JP2004363377A - 電気化学セルおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】樹脂材料からなり箱状に形成されたベース部材と、金属材料からなりベース部材の内部から外部に貫通固定される導電性端子と、金属材料からなりベース部材に固定される枠部材と、枠部材に接合される接続端子と、枠部材に溶接されるカバー部材で電気化学セル構成した。
【選択図】 図1
Description
【発明が属する技術分野】
本発明は非水電解質電池および電気二重層原理を利用した電気二重層キャパシタ等の電気化学セルおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、コインやボタンのような形状の金属ケースでパッケージングされていた。図6に従来の電気化学セルを説明する断面図を示す。正極活物質601とセパレータ602、負極活物質603を収納するための上端面側が開口したステンレスの正極ケース61と、絶縁性の樹脂からなるガスケット62を介して正極ケース61と勘合する負極ケース63で構成されている。また、表面実装を必要とする場合は、正極ケース61に溶接される正極端子65aと、負極ケース63に溶接される負極端子65bとを有していた。
【0003】
【特許文献】
特開2002−190427
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等の電気化学セルは、時計機能のバックアップ電源や半導体メモリのバックアップ電源、マイクロコンピュータやICメモリ等の電子装置予備電源、ソーラ時計の電池、モータ駆動用の電源などとして使用されている。また、電気化学セルは、半導体メモリの不揮発化、時計機能素子の低消費電力化により、容量、電流ともそれほど大きなものの必要性が減ってきている。むしろ、電気化学セルのニーズとしては、ICや水晶、SAWデバイス等と同様に、はんだクリームを塗布した実装ボードに部品を載置し、はんだ融点(200〜260℃)に温度設定されたリフロー炉で実装する要求が強くなっている。また、ICや水晶、SAWデバイス等の近くに実装するための薄型化構造が求められている。しかし、従来のコインやボタンのような形状では、実装ボード上にデッドスペースが生じ、薄型で必要な容量を確保するためには占有面積が増えてしまった。小型・薄型化が課題であった。また、リフロー炉で実装するための構造としては正極端子や負極端子を取り付けることがおこなわれているが、正極ケースおよび負極ケースに取り付ける場合、部品の厚さが増してしまい薄型化が困難となるとともに、正極・負極端子を取り付けるための工数も増えてしまう。
したがって、従来の電気化学セルは、小型・薄型化が困難であり、部品数および工数が多く、高価であるあった。
【0005】
本発明の目的は、安価で小型・薄型化が容易となる電気化学セルおよびその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気化学セルは、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納され前記導電性端子に載置される正極活物質、もしくは、負極活物質と、凹部に保持されるセパレータと、前記セパレータに載置される負極活物質、もしくは、正極活物質と、金属材料からなる枠部材と、当該枠部材と接合される接続端子と、前記枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、前記枠部材と前記接続端子の接合部と枠部材の側面が前記ベース部材によって被覆され、前記ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部を有することを特徴とする。
【0007】
ここで、導電性端子に正極活物質を載置する場合は、枠部材とカバー部材が電気化学セルの負極側となる。また、枠部材とカバー部材が正極側となる場合は、導電性端子が電気化学セルの負極側となる。これら部材はニッケル、銅、真鍮、錫、ステンレス、アルミニウムなどの何れかからなる金属材料を選択することが含まれる。また、母材となる金属に、ニッケル、銅、錫、金などの何れかからなる表面処理を施すことも含まれる。また、電気化学セルを構成する上で、対極となる導電性端子と枠部材の絶縁を確保することが必要である。このため、ベース部材は絶縁性を有する樹脂材料や無機フィラーが添加された樹脂材料で構成されることが含まれる。
【0008】
また、セパレータとしては、大きなイオン透過度を有し、所定の機械的強度を有する絶縁膜が用いられる。リフロー炉での実装を考慮するとガラス繊維が安定して用いることができるが、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミドなどの樹脂を用いることもできる。セパレータの孔径、厚みは特に限定されないが、使用機器の電流値とキャパシタ内部抵抗にもとづき決定する設計的事項である。また、セラミックスの多孔質体を用いることもできる。
【0009】
電解質には、電気二重層キャパシタや非水二次電池を例とすると、従来の非水溶媒が用いられる。この非水溶媒には、環状エステル類、鎖状エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、等が含まれる。リフロー実装を考慮すると、γ―ブチロラクトン(γBL)やポロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、等から選ばれる単独または複合物で用いることができる。
【0010】
支持塩としては、(C2H5)4PBF4、(C3H7)4PBF4、(CH3)(C2H5)3NBF4、(C2H5)4NBF4、(C2H5)4PPF6、(C2H5)4PCF3SO4、(C2H5)4NPF6、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO2)2]、チオシアン塩、アルミニウムフッ化塩などのリチウム塩、 等の一種以上の塩を用いることができる。
【0011】
特に、ポリエチレンオキサイド誘導体かポリエチレンオキサイド誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体やポリプロピレンオキサイド誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマー、PVDF等と前記非水溶媒、支持塩と併用しゲル状または固体状で用いることが含まれる。また、LiS/SiS2/Li4SiO4の無機固体電解質を用いることが含まれる。これは、カバー部材と枠部材との溶接をおこなう際の蒸気の発生を抑えることに効果がある。
【0012】
すなわち、ベース部材に樹脂材料を用いることでベース部材の成形を容易とし、接続端子と接合された枠部材と導電性端子とをベース部材の成形と同時に型内で組み立てることを可能とした。ここで、予めプレス、切削などの機械加工をした導電性端子と枠部材と接続端子を型内に配置した後に樹脂材料を注入する方法で簡便に、いわゆるインサート成形することが含まれる。したがって、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器は、ベース部材と枠部材、カバー部材で構成され、ベース部材は型成形によって、コイン型や角型など所望の形状に成形できる。また、枠部材は、枠部材封着部を除く側面をベース部材で被覆したため、対極となる活物質との絶縁が確保されるとともに、ベース部材と枠部材の相互が材料強度を補完して電気化学セルの剛性が高められる。また、枠部材と接続端子との接合部をベース部材で被覆したため、接合強度が高められた。
【0013】
枠部材とカバー部材の接合は、各々の部材を重ね合わせ、例えば溶接などの方法で接合することから、実装ボードにデッドスペースを生じさせない任意の形状の電気化学セルが構成できる。
【0014】
また本発明の電気化学セルは、前記枠部材と前記接続端子が溶接されていることを特徴とする。ここで、枠部材は金属箔にプレスで連続して成形する工法、引き抜き型でパイプ成形し、切削する工法、等が含まれる。また、接続端子は金属箔にプレスで連続して成形する工法、板材、もしくは、棒材を切削する工法、等が含まれる。また、枠部材と接続端子の溶接は、YAGレーザの基本波長、第2高調波、第3高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に摩擦熱を用いる、各々の部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。すなわち、枠部材と接続端子との電気的な接続を容易におこなうことができる。
【0015】
また本発明の電気化学セルは、前記導電性端子の一部と前記接続端子の一部が同一平面上に位置することを特徴とする。
【0016】
すなわち、ICや水晶、SAWデバイス等と同様に、平面実装構造が構成できる。電気化学セルにおいても同一平面に位置する接続端子と導電性端子を用いたリフロー炉での実装が容易に実現する。
【0017】
また本発明の電気化学セルは、前記導電性端子および枠部材、カバー部材がステンレス、アルミニウムのいずれかからなる材料で構成されていることを特徴とする。ここで、導電性端子および枠部材、カバー部材は、ベース部材の凹部とともに非水電解質電池および電気二重層キャパシタ等を内装するための容器を形成している。このため、正極活物質や負極活物質に腐食されない金属材料を選択する必要がある。例えば、負極活物質が枠部材とカバー部材側に内装される場合、正極活物質は導電性端子に載置される。このとき、負極側の枠部材とカバー部材は還元側に電位が流れるため、金属が溶け出しにくいことからステンレスの19Cr−9Ni鋼とし、正極側の導電性端子は耐腐食性を強化したステンレスの18Cr−12Ni−Mo−Cu鋼とするなどに各々に適用することが含まれる。また、正極活物質が枠部材とカバー部材側に内装される場合は、枠部材とカバー部材に18Cr−12Ni−Mo−Cu鋼を適用し、導電性端子に19Cr−9Ni鋼を適用することが含まれる。またほかの耐腐食材料として、ステンレスの19Cr−2Mo鋼や17Cr―12Ni−Mo鋼、19Cr−13Ni−Mo鋼などが含まれる。
【0018】
また、アルミニウムとしては、アルミニウムの剛性を強化したアルミニウム合金が含まれる。また、ステンレス、アルミニウムを母材として表面処理をおこない、AuやNi、はんだなどをコーティングすることが含まれる。
すなわち、正極活物質および負極活物質に耐腐食性を有する材料を選択することで信頼性を高めることができるとともに、枠部材とカバー部材との接合においても抵抗加熱、レーザ、振動加熱などの手段を用いて容易かつ安価に電気化学セルの封止性を確保できる。
【0019】
また本発明の電気化学セルは、前記ベース部材がエポキシ系、ポリイミド系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の何れかからなる材料で構成されていることを特徴とする。
すなわち、これらの樹脂をベース部材に用いることで、電気化学セルを実装ボードに搭載し、リフロー炉ではんだ付けするのに必要な剛性と耐熱性が確保できる。
【0020】
また本発明の電気化学セルは、前記枠部材封着部が縁曲げ部位を有し、当該縁曲げ部位と前記カバー部材とが重ね合わせて溶接されていることを特徴とする。ここで、枠部材はプレス成形して縁曲げ部位を形成する工法、ベース部材成形型内にて枠部材の縁曲げ部位を形成する工法、等が含まれる。
すなわち、枠部材封着部に縁曲げ部位を設けることでカバー部材と重なる面積が広がる。溶接ビード幅を太くできるため、電気化学セルに必要とされる封止性が確保される。
【0021】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、金属材料からなる接続端子と枠部材とを接合する工程と、ベース部材成形型内に接続端子と枠部材、導電性端子とを配置する工程と、ベース部材成形型内に樹脂材料を注入して凹部11aを有する箱状にベース部材を成形するとともに、接続端子と枠部材、導電性端子とを組み立てる工程と、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程と、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて枠部材とカバー部材とを溶接する工程とを有することを特徴とする。
【0022】
ここで、予めプレス、切削などの機械加工をした接続端子と枠部材とを接合し、導電性端子と枠部材および接続端子をベース部材成形型内に配置した後に樹脂材料を注入する方法で導電性端子とベース部材、および、接続端子が接合された枠部材とベース部材を接合し、ベース部材が硬化した際には充分な密着で封止がなされる。また、導電性端子と枠部材、接続端子、カバー部材は、ステンレス、アルミニウム合金などのいずれかからなる金属材料が含まれる。また、接続端子と枠部材の接合方法としては、YAGレーザの基本波長、第2高調波、第3高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に摩擦熱を用いる、各々に部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。また、加熱手段としては、YAGレーザの基本波長、第2高調波、第3高調波や、半導体レーザなどの光吸熱を用いる、圧電振動子で発振される超音波振動で各々の部材に生じる摩擦熱を用いる、各々に部材に通電する抵抗加熱を用いる等が含まれる。
【0023】
すなわち、接続端子と枠部材とを接合することで、電気的な接続が確保できていることを予め確認できる。また、ベース部材成形型内でそれぞれの部材が位置ずれし、部材間に樹脂が入り込むことで導通不良となることを抑制できる。したがって、導電性端子と接続端子が接合された枠部材とをベース部材成形型内に配置し、いわゆるインサート成形することで、導電性端子と接続端子が接合された枠部材とベース部材は簡便に組み立てられるとともに、枠部材とカバー部材とを溶接することで電気化学セルの封止性が充分に確保される。
【0024】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、ベース部材成形型を固定型と可動型の少なくとも2体で構成し、前記接続端子と接合した枠部材を固定型に配置した後に、ベース部材成形型を閉じて固定型と可動型とで枠部材の端面を挟み込み、枠部材の高さを揃えることを特徴とする。
【0025】
すなわち、枠部材の高さを揃えることでカバー部材と隙間無く重ね合わ、溶接することができるため、電気化学セルの封止性が充分に確保される。
【0026】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、前記枠部材の底部に縁曲げ部位を設け、底部縁曲げ部位と接続端子を重ね合わせて溶接することを特徴とする。
【0027】
すなわち、枠部材の板厚を薄くした場合、枠部材と接続端子との接合強度が不足することが生じるが、底部縁曲げ部位を設けることで、枠部材と接続端子の重ね合わせ溶接ができるため、所望の接合強度を確保できる。したがって、枠部材の板厚を薄くする小型の電気化学セルの構成を可能とし、枠部材と接続端子との接合部の信頼性を高めることができる。
【0028】
また本発明の電気化学セルの製造方法は、前記導電性端子と前記接続端子が金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々部材の一部と金属箔のフレームとがブリッジを介してつながっており、金属箔のフレームにガイド穴を設け、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材とを溶接する工程の後に、金属箔のフレームからブリッジを切り離すことを特徴とする。
【0029】
ここで、導電性端子および接続端子が対となって金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々の一部が金属箔のフレームとブリッジを介してつながっている、いわゆるフープ成形が含まれる。
【0030】
すなわち、ベース部材の成形後に正極活物質やセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材との溶接工程まで、フープで組み立てることによって、フープのフレームに設けたガイド穴を使うことが出来るため、各々の部材を精度良く位置決めできるとともに、小型・薄型化する際のハンドリングが容易となる。
【0031】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の電気化学セルの第1の実施形態の構成を示す。また、図2に本発明の電気化学セルの第1の実施形態の断面図を示す。
【0032】
本発明の電気化学セルは、樹脂材料からなるベース部材11と、ベース部材11の凹部11aの内側から外側にベース部材11の側壁を貫通する導電性端子15を有する。
【0033】
このベース部材11は、正極活物質101とセパレータ102、負極活物質103を収納するための上端面が開口した構造である。
【0034】
また、ベース部材11には金属材料からなる枠部材12が接合されており、ベース部材11の開口側上端面から枠部材12の全周が突出し、枠部材封着部12aで構成される。
【0035】
また、枠部材12と接続端子16は接合され、この接合部16aはベース部材11の側壁内に被覆される。
【0036】
ここで、凹部11aの底面に導電性端子15が配置されているため、正極活物質101を導電性端子15に載置することで、導電性端子15は電気化学セルの正極集電体の機能を有する。
【0037】
また、セパレータ102を挟んで負極活物質103を載置し、枠部材12と金属材料からなるカバー部材13とを重ね合わせて接合することで、枠部材12とカバー部材13は負極集電体の機能を有する。導電性端子15とベース部材11、枠部材12とベース部材11は充分に接合されている。
【0038】
また、枠部材封着部12aの開口を蓋するカバー部材13の外形は枠部材封着部12aとほぼ同じ大きさとし、全周を隙間無く接合することで、これら接合部から湿気の進入はない。
【0039】
また、セパレータ102を挟む正極活物質101と負極活物質103とを入れ替えることで、導電性端子15を負極集電体とし、枠部材12とカバー部材13を正極集電体とすることもできる。ここで、ベース部材11の材質としては、絶縁性の樹脂であれば適用できるが、エポキシ系、ポリイミド系の耐熱を有する熱硬化性樹脂や、ポリスチレン系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の熱可塑樹脂が、剛性、耐熱性の面から適している。
【0040】
ここで、ポリスチレン系としてはシンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド系としてはリニア型および架橋型ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエステル系としては液晶ポリマー(LCP)の呼称の全芳香族ポリエステル、ポリアミド系としてはナイロン、ポリエーテル系としてはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、などが選択される。
【0041】
また、これら樹脂にガラス繊維、マイカ、セラミックス微粉等を添加したものも用いられる。
【0042】
また、導電性端子15の材質としては、正極活物質101もしくは負極活物質103と接触するため、耐腐食性を有する金属が選択される。
【0043】
さらに、加工性を考慮することで、ステンレス(Cr−Ni鋼)であれば19−9鋼、18Cr−12Ni−Mo−Cu鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などがプレス性や切削性、溶接性から適合する金属が用いられる。
【0044】
また、表面処理として、ニッケルや金、銅、錫などを施しても良い。
【0045】
また、枠部材12およびカバー部材13の材質としては、正極活物質101もしくは負極活物質103と接触するため、耐腐食性を有する金属が選択される。
【0046】
さらに、加工性を考慮することで、ステンレス(Cr−Ni鋼)であれば19−9鋼、18Cr−12Ni−Mo−Cu鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などがプレス性や切削性、溶接性から適合する金属が用いられる。
【0047】
また、接続端子16は凹部11aにおいて樹脂材料に被覆されるため耐腐食性を考慮することなく、加工性と枠部材12との接合性からステンレスやアルミニウムが用いられる。
【0048】
本実施形態では、ベース部材11はエポキシを、導電性端子15はステンレスの18Cr−12Ni−Mo−Cu鋼を用いた。枠部材12と接続端子16とカバー部材13はステンレスの18Cr−12Ni−Mo−Cu鋼を用いた。また、導電性端子15および接続端子16がベース部材11の外側に延出する部位には、実装ボードとはんだ接合を容易とするために金めっきを施した。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてカーボンブラックを、ゲル化剤としてポリエチレンオキサイド(PEO)を、電解質として(CH3)(C2H5)3NBF4を、さらにPCに(CH3)(C2H5)3NBF4を溶かした溶液を加え、混練機により100℃で混練して作製した。混練物をロールプレスで圧延してシート状にし、切断して正極活物質101と負極活物質102を作製した。また、PEOにγ―BL/EC(比率1:1)にLiBF4を溶かした溶液を加え、混練機により常温で混練した。混練物をポリフェニレンサルファイド製の不織布に挟み、ロールプレスでシート状にし、切断してセパレータ102を作製した。
【0049】
接続端子16と枠部材12はそれぞれを金属箔で連続的にプレス加工する、いわゆるフープ成形を適用し、接続端子16と枠部材12とを接合した。接続端子16と接合した枠部材12と予めプレス加工でフープ成形した導電性端子15とをベース部材11の成形型内に配置し、型内に樹脂を注入する、いわゆるインサート成形によりベース部材11に一体的に固定されている。
【0050】
具体的には、送り穴ガイドを有する厚さ100μmのステンレス箔にプレス機で接続端子16を成形したフープと、送り穴ガイドを有する厚さ200μmのステンレス箔にプレス機で枠部材12を成形したフープを用意した。接続端子16と枠部材12とを溶接する直前で枠部材12をフープのフレームから切り離し、接続端子16と枠部材12を基本波長のYAGレーザで溶接し、接合部16aを形成した。
【0051】
また、送り穴ガイドを有する厚さ100μmのステンレス箔にプレス機で導電性端子15を成形したフープを用意した。導電性端子15は送り穴ガイドがあるフレームと一体でベース部材11の成形型内に配置し、接続端子16を接合した枠部材12は送り穴ガイドがあるフレームからインサート成形型内に配置する直前で切断し、ベース部材11の成形型内に配置し、エポキシをインサート成形して複数個のベース部材11を連続して作製した。
【0052】
この後、接続端子16と導電性端子15の下面が同一平面上に位置するように曲げを加えながら、送り穴ガイドがあるフレームと導電性端子15を切り離した。
【0053】
これらの手段で構成したベース部材11に正極活物質101とセパレータ102、負極活物質103を収納した。ここで、正極活物質101は導電性端子15に接するように配置し、セパレータ102はベース部材11の内壁に保持させ、負極活物質103はセパレータ102に配置した。枠部材封着部12aと予めステンレス箔からプレス成形で切り離したカバー部材13とを重ね合わせて基本波長のYAGレーザを用いてシーム溶接し、電気化学セルを製作した。
【0054】
電気化学セルの封止性を評価するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、10−5atm・cc/sec以上の封止性を有していることがわかった。また、この電気化学セルは、接続端子16と導電性端子15の下面が同一平面上に位置するため、基板へのはんだ付けの作業性が著しく高いこと、予備加熱180℃・10分、加熱240℃・1分のリフロー炉に通してはんだ付けをおこない、はんだ付け前と後での特性に変化がないことを確認した。
【0055】
ここで、カバー部材13と枠部材封着部12aの接合は溶接を用いたが、接着剤や接着シート等を使った接着と低融点金属を使ったはんだ接合をおこない、電気化学セルの特性を確認した。また、導電性端子や枠部材、カバー部材、接続端子にアルミニウムを用いた場合の電気化学セルの特性を確認した。また、ベース部材にエポキシ以外のポリイミド、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエステル(LCP)、ポリアミド(ナイロン)、ポリエーテル(PEEK)を用いた場合の電気化学セルの特性を評価し、これらの材料が適用できることを確認した。
【0056】
図3に本発明の電気化学セルの第2の実施形態の構成を示す。図3は枠部材32の縁曲げ部32bと接続端子36との溶接部36aを説明する断面図を表している。ベース部材31が開口する凹部31aを有し、ベース部材31の上端面から枠部材32の全周が突出して枠部材封着部32aを形成する。ベース部材31の側壁面より枠部材32と溶接される接続端子36の一部が導出される。ここで、接続端子36はベース部材11に被覆されており、導電性端子35に載置した正極活物質301とは絶縁されている。
【0057】
本実施形態では、ベース部材31はエポキシを、導電性端子35と枠部材32とカバー部材33はステンレスを用いた。枠部材32は、金属箔をプレス加工にてフープ成形する際、縁曲げ部32bを形成した。この後、基本波長のYAGレーザを用いて、金属箔をプレス成形した接続端子36と重ね合わせ溶接をおこない、接合部36aを形成した。導電性端子35は、金属箔にプレス加工にてフープ成形し、フレームとつながった状態でベース部材成形型内に配置した。また、接続端子36と溶接した枠部材32は、フープから切り離してベース部材成形型内に配置した。この後、エポキシを注入してベース部材31をインサート成形して導電性端子35と接続端子36を溶接した枠部材32を組み立てた。
【0058】
これらの手段で作製したベース部材31内に正極活物質301とセパレータ302、負極活物質303とを収納し後、枠部材封着部32aと予めステンレス箔からプレス成形で切り離したカバー部材33とを重ね合わせて基本波長のYAGレーザを用いてシーム溶接し、電気化学セルを作製した。
【0059】
また、YAGレーザを用いるほかに、枠部材封着部32aとカバー部材33の接合に抵抗溶接をおこなった、カバー部材33と接続端子36aに溶接電極を当てて通電し、抵抗加熱にて接合した。
【0060】
これらの方法で製作した電気化学セルの封止性を評価するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、10−5atm・cc/sec以上の封止性を有していることがわかった。
【0061】
また、この電気化学セルは、接続端子36と枠部材32の縁曲げ部32bを溶接したため、接合強度が高く、基板に実装する際の荷重で変形が生じない。したがって、基板に電気化学セルを実装する際の歩留まりが向上した。
【0062】
図4に本発明の電気化学セルの製造方法を説明するフロー図を示す。ステンレス箔をプレス成形した接続端子15とステンレス箔をプレス成形した枠部材12とを接合する(工程401)。ベース部材成形型内に接続端子15と枠部材12、導電性端子15とを配置する(工程402)。次にベース部材11の成形型内にエポキシ樹脂を注入して硬化する(工程403)。次に正極活物質101とセパレータ102、負極活物質103とをベース部材11に載置する(工程404)。その後、カバー部材13と枠部材封着部12aとを重ね合わせ、全周を基本波長のYAGレーザで溶接する(工程404)。
【0063】
カバー部材13と枠部材封着部12aとを溶接する方法としては、基本波長のYAGレーザの他に、第二高調波、第三高調波のYAGレーザ、半導体レーザ、などの光吸収を用いる方法、カバー部材13に超音波振動子を押し当てて枠部材封着部12aとの間を擦り合わせる摩擦熱を用いる方法、カバー部材13もしくはカバー部材13と枠部材封着部12aに通電して加熱する抵抗加熱を用いる方法が用いられる。
【0064】
また、工程402において、ベース部材成形型の固定型側に配置した枠部材12は、可動型を閉じる際に枠部材12の端面を挟み込む構成とした。ここで、枠部材12の底部から枠部材封着部12aまでの高さを固定型と可動型でつくる隙間よりも100μm高く作製した。枠部材封着部12aにおける平面度は30μmにばらついていたが、枠部材12は固定型と可動型を閉じることで型に倣う形に変形した。エポキシ樹脂を注入して硬化した後にベース部材11の上端面から突出する枠部材封着部12aは、平面度が5μm以内に平坦化された。したがって、枠部材封着部の平面度がばらついている場合でも、ベース部材成形型内で平面度ばらつきが小さくできるため、生産性が高められることを確認した。
【0065】
また、工程401において、底部に縁曲げ部32aを形成した枠部材32と接続端子36をYAGレーザで溶接した。ここで、レーザビーム径を200μmとして3点を重ね合わせ溶接した。したがって、突合せ溶接に比べて接合強度が高められ、溶接点数を増やすことで接合面積が広がることから、電気化学セルを基板に実装する際に生じる荷重で変形が生じない。したがって、基板に電気化学セルを実装する際の歩留まりが向上した。
【0066】
この工程で作製した電気化学セルの封止状態を確認するため、フッ素系液体に浸漬してリークテストをおこなったところ、10−5atm・cc/sec以上の封止性であることがわかった。
【0067】
図5に本発明の電気化学セルの製造方法を説明する外観図を示す。
【0068】
ここで、導電性端子55と接続端子56はフープにブリッジ58a、58bでつながっている。フープに設けたガイド穴59をガイドピンで位置決めした後、枠部材と接続端子56を溶接し、ここでは図示しないが、枠部材と接続端子56の溶接部を形成した。
【0069】
次に、枠部材と接続端子56と導電性端子55をベース部材成形型内に配置し、ベース部材51を成形した。正極活物質501を導電性端子55に載置した後、ベース部材51内にセパレータ502と負極活物質503を収納した。この後、図示しないカバー部材と枠部材封着部52aを重ね合わせて溶接した。これらの工程を経て、ブリッジ58a、58bを切り離した。
【0070】
電気化学セルの小型化に有利であることを確認するため、ベース部材51の外形は幅3mm、長さ5mmとし、ベース部材51の底面からカバー部材上面までの厚さを1mmで作製した。フープのフレームにはφ1mmのガイド穴59を設け、ガイド穴59と10μmの隙間をもってはめ合うガイドピンを挿入して位置決めし、正極活物質501とセパレータ502、負極活物質503を組み込んだ。
【0071】
また、枠部材封着部52aとカバー部材を重ね合わせ、基本波長のYAGレーザで溶接した。これら部材の組み込みや溶接において20μm以内の位置ずれであった。
【0072】
この結果、ベース部材51に位置決め用のガイド穴を設ける必要が無いこと、ベース部材51の外形形状にばらつきがあった場合でも導電性端子55や接続端子56とフープのフレームに設けたガイド穴59の位置が精度良く加工されているため、枠部材52と接続端子56の溶接、正極活物質501とセパレータ502と負極活物質503の組み込みやカバー部材の溶接が高精度にできる。
【0073】
すなわち、小型の電気化学セルの製造方法として有効であることが確認できた。
【0074】
【発明の効果】
以上のように、正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納される正極活物質とセパレータと負極活物質と、金属材料からなる枠部材と、枠部材と接合される接続端子と、枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、枠部材と接続端子の接合部と枠部材の側面がベース部材によって被覆され、ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部で電気化学セル構成した。
【0075】
導電性端子と枠部材はベース部材の成形とともに組み立てられ、生産性が高められる。また、小型・薄型化の実現が容易な構成で電気化学セルおよびその製造方法を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気化学セルの構成図である。
【図2】本発明の電気化学セルの断面図である。
【図3】本発明の電気化学セルの第2の実施形態の断面図である。
【図4】本発明の電気化学セルの製造方法を説明するフロー図である。
【図5】本発明の電気化学セルの製造方法を説明する外観図である。
【図6】従来の電気化学セルの断面図である。
【符号の説明】
11、31、51 ベース部材
12,32、52 枠部材
13、33、53 カバー部材
15,35,55 導電性端子
58a、58b ブリッジ
Claims (10)
- 正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、凹部を有する箱状に形成された樹脂材料からなるベース部材と、前記ベース部材の凹部の内側から外側に貫通する導電性端子と、凹部に収納され前記導電性端子に載置される正極活物質、もしくは、負極活物質と、凹部に保持されるセパレータと、前記セパレータに載置される負極活物質、もしくは、正極活物質と、金属材料からなる枠部材と、当該枠部材と接合される接続端子と、前記枠部材と重ね合わせて接合する金属材料からなるカバー部材とで構成され、
前記枠部材と前記接続端子の接合部と枠部材の側面が前記ベース部材によって被覆され、
前記ベース部材の開口する上端面から枠部材の全周が突出する枠部材封着部を有する電気化学セル。 - 前記枠部材と前記接続端子が溶接されていることを特徴とする請求項1記載の電気化学セル。
- 前記導電性端子の一部と前記接続端子の一部が同一平面上に位置することを特徴とする請求項1または2記載の電気化学セル。
- 前記導電性端子および枠部材、カバー部材がステンレス、アルミニウムのいずれかからなる材料で構成されていることを特徴とする請求項1から3記載の電気化学セル。
- 前記ベース部材がエポキシ系、ポリイミド系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系の何れかからなる材料で構成されていることを特徴とする請求項1から4記載の電気化学セル。
- 前記枠部材封着部が縁曲げ部位を有し、当該縁曲げ部位と前記カバー部材とが重ね合わせて溶接されていることを特徴とする請求項1から5記載の電気化学セル。
- 正負極として用いる活物質と電解質と収納する容器とからなる電気化学セルにおいて、
金属材料からなる接続端子と枠部材とを接合する工程と、
ベース部材成形型内に接続端子と枠部材、導電性端子とを配置する工程と、
ベース部材成形型内に樹脂材料を注入して凹部を有する箱状にベース部材を成形するとともに、接続端子と枠部材、導電性端子とを組み立てる工程と、
正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程と、
枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて枠部材とカバー部材とを溶接する工程とを有する電気化学セルの製造方法。 - ベース部材成形型を固定型と可動型の少なくとも2体で構成し、前記接続端子と枠部材と導電性端子とを固定型に配置した後に、ベース部材成形型を閉じて固定型と可動型とで枠部材の端面を挟み込み、枠部材の高さを揃えることを特徴とする請求項7記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記枠部材の底部に縁曲げ部位を設け、底部縁曲げ部位と接続端子を重ね合わせて溶接することを特徴とする請求項7または8記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記導電性端子と前記接続端子が金属箔に複数個連続して成形され、導電性端子および接続端子の各々部材の一部と金属箔のフレームとがブリッジを介してつながっており、金属箔のフレームにガイド穴を設け、正極活物質およびセパレータ、負極活物質を載置する工程、もしくは、枠部材とカバー部材とを溶接する工程の後に、金属箔のフレームからブリッジを切り離すことを特徴とする請求項7から9記載の電気化学セルの製造方法。
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