備えている。第１電極層は、ケースの内部から外部に通じる第１導通経路と電気的に接続されている。第２電極層は、導電板を介してケースの内部から外部に通じる第２導通経路と電気的に接続されている。凹状容器は、側壁部の上端面に開口を有する挿入孔を有している。導電板は、導電板の縁端から延び、挿入孔に挿入され、導電板を前記凹状容器に取り付けるための弾性係止部を有している。挿入孔に挿入された弾性係止部は、挿入孔の側面を押圧している。
本開示に係る電気化学素子によれば、良好な電気的接続を維持させることができる。
（構成１）
本開示の実施形態に係る電気化学素子は、底部及び側壁部を有する凹状容器と凹状容器の開口を覆う蓋材とを有するケースと、ケース内に封止され、底部側に配置された第１電極層と蓋材側に配置された第２電極層と第１電極層及び第２電極層の間に配置された隔離層とを有する発電要素と、発電要素と蓋材との間に配置された導電板とを備えてよい。第１電極層は、ケースの内部から外部に通じる第１導通経路と電気的に接続されてよい。第２電極層は、導電板を介してケースの内部から外部に通じる第２導通経路と電気的に接続されてよい。凹状容器は、側壁部の上端面に開口を有する挿入孔を有してよい。導電板は、導電板の縁端から延び、挿入孔に挿入され、導電板を凹状容器に取り付けるための弾性係止部を有してよい。挿入孔に挿入された弾性係止部は、挿入孔の側面を押圧してよい。
本開示の実施形態に係る電気化学素子は、底部及び側壁部を有する凹状容器と凹状容器の開口を覆う蓋材とを有するケースと、ケース内に封止され、底部側に配置された第１電極層と蓋材側に配置された第２電極層と第１電極層及び第２電極層の間に配置された隔離層とを有する発電要素と、発電要素と蓋材との間に配置された導電板とを備えてよい。第１電極層は、ケースの内部から外部に通じる第１導通経路と電気的に接続されてよい。第２電極層は、導電板を介してケースの内部から外部に通じる第２導通経路と電気的に接続されてよい。凹状容器は、側壁部の上端面に開口を有する挿入孔を有してよい。導電板は、導電板の縁端から延び、挿入孔に挿入され、導電板を凹状容器に取り付けるための弾性係止部を有してよい。挿入孔に挿入された弾性係止部は、挿入孔の側面を押圧してよい。
これにより、弾性係止部の弾性力によって導電板が凹状容器に固定されるため、良好な電気的接続を維持することができる。なお、弾性係止部を凹状容器の上端面の上方から挿入孔に向けて挿入すればよいため、容易に凹状容器に導電板を取り付けることができる。
（構成２）
構成１の電気化学素子において、弾性係止部は、挿入孔に対する挿入方向とは反対方向に折り返された先端部を有してよい。これにより、弾性係止部を容易に挿入孔に挿入できるとともに、先端部が挿入孔の側面を押圧して導電板を凹状容器に固定するため、良好な電気的接続を維持することができる。
構成１の電気化学素子において、弾性係止部は、挿入孔に対する挿入方向とは反対方向に折り返された先端部を有してよい。これにより、弾性係止部を容易に挿入孔に挿入できるとともに、先端部が挿入孔の側面を押圧して導電板を凹状容器に固定するため、良好な電気的接続を維持することができる。
（構成３）
構成１の電気化学素子において、弾性係止部は、波板形状を有してよい。これにより、弾性係止部を挿入孔に挿入する際、波板形状の各々の曲面が挿入孔の側面に押されて挿入方向に延びるように撓み、その弾性力により挿入孔の側面を押圧する。その結果、導電板を凹状容器１１に容易に固定することができ、良好な電気的接続を維持することができる。
構成１の電気化学素子において、弾性係止部は、波板形状を有してよい。これにより、弾性係止部を挿入孔に挿入する際、波板形状の各々の曲面が挿入孔の側面に押されて挿入方向に延びるように撓み、その弾性力により挿入孔の側面を押圧する。その結果、導電板を凹状容器１１に容易に固定することができ、良好な電気的接続を維持することができる。
（構成４）
構成１の電気化学素子において、導電板と前記蓋材のとの間には隙間が形成されてよい。これにより、蓋材が発電要素と当接しないため、凹状容器の側壁部の上端面に蓋材を接合する際に発電要素の厚みのばらつき等の影響を受けなくなり、ケースの封止性を向上させることができる。
構成１の電気化学素子において、導電板と前記蓋材のとの間には隙間が形成されてよい。これにより、蓋材が発電要素と当接しないため、凹状容器の側壁部の上端面に蓋材を接合する際に発電要素の厚みのばらつき等の影響を受けなくなり、ケースの封止性を向上させることができる。
（構成５）
他の実施形態に係る電気化学素子は、底部及び側壁部を有する凹状容器と凹状容器の開口を覆う蓋材とを有するケースと、ケース内に封止され、底部側に配置された第１電極端子及び蓋材側に配置された第２電極端子を含む外装材と、外装材の内部に封入され、第１電極層と第２電極層と第１電極層及び第２電極層の間に配置された隔離層とを含む発電要素とを有する扁平形素子と、扁平形素子と蓋材との間に配置された導電板とを備えてよい。第１電極端子は、ケースの内部から外部に通じる第１導通経路と電気的に接続されてよい。第２電極端子は、導電板を介してケースの内部から外部に通じる第２導通経路と電気的に接続されてよい。凹状容器は、側壁部の上端面に開口を有する挿入孔を有してよい。導電板は、導電板の縁端から延び、挿入孔に挿入され、導電板を凹状容器に取り付けるための弾性係止部を有してよい。挿入孔に挿入された弾性係止部は、挿入孔の側面を押圧してよい。これにより、弾性係止部の弾性力によって導電板が凹状容器に固定されるため、良好な電気的接続を維持することができる。また、弾性係止部を凹状容器の上端面の上方から挿入孔に向けて挿入すればよいため、容易に凹状容器に導電板を取り付けることができる。
他の実施形態に係る電気化学素子は、底部及び側壁部を有する凹状容器と凹状容器の開口を覆う蓋材とを有するケースと、ケース内に封止され、底部側に配置された第１電極端子及び蓋材側に配置された第２電極端子を含む外装材と、外装材の内部に封入され、第１電極層と第２電極層と第１電極層及び第２電極層の間に配置された隔離層とを含む発電要素とを有する扁平形素子と、扁平形素子と蓋材との間に配置された導電板とを備えてよい。第１電極端子は、ケースの内部から外部に通じる第１導通経路と電気的に接続されてよい。第２電極端子は、導電板を介してケースの内部から外部に通じる第２導通経路と電気的に接続されてよい。凹状容器は、側壁部の上端面に開口を有する挿入孔を有してよい。導電板は、導電板の縁端から延び、挿入孔に挿入され、導電板を凹状容器に取り付けるための弾性係止部を有してよい。挿入孔に挿入された弾性係止部は、挿入孔の側面を押圧してよい。これにより、弾性係止部の弾性力によって導電板が凹状容器に固定されるため、良好な電気的接続を維持することができる。また、弾性係止部を凹状容器の上端面の上方から挿入孔に向けて挿入すればよいため、容易に凹状容器に導電板を取り付けることができる。
以下、本開示の第１実施形態について、電気化学素子が全固体電池である場合を例にして、図１～図５を用いて具体的に説明する。まず、図１に示すように、電気化学素子１は、ケース１０と、ケース１０に収容される発電要素２０及び導電板３０と、ケース１０の外表面に配置される外部端子１３及び外部端子１４とから構成されている。
ケース１０は、凹状容器１１と蓋材１２とを有する。凹状容器１１は、セラミックス製である。凹状容器１１は、四角形状の底部１１１と、底部１１１の外周から連続して形成され、内部に発電要素２０を収容するための円筒形状の空間を有する四角筒形状の側壁部１１２とを含んでいる。側壁部１１２は、縦断面視で、底部１１１に対して略垂直に延びるように設けられている。底部１１１の内部には、導体部１１３が形成されている。導体部１１３は、発電要素２０に導電接続されるように発電要素２０と底部１１１との間に延設されており、電極層２１に対応する導通経路を形成している。側壁部１１２の内部には、導体部１１４が形成されている。導体部１１４の一部は、図１に示すように、後述する挿入孔１１５の下面又は側面に露出して形成されており、電極層２２に対応する導通経路を形成している。凹状容器１１の製造方法については、後述する。なお、凹状容器１１の材質は、特に限定されず、樹脂、ガラス（硼珪酸ガラス、ガラスセラミックスなど）、金属及びセラミック等、種々のものを例示することができる。樹脂中にセラミックスやガラスの粉末が分散された複合材であってもよい。凹状容器１１を金属材料で構成する場合は、凹状容器１１と発電要素２０との絶縁、或いは、凹状容器１１と後述する扁平形素子５０（図８を参照。）との絶縁を確保するため、凹状容器１１の底部１１１の内面及び側壁部１１２の内周面を樹脂材料又はガラス等の絶縁材で被覆することが好ましい。また、凹状容器１１は、平面視において四角形状に限られず、円形状、楕円形状及び多角形状であってもよい。発電要素２０を収容するための内部の空間は、円筒形状に限られず、発電要素２０の形状に応じて四角筒形状など多角筒形状に形成されてもよい。また、導体部１１４は、側壁部１１２の内部ではなく、側壁部１１２の内面に形成し、さらに底部１１１の内部を貫通させて外部端子１４と導通させてもよい。この場合、発電要素２０の外周面と導体部１１４とが接触しないように、発電要素２０の外周面と導体部１１４との間、例えば、導体部１１４の内表面に絶縁層を形成するのが好ましい。
側壁部１１２は、側壁部１１２の上端面に後述する導電板３０の弾性係止部３１が挿入される挿入孔１１５を有している。挿入孔１１５は、側壁部１１２の上端面に開口を有している。挿入孔１１５の深さは、特に限定されるものではないが、弾性係止部３１を挿入可能な深さであればよい。また、挿入孔１１５の一方の側面と一方の側面に対向する他方の側面との幅は、挿入孔１１５に挿入される前の弾性係止部３１の幅よりも小さい。すなわち、弾性係止部３１は、後述するように、縮小変形しながら挿入孔１１５に挿入され、その弾性力によって挿入孔１１５の一方及び他方の側面を押圧する。本実施形態において、側壁部１１２の上端面には、４つの挿入孔１１５が形成されている。挿入孔１１５は、弾性係止部３１に相当する位置において弾性係止部３１と同じ数で形成されている。
蓋材１２は、凹状容器１１の開口を覆う四角形状の金属製薄板である。蓋材１２は、図１及び図３に示すように、その外周端部の下面と凹状容器１１の上端との間に配された四角枠状のシールリング１５によって凹状容器１１に接合（シーム溶接）されている。これにより、ケース１０の内部空間は完全に密閉される。ケース１０の内部空間は、発電要素２０への影響を考慮して真空雰囲気或いは窒素等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。なお、蓋材１２は、凹状容器１１の開口を覆うことができれば、金属製薄板に限られるものではない。蓋材１２は、四角形状に限られず、凹状容器１１の平面視における形状に応じて、円形状、楕円形状及び多角形状等に種々変更することができる。また、蓋材１２は、平板以外の形状であってもよい。なお、蓋材１２は、接着剤によって凹状容器１１と接着されてもよく、ケース１０の内部空間を密閉できれば蓋材１２と凹状容器１１との接合方法は特に限定されない。
外部端子１３は、凹状容器１１の底部１１１の外面に配置されている。外部端子１３は、導体部１１３を介して後述する電極層２１に電気的に接続されている。電極層２１は、後述するように正極層として機能する。したがって、導体部１１３は、外部端子１３と正極層とを導通させる導通経路となり、外部端子１３は、正極の端子として機能する。
外部端子１４は、凹状容器１１の底部１１１の外面に外部端子１３から離れて配置されている。外部端子１４は、導体部１１４を介して後述する導電板３０の弾性係止部３１と電気的に接続されている。後述するように、導電板３０は、負極層として機能する電極層２２に電気的に接続される。したがって、導体部１１４は、外部端子１４と負極層とを導通させる導通経路となり、導電板３０は、この導通経路と電極層２２とを導通させる接続端子となるため、外部端子１４は、負極の端子として機能する。なお、外部端子１３及び外部端子１４の配置は、上記に限定されず、凹状容器１１の側壁部１１２の外面に配置されてもよく、蓋材１２を導体部１１４として機能させ、外部端子１４を蓋材１２の外面に形成することも可能である。ただし、これら両端子を凹状容器１１の底部１１１の外面に一定の間隔を設けて配置することにより、回路基板の表面への実装が容易になる。
ここで、凹状容器１１の製造方法について説明する。まず、セラミックのグリーンシートに金属ペーストを印刷塗布して導体部１１３及び導体部１１４となる印刷パターンを形成する。次に、これらの印刷パターンを形成したグリーンシートを複数積層し、焼成する。形状の異なる複数のグリーンシートを積層することにより、上述した挿入孔１１５が形成される。これにより、内部に導体部１１３及び導体部１１４を有し、且つ、側壁部１１２の上端面に挿入孔１１５を有する凹状容器１１を作製することができる。なお、側壁部１１２の上端面に挿入孔１１５を形成できれば、このような製法に限定されるものではない。なお、外部端子１３及び外部端子１４は、この金属ペーストの印刷パターンによって形成することもできる。
発電要素２０は、電極層（正極層）２１と電極層（負極層）２２と固体電解質層２３とを積層した積層体を含んでいる。固体電解質層２３は、隔離層として電極層２１と電極層２２との間に配置されている。すなわち、本実施形態において、隔離層は、固体電解質層２３である。発電要素２０は、円柱形状に形成されている。発電要素２０は、凹状容器１１の底部１１１側（図示の下方）から電極層２１、固体電解質層２３、電極層２２の順で積層されている。すなわち、発電要素２０は、その一方の端部である電極層２１が凹状容器１１の底部１１１側となるように配置され、且つ、その他方の端部である電極層２２が蓋材１２側となるように配置され、ケース１０の内部空間に収容されている。なお、発電要素２０は、円柱形状に限られず、直方体形状や多角柱形状等、種々変更することができる。また、発電要素２０は、複数の積層体を有していてもよい。複数の積層体は、直列に接続されるように積層されていてもよい。
電極層２１は、正極活物質として、コバルト酸リチウムと、硫化物系固体電解質と、導電助剤であるグラフェンとを質量比で６５：３０：５の割合で含有した正極合剤を直径７．４５ｍｍの金型に入れて円柱形状に成形した正極ペレットである。なお、電極層２１の正極活物質は、発電要素２０の正極層として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、オリビン型複合酸化物等であってもよく、これらを適宜混合したものであってもよい。他の構成材や割合についても、特に限定されるものではない。また、電極層２１のサイズや形状は、円柱形状に限定されるものではなく、電気化学素子１のサイズや形状に応じて種々変更可能である。
電極層２２は、リチウムイオン二次電池に用いられる負極活物質として、ＬＴＯ（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、チタン酸リチウム）と、硫化物系固体電解質と、グラフェンとを重量比で５０：４０：１０の割合で含有した負極合剤を円柱形状に成形した負極ペレットである。なお、電極層２２の負極活物質は、発電要素２０の負極層として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、金属リチウム、リチウム合金のほか、黒鉛、低結晶カーボンなどの炭素材料や、ＳｉＯなどの酸化物等であってもよく、これらを適宜混合したものであってもよい。他の構成材や割合についても、特に限定されるものではない。また、電極層２２のサイズや形状は、円柱形状に限定されるものではなく、電気化学素子１のサイズや形状に応じて種々変更可能である。
固体電解質層（隔離層）２３は、硫化物系固体電解質を含む。固体電解質層２３は、円柱形状に成形されている。なお、電極層２１、電極層２２及び固体電解質層２３に含まれる固体電解質は、特に限定はされないが、イオン伝導性の点から硫化物系固体電解質、特にアルジロダイト型の硫化物系固体電解質が好ましく用いられる。硫化物系固体電解質を用いる場合には、正極活物質との反応を防ぐために、正極活物質の表面をニオブ酸化物などのリチウムイオン伝導性材料で被覆することが好ましい。また、固体電解質層２３、電極層２１および電極層２２に含まれる固体電解質は、水素化物系固体電解質や酸化物系固体電解質等であってもよい。また、固体電解質層２３のサイズや形状は、円柱形状に限定されるものではなく、電気化学素子１のサイズや形状に応じて種々変更可能である。
導電板３０は、図１及び図４に示すように、ケース１０の凹状容器１１の開口部に設置される金属製の平面視において板材である。導電板３０は、その縁端で、かつ、各々の挿入孔１１５に相当する位置に、４つの弾性係止部３１を有する。弾性係止部３１の数は限定されるものではなく、挿入孔１１５の数に応じて決めればよい。導電板３０の平面視形状は、特に限定されるものではなく、図４に示すような四角形状であってもよく、円形状であってもよい。例えば、導電板３０が４つの弾性係止部３１を有する場合、導電板３０は、平面視において四角形状であってもよく、導電板３０が２つの弾性係止部３１を有する場合、導電板３０は、平面視において丸形状であってもよい。本実施形態において、弾性係止部３１は、導電板３０の縁端から挿入孔１１５に向かって（図１の下方に）延びている。弾性係止部３１は、弾性係止部３１を挿入孔１１５に挿入する方向とは反対方向に折り返された先端部３１１を有している。先端部３１１は、径方向内方に折り返されている。なお、先端部３１１は、径方向外方に折り返されていてもよい。図１に示すように、平面視で先端部３１１の折り返し方向に沿って切り取った縦断面視において、挿入孔１１５の一方の側面と一方の側面に対向する他方の側面との間の幅は、挿入孔１１５に挿入される前の弾性係止部３１の幅よりも小さい。そのため、弾性係止部３１は、折り返された先端部３１１が弾性係止部３１に向かってさらに折り曲げられるように撓みながら、挿入孔１１５に挿入される。挿入孔１１５に挿入された後、先端部３１１の先端は、その弾性力によって挿入孔１１５の側面を押圧する。これにより、導電板３０は、凹状容器１１に固定される。このように、電気化学素子１は、弾性係止部３１を挿入孔１１５に挿入すればよいため、容易に凹状容器１１に導電板３０を取り付けることができる。また、弾性係止部３１の弾性力によって導電板３０が凹状容器１１に固定されるため、良好な電気的接続を維持することができる。また、弾性係止部３１は、挿入孔１１５に挿入された状態で、挿入孔１１５の下面又は側面の一部に露出した導体部１１４に接触している。これにより、導電板３０は、集電体として機能するとともに、電極層２２と外部端子１４に繋がる導通経路とを電気的に接続する接続端子として機能する。導電板３０は、凹状容器１１の開口の一部を覆う。導電板３０の平面視における面積は、凹状容器１１の開口面積よりも小さい。
図１に示すように、導電板３０は、発電要素２０のもう一方の端部である電極層２２の上面との接触位置に、電極層２２の方向へ窪む凹部を有する。凹部の底面３２は、発電要素２０をより広い面積で押圧できるように平面状に形成されている。また、凹部の底面３２の周囲は、厚み方向に変位した段部３３となっている。段部３３は、発電要素２０に向かって徐々に径が小さくなる円錐台の周壁である。凹部の底面３２は、図１に示すように、電極層２２に対向し、電極層２２の上面に接触している。このように、平面状の底面３２が電極層２２を広い面積で押圧することにより、発電要素２０の膨張時における電極層２２の破損を抑制することができる。また、導電板３０と発電要素２０とのより広い接触面積を確保し、導電板３０と発電要素２０との導電接続をより広い面積で行うことにより、より一層良好な電気的接続を維持することができる。また、段部３３を設けたことにより、導電板３０の全体の厚みを薄くすることができる。さらに、導電板３０の縁端、すなわち、弾性係止部３１の位置は、高さ方向（導電板の厚み方向）に自由に設定できるため、蓋材１２と導電板３０との間に隙間を形成した場合でも、蓋材１２と導電板３０の底面３２との距離が大きくならない。その結果、蓋材１２と発電要素２０との間の空隙が大きくなることを抑制できるため、電気化学素子１の高容量化を図ることができる。なお、厚み方向とは、図１の上下方向（電気化学素子１の高さ方向）であり、図示において底面３２に対して直交する方向とも言える。
導電板３０を構成する金属は、ニッケル、鉄、銅、クロム、コバルト、チタン、アルミニウム及びこれらの合金等が例示され、板バネとしての機能を発揮させやすくするため、ＳＵＳ３０１－ＣＳＰ、ＳＵＳ３０４－ＣＳＰ、ＳＵＳ３１６－ＣＳＰ、ＳＵＳ４２０Ｊ２－ＣＳＰ、ＳＵＳ６３１－ＣＳＰ及びＳＵＳ６３２Ｊ１－ＣＳＰ等のバネ用ステンレス鋼が好ましく用いられる。
また、導電板３０の厚みは、発電要素２０への押圧力を一定以上とするために、０．０５ｍｍ以上とすることが好ましく、０．０７ｍｍ以上とすることがより好ましく、０．１ｍｍ以上とすることが特に好ましい。一方、導電板３０の厚みが厚くなり過ぎてケース１０内の収容容積が大きくなるのを防ぎ、また、導電板３０を変形しやすくして側壁部１１２に容易に係止できるようにするため、導電板３０の厚みは、０．５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．４ｍｍ以下とすることがより好ましく、０．３ｍｍ以下とすることが特に好ましい。
導電板３０の底面３２の面積は、接触抵抗を低減するために、対向する発電要素２０の電極層２２の平面視における面積の１０％以上とすることが好ましく、３０％以上とすることがより好ましく、５０％以上とすることが特に好ましく、６０％以上とすることが最も好ましい。一方、発電要素２０の径方向の周囲の空隙を小さくするためには、導電板３０の底面３２の面積は、対向する発電要素２０の平面視における電極層２２の面積の１００％以下であることが好ましく、９５％以下であることがより好ましく、９０％以下であることが特に好ましく、８５％以下であることが最も好ましい。また、導電板３０の底面３２の形状は、完全な平坦面でなくてもよく、発電要素２０との接触抵抗を低減するため、エンボス加工が施される等、凹凸を有する面であってもよい。
導電板３０は、凹状容器１１の内部に発電要素２０が収容されたのち、発電要素２０の上面に載置される。導電板３０は、弾性係止部３１と挿入孔１１５との平面視における位置を対応させた後、導電板３０の弾性係止部３１が挿入孔１１５へと押し込まれることにより、凹状容器１１に取り付けられて固定される。導電板３０は、導電板３０の底面３２と発電要素２０が接触した後、さらに下方へと押し込まれる。これにより、導電板３０は、発電要素２０に接触した状態で電極層２２とは反対方向へ僅かに撓む。導電板３０は、その弾性力によって凹状容器１１の底部１１１の方向へと発電要素２０を押圧する。その結果、導電板３０は、発電要素２０とより安定的に接触し、振動等により位置ズレが生じることなく、良好な電気的接続を維持することができる。このとき、導電板３０に上述の凹部を形成することにより、平面状の底面３２への撓みの影響が少なくなるため、より良好に電気的接続を維持させることができる。このように、導電板３０は、段部３３を有するが、弾性係止部３１が挿入孔１１５に挿入された状態で、発電要素２０を凹状容器１１の底部１１１側へと押圧することがきれば、その構成は特に限定されるものではない。例えば、導電板３０は、発電要素２０の電極層２２の上面と接触するように、導電板３０から発電要素２０の電極層２２に向かって立ち上がるバネ片３４を有していてもよい。バネ片３４は、図５に示すように、導電板３０の平面視中央近傍をコ字型に切欠き、その先端を電極層２２に向かって傾斜するように形成してもよい。なお、図５の導電板３０は、後述する図１０に示す導電板３０の変形例である。したがって、弾性係止部３１の先端部３１１は、凹状容器１１の内周面に対して周方向に折り返されてもよい。バネ片３４の形状、数及び配置箇所は、発電要素２０を凹状容器１１の底部１１１の方向へ押圧することができれば、特に限定はされるものではない。
導電板３０と蓋材１２との間には隙間が形成される。すなわち、導電板３０と蓋材１２とは接触しない。これにより、発電要素２０の体積変化によって導電板３０が蓋材１２側へと押された場合であっても、蓋材１２の変形を抑制することができる。また、蓋材１２と凹状容器１１とは、上述の通りシールリング１５を介して溶接される。導電板３０と蓋材１２との間に隙間を設けたことにより、発電要素２０への溶接熱の影響を抑制することができる。さらに、導電板３０と蓋材１２とが接触しないため、凹状容器１１の側壁部１１２の上端面に蓋材１２を接合する際に発電要素２０の体積変化の影響を受けなくなり、ケース１０の封止性をより向上させることができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態の電気化学素子１について、図６を用いて具体的に説明する。本実施形態の電気化学素子１において、第１実施形態の電気化学素子１と同じ構成については基本的には説明を省略し、第１実施形態の電気化学素子１とは異なる構成についてのみ説明する。
次に、第２実施形態の電気化学素子１について、図６を用いて具体的に説明する。本実施形態の電気化学素子１において、第１実施形態の電気化学素子１と同じ構成については基本的には説明を省略し、第１実施形態の電気化学素子１とは異なる構成についてのみ説明する。
本実施形態の電気化学素子１において、発電要素２０は、多孔質金属層２４を有する。多孔質金属層２４は、電極層２２の表面に形成されている。すなわち、発電要素２０は、電極層２２と導電板３０との間に形成された多孔質金属層２４を有する。多孔質金属層２４は、導電板３０の底面３２と接触する。
多孔質金属層２４は、発泡状金属多孔質体のように、空隙率が高く、一方の面から他方の面に貫通する空孔を有する多孔質の金属基体であり、押圧して圧縮することができ、集電体として機能するものである。多孔質金属層２４は、電極層２２の表面を被覆している。電気抵抗を低下させるためには、多孔質金属層２４は、電極層２２と接触しているだけでなく、その一部が電極層２２の負極合剤に埋設されて電極層２２と一体化していることが好ましい。なお、図６に示すように、電極層２２の下面、すなわち、底部１１１側において、電極層２１の表面に多孔質金属層２４を配置してもよく、その一部が電極層２１の正極合剤に埋設されて電極層２１と一体化するように多孔質金属層２４を設けてもよい。
多孔質金属層２４の空隙率は、圧縮による発電要素２０の厚みのばらつきなどを調整しやすくするため、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。一方、良好な導電性を確保するために、多孔質金属層２４の空隙率は、９９％以下であることが好ましい。電気化学素子１を組み立てる前の多孔質金属層２４の厚みは、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．３ｍｍ以上であることがより好ましく、０．５ｍｍ以上であることが特に好ましく、一方、３ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましく、１．５ｍｍ以下であることが特に好ましい。
このように多孔質金属層２４を設けたことにより、発電要素２０の厚み又はケース１０の高さ等のばらつきを十分に吸収することができ、その結果、内部抵抗の値のばらつきを抑制することができる。或いは、多孔質金属層２４が予め第２電極層と一体化されている場合には、導電板３０の底面３２又はバネ片と発電要素２０との導通箇所の電気抵抗を低減することができる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態の電気化学素子１について、図７を用いて具体的に説明する。本実施形態の電気化学素子１において、第１実施形態の電気化学素子１と同じ構成については基本的には説明を省略し、第１実施形態の電気化学素子１とは異なる構成についてのみ説明する。
次に、第３実施形態の電気化学素子１について、図７を用いて具体的に説明する。本実施形態の電気化学素子１において、第１実施形態の電気化学素子１と同じ構成については基本的には説明を省略し、第１実施形態の電気化学素子１とは異なる構成についてのみ説明する。
本実施形態の電気化学素子１は、電極層２２と導電板３０との間に導電シート４０を有する。導電シート４０は、本実施形態において、膨張黒鉛により構成された導電性のカーボンシート、すなわち、黒鉛シートである。黒鉛シートは、以下のように製造される。まず、天然黒鉛に酸処理を施した酸処理黒鉛の粒子を加熱する。そうすると、酸処理黒鉛は、その層間にある酸が気化して発泡することによって膨張する。この膨張化した黒鉛（膨張黒鉛）をフェルト状に成型し、さらに、ロール圧延機を用いて圧延することによりシート体を形成する。導電シート４０は、この膨張黒鉛のシート体を円形状にくり抜くことにより製造される。上述の通り、膨張黒鉛は、酸が気化して酸処理黒鉛が発泡することによって形成される。そのため、黒鉛シートは、多孔質形状に形成されている。したがって、黒鉛シートは、黒鉛自体がもつ導電性とともに、従来の黒鉛製品にはない柔軟性をも有する。なお、黒鉛シートの製造方法はこれに限られず、膨張黒鉛以外の材料で構成されてもよく、どのような方法で黒鉛シートを製造してもよい。
黒鉛シートのみかけ密度は、０．３ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、より好ましくは０．７ｇ／ｃｍ３以上であり、１．５ｇ／ｃｍ３以下が好ましく、より好ましくは１．３ｇ／ｃｍ３以下とするのがよい。黒鉛シートのみかけ密度が低すぎると黒鉛シートが破損しやすくなり、みかけ密度が高すぎると柔軟性が低下するためである。なお、みかけ密度は、黒鉛シートに限られるものではなく、導電性テープなど他の素材によって形成された導電シート４０においても適用可能である。
黒鉛シートの厚みは、０．０５ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０７ｍｍ以上とするのがよく、０．５ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ以下とするのがよい。黒鉛シートの厚みが小さすぎると黒鉛シートが破損しやすくなり、厚みが大きすぎると黒鉛シートが発電要素２０を収容するケース１０の内部空間を狭め、収容できる発電要素２０の容積（厚み）が減少するためである。なお、黒鉛シートの厚みは、黒鉛シートに限られるものではなく、導電性テープや金属など他の素材によって形成された導電シート４０においても適用可能である。
このように、導電板３０よりも柔軟性の高い、すなわち変形容易な導電シート４０を設けたことにより、上述した導電板３０の押圧力がより均一に発電要素２０に伝わり、発電要素２０の破損を抑制するとともに、電気的接続の安定化を図ることができる。なお、導電シート４０は、図７に示すように、電極層２１と凹状容器１１の底部１１１との間に配置されてもよい。これにより、さらに発電要素２０の破損の抑制及び電気的接続の安定化を図ることができる。
（第４実施形態）
次に、第４実施形態の電気化学素子１について、図８を用いて具体的に説明する。本実施形態の電気化学素子１において、第１実施形態及び第２実施形態の電気化学素子１と同じ構成については基本的には説明を省略し、第１実施形態及び第２実施形態の電気化学素子１とは異なる構成についてのみ説明する。
次に、第４実施形態の電気化学素子１について、図８を用いて具体的に説明する。本実施形態の電気化学素子１において、第１実施形態及び第２実施形態の電気化学素子１と同じ構成については基本的には説明を省略し、第１実施形態及び第２実施形態の電気化学素子１とは異なる構成についてのみ説明する。
本実施形態の電気化学素子１は、ケース１０の内部空間に扁平形素子５０を収容している。扁平形素子５０は、図８に示すように、外装缶（電極端子）５１、封口缶（電極端子）５２、上述の発電要素２０及びガスケット５３を有している。
外装缶５１は、円形状の平面部５１１と、平面部５１１の外周から連続して形成される円筒状の筒状側壁部５１２とを備える。筒状側壁部５１２は、縦断面視で、平面部５１１に対して略垂直に延びるように設けられている。外装缶５１は、ステンレスなどの金属材料によって形成されている。外装缶５１は、凹状容器１１の底部１１１側に配置されている。
封口缶５２は、円形状の平面部５２１と、平面部５２１の外周から連続して形成される円筒状の周壁部５２２とを備える。封口缶５２の開口は、外装缶５１の開口と対向している。封口缶５２は、ステンレスなどの金属材料によって形成されている。封口缶５２は、蓋材１２側に配置されている。外装缶５１と封口缶５２との間には、発電要素２０が収容される。したがって、外装缶５１は、導体部１１３に接続される電極端子として機能し、封口缶５２は、導電板３０に接続されるもう一方の電極端子として機能する。
外装缶５１と封口缶５２とは、発電要素２０を内部空間に収容したのち、外装缶５１の筒状側壁部５１２と封口缶５２の周壁部５２２との間にガスケット５３を介してカシメられる。より具体的には、外装缶５１と封口缶５２とは、外装缶５１と封口缶５２の互いの開口を対向させ、外装缶５１の筒状側壁部５１２の内側に封口缶５２の周壁部５２２を挿入したのち、筒状側壁部５１２と周壁部５２２との間にガスケット５３を介してカシメられる。これにより、外装缶５１と封口缶５２によって形成された内部空間は、密閉状態となる。すなわち、外装缶５１及び封口缶５２は、その内部空間に発電要素２０を封入する外装材である。なお、外装缶５１及び封口缶５２は各々、平面視において円形状に限られず、楕円形状又は多角形状等、種々変更することができる。
ガスケット５３は、ポリアミド系樹脂、ポリプロピレン樹脂又はポリフェニレンサルファイド樹脂等の樹脂材料によって構成されている。なお、外装缶５１と封口缶５２によって形成された内部空間を密閉状態とする方法は、ガスケット５３を介したカシメに限られず、他の方法によってなされるのであってもよい。例えば、外装缶５１の筒状側壁部５１２と封口缶５２の周壁部５２２との間に熱溶融性樹脂や接着剤などを介在させて接合し、封止するものであってもよい。
導電板３０は、凹状容器１１の内部に扁平形素子５０が収容されたのち、扁平形素子５０の上面に載置され、弾性係止部３１を挿入孔１１５に係止させて固定される。このとき、導電板３０は、底面３２が封口缶５２の平面部５２１に接触した後、さらに下方へと押し込まれ、扁平形素子５０とは反対方向へ僅かに撓む。導電板３０は、その弾性力によって凹状容器１１の底部１１１の方向へと扁平形素子５０を押圧する。これにより、導電板３０は、扁平形素子５０とより安定的に接触し、上述の第１実施形態の電気化学素子１と同様に、振動等により位置ズレが生じることなく、良好な電気的接続を維持することができる。
本実施形態の電気化学素子１においても、特に図示しないが、扁平形素子５０と導電板３０との間に上述した多孔質金属層２４或いは導電シート４０を配置してもよい。また、扁平形素子０と凹状容器１１の底部１１１との間に多孔質金属層２４或いは導電シート４０を配置してもよい。
扁平形素子５０は、固体電解質層を有する全固体電池に限られるものではなく、リチウムイオン二次電池などの非水電解質電池や、その他扁平形状を有する電池、或いは、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタであってもよい。
（変形例１）
図９に示すように、変形例１の凹状容器１１は、２つの挿入孔１１５を有している。この場合は、導電板３０に形成される弾性係止部３１の数は２つである。このように、各実施形態の電気化学素子１において、挿入孔１１５の数は限定されるものではなく、複数の弾性係止部３１を各々挿入できるように複数の挿入孔１１５が形成されていればよい。
図９に示すように、変形例１の凹状容器１１は、２つの挿入孔１１５を有している。この場合は、導電板３０に形成される弾性係止部３１の数は２つである。このように、各実施形態の電気化学素子１において、挿入孔１１５の数は限定されるものではなく、複数の弾性係止部３１を各々挿入できるように複数の挿入孔１１５が形成されていればよい。
（変形例２）
図１０に示すように、弾性係止部３１の先端部３１１は、凹状容器１１の内周面に対して径方向ではなく周方向に折り返されてもよい。図１１に示すように、凹状容器１１の側壁部１１２の上端に形成された挿入孔１１５は、弾性係止部３１を挿入可能で、かつ、弾性係止部３１が挿入された後、先端部３１１が弾性係止部３１の弾性力によって挿入孔１１５の側面を押圧できるように形成されている。このように、各実施形態の電気化学素子１において、いずれの方向に先端部３１１を折り返すかは特に限定されるものではなく、上述の通り、凹状容器１１の径方向外方に折り返されていてもよい。
図１０に示すように、弾性係止部３１の先端部３１１は、凹状容器１１の内周面に対して径方向ではなく周方向に折り返されてもよい。図１１に示すように、凹状容器１１の側壁部１１２の上端に形成された挿入孔１１５は、弾性係止部３１を挿入可能で、かつ、弾性係止部３１が挿入された後、先端部３１１が弾性係止部３１の弾性力によって挿入孔１１５の側面を押圧できるように形成されている。このように、各実施形態の電気化学素子１において、いずれの方向に先端部３１１を折り返すかは特に限定されるものではなく、上述の通り、凹状容器１１の径方向外方に折り返されていてもよい。
（変形例３）
変形例３は、図１１に示す変形例２の凹状容器１１の変形例である。図１２に示すように、凹状容器１１の上端面に開口して形成される挿入孔１１５は、凹状容器１１の内部空間と連通していてもよい。すなわち、挿入孔１１５は、凹状容器１１の上端面及び内周面にかけて切欠かれた切欠きである。挿入孔１１５は、凹状容器１１の上端面及び内周面に開口を有する。挿入孔１１５は、凹状容器１１の上方から弾性係止部３１の先端部３１１を挿入できるように、少なくとも凹状容器１１の上端面に開口を有すればよい。変形例３の挿入孔１１５には、図１０に示す弾性係止部３１と相似形の弾性係止部３１の先端部３１１が挿入される。このように凹状容器１１の内部空間と連通する挿入孔１１５においても、弾性係止部３１の先端部３１１を挿入することにより、導電板３０を凹状容器１１に取り付けて固定することができる。
変形例３は、図１１に示す変形例２の凹状容器１１の変形例である。図１２に示すように、凹状容器１１の上端面に開口して形成される挿入孔１１５は、凹状容器１１の内部空間と連通していてもよい。すなわち、挿入孔１１５は、凹状容器１１の上端面及び内周面にかけて切欠かれた切欠きである。挿入孔１１５は、凹状容器１１の上端面及び内周面に開口を有する。挿入孔１１５は、凹状容器１１の上方から弾性係止部３１の先端部３１１を挿入できるように、少なくとも凹状容器１１の上端面に開口を有すればよい。変形例３の挿入孔１１５には、図１０に示す弾性係止部３１と相似形の弾性係止部３１の先端部３１１が挿入される。このように凹状容器１１の内部空間と連通する挿入孔１１５においても、弾性係止部３１の先端部３１１を挿入することにより、導電板３０を凹状容器１１に取り付けて固定することができる。
（変形例４）
図１３に示すように、導電板３０の弾性係止部３１は、各実施形態の電気化学素子１において、波板形状を有していてもよい。波板形状の弾性係止部３１は、複数の曲面を有している。弾性係止部３１を挿入孔１１５に挿入すると、弾性係止部３１の各々の曲面は、挿入孔１１５の側面に押されることによって挿入方向に延びるように撓む。これにより、弾性係止部３１の曲面の各々は、その弾性力により挿入孔１１５の側面を径方向内方又は径方向外方に向かって押圧する。その結果、導電板３０を凹状容器１１に容易に固定することができる。
図１３に示すように、導電板３０の弾性係止部３１は、各実施形態の電気化学素子１において、波板形状を有していてもよい。波板形状の弾性係止部３１は、複数の曲面を有している。弾性係止部３１を挿入孔１１５に挿入すると、弾性係止部３１の各々の曲面は、挿入孔１１５の側面に押されることによって挿入方向に延びるように撓む。これにより、弾性係止部３１の曲面の各々は、その弾性力により挿入孔１１５の側面を径方向内方又は径方向外方に向かって押圧する。その結果、導電板３０を凹状容器１１に容易に固定することができる。
（変形例５）
特に図示しないが、挿入孔１１５は、側壁部１１２の上端面に形成された切れ込みであってもよい。すなわち、挿入孔１１５は、切れ込みに挿入された弾性係止部３１に押し広げられることによって、少なくとも側壁部１１２の上端面に開口を有するように形成されてもよい。このように、挿入孔１１５は、凹状容器１１の側壁部１１２の上方から導電板３０の弾性係止部３１を挿入できれば、切れ込みであってもよく、或いは、上述のように凹状容器１１の内部空間と連通していてもよい。
特に図示しないが、挿入孔１１５は、側壁部１１２の上端面に形成された切れ込みであってもよい。すなわち、挿入孔１１５は、切れ込みに挿入された弾性係止部３１に押し広げられることによって、少なくとも側壁部１１２の上端面に開口を有するように形成されてもよい。このように、挿入孔１１５は、凹状容器１１の側壁部１１２の上方から導電板３０の弾性係止部３１を挿入できれば、切れ込みであってもよく、或いは、上述のように凹状容器１１の内部空間と連通していてもよい。
（変形例６）
図１４に示すように、凹状容器１１の側壁部１１２の挿入孔１１５は、各実施形態の電気化学素子１において、導電板３０の弾性係止部３１の折り返された先端部３１１を係止できるよう、一部が支持部１１６で塞がれていてもよい。各々の支持部１１６の下面において、挿入孔１１５に挿入された弾性係止部３１の先端部３１１を係止することができ、導電板３０に強い力が加えられた場合でも、弾性係止部３１が挿入孔１１５から抜け出るのを防ぐことができる。なお、図１４に示す凹状容器１１は、図１２に示す凹状容器１１の変形例である。
図１４に示すように、凹状容器１１の側壁部１１２の挿入孔１１５は、各実施形態の電気化学素子１において、導電板３０の弾性係止部３１の折り返された先端部３１１を係止できるよう、一部が支持部１１６で塞がれていてもよい。各々の支持部１１６の下面において、挿入孔１１５に挿入された弾性係止部３１の先端部３１１を係止することができ、導電板３０に強い力が加えられた場合でも、弾性係止部３１が挿入孔１１５から抜け出るのを防ぐことができる。なお、図１４に示す凹状容器１１は、図１２に示す凹状容器１１の変形例である。
（その他変形例）
各実施形態において、電極層２１を正極層として機能させ、電極層２２を負極層として機能させたが、電極層２１を負極層として機能させ、電極層２２を正極層として機能させてもよい。この場合、外部端子１３が負極の端子として機能し、外部端子１４が正極の端子として機能する。
各実施形態において、電極層２１を正極層として機能させ、電極層２２を負極層として機能させたが、電極層２１を負極層として機能させ、電極層２２を正極層として機能させてもよい。この場合、外部端子１３が負極の端子として機能し、外部端子１４が正極の端子として機能する。
上述の第４実施形態において、扁平形素子５０は、外装缶５１が凹状容器１１の底部１１１側に配置されるようにケース１０の内部空間に収容したが、封口缶５２が凹状容器１１の底部１１１側に配置されるように収容してもよい。すなわち、扁平形素子５０は、図８に示す扁平形素子５０の天地を反転させた状態で、ケース１０の内部空間に収容されてもよい。
上述の実施形態では、発電要素２０を、電極層２１と電極層２２と固体電解質層２３とを積層した積層体で構成したが、隔離層として、固体電解質層２３に代えてセパレータ（図示せず。）を設け、ケース１０の内部空間に発電要素２０とともに電解液を収容することにより、電気化学素子をリチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等とすることができる。この場合、セパレータ及び電解液は、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ又は電気二重層キャパシタ等で通常に用いられるものである。また、電極層２１と電極層２２は、各種の電気化学素子１で通常に用いられる正極及び負極の合剤層に置き換えればよい。
なお、本発明によれば、国連の提唱する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ：Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｇｏａｌｓ）の目標７「エネルギーをみんなにそしてクリーンに」および目標１２「つくる責任 つかう責任」に寄与することができる。
〔耐振動性の評価〕
厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４－ＣＳＰで構成された導電板を用い、図６に示される電気化学素子（全固体電池）を作製した。この実施例の電気化学素子について、以下のようにして振動試験を行い、耐振動性を評価した。
厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４－ＣＳＰで構成された導電板を用い、図６に示される電気化学素子（全固体電池）を作製した。この実施例の電気化学素子について、以下のようにして振動試験を行い、耐振動性を評価した。
実施例の電気化学素子の縦、横及び高さの３方向に対し、順に、正弦波の振動を加える試験を行った。正弦波の掃引は、周波数を変化させながら７Ｈｚ～２００Ｈｚの範囲を１５分間で往復する対数掃引とし、当該掃引を３方向に対しそれぞれ１２回繰り返した。なお、７Ｈｚ～１８Ｈｚの間は、ピーク加速度が１Ｇに維持されるように掃引し、１８Ｈｚからは、全振幅を０．８ｍｍに維持しながらピーク加速度が８Ｇに達する周波数（約５０Ｈｚ）まで掃引を行い、さらに、２００Ｈｚまでの間は、ピーク加速度が１Ｇに維持されるように掃引を行った。
振動試験を行った実施例の電気化学素子に対し、印加電圧１０ｍＶで１ｋＨｚでの交流インピーダンスを測定し、振動試験の前に測定した交流インピーダンスの値と比較したが、変化は認められず、凹状容器の側壁部に係止した導電板により、電気的接続が良好に維持されていることを確認した。
〔封止性の評価〕
耐振試験とは別に、ＪＩＳ－Ｚ２３３１に記載された「ヘリウム漏れ試験方法」（ボンビング法）により、実施例の電気化学素子のケースの封止性を確認した。タンク内に電気化学素子を入れてヘリウムガスで２時間加圧した後、真空チャンバー内で電気化学素子の周囲を１分間真空排気してヘリウムガスのリーク量を求めたところ、１０分後にはリーク量が１×１０－１０Ｐａ・ｍ３／ｓ以下となり、優れた封止性を有することが確認された。
耐振試験とは別に、ＪＩＳ－Ｚ２３３１に記載された「ヘリウム漏れ試験方法」（ボンビング法）により、実施例の電気化学素子のケースの封止性を確認した。タンク内に電気化学素子を入れてヘリウムガスで２時間加圧した後、真空チャンバー内で電気化学素子の周囲を１分間真空排気してヘリウムガスのリーク量を求めたところ、１０分後にはリーク量が１×１０－１０Ｐａ・ｍ３／ｓ以下となり、優れた封止性を有することが確認された。
以上、実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態及び変形例を各々組み合わせてもよく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
１ 電気化学素子、 １０ ケース、１１ 凹状容器、１２ 蓋材、１３ 外部端子、１４ 外部端子、１５ シールリング、１１１ 底部、１１２ 側壁部、１１３ 導体部、１１４ 導体部、１１５ 挿入孔、１１６ 支持部、２０ 発電要素、３０ 導電板、３１ 弾性係止部、３１１ 先端部、３２ 底面、３３ 段部、３４ バネ片、４０ 導電シート、５０ 扁平形素子、５１ 外装缶、５１１ 平面部、５２ 封口缶、５２１ 平面部、５３ ガスケット
Claims (5)
- 底部及び側壁部を有する凹状容器と前記凹状容器の開口を覆う蓋材とを有するケースと、
前記ケース内に封止され、前記底部側に配置された第１電極層と前記蓋材側に配置された第２電極層と前記第１電極層及び前記第２電極層の間に配置された隔離層とを有する発電要素と、
前記発電要素と前記蓋材との間に配置された導電板とを備え、
前記第１電極層は、前記ケースの内部から外部に通じる第１導通経路と電気的に接続されており、
前記第２電極層は、前記導電板を介して前記ケースの内部から外部に通じる第２導通経路と電気的に接続されており、
前記凹状容器は、前記側壁部の上端面に開口を有する挿入孔を有し、
前記導電板は、前記導電板の縁端から延び、前記挿入孔に挿入され、前記導電板を前記凹状容器に取り付けるための弾性係止部を有し、
前記挿入孔に挿入された前記弾性係止部は、前記挿入孔の側面を押圧する、電気化学素子。 - 請求項１に記載の電気化学素子であって、
前記弾性係止部は、前記挿入孔に対する挿入方向とは反対方向に折り返された先端部を有する、電気化学素子。 - 請求項１に記載の電気化学素子であって、
前記弾性係止部は、波板形状を有する、電気化学素子。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学素子であって、
前記導電板と前記蓋材のとの間には隙間が形成されている、電気化学素子。 - 底部及び側壁部を有する凹状容器と前記凹状容器の開口を覆う蓋材とを有するケースと、
前記ケース内に封止され、前記底部側に配置された第１電極端子及び前記蓋材側に配置された第２電極端子を含む外装材と、前記外装材の内部に封入され、第１電極層と第２電極層と前記第１電極層及び前記第２電極層の間に配置された隔離層とを含む発電要素とを有する扁平形素子と、
前記扁平形素子と前記蓋材との間に配置された導電板とを備え、
前記第１電極端子は、前記ケースの内部から外部に通じる第１導通経路と電気的に接続されており、
前記第２電極端子は、前記導電板を介して前記ケースの内部から外部に通じる第２導通経路と電気的に接続されており、
前記凹状容器は、前記側壁部の上端面に開口を有する挿入孔を有し、
前記導電板は、前記導電板の縁端から延び、前記挿入孔に挿入され、前記導電板を前記凹状容器に取り付けるための弾性係止部を有し、
前記挿入孔に挿入された前記弾性係止部は、前記挿入孔の側面を押圧する、電気化学素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022126432 | 2022-08-08 | ||
| JP2022-126432 | 2022-08-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024034601A1 true WO2024034601A1 (ja) | 2024-02-15 |
Family
ID=89851829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/028906 WO2024034601A1 (ja) | 2022-08-08 | 2023-08-08 | 電気化学素子 |
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| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2024034601A1 (ja) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010056067A (ja) * | 2008-07-31 | 2010-03-11 | Idemitsu Kosan Co Ltd | コイン型リチウム二次電池 |
| JP2012069508A (ja) * | 2010-08-27 | 2012-04-05 | Seiko Instruments Inc | 電気化学セル |
| WO2021171811A1 (ja) * | 2020-02-27 | 2021-09-02 | 日本碍子株式会社 | コイン形二次電池 |
-
2023
- 2023-08-08 WO PCT/JP2023/028906 patent/WO2024034601A1/ja unknown
Patent Citations (3)
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| JP2012069508A (ja) * | 2010-08-27 | 2012-04-05 | Seiko Instruments Inc | 電気化学セル |
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