JP2014220070A - 電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】 製品寿命の向上に寄与することが可能な電気化学セルを提供することを目的とする。【解決手段】 電気化学セル１であって、正極または負極として用いる活物質２および非水溶媒を用いた電解質を収容するとともに、下部に第１電極３、上部に第２電極４および側部にセラミック枠体５を有する電池本体６と、セラミック枠体５の側面の全周を覆うとともに、第１電極３および第２電極４を露出した封止樹脂７とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、電気化学セルに関する。

近年では、カメラ、オーディオ機器、携帯型コンピュータまたは携帯電話などの電池として、繰り返し充電可能な二次電池が用いられている。二次電池としては、電池要素から電極を引き出す必要があるとともに、電池要素を大気から保護するためにラミネートフィルムで電池要素を被覆する必要がある。特に、電池要素に水分が浸入すると、電池としての機能が低下するため、如何に電池要素を保護するかが重要な課題である。なお、二次電池として、電解液として非水溶媒を用いたものが電気化学セルである。

従来の課題を解決する手段としては、電池要素を保護する構造として、ラミネートフィルムよりも封止性に優れたセラミック容器を用いた構造が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００５−１２３１５４号公報 特開２００７−５２７８号公報

セラミック容器を用いた二次電池において、特に、正極または負極として用いる活物質および非水溶媒を用いた電解質を電池要素とし、当該電池要素を保護する機能を高めた電気化学セルを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る電気化学セルは、正極または負極として用いる活物質および非水溶媒を用いた電解質を収容するとともに、下部に第１電極、上部に第２電極および側部にセラミック枠体を有する電池本体と、前記セラミック枠体の側面の全周を覆うとともに、前記第１電極および前記第２電極を露出した封止樹脂とを備えている。

本発明によれば、電池要素を保護する機能を高めた電気化学セルを提供することができる。

本実施形態に係る電気化学セルの概観を示す斜視図である。 本実施形態に係る電気化学セルの平面図である。 図２のＸ−Ｘに沿った電気化学セルの断面図である。

添付図面を参照して、本発明にかかる電気化学セルの実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る電気化学セルの外観斜視図であって、電気化学セルの斜め上方から電気化学セルを見た状態を示している。図２は、本実施形態に係る電気化学セルの平面図である。図３は、図２のＸ−Ｘに沿った電気化学セルの断面図であって、電気化学セルの内部の積層構造を示している。

＜電気化学セルの概略構成＞
本実施形態の電気化学セルは、非水電解質電池または電気二重層キャパシタ等に用いるものであって、発電機能または蓄電機能を有するものである。電気化学セルは、時計機能または半導体メモリのバックアップ電源、あるいはマイクロコンピュータまたはＩＣメモリ等からなる電子装置の予備電源、あるいはソーラー時計の制御回路またはモーター駆動用の電源等として用いることができる。さらに、電気化学セルは、電気自動車の電源、エネルギー変換・貯蔵システムの補助蓄電ユニット等として用いることができる。

本実施形態に係る電気化学セル１は、正極または負極として用いる活物質２および非水溶媒を用いた電解質を収容するとともに、下部に第１電極３、上部に第２電極４および側部にセラミック枠体５を有する電池本体６と、セラミック枠体５の側面の全周を覆うとともに、第１電極３および第２電極４を露出した封止樹脂７とを備えている。なお、ここでは、正極または負極として用いる活物質２および非水溶媒を用いた電解質を電池要素という。

セラミック枠体５は、絶縁性の複数の枠板を積層したものである。セラミック枠体５を構成する材料が、例えば、アルミナ、ムライトまたは窒化アルミ等のセラミック材料、あるいはガラスセラミックス材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、セラミック枠体５は、外縁が矩形状であって、平面視したときの外縁の一辺の長さが、例えば５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であって、内縁の一辺の長さが、例えば１．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下である。セラミック枠体５の上下方向の厚みは、例えば、１ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。

セラミック枠体５の上部および下部には、それぞれ枠状のシールリング８が設けられている。シールリング８は、第１電極３または第２電極４をシーム溶接により接続するためのものである。シールリング８の形状は、セラミック枠体５の形状に合わせたものである。シールリング８は、平面視したときの外縁の一辺の長さが、例えば５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であって、内縁の一辺の長さが、例えば１．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下である。シールリング８は、上下方向の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。なお、シールリング８は、例えば、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の熱伝導性の優れた緩衝材料からなる。

また、セラミック枠体５の上部および下部には、全周にわたってメタライズ層が形成されている。そして、シールリング８は、メタライズ層に対してろう材を介して接続されている。ろう材は、例えば、銀、銅、金、アルミニウムまたはマグネシウム等からなり、ニッケル、カドミウムまたは燐等の添加物を含有させてもよい。

セラミック枠体５の底孔を塞ぐように、セラミック枠体５の下部に第１電極３が設けられている。第１電極３は、セラミック枠体５の下方からセラミック枠体５の底孔を塞ぐように設けられている。第１電極３は、電池の電極としての機能を有している。第１電極３は、第２電極４との間で充電時と放電時には逆の電位差が生じるものである。なお、第１電極３は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、金、ステンレスまたはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。

第１電極３は、平板状の部材であって、外形が平面視して矩形状である。第１電極３は、セラミック枠体５の底孔を塞ぐことができる大きさであって、外縁が平面視して枠体６の外縁に収まる大きさである。第１電極３は、平面視して一辺の長さが、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。第１電極３は、下面の中央部が下面の周縁部よりも下方に位置している。ここで、中央部とは、セラミック枠体５に第１電極３を設けた状態で、セラミック枠体５で囲まれる領域に位置する部位のことをいう。また、周縁部とは、セラミック枠体５に第１電極３を設けた状態で、セラミック枠体５で囲まれない領域に位置する部位のことをいう。すなわち、中央部を取り囲む箇所が周縁部である。中央部の端部は、周縁部に向けて厚みが漸次薄くなっている。なお、第１電極３の上下方向の厚みは、例えば、中央部が０．２ｍｍ以上７ｍｍ以下であって、周縁部が０．１ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である。第１電極３は、中央部の高さ位置と、周縁部の高さ位置の高低差は、例えば０．１ｍｍ以上３．５ｍｍ以下に設定される。

また、セラミック枠体５の天井孔を塞ぐように、セラミック枠体５の上部に第２電極４が設けられている。第２電極４は、セラミック枠体５の上方からセラミック枠体５の天井孔を塞ぐように設けられている。第２電極４は、電池の電極としての機能を有している。なお、第２電極４は、第１電極３と同様の材料からなり、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、金、ステンレスまたはアルミニウム等の金属材料、あるいはそれらの合金、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料、あるいはそれらの材料の複合層からなる。

第２電極４は、第１電極３と同様に、平板状の部材であって、外形が平面視して矩形状である。第２電極４は、セラミック枠体５の天井孔を塞ぐことができる大きさであって、外縁が平面視して枠体６の外縁に収まる大きさである。第２電極４は、平面視して一辺の長さが、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。第２電極４は、上面の中央部が上面の周縁部よりも上方に位置している。なお、第２電極４の上下方向の厚みは、例えば、中央部が０．２ｍｍ以上７ｍｍ以下であって、周縁部が０．１ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である。第２電極４は、中央部の高さ位置と、周縁部の高さ位置の高低差は、例えば０．１ｍｍ以上３．５ｍｍ以下に設定される。

第１電極３および第２電極４は、それぞれ中央部が周縁部よりも厚く形成されている。第１電極３は、電池本体６の底板として機能し、第２電極４は、電池本体６の蓋体として機能するため、底板および蓋体の中央部を厚くしたことで、平面視したときの電池本体６の中央部における剛性が高まる。そして、電池本体６が上方または下方からの力を受けて撓みにくくすることができ、電池本体６が外部からの衝撃などによって破壊されにくくすることができる。

セラミック枠体５内には、正極または負極として用いる活物質２と、非水溶媒を用いた電解質が設けられる。活物質２としては、正極ペレット２ａおよび負極ペレット２ｂが用いられる。正極ペレット２ａおよび負極ペレット２ｂの活物質２を、例えば、炭素を導電性フィラーとする導電性接着剤９を用いて第１電極３上に接続されている。また、正極ペレット２ａと負極ペレット２ｂとの間には、セパレータ１０が設けられる。

電気化学セル１を発電素子として非水電解質電池とする場合は、正極ペレット２ａは、例えば、二硫化チタン等の金属カルコゲン化合物、酸化マンガンまたは酸化モリブデン等の金属酸化物、ポリアニリン、ポリピロールまたはポリパラフェニレン等の導電性高分子、あるいはリチウムイオンおよびアニオンを吸蔵放出可能な各種の物質を用いることができる。また、負極ペレット２ｂは、例えば、酸化珪素、三酸化タングステンまたは酸化錫等の各種物質を用いることができる。

電気化学セルを電気二重層キャパシタとする場合は、正極ペレット２ａおよび負極ペレット２ｂの活物質には、活性炭または活性炭繊維を用いることができる。また、セパレータ１０は、非水電解質への溶解または化学反応が少なく、耐熱性のある不織布を用いることができる。セパレータ１０は、例えば、ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン等の樹脂、あるいはガラス繊維、あるいはセラミック多孔質体を用いることができる。

非水溶媒の電解質は、例えば、プロピレンカーボネイト、ブチレンカーボネイト、スルホラン、エチレンカーボネイト、アセトニトリル、ジメトキシエタン、メチルフォルメイト等の単独或いは適宣混合した有機溶媒に、六フッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、リチウムパーフルオロエチルスルホニルイミド等を０．１以上３．０以下モル溶解したものを用いることができる。

セラミック枠体５内に、正極ペレット２ａ、負極ペレット２ｂ、セパレータ１０および電解質を収納し、第２電極４で蓋をする。そして、第２電極４の周縁部をシーム溶接することで、セラミック枠体５内に正極ペレット２ａ、負極ペレット２ｂ、セパレータ１０および電解質を封止することができる。なお、電池本体６のセラミック枠体５内には、第１電極３から第２電極４に向けて、導電性接着剤９、正極ペレット２ａ、セパレータ１０、負極ペレット２ｂおよび導電性接着剤９の順番で積層されている。電解質は、セラミック枠体５内に注入されている。

封止樹脂７は、セラミック枠体５の側面の全周を覆うとともに、第１電極３および第２電極４を露出して設けられている。封止樹脂７は、セラミック枠体５内の電池要素が外部に漏れ出ないように封止するものである。封止樹脂７は、例えば、ポリ塩化ビニルオレフィン系のアイオノマー樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂またはポリエチレンテレフタレート樹脂等を使用する。

封止樹脂７は、セラミック枠体５の表面が露出しないように全面を覆うように設けられている。また、封止樹脂７は、セラミック枠体５の側面から第１電極３の周縁部にかけて設けられている。また、封止樹脂７は、セラミック枠体５の側面から第２電極４の周縁部にかけて設けられている。そして、第１電極３とセラミック枠体５の間の接合箇所を封止樹脂７で覆っている。同様に、第２電極４とセラミック枠体５の間の接合箇所を封止樹脂７で覆っている。第１電極３とセラミック枠体５との間、第２電極４とセラミック枠体５の間は、材料の異なる部材同士を接続した箇所であることから、同質材料からなる部材同士を接続する場合に比べて剥離しやすい。かかる剥離しやすい個所を封止樹脂７で覆うことで、電池本体６の内部の電池要素が外部に漏れ出にくくすることができる。

また、封止樹脂７は、第１電極３の中央部と周縁部の間の箇所にまでしか接続されないことで、第１電極３の中央部が外部のマザーボードに実装するのに邪魔な存在にならない。そして、電池本体６を外部のマザーボードに電気的に接続しやすくすることができる。また、封止樹脂７は、第２電極４の中央部と周縁部の間の箇所にまでしか接続されないことで、封止樹脂７自体の体積を抑えることで、第２電極４の中央部に対して外部の端子やワイヤなどの電気接続部材を接続しやすくすることができる。

電池本体６は、電池本体６を実装する外部の機器の小型化、薄型化の要求に応えるために、電池本体６を構成する各部分の薄型化を実現しなければならない。そのため、セラミック枠体５の上下方向の厚みが小さくするとともに、第１電極３および第２電極４の厚みも小さくすることが望まれている。電池本体６を単に薄くした場合は、セラミック枠体５自体の強度が耐えられなくなり、セラミック枠体５が外部からの衝撃によってクラックが発生して、内部の電池要素が漏れ出す虞が高まってしまう。また、外部からの衝撃を受けなくても、外部の機器内のマザーボードに実装する際や、パーツフィダーによる供給作業時などに、セラミック枠体５に傷がつき、長期間の使用によりその傷が成長して破壊される虞も高くなってしまう。

また、電池本体６は、客先への出荷段階の検査において、電池本体６の電池要素に関するリーク検査の信頼性を確保することが困難である。電池本体６が完成した後は、電池本体６の電池要素が長時間かけて外部に染み出すレベルのリーク箇所を確認することができないからである。そこで、電池本体６の電池要素が染み出すリーク箇所が想定されるセラミック枠体５の全周を覆うことで、電池本体６の電池要素が外部に染み出すのを抑制することができる。

本実施形態に係る電気化学セル１は、電池本体６と、セラミック枠体５の側面の全周を覆うとともに、第１電極３および第２電極４を露出した封止樹脂７とを備えることで、電池要素を保護する機能を高めることができる。

本実施形態に係る電気化学セル１は、セラミック枠体５を耐薬品性に優れたセラミック材料から構成することで、セラミック枠体５内に収める活物質２および電解質にセラミック枠体５の材料が溶け出すのを抑制することができ、活物質２および電解質の劣化を抑え、製品寿命の向上に寄与することができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、導電性接着剤９を不要とするケースであって、且つ電解質が固体電解質以外の粘性を示す性状のケースにおいては、第１電極３の上面および第２電極４の下面がエッチングまたはブラスト等の手法により微細な凹凸を示すものが電流容量の点から比表面積の増加により好ましい。

＜電気化学セルの製造方法＞
ここで、図１に示す電気化学セル１の製造方法について説明する。まず、第１電極３、第２電極４およびシールリング８を準備する。これらの部材のそれぞれは、溶融した金属材料を型枠に鋳込んだ固化させたインゴットに対して、金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。

また、セラミック枠体５を準備する。セラミック枠体５は、複数のグリーンシートを積層して焼結させたものである。セラミック枠体５を構成するグリーンシートは、例えば酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤および溶剤等を添加混合して得た混合物より成型することで得られる。

次に、金属ペーストを準備する。金属ペーストは、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して得られる。そして、複数のグリーンシートを重ね合わせた焼結前のセラミック枠体５に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗ってメタライズ層を形成する。

次に、準備した焼結前のセラミック枠体５を約１６００度の温度で焼成して、セラミック枠体５を作製することができる。そして、セラミック枠体５の上部および下部にシールリング８をろう材を介して接続する。さらに、セラミック枠体５の下部のシールリング８に対して第１電極３をシーム溶接する。次に、セラミック枠体５の内部に、導電性接着剤９、正極ペレット２ａ、セパレータ１０、負極ペレット２ｂおよび導電性接着剤９を順番に設ける。

次に、第２電極４を準備して、セラミック枠体５内を塞ぐように第２電極４を位置決めして、シーム溶接によりセラミック枠体５と第２電極４とを接続することで、電池本体６を作製することができる。最後に、電池本体６の側部に未硬化の封止樹脂７を被着させて
、所定以上の温度で封止樹脂７を固化することで、電気化学セル１を作製することができる。

１ 電気化学セル
２ 活物質
２ａ 正極ペレット
２ｂ 負極ペレット
３ 第１電極
４ 第２電極
５ セラミック枠体
６ 電池本体
７ 封止樹脂
８ シールリング
９ 導電性接着剤
１０ セパレータ

Claims (5)

1. 正極または負極として用いる活物質および非水溶媒を用いた電解質を収容するとともに、下部に第１電極、上部に第２電極および側部にセラミック枠体を有する電池本体と、
   前記セラミック枠体の側面の全周を覆うとともに、前記第１電極および前記第２電極を露出した封止樹脂とを備えた電気化学セル。
2. 請求項１に記載の電気化学セルであって、
   前記第１電極および前記第２電極は、平面視して外縁が重なるように設けられており、前記第１電極は、下面の中央部が下面の周縁部よりも下方に位置し、前記第２電極は、上面の中央部が上面の周縁部よりも上方に位置することを特徴とする電気化学セル。
3. 請求項２に記載の電気化学セルであって、
   前記封止樹脂は、前記セラミック枠体の側面から前記第１電極の周縁部にかけて設けられるとともに、前記セラミック枠体の側面から前記第２電極の周縁部にかけて設けられていることを特徴とする電気化学セル。
4. 請求項３に記載の電気化学セルであって、
   前記第１電極の中央部は、前記封止樹脂の下端よりも下方に位置するとともに、前記第２電極の中央部は、前記封止樹脂の上端よりも上方に位置することを特徴とする電気化学セル。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電気化学セルであって、
   前記第１電極および前記第２電極は、それぞれが前記セラミック枠体とシールリングを介して接続されていることを特徴とする電気化学セル。

Images