JP2008198552A - コイン型電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】 リフローはんだ付けの際の高温下において、電気化学セルでは金属性である正極缶及び負極缶と樹脂製であるガスケットの熱膨張率の差と樹脂製のガスケットの熱軟化により、樹脂製のガスケットの体積流動が起こる。この電気化学セルが常温に戻ると、ガスケットの体積流動によりガスケットの缶の応力が弱まり、封止性が劣化する可能性がある。
【解決手段】 正極缶の先端を負極缶に接触させることで、樹脂製のガスケットを正極缶と負極缶の間に隙間なく閉じ込めることで、リフロー最高温度における樹脂製のガスケットの電池外への体積流動を抑え、リフロー熱処理後においても正極缶と負極缶の間に存在し、正極缶と負極缶に応力を与えているガスケットの体積を維持することで、リフロー前と同じ封止性を保つことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コイン型電気化学セルに関するものである。

コイン型二次電池、及びコイン型キャパシタを組み込む小型精密機器のさらなる小型化、あるいは回路基板のリフローはんだ付け化に伴って、コイン型二次電池、及びコイン型キャパシタ自体もより一層の小型化、薄型化、高容量化、及びリフローはんだ付け対応のための耐熱性を要求される。一般的に、コイン型二次電池、及びコイン型キャパシタは、電気化学要素を金属製の正極缶及び負極缶に収容し、樹脂製のガスケットを介して正極缶と負極缶とを組み合わせ、負極缶の折返し部に覆い被せて正極缶の開口部を湾曲させてかしめることで封止されるが、小型化に伴うかしめ強度の低下や、高容量化やリフローはんだ付け加熱に伴う内圧の上昇により、漏液しやすいという問題がある。

従来、樹脂製のガスケットのストレスを分散させてガスケットを正極缶及び負極缶と十分に密着させるようにしたもの（例えば特許文献１参照）や、ガスケットが正極缶及び負極に及ぼす応力を考慮したもの（例えば特許文献２参照）が検討されてきた。

特開２０００−４８７８０号公報（第３頁） 特開２００４−３２７４２７号公報（第４頁）

しかしながら、これらに記載されている封止構造においてもリフローはんだ付けの熱処理においては十分な封止性を得ることができない。それは、金属製である正極缶及び負極缶と、樹脂製であるガスケットの熱物性が大きく異なることによる。従来のコイン型電池化学セルの構造においては、リフローはんだ付けの加熱時において樹脂製のガスケットが金属正極缶、金属負極缶よりも熱膨張率が大きく、かつ加熱時に樹脂製のガスケットは流動特性を有することから、加熱時において樹脂製のガスケットは正極缶と負極缶の間から逃げ出すことになる。このため、加熱前に正極缶と負極缶の間に閉じ込められていたガスケットの体積は加熱後には減少するために、正極缶とガスケットあるいは負極缶とガスケットの間に隙間が出来たり、ガスケットの体積が減少するためにガスケットが正極缶および負極缶に及ぼす面圧が減少することにより、封止性が低下するためである。

本発明のコイン型電気化学セルは、正極缶と負極缶の内部に電気化学要素を収容し、前記正極缶の開口部を、ガスケットを介して封口したコイン型電気化学セルにおいて、前記正極缶と前記負極缶が金属製でありかつ前記ガスケットが樹脂製であって、前記ガスケットの熱変形により前記正極缶と前記負極缶との間から前記ガスケットが体積流動により逃げ出すことのできない封口形状であることを特徴とする。

また本発明のコイン型電気化学セルは、前記正極缶の開口部先端が前記負極缶に接触している、あるいは前記ガスケットの熱変形により前記正極缶と前記負極缶との間より前記ガスケットが体積流動により逃げ出すことが出来ない程度に、前記正極缶の開口部先端が前記負極缶に近接している形状であることを特徴とする。

リフロー加熱の前後において正極缶と負極缶の間に閉じ込められているガスケットの逃げ出しを防ぐことで、リフロー加熱による電気化学セルの封止性の劣化を抑えるものである。

これを実現するためには、ガスケットを挟んでいる正極缶内面と負極缶外面からなる空間体積と、ガスケットの正極缶と負極缶に間に位置してかしめることで圧縮されている部分の体積が同じであり、更にかしめている正極缶端部と最も近接する負極缶外面に隙間のないことが必要である。

本発明を用いると、リフロー最高温度における樹脂製のガスケットの電池外への体積流動を抑えることが可能となり、リフロー熱処理後においても正極缶と負極缶の間に存在し、正極缶と負極缶に応力を与えているガスケットの体積を維持することで、リフロー前と同じ封止性を保つものである。

コイン型の電気化学セルにおいて、正極缶および負極缶は、正極端子および負極端子を兼ねること、また缶をかしめることで封止ができることから、一般的に金属材料が用いられている。

一方、かしめ構造でコイン型電気化学セル内部に液体を保持できるように正極缶と負極缶の間を十分に充填できること、また正極缶及び負極缶に十分な面圧を与え続けて漏液を起こさないことから、樹脂材料がガスケットに用いられている。

更に、リフロー対応のコイン型電気化学セルでは、リフロー加熱時の耐熱性が求められることから、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＮ（ポリエーテルニトリル樹脂）、ＰＡ（ポリアミド樹脂）、ＰＩ（ポリイミド樹脂）などのエンジニアリングプラスチックがガスケットの樹脂材料として用いられている。

リフローはんだ付けを行なうためのリフロー炉による加熱は、最高温度で２００〜２６０℃の高温にある。特に近年は鉛フリーのはんだが環境問題から求められていることから、２５０〜２６０℃の耐熱性がコイン型電気化学セルに求められている。

電池の封止構造は、一般的には図２に示すような構造が取られている。本構造は、電池内部の負極缶と外側の正極缶の間に樹脂製のガスケットを配し、このガスケットを圧縮することで、ガスケットと正極缶及び負極缶の間に面圧を発生させ、この面圧により電池内部の液体の流出と電池外部からの水分の浸入を防いでいる。特に正極缶端部と負極缶の間のガスケットを挟みつけることは重要であり、本箇所によりガスケット本体が正極缶と負極缶の間からクリープ現象などによりガスケット体積が流出することを防ぎ、電池の封止性を保っている。このため、正極缶端部の高さはガスケット外側端部の高さよりも低く、ガスケット外側に正極缶の端部が食い込むように封止されている。

室温で使用される従来のコイン型二次電池・キャパシタは本封止構造で問題ないが、この電池をリフローした際には本封止構造では封止性の劣化が起こる。このメカニズムは下記のように考えられる。コイン型電気化学セルをリフロー熱処理すると金属製である正極缶及び負極缶よりも、樹脂製であるガスケットの方が熱膨張率が大きいことから、樹脂製であるガスケットの熱膨張が起こる。また樹脂製のガスケットはリフロー熱処理の最高温度では柔らかくなっている。このため、リフロー熱処理によって樹脂製のガスケットは正極缶及び負極缶から圧力のかかっていない方向、すなわち正極缶と負極缶のすきまより電池の外側に向かって体積流動が起こる。このため、リフロー処理された電気化学セルの正極缶とガスケットの間のガスケット体積は、リフロー処理前のそれよりも小さいことになり、結果として正極缶と負極缶にガスケットが加える面圧がリフロー前よりも小さくなり、封止性の劣化が起きている。

本メカニズムによる封止性の劣化を防ぐために、リフロー処理時におきるガスケットの体積移動を防げば良い。

例えば、正極缶端部の先端を負極缶に接触させて樹脂製のガスケットを正極缶と負極缶の間に隙間なく閉じ込めることにより、リフロー処理時のガスケットの体積移動を防いでやれば良い。

このための封止後の電気化学セルの構造は、ガスケットを挟んでいる正極缶内面と負極缶外面からなる空間体積と、ガスケットの正極缶と負極缶に間に位置してかしめることで圧縮されている部分の体積が同じであり、更にかしめている正極缶端部と最も近接する負極缶外面に隙間がないことが必要である。

本発明の封止構造を図１に示す。ステンレス製の外径４ｍｍの正極缶１０１、及び負極缶１０２に、重量％でリチウムマンガン酸化物とカーボングラファイトの混合物９８％、結着剤２％からなる合剤を直径２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍに成形した正極ペレット１０３、重量％で酸化ケイ素とカーボングラファイトの混合物９８％、結着剤２％からなる合剤を直径２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍに成形したペレットにリチウムを貼り付けた負極ペレット１０４、ガラス繊維製のセパレータ１０５、ポリエーテルエーテルケトン製のガスケット１０６、及び電解液１０７を収容した。この時の電池組立時に正極缶先端に近い位置となる負極缶外側底部外周部には正極缶と負極缶の接触によりショートを起こすことのないように、耐熱性の絶縁塗料１０８を塗布した。封止は正極缶内にガスケットがほぼ隙間なく納まるように正極缶をかしめることで行なった。この時、正極缶の先端内側と負極缶との隙間は０．１ｍｍ以下であった。
（参考例１）

従来例の封止構造を図２に示す。組立直前までは実施例１と同様に作成し、負極缶と正極缶先端をショートしない程度の離し、上面の正極缶の先端と負極の間からガスケットが見える程度に封止したものを参考例１とした。

実施例１、参考例１の電池を所定期間エージング後、最高温度２６０度となるリフロー炉で加熱を行なった。室温冷却後に庫内温度６０℃、庫内相対湿度９０％の恒温恒湿槽に所定期間保管した後に電池を取り出し、室温冷却後に電池容量を測定した。測定後の容量を恒温恒湿に保管しない電池の容量で割り、容量の残存率を計算した。この時、正極缶の先端内側と負極缶との隙間は０．１５ｍｍ以下であった。

測定結果を表１に示す。

表１に示すように実施例１は参考例１よりもリフロー後の封止性が向上しており、電池の外部の湿気に十分な対候性を有していることがわかる。

実施例１において正極ペレットと負極ペレットを市販の活性炭シートを打抜き、電気二重層コンデンサ用の電解液を用いて作成した電気二重層コンデンサを実施例２とした。
（参考例２）

また、実施例２において、かしめによる正極缶の先端を参考例１すなわち従来例と同様な封口をした電気二重層コンデンサを参考例２とした。
実施例２と参考例２も実施例１と同様に最高温度２６０℃のリフロー炉で熱処理を行い、室温冷却後に庫内温度６０℃、庫内相対湿度９０％の恒温恒湿槽に所定電圧を印加して所定期間保管した後に電池を取り出し、室温冷却後に電池容量を測定した。測定後の容量を恒温恒湿に保管しない電池の容量で割り、容量の残存率を計算した。結果を表２に示す。

表２に示すように実施例２は参考例２よりもリフロー後の封止性が向上しており、電池の外部の湿気に十分な対候性を有していることがわかる。

本発明のコイン型電気化学セルの断面図である。 従来のコイン型電気化学セルの断面図である。

符号の説明

101 正極缶
102 負極缶
103 正極ペレット
104 負極ペレット
105 セパレータ
106 ガスケット
107 電解液
108 絶縁塗料
201 正極缶
202 負極缶
203 正極ペレット
204 負極ペレット
205 セパレータ
206 ガスケット
207 電解液

Claims (3)

1. 正極缶と負極缶の内部に電気化学要素を収容し、前記正極缶の開口部を、ガスケットを介して封口したコイン型電気化学セルにおいて、前記正極缶と前記負極缶が金属製でありかつ前記ガスケットが樹脂製であって、前記ガスケットの熱変形により前記正極缶と前記負極缶との間から前記ガスケットが体積流動により逃げ出すことのできない封口形状であることを特徴としたコイン型電気化学セル。
2. 前記正極缶の開口部先端が前記負極缶に接触している、あるいは前記ガスケットの熱変形により前記正極缶と前記負極缶との間より前記ガスケットが体積流動により逃げ出すことが出来ない程度に、前記正極缶の開口部先端が前記負極缶に近接している形状であることを特徴とする請求項１に記載のコイン型電気化学セル。
3. 前記ガスケットを挟んでいる前記正極缶の内面と前記負極缶の外面からなる空間体積と、前記ガスケットの前記正極缶と前記負極缶との間に位置してかしめることで圧縮されている部分の体積が同じであり、更にかしめている前記正極缶の端部と最も近接する前記負極缶の外面に隙間のないことを特徴とする請求項２に記載のコイン型電気化学セル。