JP5319129B2

JP5319129B2 - 電気化学デバイス

Info

Publication number: JP5319129B2
Application number: JP2008022908A
Authority: JP
Inventors: 克英石田; 和志八幡; 直人萩原; 元輝小林
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: JP2009182314A

Description

本発明は、フィルムパッケージを備えた電気化学デバイスに関する。

電気化学デバイス、例えば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタやレドックスキャパシタやリチウムイオン電池等にはフィルムパッケージを備えたものが存在する。

前記電気二重層キャパシタは、例えば、正極用分極性電極とセパレータと負極用分極性電極とを順次積層して構成された電極部が、ラミネートフィルムから形成されたパッケージに電解液とともに封入されている。そして、前記正極用分極性電極に電気的に接続された一方の端子（正極端子）と、負極用分極性電極に電気的に接続された他方の端子（負極端子）とをフィルムパッケージからそれぞれ露出した構造を有している。

この電気二重層キャパシタは、例えば、以下の方法により製造されている。まず、プラスチック製の保護層と金属製のバリア層とプラスチック製のヒートシール層を順に有する所定サイズの矩形状のラミネートフィルムを用意する。次に、電界液を含浸させた前記電極部を該ラミネートフィルムのヒートシール層側に配置した後、前記電極部を覆い、且つ、正極端子と負極端子が露出するように、前記ラミネートフィルムを折り曲げる。そして、前記ラミネートフィルムの開放側の３辺で前記ヒートシール層を重ね合わせ、該重ね合わせ部分をヒートシールして封止することにより前記フィルムパッケージが形成される。

前記電気二重層を含む電気化学デバイスの近年における小型化に伴い、該電気化学デバイスを一般の電子部品と同様に鉛フリー半田を使用したリフロー半田付けによって基板等に実装できるようにする要望、換言すれば、鉛フリー半田を使用したリフロー半田付けに対応可能な電気化学デバイスの要求が高まっている。

しかし、フィルムパッケージを備えた従前の電気化学デバイスにあっては該フィルムパッケージ自体が鉛フリー半田を使用した高温のリフロー半田付けに対応するものではない。つまり、従前の電気化学デバイスを高温（例えば約２５０℃）のリフロー炉に投入してリフロー半田付けを行うと、リフロー半田付け時の熱によって例えば電解液の蒸気圧上昇によって前記フィルムパッケージが膨張及び変形を生じ、該膨張及び変形を原因として前記電解液が漏出したり、前記フィルムパッケージが破損する等の不具合を生じ得る。

特許文献１にはフィルムパッケージを備えた電気化学デバイスをケース内に収納した構造が開示されているが、該ケースはフィルムパッケージの熱膨張及び変形を抑止するものではないため前記同様の不具合を生じ得る。
２００２−２４５９９９

本発明は前記事情に鑑みて創作されたもので、鉛フリー半田を使用した高温のリフロー半田付けに対応できる電気化学デバイスを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、フィルムパッケージと、該フィルムパッケージから露出する少なくとも一対の端子を備えた電気化学デバイスにおいて、前記フィルムパッケージの表面に密着して該フィルムパッケージ全体を覆うアーマーを有し、該アーマーは、前記端子の表面に密着して該端子の表面の一部を覆っている。

この電気化学デバイスによれば、フィルムパッケージの表面に密着して該フィルムパッケージ全体を覆うアーマーを有し、該アーマーは、前記端子の表面に密着して該端子の表面の一部を覆っている。このため、リフロー半田付け時の熱がアーマーを通じてフィルムパッケージに伝導しても該フィルムパッケージの熱膨張及び変形を該アーマーによって抑止することができる。これにより該膨張及び変形を原因として電解液が漏出したり、フィルムパッケージが破損する等の不具合を確実に防止することができる。また、フィルムパッケージ全体を覆うアーマーは該フィルムパッケージへの熱伝導を抑制する作用も発揮するので、リフロー半田付け時におけるフィルムパッケージ及びその内側への熱的影響を緩和することができる。

本発明によれば、鉛フリー半田を使用した高温のリフロー半田付けに対応できる電気化学デバイスを提供することができる。これにより、該電気化学デバイスを一般の電子部品と同様に鉛フリー半田を使用したリフロー半田付けによって基板等に実装できるようにする要望に確実に答えることができる。

本発明の前記目的とそれ以外の目的と、構成特徴と、作用効果は、以下の説明と添付図面によって明らかとなる。

図１〜図４は本発明を電気二重層キャパシタに適用した実施形態の一例を示す。図１は電気二重層キャパシタの上面図、図２は図１のａ−ａ線における縦断面図、図３は図１のｂ−ｂ線における縦断面図、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は図２のＡ部の詳細図である。

この電気二重層キャパシタ１０は、電極部１１と、一対の端子（例えば、正極端子１２と負極端子１３）と、フィルムパッケージ１４と、電界液１５と、アーマー１６を備える。

電極部１１は、正極側電極（符号無し）と負極側電極（符号無し）とを、セパレータ１１ｅを介して交互に積層して構成されている。前記正極側電極は、正極用分極性電極１１ａと正極用集電体１１ｂと正極用分極性電極１１ａを順に重ねて構成されている。同様に、負極側電極は、負極用分極性電極１１ｃと負極用集電体１１ｄと負極用分極性電極１１ｃを順に重ねて構成されている。図２には図示の便宜上、正極側電極とセパレータ１１ｅと負極側電極とから成るユニットを２つ重ねたものを示してある。実際のユニット数は必要により増減されるが、前記ユニットを少なくとも１つ有するものであることが好ましい。また、最上層及び最下層にはそれぞれ集電体が配置されているが、製造プロセスの便宜上、その外側に分極性電極やセパレータが付加されてもよい。

前記正極用集電体１１ｂの端にはそれぞれ接続片１１ｂ１が設けられており、前記各接続片１１ｂ１は正極端子１２に接続されている。同様に、前記負極用集電体１１ｄの端にはそれぞれ接続片１１ｄ１が設けられており、前記各接続片１１ｄ１は負極端子１３に接続されている。前記正極端子１２と負極端子１３とは互いに非接触に配置されており、各々の端部が前記フィルムパッケージ１４から露出されている。

前記フィルムパッケージ１４は、ヒートシール可能なフィルム、例えば（１）ナイロン等のプラスチックから成る保護層Ｌ１と、アルミニウム等の金属から成るバリア層Ｌ２と、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックから成る絶縁層Ｌ３と、ポリプロピレン等のプラスチックから成るヒートシール層Ｌ４を順に有するラミネートフィルム（図４（Ａ）参照）、（２）ナイロン等のプラスチックから成る保護層Ｌ１と、アルミニウム等の金属から成るバリア層Ｌ２と、ポリプロピレン等のプラスチックから成るヒートシール層Ｌ４を順に有するラミネートフィルム（図４（Ｂ）参照）、または（３）ポリプロピレン等のプラスチックから成るヒートシール層Ｌ４のみを有する非ラミネートフィルム（図４（Ｃ）参照）から形成されている。

詳しくは、フィルムパッケージ１４は、所定サイズの矩形状フィルムを用意し、電界液１５を含浸させた電極部１１を該フィルムのヒートシール層Ｌ４側に配置した後、電極部１１を覆い、且つ、少なくとも一対の端子（例えば、正極端子１２と負極端子１３）が露出するように、正極端子１２及び負極端子１３の反対側で前記フィルムを折り曲げてヒートシール層Ｌ４を開放側の３辺で重ね合わせ、該重ね合わせ部分を所定温度でヒートシール（図１のヒートシール部１４ａ参照）して封止することにより形成されている。また、電解液１５は、フィルムパッケージ１４に予め形成した孔を通じてフィルムパッケージ１４内に充填し、充填後に前記孔を塞ぐようにしても良い。

前記（１）のラミネートフィルムにおけるバリア層Ｌ２は、例えば、パッケージからの電解液の漏出を防止したり、パッケージへの水分の浸入を防止する等の役目を果たしている。また、前記バリア層Ｌ２は、例えばアルミニウム等の金属、または例えばＡｌ₂Ｏ₃等の金属酸化物から成ることが好ましい。

前記（１）のラミネートフィルムにおける絶縁層Ｌ３は、ヒートシールによってヒートシール層Ｌ４が溶融した場合でもバリア層Ｌ２が露出することを防止する役目を果たしている。前記絶縁層Ｌ３を有しない前記（２）のラミネートフィルムを用いる場合には、ヒートシールによってヒートシール層Ｌ４が溶融した場合でも水分バリア層Ｌ２が露出しない程度に十分な厚さのヒートシール層Ｌ４を有することが望ましい。また、ヒートシール層Ｌ４のみを有する前記（３）の非ラミネートフィルムを用いる場合も、これと同様に該ヒートシール層Ｌ４の厚さ（＝フィルムの厚さ）を図４（Ｃ）に示すように十分に厚くすることが望ましい。

前記フィルムパッケージ１４の一方または他方の主面を覆うアーマー１６は、前記フィルムパッケージ１４を構成するフィルムよりも高い強度を有することが好ましい。該アーマー１６は、以下の材料、例えば（１）アルミナ等のセラミックス、（２）表面を絶縁処理した金属、特に合金や冷間圧延したアルミニウム等の金属、または（３）エポキシ樹脂やアラミド樹脂やポリイミド樹脂等のプラスチックからその外観が直方体形状に形成されている。

詳しくは、前記アーマー１６は、材料によって形成条件は多少異なる。前記（３）の材料を用いた場合には、例えば以下のように形成される。まず、直方体形状のキャビティを有するモールド（図示省略）を用い、キャビティの中心に正極端子１２及び負極端子１３の端部が露出するようにフィルムパッケージ１４を挿入する。次に、前記キャビティ内に流動性アーマー材料を投入してこれを硬化させ、硬化後にモールドから取り出す。図２及び図３から分かるように、硬化後のアーマー１６はフィルムパッケージ１４の表面に密着して該フィルムパッケージ１４全体を覆っている。また、前記アーマー１６は、前記フィルムパッケージ１４から露出する一対の端子（例えば正極端子１２及び負極端子１３）の表面に密着して該正極端子１２及び負極端子１３の表面の一部を覆っている。

前述の電気二重層キャパシタ１０は、鉛フリー半田を使用したリフロー半田付けによって基板等に実装するときには、電気二重層キャパシタ１０のアーマー１６から露出する一対の端子（例えば正極端子１２及び負極端子１３）を必要に応じて適宜折り曲げ、該正極端子１２及び負極端子１３をランド等の被接続箇所にクリーム半田を介して配置した後、電気二重層キャパシタ１０を基板等と一緒に高温（例えば約２５０℃）のリフロー炉に投入する。

前述の電気二重層キャパシタ１０にあっては、フィルムパッケージ１４の表面に密着して該フィルムパッケージ１４全体を覆うアーマー１６を有し、該アーマー１６は前記フィルムパッケージ１４から露出する正極端子１２及び負極端子１３の表面に密着して該正極端子１２及び負極端子１３の表面の一部を覆っている。このため、リフロー半田付け時の熱がアーマー１６を通じてフィルムパッケージ１４に伝導しても該フィルムパッケージ１４の熱膨張及び変形を該アーマー１６によって抑止することができる。これにより該膨張及び変形を原因として電解液が漏出したり、フィルムパッケージが破損する等の不具合を確実に防止することができる。

また、フィルムパッケージ１４全体を覆うアーマー１６は該フィルムパッケージ１４への熱伝導を抑制する作用も発揮する。このため、リフロー半田付け時におけるフィルムパッケージ１４及びその内側への熱的影響を緩和することができる。この作用効果はアーマー１６として、厚さ方向の熱伝導率が前記フィルムパッケージ１４を構成するフィルムの厚さ方向の熱伝導率よりも低い材料を用いることでより的確に発揮することができる。

上記アーマー１６の厚さ方向の熱伝導率、及び前記フィルムパッケージ１４を構成するフィルムの厚さ方向の熱伝導率は、例えば、ＪＩＳ−Ａ１４１２−１熱絶縁材の熱抵抗及び熱伝導率の測定方法−第１部：保護熱板法（ＧＨＰ法）に準拠して行うことができる。また、上記熱伝導率の測定は、英弘精機株式会社製の熱伝導率測定装置ＨＣ−１１０を用いて測定することができる。

これにより、鉛フリー半田を使用した高温のリフロー半田付けに対応できる電気二重層キャパシタ１０を提供することができ、該電気二重層キャパシタ１０を一般の電子部品と同様に鉛フリー半田を使用したリフロー半田付けによって基板等に実装できるようにする要望に確実に答えることができる。

以下、図５〜図９を参照して、前述の電気二重層キャパシタ１０の部分変形例について説明する。

［第１部分変形例］
図５は第１部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図３対応の縦断面図である。

同図に示した電気二重層キャパシタ１０-1が図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と異なるところは、フィルムパッケージ１４の上下中心ＳＬ１をアーマー１６-1の上下中心ＳＬ２よりも下側に所定量ＯＳだけずらした構造とした点、詳しくは前記フィルムパッケージ１４の一方の主面（例えば上面）側を覆う前記アーマー１６-1の厚さｔ２を、前記フィルムパッケージ１４の他方の主面（例えば下面）側を覆う前記アーマー１６-1の厚さｔ１よりも厚くして電気二重層キャパシタ１０-1に上下の方向性を付与した点にある。他の構成は図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と同じであるため同一符号を用いてその説明を省略する。

この電気二重層キャパシタ１０-1にあっては、フィルムパッケージ１４の上下中心ＳＬ１がアーマー１６-1の上下中心ＳＬ２よりも下側にずれていて、前記フィルムパッケージ１４の上面側を覆う前記アーマー１６-1の厚さｔ２が前記フィルムパッケージ１４の下面側を覆う前記アーマー１６-1の厚さｔ１よりも厚くなっているので、アーマー１６-1の上面からフィルムパッケージ１４への熱伝導をより効果的に抑制することができ、リフロー半田付け時におけるフィルムパッケージ１４及びその内側への熱的影響をより的確に緩和することができる。しかも、前記フィルムパッケージ１４の下面側を覆う前記アーマー１６-1の厚さｔ１が薄くなっている。このため、リフロー半田付け時にフィルムパッケージ１４に伝導した熱をアーマー１６の下面から基板等に放出し易い。この点からもリフロー半田付け時におけるフィルムパッケージ１４及びその内側への熱的影響をより的確に緩和することができる。

［第２部分変形例］
図６（Ａ）は第２部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図３対応の縦断面図である。同図に示した電気二重層キャパシタ１０-2は、フィルムパッケージ１４-1が、ヒートシール部１４ａを構成する２枚のフィルムの重ね合わせ部分がヒートシールにより封止されて形成されている点で先の電気二重層キャパシタと同様である。

前記電気二重層キャパシタ１０-2が図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と異なるところは、前記ヒートシール部１４ａに折り畳み部分１４ａ１を形成した点にある。他の構成は図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と同じであるため同一符号を用いてその説明を省略する。

この電気二重層キャパシタ１０-2にあっては、フィルムパッケージ１４-1のヒートシール部１４ａに形成された折り畳み部分１４ａ１によってヒートシール部分の強度補助を行うことができ、しかも、アーマー１６によって該折り畳み部分１４ａ１が密着状態で覆われているので、リフロー半田付け時におけるヒートシール部分の熱変形を確実に抑止することができる。

図６（Ｂ）は折り畳み部分のさらなる変形例を示すもので、前記フィルムパッケージは、例えば前記（３）非ラミネートフィルムから成り、該フィルムの重ね合わせ部分がヒートシールにより封止されて形成されており、該重ね合わせ部分から突出された１枚のフィルムの端が前記重ね合わせ部分を包むように折り重ねられヒートシールされて折り畳み部分１４ａ２が形成されている。この場合の作用効果は図６（Ａ）の折り畳み部分１４ａ１を形成する場合と同様である。

［第３部分変形例］
図７は第３部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図３対応の縦断面図である。

同図に示した電気二重層キャパシタ１０-3が図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と異なるところは、フィルムパッケージ１４-2の幅及び長さを電極部１１の幅及び長さよりも広げることによって、前記フィルムパッケージ１４-2に封入された電極部１１の側面と該側面と向き合う前記フィルムパッケージ１４-2の内面とが距離Ｌをもって離間している点にある。他の構成は図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と同じであるため同一符号を用いてその説明を省略する。

この電気二重層キャパシタ１０-3にあっては、電極部１１の側面と該側面と向き合うフィルムパッケージ１４-2の内面とが可能な限り大きな距離Ｌをもって離間しているので、リフロー半田付け時におけるアーマー１６自体の熱膨張及び収縮による応力がフィルムパッケージ１４-2に加わっても該応力を電解液１５が充填されている前記離反部分によって吸収することができ、該応力が電極部１１に直接的に加わってクラックや変形等を生じることを防止することができる。

［第４部分変形例］
図８は第４部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図１対応の上面図である。

同図に示した電気二重層キャパシタ１０-4が図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と異なるところは、アーマー１６の正極端子１２及び負極端子１３が露出する側に面取り形状の向き指示部１６ａを形成して該向き指示部１６ａにより一対の端子の方向性（例えば極性）を知らしめるようにした点にある。他の構成は図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と同じであるため同一符号を用いてその説明を省略する。

この電気二重層キャパシタ１０-4によれば、アーマー１６から露出された一対の端子により前後方向を確認でき、またアーマー１６に形成した向き指示部１６ａによってそれぞれの端子の方向性（例えば極性）を確認することができるので、該電気二重層キャパシタ１０-4を基板等に実装する際の端子の方向性（例えば極性）制御を容易に行うことができる。

［第５部分変形例］
図９は第５部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図２対応の縦断面図である。

同図に示した電気二重層キャパシタ１０-5が図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と異なるところは、アーマー１６の正極端子１２及び負極端子１３が露出する側に面取り形状の向き指示部１６ｂを形成して該向き指示部１６ｂにより上下の方向性を知らしめるようにした点にある。他の構成は図１〜図４に示した電気二重層キャパシタ１０と同じであるため同一符号を用いてその説明を省略する。

この電気二重層キャパシタ１０-5によれば、アーマー１６に形成した向き指示部１６ｂによって上下方向を確認することができるので、該電気二重層キャパシタ１０-5を基板等に実装する際の上下の方向性制御を容易に行うことができる。尚、図９に示した電気二重層キャパシタ１０-5においては、向き指示部１６ｂが前記アーマー１６に１箇所形成されているが、本発明はこれに限定するものではなく、２箇所であってもよく、また３箇所であってもよい。

尚、前述の説明では、フィルムパッケージを備えた電気二重層キャパシタに本発明を適用したものを例示したが、同様のフィルムパッケージを備えた他の電気化学デバイス、例えばリチウムイオンキャパシタやレドックスキャパシタやリチウムイオン電池等であっても本発明を適用して同様の作用効果を得ることができる。

本発明を電気二重層キャパシタに適用した実施形態を示す、電気二重層キャパシタの上面図である。図１のａ−ａ線における縦断面図である。図１のｂ−ｂ線における縦断面図である。図２のＡ部の詳細図である。第１部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図３対応の縦断面図である。第２部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図３対応の縦断面図である。第３部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図３対応の縦断面図である。第４部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図１対応の上面図である。第５部分変形例を示す、電気二重層キャパシタの図２対応の縦断面図である。

符号の説明

１０…電気二重層キャパシタ、１１…電極部、１２…正極端子、１３…負極端子、１４，１４-1，１４-2…フィルムパッケージ、１４ａ…ヒートシール部、１４ａ１，１４ａ２…折り畳み部分、１５…電解液、１６，１６-1，１６-2，１６-3…アーマー。

Claims

フィルムパッケージと、該フィルムパッケージから露出する少なくとも一対の端子を備えた電気化学デバイスにおいて、
前記フィルムパッケージの表面に密着して該フィルムパッケージ全体を覆うアーマーを有し、
前記アーマーは、前記端子の露出基端を含む表面の一部に密着して該端子の一部を覆っており、
前記アーマーの厚さ方向の熱伝導率は前記フィルムパッケージを構成するフィルムの厚さ方向の熱伝導率よりも低い、
ことを特徴とする電気化学デバイス
前記フィルムパッケージの一方の主面側を覆う前記アーマーの厚さが前記フィルムパッケージの他方の主面側を覆う前記アーマーの厚さよりも厚い、
ことを特徴とする請求項１記載の電気化学デバイス。
前記フィルムパッケージはフィルムの重ね合わせ部分がヒートシールによる封止されて形成されており、該ヒートシール部に折り畳み部分が形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の電気化学デバイス。
前記フィルムパッケージはフィルムの重ね合わせ部分がヒートシールにより封止されて形成されており、該重ね合わせ部分から突出された１枚のフィルムの端が前記重ね合わせ部分を包むように折り重ねられヒートシールされて折り畳み部分が形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の電気化学デバイス。
前記フィルムパッケージ内に封入された電極部を備え、該電極部の側面と該側面に向き合う前記フィルムパッケージの内面とが離間している、
ことを特徴とする請求項１記載の電気化学デバイス。