JP2005039256A - 電気化学セルおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型・薄型化を容易とする電気化学セルの提供。
【解決策】 樹脂材料からなり箱状に形成されたベース部材１１と、金属材料からなりベース部材１１の内部から外部に貫通固定される導電性端子１５と、金属材料からなりベース部材１１に固定される枠部材１２と、枠部材１２に溶接されるカバー部材１３で電気化学セルを構成した。
【選択図】 図１

Description

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。
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の予備電源、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。近年の電気化学セルは、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、電流ともに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基板に部品を載置し、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デバイス等とともに高密度実装が要求され、小型・薄型化構造が求められている。
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（例えば、特許文献１ 参照。）。
図１２に、従来の電気化学セルを説明する断面図を示す。電極としての正極活物質６０１、負極活物質６０３とセパレータ６０２を収納するための上端面側が円形に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円形のガスケット６２を介して正極ケース６１と勘合する円形の負極ケース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。
特開２００２−１９０４２７号公報
以上に述べた従来の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、はんだリフローでの耐熱性を確保するため、円形に開口した正極ケース６１と円形の負極ケース６３で円環状のガスケット６２を押しつぶすことでカシメる封止構造がおこなわれていた。電気化学セルの耐熱性と封止性を確保するためには、コインやボタンのような形状であった。ところが、実装基板に配置されるＩＣや水晶、ＳＡＷデバイスなどのパッケージは角型であるため、コイン型の電気化学セルを配置すると隙間が生じる。この隙間を有効に使えば、電気化学セルの蓄積容量は2割強の増加が見込める。また、正極ケース６１は金属材料で成形されているが、負極端子６５ｂと正極ケース６１とは接触すると短絡してしまうため、隙間を確保しなければならない。すなわち、図６に示すように負極端子６５ｂは正極ケース６１の外径よりも外側に張り出す必要があり、実装基板上の占有スペースがさらに増えてしまうこととなった。したがって、実装基板上に配置した際、デッドスペースが生じて占有面積が増え、実装基板上の単位面積あたりの容量を高めることは困難であった。また、正極ケース６１および負極ケース６３に正極端子６５ａや負極端子６５ｂを取り付ける場合、図１２に示すようにそれぞれの部品を重ね合わせて溶接するため、電気化学セルの総厚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高価なものとなっていた。
本発明は、電気化学セルの形状自由度を高め、小型・薄型化を容易とするとともに高容量を実現し、はんだリフロー温度に耐えること、部品数および工数を減らして安価とすることを目的とするものである。
そして、本発明は上記目的を達成するために、
セパレータと、セパレータの上下面に配置された一対の電極と、セパレータ及び一対の電極に含浸された電解質を収容する容器からなる電気化学セルであって、容器が、底部と底部の外周に沿って底部の上面に設けられた側部とを一体形成したベース部材と、底部の上面に設けられ、ベース部材の内側から外側へ貫通し、底部と接する面と反対側の面が一対の電極の一方と接する金属材料からなる導電性端子と、側部上面の全周にわたって接合される、金属材料からなる枠部材と、枠部材のベース部材と接する面と反対側の面の全周にわたって接合され、金属材料からなるカバー部材と、を備えたことを特徴とするものである。
また、一端がカバー部材の側面に延設されたカバー接続端子を有することを特徴とするものである。
また、カバー端子の他端の一部および、導電性端子のベース部材から延出している一端の一部が互いに同一平面上にある面を有することを特徴とするものである。
また、一端が枠部材の側面に延設された枠接続端子を有することを特徴とするものである。
また、枠接続端子端子の他端の一部および、導電性端子のベース部材から延出している一端の一部が互いに同一平面上にある面を有することを特徴とするものである。
また、一端が枠部材の側面に延設され、側部の上端部から側部と底部の接する面を介して底部の底面へと貫通することを特徴とするものである。
また、他端もしくは導電性端子の一端が底部の下面に接し、かつ、側部からそれぞれ端子の厚さよりも外側に突出しないことを特徴とするものである。
また、導電性端子がステンレス若しくはアルミニウムからなる材料で構成されていることを特徴とするものである。
また、枠部材及びカバー部材がステンレス、アルミニウム、及びＦｅＮｉ合金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ものである。
また、導電性端子がステンレスで枠部材及びカバー部材がＦｅＮｉ合金で構成されていることを特徴とするものである。
また、カバー部材と枠部材とが溶接されていることを特徴とするものである。
また、枠部材とカバー部材にニッケル若しくは銀合金のロー材を被覆し、枠部材とカバー部材とが溶接されていることを特徴とするものである。
また、枠部材とカバー部材とを重ね合わせて溶接する接合部の少なくとも一部に接合幅の狭い部位を設け、電気化学セルの内部圧が高まった際に電解質を排出する開口が形成されることを特徴とするものである。
また、ベース部材がエポキシ系、ポリイミド系、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、及び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ものである。
また、ベース部材もしくはカバー部材の少なくとも１箇所に厚さの薄い部位を設け、電気化学セルの内部圧が高まった際に電解質を排出する開口が形成されることを特徴とするものである。
また、第２の課題解決手段はセパレータとセパレータを介して対向する一対の電極を収納するベース部材と、ベース部材を貫通する導電性端子と、ベース部材に接合される枠部材と、枠部材に接合されるカバー部材とを有する電気化学セルの製造方法において、フープに形成された枠部材をベース部材の成形型内に配置する工程と、導電性端子をベース部材の成形型内に配置する工程と、成形型内に樹脂材料を注入してベース部材を箱状に成形する工程と、導電性端子と枠部材とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程と、一対の電極のうち一方の電極を導電性端子に接着する工程と、一方の電極の導電性端子と接する面と対向する面にパレータと一対の電極のうち他方の電極を配置する工程と、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程とを有するものである。
また、導電性端子と枠部材とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程の後に、フープに通電して枠部材にロー材をめっきする工程を有するものである。
また、枠部材が金属箔に複数個連続して成形され、ガイド穴を設けた金属箔のフープと、枠部材の一部がブリッジを有し、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程の前もしくは後に金属箔のフープからブリッジを切り離す工程を有するものである。
また、フープに形成された枠部材を切り離す際、フープと枠部材とをつなぐ少なくとも１つの部位を残し、該枠部材から延出する枠接続端子とすることを特徴とするものである。
また、ベース部材は、２００℃以上の温度で１分間以上の過熱において形状を保持する耐熱性を有する樹脂部品であることを特徴とするものである。
また、第３の課題解決手段はセパレータとセパレータを介して対向する一対の電極を収納するベース部材と、ベース部材を貫通する導電性端子と、ベース部材に接合される枠部材と、枠部材に接合されるカバー部材とを有する電気化学セルの製造方法において、フープに形成された導電性端子をベース部材の成形型内に配置する工程と、枠部材をベース部材の成形型内に配置する工程と、成形型内に樹脂材料を注入してベース部材を箱状に成形する工程と、枠部材と導電性端子とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程と、一対の電極のうち一方の電極を導電性端子に接着する工程と、一方の電極の導電性端子と接する面と対向する面にパレータと一対の電極のうち他方の電極を配置する工程と、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程とを有するものである。
また、導電性端子と枠部材とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程の後に、フープに通電して枠部材にロー材をめっきする工程を有するものである。
また、導電性端子が金属箔に複数個連続して成形され、ガイド穴を設けた金属箔のフープと、導電性端子の一部がブリッジを有し、枠部材とカバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程の前もしくは後に金属箔のフープからブリッジを切り離す工程を有するものである。
また、フープに形成された導電性端子を切り離す際、フープと導電性端子とをつなぐ少なくとも１つの部位を残し、該枠部材から延出する枠接続端子とすることを特徴とするものである。
また、ベース部材は、２００℃以上の温度で１分間以上の過熱において形状を保持する耐熱性を有する樹脂部品であることを特徴とするものである。
また、第４の課題解決手段はセパレータと、セパレータを介して対向する一対の電極と、セパレータ及び一対の電極に含浸された電解質とを収納する容器とからなる電気化学セルであって、一対の電極とセパレータと電解質とを収納する箱状の樹脂材料からなるベース部材と、実装基板に設けたランドに表面実装される導電性端子と接続端子とを有し、導電性端子と接続端子の長さまたは形状の違いにより正極、負極を識別することを特徴とするものである。
また、導電性端子と接続端子はベース部材の下端面より突出し、実装基板に接続されることを特徴とするものである。
また、導電性端子と接続端子はベース部材の側壁よりそれぞれ端子の厚さよりも外側に突出しないことを特徴とするものである。
また、導電性端子と接続端子のそれぞれ実装基板に接続される接合部に錫、ニッケル、銀のめっき膜を有することを特徴とするものである。
また、ベース部材は、２００℃以上の温度で１分間以上の過熱において形状を保持する耐熱性を有する樹脂部品であることを特徴とするものである。
上記の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、一対の電極とセパレータと電解質とをベース部材の凹部に収納し、カバー部材と枠部材を重ね合わせて接合することで、任意の形状の電気化学セルとはんだリフロー温度に耐える封止構造が実現する。
また、正極と負極は導電性端子とカバー接続端子、もしくは、枠接続端子で実装基板に接続される。電気化学セルの構成としては、ベース部材が導電性端子とカバー接続端子、もしくは、枠接続端子とを絶縁する。したがって、ベース部材の下端面に導電性端子とカバー接続端子、もしくは、枠接続端子とを配置することが可能となり、実装基板上のデッドスペースは極力小さくでき、高容量となる。
また、枠接続端子は、枠部材、もしくは、カバー部材から延出する構造としたため、電気化学セルの総厚が増すことなく薄型化される。正極・負極端子を取り付けるための工数も不要となる。
上述したように本発明は、電気化学セルの形状自由度を高め、小型・薄型化を容易とするとともに、高容量を実現し、はんだリフロー温度に耐えること、部品数および工数を減らして安価とするという効果を発揮するものである。
以下、本発明の実施の形態を図１〜１２に基づいて説明する。
図１および図２、図３においては、１１は凹部１１ａ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で、ベース部材１１の凹部１１ａの内側から外側に、ベース部材１１の壁面を貫通する導電性端子１５と、ベース部材１１と接合された枠部材１２で容器を構成する。また、正極活物質１０１と導電性端子１５とは導電性接着剤で貼りあわせ、凹部１１ａにセパレータ１０２と図示しない電解質を収納する。また、負極活物質１０２とカバー部材１３とは導電性接着剤で貼りあわせ、枠部材１２とカバー部材１３とを重ね合わせて溶接する。また、導電性端子１５にはステンレス、もしくは、アルミニウムを用い、枠部材１２とカバー部材１３にはステンレス、もしくは、アルミニウム、ＦｅＮｉ合金が用いられる。
ここで、導電性端子の材質としては、ステンレスであれば１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金などから、プレス性や切削性、溶接性に適合する金属が用いられる。枠部材とカバー部材の材質としては、ステンレスであれば１９Ｃｒ−９Ｎｉ鋼、１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼など、アルミニウム、アルミニウム合金など、ＦｅＮｉ合金であれば、４２アロイ、ＦｅＮｉＣｏ合金などが含まれる。また、カバー部材と枠部材とを溶接する方法としては、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ランプ加熱などの光吸収を用いる方法、カバー部材に超音波振動子を押し当てて枠部材との間を擦り合わせ、摩擦熱を用いる方法、カバー部材もしくはカバー部材と枠部材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。また、カバー部材と枠部材の接合材としてロー材を用いることも含まれており、ロー材としては、Ｎｉめっき、Ｓｎメッキ、もしくはＡｇＣｕ合金などが用いられる。ここで、カバー部材と枠部材それぞれのロー材を接合しやすくするため、ロー材の表面にＡｕ、もしくは、Ｐｔ、などのフラッシュめっきを施すことも含まれる。
また、ベース部材の材料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。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、ポリエステル系としては液晶ポリマー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、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。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。
また、ベース部材と導電性端子と枠部材で構成される容器に収納する電気化学セルの発電要素としては、非水電解質電池であれば、正極活物質にリチウム含有マンガン酸化物、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有チタン酸化物、負極活物質に炭素、リチウム合金、遷移金属酸化物、シリコン酸化物など従来から知られているものを用いることが出来る。電気二重層キャパシタでは正極及び負極活物質に活性炭を用いることができる。
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電気化学セルの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。
電解液の溶媒としては、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）やプ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。
電解質としては、（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。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。またピリジン系や脂環式アミン系、脂肪族アミン系のイオン性液体やアミジン系などの常温溶融塩でもよい。これらを用いると、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。
また、ベース部材の安全弁機能としては、ベース部材の壁面厚さを部分的に薄くすることが含まれる。また、枠部材とカバー部材とを溶接する接合部に設ける安全弁機能としては、局所的に接合の弱い部位を形成することが含まれる。安全弁機能は、過電流、もしくは、外部からの加熱などの異常発生時において、内圧上昇のガスを逃がす役目を果たし、破裂などの事故を回避する。本発明においては、コストが高くなることなく電気化学セルに安全弁機能を追加することができる。
本発明の実施の形態では、ベース部材１１と導電性端子１５との接合部、ベース部材１１と枠部材１２との接合部は形状によらず密着し、また、枠部材１２とカバー部材１３との溶接においても、金属接合による封止性が得られるため、形状の制約はない。すなわち、ベース部材１１が角箱型の収納容器であっても、外部からの湿度の浸入を防ぐとともに、はんだ融点（２００〜２６０℃）に温度設定されたリフロー炉を通過させた後も電気化学セルの特性を維持することができる。
図１に本発明の電気化学セルの構成図を示す。また、図２に本発明の電気化学セルの外観図を示す。また、図３に本発明の電気化学セルの断面図を示す。
本実施例では、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。また、導電性端子１５がベース部材１１の外壁に延出する部位には、実装基板とはんだ接合を容易とするために錫めっきを施した。枠部材１２とカバー部材１３は４２Ｎｉ-Ｆｅ合金を用いた。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてのカーボンブラックと、バインダーとしてＰＴＦＥを混練して作製した。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１０3とした。電解質は（Ｃ2Ｈ5）4ＮＢＦ4を、ＰＣに溶かしたものを用いた。ここで、電気化学セルの組立方法としては、ベース部材成形型内に導電性端子１５と枠部材１２を配置し、エポキシ樹脂を注入して凹部１１ａを有する箱状のベース部材１１を成形する。導電性端子１５と正極活物質１０１とを接着したのち、凹部１１ａにセパレータ１０２を収めた。次に、負極活物質１０３を接着したカバー部材１３と枠部材１２とを重ねあわせ、抵抗加熱工法のシーム溶接をおこなった。
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。また、この電気化学セルを、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を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。
図４に本発明の電気化学セルの外観図を示す。また、図５に本発明の電気化学セルの断面図を示す。
カバー端子は、一端がカバー部材の側面に接続されて延出し、ベース部材の側面に平行になるように折り曲げられ、ベース部材の側面に沿って底部のほうへと伸びている。他端は、ランドに接する面で折り曲げられ、ベース部材の下面と略同一平面上にランドと接する面をもつ。また、導電性端子の一端は容器内の底面に設置され、他端は容器外へと貫通して延出している。この他端もランドに接する面で折り曲げられ、ベース部材の下面と略同一平面上にランドと接する面をもっている。
ベース部材３１はエポキシを、導電性端子３５はステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。また、カバー部材３３にはカバー接続端子３３ａを延出させた。導電性端子３５がベース部材１１の外壁に延出する部位とカバー接続端子３３ａには、実装基板とはんだ接合を容易とするために錫めっきを施した。枠部材３２とカバー部材３３は４２Ｎｉ-Ｆｅ合金を用いた。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてのカーボンブラックと、バインダーとしてＰＴＦＥを混練して作製した。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３０１と負極活物質３０3とした。電解質は（Ｃ2Ｈ5）4ＮＢＦ4を、ＰＣに溶かしたものを用いた。
また、カバー部材３３にニッケルめっきを２μｍ、金めっきを０．５μｍ被覆し、枠部材３２にニッケルめっき２μｍを被覆して抵抗加熱工法のシーム溶接をおこなった。ここで、カバー部材３３と枠部材３２に被覆したニッケルめっきがロー材として機能し、気密封止がなされた。このように作製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。また、この電気化学セルを、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を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。
ベース部材１１は、熱可塑性樹脂のポリフェニレンサルファイドでベース部材１１を成形した。また、導電性端子１５にはアルミニウムを用いた。また、導電性端子１５がベース部材１１の外壁に延出する部位には、実装基板とはんだ接合を容易とするためにニッケルめっきを施した。枠部材１２とカバー部材１３は４２Ｎｉ-Ｆｅ合金を用いた。また、活物質は市販の活性炭に導電剤としてのカーボンブラックと、バインダーとしてＰＴＦＥを混練して作製した。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１０3とした。電解質は（Ｃ2Ｈ5）4ＮＢＦ4を、ＰＣに溶かしたものを用いた。また、カバー部材１３にニッケルめっきを２μｍ、金めっきを０．５μｍ被覆し、枠部材１２にニッケルめっき２μｍを被覆して抵抗加熱工法のシーム溶接をおこなった。ここで、カバー部材１３と枠部材１２に被覆したニッケルめっきがロー材として機能し、気密封止がなされた。
このように作製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。また、この電気化学セルを、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を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。
図６に本発明の電気化学セルの外観図を示す。また、図７に本発明の電気化学セルの断面図を示す。
枠接続端子は、一端が枠部材の側面に接続されて延出し、ベース部材の側面に平行になるように折り曲げられ、ベース部材の側面に沿って底部のほうへと伸びている。他端は、ランドに接する面で折り曲げられ、ベース部材の下面と略同一平面上にランドと接する面をもつ。また、導電性端子の一端は容器内の底面に設置され、他端は容器外へと貫通して延出している。この他端もランドに接する面で折り曲げられ、ベース部材の下面と略同一平面上にランドと接する面をもっている。
本実施例では、枠部材５２から延出する枠接続端子５２ａと、導電性端子５５がベース部材５１の外壁に延出する部位とが同一平面上に位置する構成とした。ここで、電気化学セルの組立方法としては、ベース部材成形型内に導電性端子５５と枠部材５２を配置し、エポキシ樹脂を注入して凹部５１ａを有する箱状のベース部材５１を成形する。導電性端子５５と正極活物質５０１とを導電性接着剤で接着したのち、凹部５１ａにセパレータ５０２を収めた。次に、負極活物質５０３を導電性接着剤で接着したカバー部材５３と枠部材５２とを重ねあわせ、抵抗加熱工法のシーム溶接をおこなった。枠部材５２から延出する枠接続端子５２ａの付近では溶接の熱量が逃げてしまうため、制御する電流量を増やす工夫をおこない、密閉構造をつくった。
このように作製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。また、この電気化学セルを、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を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。
図８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。また、図９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。
フープに形成した枠部材５２をベース部材成形型内に配置する（工程８０１）。導電性端子５５をベース部材成形型内に配置する（工程８０２）。次に、ベース部材成形型内に樹脂材料を注入して凹部５１ａを有する箱状にベース部材５１を成形するとともに、導電性端子５５と枠部材５２とを容器として組み立てる（工程８０３）。次に、フープに通電して枠部材５２にロー材をめっきする（工程８０４）。一対の電極とセパレータと電解質とをベース部材の凹部５１ａに収納する（工程８０５）。枠部材５２と図示しないカバー部材を重ね合わせて、加熱手段を用いて溶接する（工程８０６）。
ここで、導電性端子５５にはステンレスの１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｕ鋼を用いた。また、枠部材５２は４２Ｎｉ-Ｆｅ合金の薄板を用いてプレス加工をおこない、フープを作製した。プレス加工では、各工程においてワークの位置決めにも用いる送り穴５９の加工と、枠部材５３を保持するためのブリッジ５８を残した窓抜き加工をおこなった。また、ベース部材５１の樹脂材料はエポキシを用いた。熱硬化性樹脂のエポキシはベース部材成形型を加熱して硬化した。この際、ベース部材成形型内に配置した導電性端子５５と枠部材５２とはベース部材５１のエポキシに密着するとともに、所望の形状に成形が可能である。また、枠部材５２にめっきするロー材は、ニッケルを用い、２μｍの厚さに被覆した。また、カバー部材には４２Ｎｉ-Ｆｅ合金を用い、ニッケルめっきを２μｍの厚さに被覆した。ここで、加熱手段としては抵抗加熱を用い、具体的には、ローラ形状の電極２本用意し、カバー部材の両端にバランスよく押し当てて電極間に通電した。電極とカバー部材の接触部が発熱し、カバー部材のニッケルめっきが溶融、枠部材５２のニッケルめっきが溶融、ニッケルめっきの固化とともにカバー部材と枠部材５２が接合するプロセスをローラ形状の電極が転がることで繰り返される。この溶接の後、枠部材５２とつながるブリッジ５８をフープから切り離し、電気化学セルを作製した。この電気化学セルを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、この電気化学セルを、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を通してはんだ付けをおこない、特性に変化がないことを確認した。
図１０に本発明の電気化学セルの外観図を示す。また、図１１に本発明の電気化学セルの断面図を示す。
本実施例では、実装基板７７に形成した正極側配線パターン７７ａと負極側配線パターン７７ｂに本発明の電気化学セルを接合した。電気化学セルの構成としては、枠部材７２から延出する枠接続端子７２ａと、導電性端子７５がベース部材７１の外壁に延出する部位とが同一平面上に位置する構成とした。ここで、電気化学セルの組立方法としては、ベース部材成形型内に導電性端子７５と枠部材７２を配置し、エポキシ樹脂を注入して凹部７１ａを有する箱状のベース部材７１を成形する。導電性端子７５と正極活物質７０１とを導電性接着剤で接着したのち、凹部７１ａにセパレータ７０２を収めた。次に、負極活物質７０３を導電性接着剤で接着したカバー部材７３と枠部材７２とを重ねあわせ、抵抗加熱工法のシーム溶接をおこなった。さらに、ベース部材７１の下端面に突出した導電性端子７５と枠接続端子７２ａを向かい合う内側に曲げた。この後、正極側配線パターン７２ａ、負極側配線パターン７２ｂのランドに載置し、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った。
このように作製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。また、この電気化学セルは、第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を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。
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、電極とセパレータと電解質を組み込んだのち、枠部材５２とカバー部材を重ね合わせて溶接した。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。この結果、ベース部材５１の外形形状にばらつきがあった場合でも枠部材５２とブリッジ５８でつながる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、電極とセパレータと電解質の組み込みやカバー部材の溶接が容易にできる。すなわち、電気化学セルの小型化に有利な製造方法であることを確認した。また作製した電気化学セルを、実施例1から６までと同様の評価を行った。評価方法としては第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を通してはんだ付けをおこない、はんだ付け前と後での漏液がないことを確認し、容量に変化がないことを確認した。容量の測定条件は、２．５Ｖで３０分充電した後、２０μＡの電流で放電した。結果を表１に示す。
図１２に外径φ３ｍｍ、厚み０．８ｍｍの従来のコイン型電気化学セルを示す。コイン型セルは正極と負極が同一面にはないため、正極缶６１へ厚み０．１ｍｍの金属板による正極端子６５ａを、負極缶６３へ厚み０．１ｍｍの金属板による負極端子６５ｂを溶接し、実装面積が幅３ｍｍ、長さ５ｍｍで厚みを１ｍｍとし、表面実装タイプの端子付きコイン型電気化学セルを作製した。この電気化学セルを、実施例1から7までと同様の評価を行った。評価方法としては第１ゾーンが１６０℃・２分、第２ゾーンが２００℃以上の時間が１分でピーク温度が２６０℃のリフロー炉を通してはんだ付けをおこない、はんだ付け前と後での漏液がないことを確認し、容量に変化がないことを確認した。容量の測定条件は、２．５Ｖで３０分充電した後、２０μＡの電流で放電した。結果を表１に示す。
Figure 2005039256
本発明の電気化学セルの構成図である。 本発明の電気化学セルの外観図である。 本発明の電気化学セルの断面図である。 本発明の電気化学セルの外観図である。 本発明の電気化学セルの断面図である。 本発明の電気化学セルの外観図である。 本発明の電気化学セルの断面図である。 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。 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。 本発明の電気化学セルの外観図である。 本発明の電気化学セルの断面図である。 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・・・カバー部材
１５、３５、５５・・・導電性端子
６１・・・正極缶
６２・・・ガスケット
６３・・・負極缶
６５ａ・・・正極端子
６５ｂ・・・負極端子
６０１・・・正極
６０２・・・セパレータ
６０３・・・負極

Claims (30)

  1. セパレータと、前記セパレータの上下面に配置された一対の電極と、前記セパレータ及び前記一対の電極に含浸された電解質を収容する容器からなる電気化学セルであって、
    前記容器が、底部と前記底部の外周に沿って前記底部の上面に設けられた側部とを一体形成したベース部材と、
    前記底部の上面に設けられ、前記ベース部材の内側から外側へ貫通し、前記底部と接する面と反対側の面が前記一対の電極の一方と接する金属材料からなる導電性端子と、
    前記側部上面の全周にわたって接合される、金属材料からなる枠部材と、
    前記枠部材の前記ベース部材と接する面と反対側の面の全周にわたって接合され、金属材料からなるカバー部材と、を備えたことを特徴とする電気化学セル。
  2. 一端が前記カバー部材の側面に延設されたカバー接続端子を有することを特徴とする請求項１記載の電気化学セル。
  3. 前記カバー端子の他端の一部および、前記導電性端子の前記ベース部材から延出している一端の一部が互いに同一平面上にある面を有することを特徴とする請求項２記載の電気化学セル。
  4. 一端が前記枠部材の側面に延設された枠接続端子を有することを特徴とする請求項１記載の電気化学セル。
  5. 前記枠接続端子の他端の一部および、前記導電性端子の前記ベース部材から延出している一端の一部が互いに同一平面上にある面を有することを特徴とする請求項４記載の電気化学セル。
  6. 一端が前記枠部材の側面に延設され、前記側部の上端部から前記側部と前記底部の接する面を介して前記底部の底面へと貫通することを特徴とする請求項５に記載の電気化学セル。
  7. 前記他端もしくは前記導電性端子の一端が前記底部の下面に接し、かつ、前記側部からそれぞれ端子の厚さよりも外側に突出しないことを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  8. 前記導電性端子がステンレス若しくはアルミニウム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７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  9. 前記枠部材及び前記カバー部材がステンレス、アルミニウム、及びＦｅＮｉ合金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８記載の電気化学セル。
  10. 前記導電性端子がステンレスで前記枠部材及び前記カバー部材がＦｅＮｉ合金で構成されていることを特徴とする請求項９記載の電気化学セル。
  11. 前記カバー部材と前記枠部材とが溶接されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  12. 前記枠部材と前記カバー部材にニッケル若しくは銀合金のロー材を被覆し、前記枠部材と前記カバー部材とが溶接されていることを特徴とする請求項１１記載の電気化学セル。
  13. 前記枠部材と前記カバー部材とを重ね合わせて溶接する接合部の少なくとも一部に接合幅の狭い部位を設け、電気化学セルの内部圧が高まった場合前記電解質を排出する開口が形成されることを特徴とする請求項１２記載の電気化学セル。
  14. 前記ベース部材がエポキシ系、ポリイミド系、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、及び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１３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  15. 前記ベース部材もしくは前記カバー部材の少なくとも１箇所に厚さの薄い部位を設け、電気化学セルの内部圧が高まった場合前記電解質を排出する開口が形成されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  16. セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の電極を収納するベース部材と、前記ベース部材を貫通する導電性端子と、前記ベース部材に接合される枠部材と、前記枠部材に接合されるカバー部材とを有する電気化学セルの製造方法において、
    フープに形成された前記枠部材を前記ベース部材の成形型内に配置する工程と、
    前記導電性端子を前記ベース部材の成形型内に配置する工程と、
    前記成形型内に樹脂材料を注入してベース部材を箱状に成形する工程と、
    前記導電性端子と前記枠部材とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程と、
    前記一対の電極のうち一方の電極を前記導電性端子に接着する工程と、
    前記一方の電極の前記導電性端子と接する面と対向する面に前記パレータと前記一対の電極のうち他方の電極を配置する工程と、
    前記枠部材と前記カバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程とを有する電気化学セルの製造方法。
  17. 前記導電性端子と枠部材とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程の後に、前記フープに通電して前記枠部材にロー材をめっきする工程を有する請求項１６に記載の電気化学セルの製造方法。
  18. 前記枠部材が金属箔に複数個連続して成形され、ガイド穴を設けた金属箔のフープと、前記枠部材の一部がブリッジを有し、前記枠部材と前記カバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程の前もしくは後に金属箔のフープからブリッジを切り離す工程を有する請求項１７記載の電気化学セルの製造方法。
  19. 前記フープに形成された前記枠部材を切り離す際、前記フープと前記枠部材とをつなぐ少なくとも１つの部位を残し、該枠部材から延出する枠接続端子とすることを特徴とする請求項１８記載の電気化学セルの製造方法。
  20. 前記ベース部材は、２００℃以上の温度で１分間以上の過熱において形状を保持する耐熱性を有する樹脂部品である請求項１６から１９のいずれか一項に記載の方法で製造する電気化学セル。
  21. セパレータと前記セパレータを介して対向する一対の電極を収納するベース部材と、前記ベース部材を貫通する導電性端子と、前記ベース部材に接合される枠部材と、前記枠部材に接合されるカバー部材とを有する電気化学セルの製造方法において、
    フープに形成された前記導電性端子を前記ベース部材の成形型内に配置する工程と、
    前記枠部材を前記ベース部材の成形型内に配置する工程と、
    前記成形型内に樹脂材料を注入してベース部材を箱状に成形する工程と、
    前記枠部材と前記導電性端子とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程と、
    前記一対の電極のうち一方の電極を前記導電性端子に接着する工程と、
    前記一方の電極の前記導電性端子と接する面と対向する面に前記パレータと前記一対の電極のうち他方の電極を配置する工程と、
    前記枠部材と前記カバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程とを有する電気化学セルの製造方法。
  22. 前記導電性端子と枠部材とが接合されたベース部材を容器として組み立てる工程の後に、前記フープに通電して前記枠部材にロー材をめっきする工程を有する請求項２１に記載の電気化学セルの製造方法。
  23. 前記導電性端子が金属箔に複数個連続して成形され、ガイド穴を設けた金属箔のフープと、前記導電性端子の一部がブリッジを有し、前記枠部材と前記カバー部材とを重ね合わせ、加熱手段を用いて溶接する工程の前もしくは後に金属箔のフープからブリッジを切り離す工程を有する請求項２２記載の電気化学セルの製造方法。
  24. 前記フープに形成された前記導電性端子を切り離す際、前記フープと前記導電性端子とをつなぐ少なくとも１つの部位を残し、該枠部材から延出する枠接続端子とすることを特徴とする請求項２３記載の電気化学セルの製造方法。
  25. 前記ベース部材は、２００℃以上の温度で１分間以上の過熱において形状を保持する耐熱性を有する樹脂部品である請求項２１から２４のいずれか一項に記載の方法で製造する電気化学セル。
  26. セパレータと、前記セパレータを介して対向する一対の電極と、前記セパレータ及び前記一対の電極に含浸された電解質とを収納する容器とからなる電気化学セルであって、
    前記一対の電極と前記セパレータと前記電解質とを収納する箱状の樹脂材料からなるベース部材と、
    実装基板に設けたランドに表面実装される導電性端子と接続端子とを有し、
    前記導電性端子と前記接続端子の長さまたは形状の違いにより正極、負極を識別することを特徴とする電気化学セル。
  27. 前記導電性端子と前記接続端子は前記ベース部材の下端面より突出し、実装基板に接続されることを特徴とする請求項２６記載の電気化学セル。
  28. 前記導電性端子と前記接続端子は前記ベース部材の側壁よりそれぞれ端子の厚さよりも外側に突出しないことを特徴とする請求項２７記載の電気化学セル。
  29. 前記導電性端子と前記接続端子のそれぞれ実装基板に接続される接合部に錫、ニッケル、銀のめっき膜を有することを特徴とする請求項２６から２８のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  30. 前記ベース部材は、２００℃以上の温度で１分間以上の過熱において形状を保持する耐熱性を有する樹脂部品である請求項２６から２９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
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