KR20130001145A - 전기 화학 셀 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

(과제)소형의 외장 용기를 이용한 전기 화학 셀에 있어서, 대전류 방전을 가능하게 한다.
(해결 방법)베이스(1)와 덮개(6)로 이루어지는 외장 용기와, 상기 베이스(1) 중에 수납되는 셀(7)과, 전해질로 이루어지는 전기 화학 셀로서, 상기 베이스(1)의 내측면에 형성된 적어도 하나의 밸브 금속으로 이루어지는 패드막(2)과, 상기 베이스(1)의 외측면에 설치되어, 상기 패드막(2)과 전기적으로 접속된 접속 단자(4)를 가지며, 상기 셀의 연장부인 셀 리드(8)와 상기 패드막(2)이, 용접에 의해 접속된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀을 제안한다.

Description

전기 화학 셀 및 그 제조 방법 {ELECTROCHEMICAL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 전기 화학 셀에 관한 것이다.
전기 화학 셀은, 종래, 시계 기능의 백업 전원이나 반도체의 메모리의 백업 전원이나 마이크로 컴퓨터나 IC 메모리 등의 전자 장치 예비 전원이나 솔라 시계의 전지나 모터 구동용의 전원 등으로서 사용되고 있고, 근래는 전기 자동차의 전원이나 에너지 변환·저장 시스템의 보조 전력 저장 유닛 등으로서도 검토되고 있다.
또, 종래의 전기 화학 셀은 코인이나 버튼과 같은 둥근 형상이기 때문에, 리플로우 납땜을 행하려면 단자 등을 케이스에 미리 용접해 둘 필요가 있고, 부품 점수의 증가 및 제조 공정수의 증가라는 점에서 코스트 업이 되고 있었다. 또, 기판형상으로, 단자의 스페이스를 설치할 필요가 있어 소형화에 한계가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 오목부를 갖는 용기에 발전 요소(이하, 셀이라고 칭한다)와 전해질을 수납하고, 개구부를 덮개로 봉지한 전기 이중층 커패시터가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1).
일본국 특허공개 2001-216952호 공보
상기의 구성에 의한 전기 화학 셀은 메모리 백업 용도에 적합하고, 전기 화학 셀의 방전 전류로서는, 수μA 내지 경우 수mA의 범위이다. 그러나, 전기 화학 셀의 용도로서, 수백 밀리초 내지 수초의 펄스폭으로, 수백mA 내지 수A의 전류를 방전하여, 전자기기에 구비된 LED 등의 광원을 점멸시키거나, 소형의 모터를 간헐 구동하는 등의 새로운 용도가 나왔다(이하, 대전류 방전 용도라고 칭한다). 상기의 구성에 의한 전기 화학 셀에서는, 접속 저항치가 수Ω의 레벨이 되는 일이 있고, 방전의 개시시에 큰 전압 강하를 일으켜 버리고, 소정의 기능을 만족시키는 것이 곤란했다.
본 발명의 목적은, 소형의 외장 용기를 이용한 전기 화학 셀에 있어서, 대전류 방전을 가능하게 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 이하의 구성을 채용한다.
청구항 1에 관련된 발명은, 베이스와 덮개로 이루어지는 외장 용기와, 상기 셀의 연장부인 복수의 셀 리드와, 상기 외장 용기 중에 수납되는 셀과, 전해질로 이루어지는 전기 화학 셀로서, 상기 베이스의 내측면에 형성된 밸브 금속으로 이루어지는 패드막과, 상기 베이스의 외측면에 설치되어, 상기 패드막과 전기적으로 접속된 접속 단자를 가지며, 적어도 하나의 상기 셀 리드가, 용접에 의해 상기 패드막과 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀이다.
청구항 1에 관련된 발명에 의하면, 셀 리드와 패드막이 용접에 의해 접속됨으로써, 도전성 접착제를 이용하는 종래의 방법과 비교해 현격히 낮은 접속 저항치를 실현한 전기 화학 셀을 실현할 수 있다. 따라서, 대전류 방전이 가능해진다.
청구항 2에 관련된 발명은, 상기 패드막의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 3에 관련된 발명은, 상기 패드막의 두께는 10㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 2 및 3에 관련된 발명에 의하면, 패드막의 아래에 위치하는 전극의 용해를 방지하는 동시에, 용접에 의해 베이스 부재에 손상을 주지 않고 셀 리드와의 접합을 가능하게 한다. 따라서, 대전류 방전이 가능해진다.
청구항 4에 관련된 발명은, 상기 패드막은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 4에 관련된 발명에 의하면, 패드막에 알루미늄을 포함함으로써, 패드막을 부드럽게 용접하기 쉽고, 또한, 알루미늄 자체가 갖는 낮은 전기 저항율에 의해 용접에 의한 접속 저항을 작게 할 수 있다. 또, 알루미늄을 포함함으로써 화확적으로 안정되며, 장기에 걸쳐 안정된 대전류 방전이 가능해진다.
청구항 5에 관련된 발명은, 상기 용접이 초음파 용접 또는 빔 용접인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 5에 관련된 발명에 의하면, 초음파 용접 또는 빔 용접을 이용함으로써, 베이스가 되는 부재에 손상을 주지 않고 국소적인 영역에만 효율적으로 접속부를 설치할 수 있고, 또한, 접속부가 상기 부재의 접합 계면의 원자의 확산을 일으키므로 충분히 낮은 접속 저항치를 구비하는 전기 화학 셀을 실현할 수 있다. 따라서, 대전류 방전이 가능해진다.
청구항 6에 관련된 발명은, 상기 베이스가 세라믹 또는, 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 6에 관련된 발명에 의하면, 배선 저항과 접속 저항이 낮은 전기 화학 셀을, 유리를 이용하여 실현할 수 있다. 원재료로서 긴 유리판을 이용할 수 있으므로, 취하는 개수를 증가시킴으로써, 제조 코스트의 저감을 도모하는 것도 가능하다.
청구항 7에 관련된 발명은, 상기 셀 리드가 알루미늄, 니켈 또는 동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 7에 관련된 발명에 의하면, 접속 저항치를 충분히 낮게 억제하는 것이 가능하다.
청구항 8에 관련된 발명은, 상기 셀 리드 중, 양극 및 음극의 상기 셀 리드 모두 상기 패드막에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 9에 관련된 발명은, 음극의 상기 셀 리드는, 상기 리드와 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 9에 관련된 발명에 의하면, 접속 저항치를 충분히 낮게 억제하는 것이 가능하다.
청구항 10에 관련된 발명은, 상기 패드막과 상기 접속 단자는, 베이스 내부에 매설된 베이스 내 단자를 통해 접속되는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 10에 관련된 발명에 의하면, 베이스에 적어도 하나의 도전성의 베이스 내 단자를 가짐으로써, 배선 패턴을 짧게 할 수 있으므로 배선 저항치를 저감 할 수 있다. 따라서, 대전류 방전이 가능해진다.
또, 청구항 10에 관련된 발명에 의하면, 베이스 내 단자가 베이스의 내측면과 외측면을 관통하여, 패드막과 접속 단자가 접속됨으로써, 패드막과 접속 단자간의 길이를 충분히 짧게 할 수 있다. 따라서, 배선 저항을 충분히 낮게 억제하는 것이 가능해진다. 또, 외장 용기의 치수가 커져도 배선 저항치의 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 대전류 방전이 가능해진다.
청구항 11에 관련된 발명은, 상기 외장 용기는, 오목형상의 상기 베이스와 판형상의 덮개를, 직접 또는 접합 금속 부재를 개재하여 봉구된 것임을 특징으로 하는 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 11에 관련된 발명에 의하면, 접속 저항치를 충분히 낮게 억제하는 것이 가능하다.
청구항 12에 관련된 발명은, 상기 베이스는, 상기 외장 용기의 외측의 층인 제1 베이스와 내측의 층인 제2 베이스로 구성되고, 상기 베이스 내 단자는 상기 제2 베이스를 관통하고, 상기 접속 단자는, 상기 제1 베이스와 상기 제2 베이스의 경계면에 연장 설치되고, 상기 베이스 내 단자와 접속하는 것을 특징으로 하는 청구항 10에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 12에 관련된 발명에 의하면, 관통 구멍을 베이스의 저면에까지 관통시키는 방식과 비교하여, 전해질이 액체를 포함하는 경우에 발생할 가능성이 있는 베이스 외측면으로의 누액을 억제할 수 있다. 또, 배선 저항을 억제할 수 있다. 또한, 셀 리드와 패드막은 용접에 의해 접속되므로, 도전성 접착제와 비교하여 현격히 접속 저항치를 저감할 수 있다.
청구항 13에 관련된 발명은, 상기 패드막은, 상기 베이스의 내측면에 연장 설치된 배선 패턴을 통해, 상기 접속 단자와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 13에 관련된 발명에 의하면, 전해질이 액체를 포함하는 경우에 발생할 가능성이 있는, 베이스 외측면으로의 누액을 억제할 수 있다. 또한, 셀 리드와 패드막은 용접에 의해 접속된 구조를 갖는 전기 화학 셀이므로, 현격히 낮은 접속 저항으로 할 수 있다.
청구항 14에 관련된 발명은, 상기 배선 패턴은 전해질에 노출되지 않도록 보호막으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 청구항 13에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 14에 관련된 발명에 의하면, 배선 패턴이 전해질에 노출되지 않는다. 따라서, 배선 패턴은 용해되지 않고, 전기 화학 셀은 장기에 걸쳐 안정된 품질을 유지할 수 있다.
청구항 15에 관련된 발명은, 상기 베이스는 평판형상이며, 상기 리소드는 오목형상인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 15에 관련된 발명에 의하면, 배선 저항과, 접속 저항을 충분히 억제할 수 있다. 또, 금속제 덮개를 관용되는 딥 드로잉 가공하는 등 하여 깊은 오목형상의 용기로 할 수 있다. 그 때문에, 대용량의 전기 화학 셀을, 제조 코스트를 크게 상승시키지 않고 실현할 수 있다.
청구항 16에 관련된 발명은, 상기 베이스 또는 상기 리드는 작은 구멍을 가지며, 상기 작은 구멍은 봉지 마개로 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 15에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 16에 관련된 발명에 의하면, 전해질을 주입하기 전에 용접을 할 수 있는 이점이 있다.
청구항 17에 관련된 발명은, 상기 베이스 부재는 상기 접합 부재와 접하는 면에 스텝을 가지며, 상기 스텝에 상기 금속 접합 부재가 끼어 넣어져 있는 것을 특징으로 하는 청구항 15 또는 16에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 17에 관련된 발명에 의하면, 덮개를 역상으로 한 상태로 전해질을 충전한 후에, 셀을 덮개 중에 배치해도, 덮개로 부터 넘쳐 나오는 전해질량을 줄일 수 있다. 따라서, 전해질이 충전된 상태여도 베이스와 덮개의 용접을 용이하게 행할 수 있다. 그 때문에, 덮개의 작은 구멍은 불필요하고, 봉지 마개에 의한 봉지 공정도 생략할 수 있다.
청구항 18에 관련된 발명은, 상기 베이스 부재와 상기 덮개는 평판형상이며, 금속 측벽을 개재하여 봉구되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 18에 관련된 발명에 의하면, 배선 저항과, 접속 저항을 충분히 억제할 수 있다. 또, 측면으로서 이용하는 통형상의 금속은 중공의 파이프 등의 규격품을 이용할 수 있다. 그 때문에, 대용량의 전기 화학 셀을, 제조 코스트를 크게 상승시키지 않고 실현할 수 있다.
청구항 19에 관련된 발명은, 양극의 상기 셀 리드는, 상기 금속 측벽에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 18에 기재된 전기 화학 셀이다.
청구항 19에 관련된 발명에 의하면, 접속 저항치를 충분히 낮게 억제할 수 있다.
청구항 20에 관련된 발명은, 외장 용기를 구성하는 베이스의 내측면에 패드막을 형성하는 패드막 형성 공정과, 셀 리드와 상기 패드막을 용접으로 접속하는 셀 리드/패드막 용접 공정과, 셀을 베이스에 수납하는 공정과, 전해질을 충전하는 공정과, 덮개를 베이스에 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀의 제조 방법이다.
청구항 20에 관련된 발명에 의하면, 외장 용기를 구성하는 베이스의 내측면에 패드막을 형성하는 패드막 형성 공정과, 상기 셀 리드와 상기 패드막을 용접으로 접속하는 셀 리드/패드막 용접 공정과, 셀을 베이스에 수납하는 공정과, 전해질을 충전하는 공정과, 덮개를 베이스에 접합하는 공정을 포함하므로, 접속 저항치가 충분히 낮은 전기 화학 셀을 실현할 수 있다.
청구항 21에 관련된 발명은, 상기 셀 리드와 상기 패드막의 용접 공정은, 초음파 용접 또는 빔 용접을 이용하는 것을 특징으로 하는 청구항 20에 기재된 전기 화학 셀의 제조 방법이다.
청구항 21에 관련된 발명에 의하면, 초음파 용접 또는 빔 용접을 이용하므로, 베이스로 이루어지는 세라믹 부재에 손상을 주지 않고 국소적인 영역에만 효율적으로 접속부를 설치할 수 있고, 또한, 접속부가 상기 부재의 접합 계면의 원자의 확산을 일으키므로 충분히 낮은 접속 저항치를 구비하는 전기 화학 셀을 실현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 셀 리드와 패드막이 용접에 의해 접속됨으로써, 도전성 접착제를 이용하는 종래의 방법과 비교하여 현격히 낮은 접속 저항치를 실현하고, 대전류 방전을 가능하게 한 전기 화학 셀을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기 화학 셀을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 전기 화학 셀의 패드막과 베이스 내 단자 및 접속 단자의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 전기 화학 셀의 셀 리드와 패드막의 용접을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 전기 화학 셀의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 5은 본 발명의 전기 화학 셀의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 전기 화학 셀의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 전기 화학 셀의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 전기 화학 셀의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 전기 화학 셀의 제조 플로우를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1의 저항치의 내역을 설명하는 모식도이다.
도 11은 종래의 전기 화학 셀을 나타내는 도면이다.
본 발명의 전기 화학 셀을 도면에 기초하여 설명한다. 본 발명의 전기 화학 셀은, 주로 퍼스널 컴퓨터나 소형의 휴대 기기 내부의 기판에 실장되어 이용된다. 도 1(a)는, 본 발명의 전기 화학 셀의 외관도이다. 일례로서 직방체의 형상으로 나타내어져 있지만, 트랙형상이나 원통형상이어도 된다. 본 발명의 전기 화학 셀은, 그 발전 요소인 셀을 수납하여 용기로서 기능하는 베이스(1)와, 그 개구부를 기밀하게 막기 위한 봉구판으로서 기능하는 덮개(6)를 외장 부품으로서 구비하고 있다. 본 발명의 전기 화학 셀의 외장 용기는, 이 베이스(1)와 덮개(6)에 의해 봉지되어 있다.
도 1(b)는, (a)의 AA단면을 나타내는 도면이다. 오목형상의 베이스(1) 중에 셀(7)이 수납되고, 또한 전해질이 충전되고. 오목형상의 베이스(1)의 상면에 일주 하여 설치된 접합 금속 부재(5)에 밀착된 덮개(6)에 의해 기밀하게 봉지되어 있다. 셀(7)은, 활물질과 활물질을 담지하는 금속으로 이루어지는 집전체(이하, 금속 집전체라고 칭한다)로 이루어지는 1조의 전극 시트 사이에 절연성의 세퍼레이터를 끼워 권회법이나 적층법 등으로 구성된 것이다. 양극 및 음극의 금속 집전체의 단부에는, 금속 집전체 그 자체를 가늘게 연장시킨 연장부나, 다른 가늘고 얇은 판이나 와이어형상의 리드를 기계적으로 접속하여 연장부를 형성한 것이 이용되지만, 본 발명에서는, 이것을 셀 리드(8)로 나타낸다. 양극, 음극의 각각의 셀 리드(8)는, 오목형상의 베이스(1)의 베이스 내측면(1a)에 나란히 배치되어 있는 한 쌍의 집전체 금속막인 패드막(2)에 용접에 의해 접속되어 있다. 패드막(2)의 저면에는, 베이스 내측면(1a)과 베이스 외측면(1b)을 대략 수직으로 관통하여 접속하는 구멍이 형성된다. 그 구멍에는 텅스텐 등의 고융점 금속이 충전되어 기밀하게 되어 있다. 본 발명에서는, 베이스 내 단자(3)란, 베이스 내부에 매설된 단자를 말하며, 그 내부에 금속이 충전된 도전성의 관통 구멍 외, 관통 구멍의 내면에 금속막이 형성되어 도전성을 확보하고, 내부는 유리 등의 절연물이 충전되어 기밀하게 되어 있는 것을 포함한다. 베이스 내 단자(3)는, 패드막(2)과 베이스 외측면(1b)에 형성된 접속 단자(4)를 전기적으로 접속하고 있다. 그리고, 셀(7)의 양극, 음극은 접속 단자(4)에 의해 실장되는 기판의 실장용 패턴에 접속되게 된다.
여기서, 본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 접속 저항치와 배선 저항치가 방전 특성에 주는 영향에 대해서, 전기 이중층 커패시터를 예를 들어 설명한다.
전기 이중층 커패시터의 정격 전압은, 2.6V이며, 정전 용량은 1F라고 가정한다. 등가 직렬 저항의 값을, 셀이 갖는 이온 확산 저항치나 전자 저항치의 합계(A)와, 셀을 수납하는 외장 용기의 배선 저항치과 셀 리드와 패드막의 접속 저항치(이 배선 저항치과 접속 저항치의 합을 B로 한다)로 분리하여, 전기 이중층 커패시터의 방전 특성을 평가한다.
Figure pat00001
표 1은, 앞의 등가 직렬 저항의 A의 값을 50mΩ로 하고, B를 3가지(케이스 1 내지 3)로 설정하여, 펄스형상의 방전 전류가 흘렀을 때의 전기 이중층 커패시터의 전압 강하를 계산한 것이다. 전류는 1A로, 방전 펄스폭은 1000msec(1초)로 했다.
여기서, 케이스 1은, B의 값, 즉 외장 용기의 배선 저항치와 셀 리드와 패드막의 접속 저항치가 충분히 작게 설계된 것이며, 20mΩ로 했다. 등가 직렬 저항의 합계치는, A와 B의 합계이며, 70mΩ이다. 방전 전류는 1A이기 때문에, 등가 직렬 저항에 의해 발생하는 전압 강하는, 전류와 등가 직렬 저항의 곱, 즉, 1A×0.07Ω=0.07V이다. 한편, 용량은 1F이기 때문에, 용량분이 관여하는 전압 강하는, (1A×1sec)/1F, 즉 1V가 된다. 따라서, 케이스 1에서는, 1A의 전류가 1000msec 방전함으로써, 양자의 전압 강하의 합인 0.07+1=1.07V가 된다.
전기 이중층 커패시터는, 당초 2.6V로 충전되어 있었으므로, 이 방전이 종료된 시점에서, 전기 이중층 커패시터는, 2.6-1.07=1.53V의 전압을 유지하고 있게 된다. 즉, 케이스 1에서는, 1A로 1000msec의 대전류 방전 용도를 실현할 수 있다고 할 수 있다.
표 1의 케이스 2, 케이스 3도 동일한 방법으로 산출되어 있다. 케이스 3은, 종래의 도전성 접착제와 같은 접속 수단으로 셀 리드와 패드막이 접속된 전기 이중층 커패시터를 상정한 것이며, B의 값이 2000mΩ로 되어 있고, 등가 직렬 저항의 합계는 2050mΩ에 이른다. 따라서, 등가 직렬 저항의 기여에 의한 전압 강하만으로, 2.05V이며, 이것에 용량이 기여하는 전압 강하 1V를 더하면, 3.05V가 되고, 당초의 정격 전압을 초과해 버린다. 즉, 전기 이중층 커패시터는, 1000msec의 펄스폭의 도중에 방전이 불가능해져 버리고, 대전류 방전은 실현할 수 없다.
케이스 2는, 케이스 1과 케이스 3의 중간에 상당하는 경우이다. 즉, 외장 용기의 배선 저항치와 셀 리드와 패드막의 접속 저항치가, 500mΩ에 머물고 있으므로, 등가 직렬 저항의 합계치는, 550mΩ로 되어 있고, 등가 직렬 저항이 기여하는 전압 강하는 0.55V로 되어 있다. 따라서, 용량의 기여분의 전압 강하를 포함해도, 전압 강하의 합계치는, 1.55V에 머물고, 정격 전압의 값이 2.6V 이하이므로, 1A로 1000msec의 대전류 방전은 실현 가능하다.
이상, 3가지의 케이스로, 대전류 방전이 가능한지의 여부를 나타냈다. B의 값이 낮은 케이스 1과 케이스 2의 경우가 대전류 방전 가능했지만, B의 값에 의한 전압 강하의 기여분은 방전 전류에 비례하는 것에 주의가 필요하다. 만일 방전 전류가 2A인 경우에서는, 케이스 1의 등기 직렬 저항의 기여분의 전압 강하는 2A×0.07Ω=0.14V이며, 용량의 기여분의 전압 강하 2V와의 합계가 2.14V가 되고 대전류 방전은 또한 가능하다. 한편, 케이스 2에 있어서는, 등가 직렬 저항의 기여분의 전압 강하는, 2A×0.55Ω=1.1V가 되고, 용량의 기여분의 전압 강하 2V와의 합계는 3.1V가 되고, 정격 전압 2.6V를 초과해 버리고, 이미, 대전류 방전은 불가능하다.
이와 같이, B의 값의 대소가 대전류 방전 가능한지의 여부에 크게 영향을 주기 때문에, 전기 이중층 커패시터의 설계에 있어서는, 배선 저항치과 셀 리드와 패드막의 접속 저항치를 mΩ의 단위로 검토해 갈 필요가 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
B의 값은, 접속 저항치과 배선 저항치의 합이라고 했지만, 또한 이 2개의 관계에 대해서 표 2에 기초하여 설명한다. 표 2 내지 4는, 한쪽의 극당의 접속 저항치를 1mΩ, 5mΩ, 10mΩ, 30mΩ, 100mΩ의 5종류로 했을 때의, 방전 초기의 바람직한 전압 강하의 범위로부터, 배선 저항치의 상한(단위는 mΩ)을 계산에 의해 구한 것이다. 여기서, 배선 저항치는 양극과 음극의 배선 저항치의 합이다.
방전 초기의 전압 강하는, 실용 상 0.3V 이내인 것이 바람직하다. 0.2V 이내이면 더 바람직하다. 예를 들면, 충전 전압이 2.6V이며, 방전 초기의 전압 강하가 0.3V라고 하면, 방전 에너지에 기여하는 방전의 초기 전압은, 전압 강하분을 공제한 2.3V이다. 이 경우의 방전 에너지를, 초기 전압이 2.6V일 때의 방전 에너지와 비교하면 약 78%를 유지할 수 있고, 허용할 수 있는 값이다. 초기의 전압 강하가 0.2V인 경우의 비율은 약 85%로, 전압 강하가 0.1V인 경우는 약 92%로 향상한다.
소형의 전기 화학 셀에 있어서는, 단독의 전기 화학 셀의 등가 직렬 저항의 A의 값은 수십 mΩ 내지 수백 mΩ의 범위이지만, 여기에서는, 대표예로서 150mΩ인 경우를 계산했다. 표 2는, 단독의 전기 화학 셀의 배선 저항치의 상한이며, 표 3은, 상기 단독의 전기 화학셀을 2개 직렬로 접속한 경우의 1개의 전기 화학 셀의 배선 저항치의 상한, 표 4는, 상기 단독의 전기 화학 셀을 3개 직렬로 접속한 경우의 1개의 전기 화학 셀의 배선 저항치의 상한을 나타낸 것이다. 전기 화학 셀이기 때문에, 필요로 되는 정격 전압이 되도록, 직렬로 접속하여 이용되는 경우도 많다. 따라서, 직렬 접속하는 경우에도 통용될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 배선 저항치의 상한은, 초기의 전압 강하를 상술의 0.3V라고 하여 산출했다. 표 2에 있어서, 가로선이 그어진 란은, 전압 강하를 0.3V로 하면 배선 저항치의 상한은 0mΩ 이하가 되는 것을 나타내고 있다. 즉, 초기의 전압 강하가 0.3V를 초과하는 것을 의미하고 있다.
표 2에서는, 접속 저항치가 1mΩ이면, 방전 전류를 1A로 하면, 배선 저항치의 상한이 148mΩ인 것을 나타내고 있다. 또한 방전 전류를 크게 하여 1.75A까지 흐르게 하면, 배선 저항치의 상한이 19mΩ로 까지 저하한다. 이와 같이, 어느 정도 넓은 범위의 방전 전류치를 흐르게 할 수 있도록 하려면 , 최대의 전류치를 고려하여, 예를 들면 배선 저항치의 상한을 10mΩ대가 되도록 한다. 접속 저항치가 5mΩ인 경우의 상한치는, 접속 저항치가 1mΩ인 경우보다 8mΩ 낮을 뿐이다. 이 경우도, 배선 저항치를 10mΩ 이하로 제작하면, 1.75A까지 방전할 수 있다. 접속 저항치가 10mΩ인 경우는, 1.75A의 방전 전류에서 전압 강하가 0.3V를 초과해 버리지만, 배선 저항치가 20mΩ대이면, 1.5A까지 방전 전류를 흐르게 할 수 있다.
한편, 접속 저항치가 100mΩ인 경우는, 초기의 전압 강하가 0.3V 이하로 억제되는 전류치는 0.75A 이하이며, 실질적으로 대전류 방전 용도에는 부적당하다. 접속 저항치가 30mΩ인 경우는, 접속 저항치가 100mΩ인 경우와 비교하여, 배선 저항치의 여유는 개선되지만, 1.5A의 전류를 흐르게 하면 초기의 전압 강하가 0.3V를 초과해 버리므로, 접속 저항치로서는 역시 크다. 따라서, 접속 저항치는, 10mΩ 이하가 바람직하다.
2직렬로 접속한 경우는, 표 3이 나타내는 바와 같이, 등가 직렬 저항의 A가 150mΩ의 2배가 되기 때문에, 배선 저항치의 상한은 크게 억제되고, 또한, 최대의 방전 전류도 저하시킬 필요가 있다. 예를 들면, 방전 전류가 1A인 경우는, 등가 직렬 저항의 A에 의한 전압 강하가 1A×0.3Ω=0.3V이기 때문에, 접속 저항치가 1mΩ여도, 배선 저항치의 상한의 란은 가로 선으로 되어 있다. 2직렬인 경우는, 0.3V 이하의 전압 강하로 사용하는 조건에서는, 1A 이하의 방전 전류가 된다. 0.9A의 방전 전류에서는, 접속 저항치가 5mΩ인 경우는 배선 저항치의 상한은 6.5mΩ이지만, 접속 저항치가 10mΩ인 경우는, 0.90A의 방전 전류에서는 전압 강하가 0.3V를 초과해 버리고, 접속 저항치가 5mΩ 이하인 경우와 비교하여 차이가 나있다. 따라서, 직렬 접속 용도를 고려하면, 접속 저항치는 5mΩ 이하가 바람직하다.
3직렬의 경우는, 등가 직렬 저항의 A의 값이 150mΩ×3=450mΩ이기 때문에, 전압 강하가 0.3V 이하로 되기 위해서는, 최대 전류도 0.3V/0.45Ω, 즉 약 0.65A 정도가 된다. 표 4에 나타내는 바와 같이, 접속 저항치가 5mΩ인 경우는, 0.6A의 방전도 가능해지지만, 배선 저항치의 상한은 6mΩ가 된다. 접속 저항치가 1mΩ인 경우는, 배선 저항치의 상한은 14mΩ가 된다. 이와 같이, 직렬 접속하는 단수가 증가하면, 접속 저항치의 배선 저항치에 주는 영향이 크게 나타나므로, 단독의 전기 화학 셀만으로의 사양만으로 검토하면, 실용성이 부족한 외장 용기가 되므로, 상기의 검토가 필요하다.
그런데, 배선 저항치는, 패드막과 접속 단자 각각의 저항율, 면적과 그것들을 접속하는 배선이나 구조에 의존한다. 배선이 길어짐으로써 발생하는 배선 저항치의 증가에 관해서는, 본 발명의 베이스 내 단자의 기여가 크다. 특히, 전기 이중층 커패시터의 용량을 증대시켜 대전류 방전의 방전 전류나 방전 시간을 크게 혹은 길게 하려고 하면, 용기의 치수가 커지고, 이것에 따라 배선이 길어지기 쉽다. 베이스 내 단자를 이용하여 베이스의 표리를 직접 접속함으로써, 배선 저항치를 큰 폭으로 줄이는 것이 가능하다.
한편, 셀 리드와 패드막의 접속 저항치의 저감은 용접에 의한 기여가 크다. 전기 화학 셀용의 도전성 접착제로서는, 도전 필러가 카본이나 그래파이트로 이루어지고, 바인더는 페놀 수지 등이 적합하게 이용되어 왔다. 그러나, 접속 저항치는, 도전성 접착제의 도포 조건, 접속되는 금속의 표면 상태, 열경화 조건, 전기 화학 셀의 기판에의 실장 온도 조건 등에서 크게 다른 것 외에 도전성 접착제의 생산 로트에 의한 불균형에 기인하는 것도 있고, 대전류 방전 용도에서 요구되는 mΩ 단위로의 접속 저항치의 설계와 관리는 곤란하다.
도 2(a), (b)는, 각각 베이스(1)의 베이스 내측면(1a)과 베이스 외측면(1b)을 나타내는 도면이다. 도 2(a)에 나타내는 베이스 내측면(1a)에는, 도전성 재료 로 이루어지는 한 쌍의 패드막(2)이 배치되어 있다. 패드막(2)의 하면에는, 파선으로 나타내어지는 베이스 내 단자(3)가 각각 4개 설치되고, 베이스(1)의 외측면에 배치된 접속 단자(4)(동일하게 파선으로 나타낸다)에 수직으로 접속되어 있다.
또한, 여기서, 패드막(2)은, 일례로서의 베이스의 길이 방향으로 나란히 배치되어 있지만, 단변 방향으로 나란히 배치하는 것이나, 길이 방향의 대각선 방향으로 늘어놓는 것도 가능하다. 그리고, 패드막(2)은, 반드시 베이스 내 단자(3) 상에 형성되는 것을 요하는 것은 아니다.
패드막(2)은, 알루미늄이나 티탄 등의 화확적으로 안정된 밸브 금속으로 이루어지는 막이며, 용해하기 어려운 재료로 이루어진다. 이들 막은, 예를 들면, 증착, 이온 플래팅이나 스퍼터링 등의 주지의 막형성 방법에 따라 설치할 수 있다. 이들 방법에 따르는 경우는, 우선, 텅스텐 등의 금속이 관통 구멍에 인쇄법 등에 의해 충전·소성되어 기밀한 베이스 내 단자(3)가 완성된 후에 형성한다. 진공 중에서 성막하는 경우는, 예를 들면, 음양의 패드막(2)을 각각 구성하도록, 서로 공간적으로 분리된 2개의 개구를 갖도록 패터닝한 금속제 등의 마스크를 준비하여, 성막의 챔버 중에 수납하고, 진공 배기계에서 소정의 진공도로 배기한 후, 밸브 금속 재료를 증발시키거나 밸브 금속 재료로 이루어지는 타겟을 물리적으로 이온으로 두드려 재료를 날려, 베이스(1)의 내측면에 성막한다. 이들 성막법으로는, 성막의 조건이 제어하기 쉽기 때문에, 형성한 막의 저항율이 낮고, 또한 액체가 침투하기 어려운 고밀도인 막을 형성할 수 있다.
또, 알루미늄의 막은 스크린 인쇄법에 의해서도 형성 가능하다. 고온에서는 산화하기 쉬운 알루미늄에 있어서도, 150℃ 이하의 온도로 배선 패턴을 형성 가능한 기술이 개발되어 있다. 인쇄법이므로, 증착법 등의 박막 형성 기술과 비교하여 두껍고, 수십 미크론의 후막도 용이하다.
또한, 알루미늄막은 전기 도금법에 의해 제작하는 것도 가능하다. 디메틸설폰과 염화알루미늄으로 이루어지는 도금액을 이용하여, 약 40㎛의 막두께로 형성한 막이, 표면이 평활하고, 막의 내부도 균일한 막인 것이 알려져 있다.
도 2(b)에 나타내는 베이스 외측면(1b)에는, 패드막(2)에 대향하도록 한 쌍의 접속 단자(4)가 설치되어 있다. 접속 단자(4)는, 리플로우 처리 등에 의해, 실장 기판의 패턴에 설치된 크림 땜납 등으로 기판에 고착된다. 접속 단자(4)는, 예를 들면, 인쇄법에 의해 형성한 텅스텐의 패턴에, 니켈과 금으로 이루어지는 도금막이 실시되어 있다. 부호 번호 1c로 나타내어지는 베이스 측면 오목부에도 텅스텐이나 이들 도금 재료가 패터닝되고 접속 단자의 일부로서 기능한다.
계속해서, 패드막(2)의 두께에 대해서 설명한다. 막두께는 5㎛ 이상이고 또한 100㎛ 이하가 바람직하다. 바람직하게는, 10㎛ 이상으로 30㎛의 범위가 좋다. 막두께가 얇으면 막내부에 존재하는 미세한 포러스가 연결되어 전해질이 패드막의 아래에 있는 텅스텐에 침투하여 텅스텐의 전해 부식을 일으키기 쉬운 것, 및, 후술과 같이, 용접으로 셀 리드(8)와 접속될 때, 용접의 조건이 매우 한정되어 신뢰성 있는 접합의 실현이 어려워지는 것에 의한다.
두께 약 1.3㎜의 소다 라임 유리판에, 패드막(2)의 두께가 5㎛인 알루미늄막을 이온 플래팅법에 의해 형성한 후, 두께가 80㎛인 알루미늄의 박판을 초음파 용접으로 용접시키는 실험을 실시했다. 셀 리드 5개 중 1개의 샘플은 유리판에 미소한 크랙의 발생이 확인되었다. 따라서, 5㎛는 막두께로서는 실용상의 하한치이다. 실용적으로는, 막두께는 10㎛ 이상인 것이 바람직하다.
한편, 증착법이나 이온 플래팅법에 따른 알루미늄의 증착 레이트는, 1시간당 3㎛~10㎛이다. 증착 시간을 고려하면 30㎛ 이하의 두께가 바람직하고, 이 경우의 성막 시간은 길어도 4~5시간 정도이다. 100㎛정도까지 두껍게 형성한 경우는, 성막 시간은 장시간에 이르지만, 용접으로 셀 리드(8)에 접속할 때의 용접 조건을 넓게 취할 수 있고, 하지가 되는 세라믹에 크랙이 유발될 가능성을 매우 낮게 할 수 있다.
다음에, 도 3을 이용하여 셀 리드(8)와 패드막(2)의 구체적인 용접 방법을 설명한다. 도 3(a)는, 셀(7)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8)와 한 쌍의 패드막(2)의 접속을 나타내는 도면이다. 한 쌍의 셀 리드(8)의 선단은, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 패드막(2)의 표면에 놓여진 후, 셀 리드(8)의 상면으로부터 용접되고, 패드막(2)과 셀 리드(8)가 접합된다. 용접을 이용함으로써, 셀 리드(8)와 패드막(2)의 접합 계면에서, 각각의 부재를 구성하는 재료의 원자적인 확산이 일어나고, 강고한 접합이 가능해진다. 도 3(a)의 8a는, 용접한 영역을 모식적으로 나타내고 있다. 용접이므로, 접합 계면에 자연 산화막 등의 오염이 존재해도, 접속 저항이 mΩ대, 혹은 mΩ 이하의 충분히 낮은 접합이 가능해진다. 이로 인해, 도전성 접착제 등에 의한 접합 방법과 비교하여, 접속 저항을 10분의 1 내지 100분의 1로 저감시킬 수 있다. 또, 접속 저항치의 불균형을 억제하고, 또한 경시 변화가 적은 접합이 가능해진다.
또, 접합 포인트를 복수 설정함으로써, 접속 저항치를 더 저감할 수 있음과 더불어, 셀 리드(8)와 패드막(2)의 사이의 인장 강도를 향상시킬 수 있으므로, 셀 리드(8)를 변형시켜 용기의 내부에 셀(7)을 수납시키는 제조 공정에 있어서, 용접의 박리 등의 불량의 발생을 억제할 수 있는 외, 완성된 전기 화학 셀의 내진동 특성이나 낙하 충격 특성 등의 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
셀 리드(8)와 패드층(2)의 용접으로서, 구체적으로는 초음파 용접, 빔 용접, 저항 용접 등의 국소적인 용접 방법이 적합하다. 즉, 이들 용접 수단은, 용접의 대상이 되는 부분이 국소적이므로 열적 영향은 용접부 근방에만 머물고, 셀(7) 자체에 대한 영향을 피할 수 있다. 또, 셀 리드(8)의 재료, 두께, 패드막(2)의 재료와 관통 구멍의 배치 등을 변경함으로써, 용접의 기계적 혹은 열적인 충격에 의한 구성 부재에 대한 영향을 저감할 수 있다. 상기 구성으로 함으로써, 세라믹스 등의 재료로 이루어지는 베이스(1)에 대해서도 크랙의 발생에 의한 부재에 대한 손상을 회피하는 것이 가능하다.
도 3(b)는, 초음파 용접의 구체적인 방법을 설명하기 위한 도면이다. 초음파 용접에서는, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 우선, 패드막(2) 상에 셀 리드(8)를 위치 결정하여 밀착시키지만, 이 때, 셀(7)은 초음파 용접용 팁(9)의 이동의 방해가 되지 않도록, 베이스(1)의 밖에 놓여진다. 다음에, 초음파 용접용 팁(9)을, 이동 기구에 의해 셀 리드(8)의 상면에 적당한 가압력을 가지고 맞닿게 한다. 초음파 용접용 팁(9)은 혼 선단에 일체적으로 형성되거나, 혹은 혼의 선단에 별도 부착된다. 초음파 용접용 팁(9)의 팁 선단(9a)은, 셀 리드(8)와의 접촉면이 되는 부분이며, 여기에는, 셀 리드(8)의 표면에 적절히 침투하도록 표면에 요철 패턴이 실시되어 있는 것(널(knurl) 가공)이 바람직하다.
초음파 용접용 팁(9)이 셀 리드(8)를 적당한 가압력으로 맞닿게 한 후에, 초음파 용접기의 발진 기구가 수십 KHz로 이루어지는 초음파를 혼에 더하면, 초음파 용접용 팁(9)이 주파수로 접합 부분을 조정한다. 이로 인해, 셀 리드(8)와 패드막(2)의 계면은, 금속 재료의 청정한 표면들의 밀착면이 되고, 수십 밀리초 내지 수백 밀리초의 약간의 시간으로 압접할 수 있다. 앞의 도 3(a)의 셀 리드와 패드막의 용접 영역(8a)으로 나타내어진 셀 리드(8)의 표면의 요철 패턴은, 이 초음파 용접에 의해 초음파 용접용 팁(9)의 요철 패턴이 전사되어 있는 것을 모식적으로 나타낸 것이다. 이 요철 패턴으로 나타내어진 영역(8a)이 용접 영역이지만, 미시적으로 보면, 접합되어 있는 부분은, 초음파 용접용 팁(9)의 선단에 가공된 볼록부에 의해 오목해진 부분뿐이며, 그 이외의 영역은, 셀 리드와 패드막의 사이에 약간의 간극을 유지한 상태이다.
초음파 용접용 팁(9)이 셀 리드(8)의 표면에 맞닿을 때에, 큰 충격이 되지 않도록 주의하는 것이 바람직하고, 이동 기구에는, 덤퍼 등의 충격 흡수 기구를 구비하는 것이 좋다. 이로 인해, 베이스 재료에 대한 손상을 저감할 수 있다.
셀 리드(8)의 치수(리드의 폭과 두께)와 패드막(2)의 치수(종횡의 치수와 두께) 및 초음파 용접용 팁(9)의 치수를 적절히 선택함으로써, 전기 화학 셀의 여러 가지의 치수에 대응하는 것이 가능하다. 도 3(a)에 나타낸 초음파 용접 영역의 폭치수(d)는, 0.5㎜이어도 충분하고, 소형의 전기 화학 셀의 제작에 적합하다. 또한, 기계적인 강도를 올리기 위해서, 패드막(2)의 대략 전체 면적을 덮도록 설계된 초음파 용접용 팁(9)을 이용하여 초음파 용접한 경우도 적절한 용접 조건을 설정함으로써, 베이스 내 단자나 베이스 재료에 영향은 없고, 충분히 큰 기계적 강도를 얻을 수 있다.
또한, 초음파 용접에 있어서는, 진동 뿐만 아니라, 열에너지와 기계적인 압접력을 병용하는 것도 가능하다. 또, 도 3(a)에서는, 셀 리드(8)로서 가는 판형상의 예가 나타내어져 있지만, 와이어여도 되고, 초음파 용접용 팁(9)의 형상을 적절히 변형시켜 이용하면 된다.
다음에, 빔 용접의 경우를 설명한다. 빔 용접으로서 레이저 용접과 전자빔 용접이 대표적이다. 이들 용접은, 국소적 가공이 가능할 뿐만이 아니라, 비접촉법이므로, 용접 단자의 열과 마모에 의한 열화가 없다. 그 때문에, 재현성이 좋다. 또, 금속을 용융시키는데 충분한 에너지 밀도를 가지므로, 단시간의 가공이 가능하다. 전자 빔 용접은, 에너지 밀도가 매우 높은 것, 전자빔의 주사성이 풍부한 것, 그리고, 용접 대상의 베이스(1)와 셀 리드(8)을 갖는 셀(7)을 진공 중에 두고, 전자빔을 진공 중에서 조사하여 용접하는 것을 제외하면, 레이저 용접과 같다.
레이저 용접에서는, 스폿 용접이나 심 용접(펄스 발진이나 연속 발진)을 이용할 수 있다. YAG 레이저에 의한 스폿 용접의 경우를 이하에 설명한다.
레이저 발진기, 전송 파이버, 베이스(1)와 셀 리드(8)의 위치 결정과 표면 관찰을 위한 동축 CCD 모니터를 준비하고, 셀 리드(8)와 패드막(2)를 적당한 가압력을 가지고 밀착시킨 후에, 리드(8)의 표면측으로부터 레이저를 조사한다. 레이저를 조사할 때는, 패드막(2)과 셀 리드(8)의 접합부의 산화를 방지하기 위해서, 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스를 내뿜거나, 글로브 박스 등을 이용하여 불활성 가스 분위기 하로 하는 것이 바람직하다.
도 3(c)는, 셀 리드(8)와 패드막(2)의 레이저 용접에 의한 접속을 나타낸 것이다. 도면의 검은 원으로 나타낸 8a는 레이저가 조사되어 용접된 용접 영역을 나타내고 있다. 알루미늄은 YAG 레이저의 1064㎚의 흡수율이 낮지만(고반사율 재료), 레이저 조사부가 가열되고, 가열의 중심부로부터 서서히 용해부가 넓어져 간다. 가열은 셀 리드(8)의 하면으로부터 접합하는 하측의 패드막(2)의 표면에 이르러, 패드막(2)의 표면 부분을 용해시켜, 셀 리드(8)와 패드막(2)이 접합된다.
레이저 용접의 경우도, 용접 영역을 증가시켜 접속 저항치를 더 저하시키고, 또, 용접의 기계적인 강도를 도모하는 것이 바람직하고, 도 3(c)에서는, 각각의 패드막에서 2점씩 스폿 용접을 하고 있다.
또, 도 3(a) 및 도 3(c)에서는, 하나의 패드막에 1개의 셀 리드를 용접하고 있었지만 셀 리드의 수는, 복수여도 된다. 활물질을 담지하는 금속 집전체의 길이가 긴 경우는, 금속 집전체에 복수의 셀 리드를 설치할 수 있다. 이 경우에는, 이들 복수의 셀 리드를 하나의 패드막에 접속할 수 있으면 저항분을 저감할 수 있어, 바람직하다.
이상은, 용접법으로서 초음파 용접과 빔 용접에 대해서 설명했지만, 용접 수단은 이것에 한정되지 않고, 그 외의 수단이어도 된다. 예를 들면, 스폿 저항 용접이나 아크 용접 등의 용접법을 이용하는 것도 가능하다.
외장 용기의 베이스 재료로서, 세라믹스는 관용되는 재료이지만, 세라믹스로 한정되지 않는다. 소다 라임 유리나 내열 유리 등도 사용 가능하다. 유리는 소재로서 긴 것을 이용할 수 있으므로, 소형의 패키지인 경우는, 1매의 유리에 많은 캐비티수를 설정할 수 있고, 베이스 부재의 저비용화를 기대할 수 있다. 또, 이들 유리에 오목부나 관통 구멍을 형성하는 수단으로서는, 화확적인 에칭법, 샌드 블레스트와 같은 물리적 방법, 혹은 고온 분위기에 있어서 형을 이용하여 오목부와 관통 구멍을 동시에 형성할 수 있다.
또, 관통 구멍의 내면에 알루미늄막을 형성한 후, 열팽창 계수를 매칭시킨 유리 페이스트를 관통 구멍에 충전하고, 탈바인더 및 소성을 실시함으로써, 기밀하게 도전성을 갖는 베이스 내 단자(3)를 형성할 수 있다. 이러한 경우는, 베이스 내 단자(3)가 용해할 걱정은 없다. 따라서, 베이스 내 단자(3)를 덮도록 패드막(2)을 형성할 필요가 없다. 또, 베이스 내 단자(3)의 내면을 형성하는 막은 알루미늄으로 한정되지 않고, 티탄 등의 그 외의 밸브 금속을 포함하는 막이어도 된다.
계속해서, 셀(7)에 관해서 설명한다. 셀(7)은, 두께가 5㎛~50㎛인 알루미늄박이나 동박을 금속 집전체로 하고, 그 표면에 활물질을 도공이나 접착법에 의해 담지한 음양의 한 쌍의 전극 시트 사이에, 절연물로 이루어지는 세퍼레이터를 끼워 권회, 적층, 접음 등의 방법으로 일체화한 발전 요소이다. 전기 이중층 커패시터의 경우는, 활물질의 대표적인 재료로서, 활성탄 내지 탄소를 들 수 있다. 리튬 이온 2차 전지에서는, 양극 활물질로서는, 예를 들면, 코발트산리튬(LiCoO2), 니켈산리튬(LiNiO2), 망간산리튬(LiMn2O4), 인산철리튬(LiFePO4) 등의 화합물이 이용되고, 음극 활물질로서는, 예를 들면 흑연이나 코크스 외 실리콘 산화물 등이 이용된다. 활물질 페이스트는, 상기의 활물질에, 도전 보조제, 바인더, 분산제 등을 혼합하여 적당한 점도로 조절한 것이며, 이것을 롤러 코팅, 스크린 코팅, 닥터 블레이드법 등의 방법에 의해, 집전체의 양면 또는 편면에 도공한다. 도공 후에, 건조, 프레스 공정을 얻어 전극 시트가 형성된다.
세퍼레이터는, 양극 및 음극의 직접적인 접촉을 규제하는 것이며, 큰 이온 투과도를 가지며, 소정의 기계적 강도를 갖는 절연막이 이용된다. 예를 들면, 내열성이 요구되는 환경에 있어서는, 유리 섬유 외, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드 등의 수지를 이용할 수 있다. 또, 세퍼레이터의 구멍 직경, 두께에 관해서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 사용 기기의 전류치나, 전기 화학 셀의 내부 저항에 기초하여 결정된다. 또, 세라믹스의 다공질체를 세퍼레이터로서 이용하는 것도 가능하다.
전해질은 비수용매와 지지염을 포함한다. 또, 전해질은 액체여도 고체여도 된다. 전해질의 비수용매로서는, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트,γ-부티롤락톤, 술포란, 아세토니트릴, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트 또는 메틸에틸카보네이트 중 어느 1종 혹은 2종 이상의 혼합물로서 이용된다. 특히, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, γ-브티롤락톤, 술포란과 같은 비점이 높은 용매로부터 선택되는 단독 또는 복합물을 이용하는 것이 바람직하다. 이들 용매를 이용함으로써, 고온 환경 하에 있어서 용매의 기화를 막고, 용기의 내부 압력을 억제할 수 있다.
지지염은 전해질 양이온과 전해질 음이온을 포함한다. 전해질 양이온으로서는, 제4급 암모늄염, 제4급 포스포늄염, 이미다졸리움염, 피롤리디늄염, 포스포늄염, 또는 티오시안염, 리튬염, 등의 일종 이상의 염이 사용된다. 전해질 음이온으로서는 BF4 -, PF6 -, ClO4 -, CF3SO3 -, 또는 N(CF3SO2)2 -이 이용된다.
또, 전해질은, 폴리에틸렌옥사이드 유도체, 또는, 폴리에틸렌옥사이드 유도체를 포함하는 폴리머, 폴리프로필렌옥사이드 유도체나 폴리프로필렌옥사이드 유도체를 포함하는 폴리머, 인산에스테르폴리머, PVDF 등을 비수용매, 지지염과 병용 하고, 겔형상 또는 고체형상으로 이용할 수도 있다.
또, LiS/SiS2/Li4SiO4의 무기 고체 전해질을 이용할 수도 있다. 또한, 전해질로서, 피리딘계나 지환식 아민계, 지방족아민계나 이미다졸리움계의 이온성 액체나 아미딘계 등의 상온 용융염을 이용해도 상관없다.
계속해서, 베이스(1)와 덮개(6)의 봉지에 대해서 설명한다. 덮개(6)는 베이스(1)의 덮개 접합에 이용하는 접합 금속 부재(5)와 열팽창 계수가 매칭되도록 선택되고, 예를 들면 철·코발트·니켈 합금인 코발 등의 재료가 이용된다. 구체적으로는, 코발의 0.1㎜ 내지 0.2㎜ 정도의 두께를 갖는 박판이고, 표면에는 2㎛ 내지 4㎛ 정도의 두께로 전해 니켈 도금이나 무전해 니켈 도금이 실시된 것이 이용된다.
양자를 용접하는 방법으로서 이용되는 저항 심 용접에서는, 덮개(6)를 접합 금속 부재(5)에 맞닿게 한 후에, 덮개(6)의 장변측의 대략 중심의 2점에, 대향한 사다리꼴 형상의 롤러 전극를 배치하여 저전압 대전류를 단시간 흐르게 하고, 덮개(6)의 가용접(스폿 용접)이 행해진다. 이와 같이 하여, 덮개(6)는 임시로 고정되고, 용접 작업 중의 진동 등으로 위치가 어긋나는 일은 없다.
계속해서, 예를 들면, 장변의 단으로부터 롤러 전극으로 장변을 따르도록 베이스(1)와 덮개(6)가 이동하여 용접된다. 다음에, 베이스(1)와 덮개(6)는 90도 회전되고, 마찬가지로 단변이 용접된다. 이와 같이 하여, 덮개(6)의 일주에 걸쳐 용접이 행해진다. 상술한 가고정에 있어서도, 본 저항 심 용접에 있어서도, 덮개(6)와 접합 금속 부재(5)의 계면에서, 금과 니켈의 확산이 발생하고, 기밀하고 강고한 확산 접합층이 형성된다. 이로 인해, 덮개(6)는, 베이스(1)에 기밀하게 봉지된다.
베이스(1)와 덮개(6)의 용접은, 레이저의 주사 조사를 이용해도 가능하다. 가용접을 상술과 같이 실시한 후, 레이저를, 리드를 일주하도록 주사 조사한다. 이로 인해, 덮개(6)와 접합 금속 부재(5)의 계면에서 확산 접합층이 형성된다. 이 경우, 덮개(6)의 접합측의 면에 은과 동으로 이루어지는 납재의 시트를 붙임으로써, 용융 온도를 납재의 온도까지 저하시키는 것도 가능하다.
또한, 전해질이 상온에서 액체형상의 용매나 지지염으로 이루어지고, 덮개(6)를 봉지하기 전에 전해질을 충전하는 공정을 채용하는 경우는, 액체가 덮개(6)와 접합 금속 부재(5)의 계면에 존재하는 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우에도, 심 용접을 이용한 접합은 가능하다. 심 용접은, 롤러 전극을 사용하는 것이어도, 레이저의 주사 조사를 이용하는 것이어도 상관없다. 상기 계면에 액체가 존재해도 기밀한 용접이 가능해지는 것은, 계면에 존재하는 액체는, 용접시에 근방의 온도가 급격하게 상승하므로 증발하여 비산하는 것에 의한 것이라고 생각된다.
계속해서, 발명의 변형예에 대해서 설명한다. 우선, 베이스 내 단자의 구조에 관한 변형예를 설명한다.
도 4는 본 발명의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 4(a)는 본 변형예의 단면을 나타내는 도면이다. 도 4(b)는 본 변형예의 배선 패턴을 나타내는 도면이며, 베타형상의 배선 패턴의 예를 나타내는 도면이다. 도 4(c)는 본 변형예의 다른 배선 패턴의 예를 나타낸다. 도 4(a)에 나타내는 전기 화학 셀에서는, 베이스 내 단자(3)를 베이스의 내면측으로부터 외면측으로 직접 관통시킨 것이 아니라, 베이스 내 단자(3)를 베이스의 저면부를 구성하는 2매의 판인 베이스 저면 구성판(1d)(제2 베이스)과 베이스 저면 구성판(1e)(제1 베이스)의 계면에서 세운 구조로 되어 있다. 이 계면에는, 배선 패턴(10)이 설치되어 있다. 배선 패턴(10)은, 베이스 내 단자(3)와 접속하고, 수평하게 연장되어 외면에 노출되고, 또한 접속 단자(4)에 접속된 구성이다.
패드막(2)은, 상술한 바와 같이, 알루미늄막이 5㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성된 것이다. 셀(7)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8)는, 패드막(2)에 용접으로 접속되어 있다. 또, 전해질이 충전된 후, 베이스(1)와 덮개(6)는 기밀하게 봉지되고, 외장 용기를 구성하고 있다.
도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 하측의 세라믹판(1e)의 계면에는, 베이스 내 단자(3)에 접속하는 텅스텐 등의 금속막으로 이루어지는 배선 패턴(10)이, 사선으로 나타내는 바와 같이 베타형상으로 넓은 면적으로 설치되어 있다. 그리고, 세라믹판의 베이스 저면 구성판(1e)의 장변측의 단부에 수평하게 인출되고, 측면까지 연장되어 있다. 그리고, 그 연장부가 접속 전극(4)에 접속되어 있다. 이와 같은 베타형상의 배선 패턴으로 하고 있으므로, 배선 패턴이 갖는 저항치를 낮게 억제할 수 있다.
한편, 도 4(c)는, 폭(d)의 직선의 배선 패턴(10a)이, 베이스 내 단자(3)에 대응하는 각 포인트로부터, 외측으로 연장된 것이다. 이와 같이, 배선 패턴은 베타형상으로 한정되지 않는다. 단, 이 경우에는, 배선 패턴(10a)이 갖는 저항치는, 앞의 도 4(b)와 비교하여 높아진다. 그 때문에, 베이스 내 단자의 수와, 폭(d)과, 길이(L1와 L2)와, 배선 패턴의 시트 저항치를 감안하여, 배선 패턴을 결정할 필요가 있다.
상기의 배선 저항치의 예를 이하에 설명한다. 예를 들면, d와 L1, L2를 각각 0.2㎜, 3㎜, 2㎜로 하고, 배선 패턴(10a)의 시트 저항치를 10mΩ로 한다. 이 수치는, 약 10㎛의 두께의 텅스텐막의 시트 저항치의 대표적인 값이다. 길이 L1의 부분의 배선 패턴의 저항치는, 10mΩ×(3㎜/0.2㎜)=150mΩ가 된다. 길이 2㎜의 배선 패턴의 저항치는, 동일한 계산으로, 100mΩ로 산출된다. 도면에서는, 4개의 배선 패턴이 설치되어 있으므로, 이들 4개의 배선 패턴의 병렬 저항치를 계산하면 30mΩ가 된다. 양극 및 음극 모두 같은 배선 패턴을 이용하고 있으므로, 이 배선 패턴이 갖는 개략의 저항치는 60mΩ로 추측된다.
배선 패턴의 폭(d)을 더 굵게 하여 0.4㎜로 하면, 동일한 계산으로, 4개의 배선 패턴의 병렬 저항치는 15mΩ로 산출되므로, d의 값에 0.2㎜를 이용한 경우에 비교하여 절반으로 저감할 수 있다. 이와 같이 하여, d의 값을 0.6㎜로 하면, 배선 패턴의 병렬 저항치는 10mΩ이며, d의 값을 0.8㎜까지 넓히면 배선 패턴의 병렬 저항치는 7.5mΩ가 된다. 이와 같이, d의 값을 조절하여, 충분히 낮은 값을 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 단, 외장 용기의 배선 저항치로서는, 상기의 배선 패턴의 저항치에 더하여, 측면의 영역의 배선 저항치와 접속 단자의 배선 저항치를 합계한 값이 된다.
본 변형예가 나타내는 바와 같이, 충전 관통 전극(3)은, 베이스의 상측면과 외측면을 직접 관통한 구조가 아니어도 되고, 적절한 저항치를 갖는 배선 패턴(10 및 10a)과 조합함으로써, 본 발명이 목적으로 하는 대전류 방전 용도로 이용할 수 있다.
계속해서, 베이스의 저면과 측벽에 관통 영역을 설치한 예를 도 5에 기초하여 설명한다. 도 5(a)는, 본 변형예의 전기 화학 셀의 단면도이다. 또, 도 5(b)는, 본 변형예의 베이스를 설명하는 모식도이며, 덮개 접속용 금속층(5)은 생략되어 있다. 또, 도 5(a)에 나타낸 보호막(11)도 생략되어 있다. 이 보호막(11)에 관해서는, 후술한다.
베이스(1)의 베이스 내측면(1a)에 집전체로서 기능하는 베타형상의 배선 패턴(10)이 설치되고, 그 위에 패드막(2)이 설치되어 있다. 배선 패턴(10)은 텅스텐 등의 고융점 금속으로 이루어진다. 또, 배선 패턴(10)은 베이스(1)의 내측면에서 수평하게 연장되어, 베이스(1)의 저면과 측벽의 사이를 관통하여 측면에 노출되고, 베이스(1)의 측면으로부터 더 접속 단자(4)에 접속하는 구성을 이루고 있다. 도 5(a)에서는, 패드막(2)이 음양의 양쪽극에 설치되어 있지만, 적어도 양극에 대응하는 배선 패턴(10) 상에 형성되면 된다.
셀(7)에 접속하는 셀 리드(8)는, 길이 L3과 L4의 배선 패턴(10)과, 길이 L5의 배선 패턴의 측면부(부호 번호 10b로 나타냈다)의 합계의 길이의 패턴을 경유하여 접속 단자(4)에 접속되어 있다. 그 때문에, 배선 저항치에 있어서, 배선 패턴(10 및 10b)의 길이의 합계치가 문제가 된다. 여기서, L4는, 베이스의 측벽의 두께에 상당하는 길이이다. 이하에, 배선 패턴(10 및 10b)이 갖는 배선 저항치의 개략예를 나타낸다.
수치예로서, L3, L4, L5의 값으로서 각각 3.4㎜, 0.8㎜, 0.5㎜로 한다. 이 치수는, 나중의 실시예 1에서 나타내는 장변이 10㎜, 단변이 5㎜, 높이가 3㎜인 직방체로 이루어지는 세라믹 패키지를 상정한 수치이다. 즉, L4의 값은, 측벽의 두께이며, L5의 값은 베이스 저면의 두께이다. 또, L3의 값은, 양극과 음극의 2개의 패드막을 나란히 배치해도 증착법에 있어서 2개를 충분히 분리할 수 있도록 고려한 값이며, L4와의 가산치가 장변의 절반의 길이보다 작지만 가능한 한 가까운 수치가 선택되어 있다. 2개의 시트 저항치로서 니켈과 금 도금이 실시된 텅스텐막의 패턴부(L3과 L5)를 5mΩ, 텅스텐만의 막이 되는 L4에서는 10mΩ로 한다. 또, 배선 패턴의 폭(d2)은, 3.0㎜로 한다. 여기서, d2의 수치는, 단변의 길이 5㎜에서 2개의 측벽의 두께 1.6㎜를 공제한 값인 3.4㎜(베이스의 내저면의 단변)에 가까운 수치를 채용하여, 이하에 나타내는 바와 같이 배선 패턴의 배선 저항치를 억제하고 있다.
L3의 부분은, 배선 저항치는 그 중심으로부터의 거리로 계산하는 것으로 하면, 길이는 절반인 1.7㎜가 되기 때문에, 배선 저항치는, 5mΩ×(1.7㎜/3㎜)=2.83mΩ, 즉 2.9mΩ이다. 동일한 계산으로부터, L4의 부분은 2.7mΩ, 측면인 10b에 해당하는 L5의 부분은 0.9mΩ이며, 합계치로서 약 6.5mΩ이다. 양극에서는, 알루미늄으로 이루어지는 패드막을 형성하므로, 상기의 L3의 부분의 배선 저항치는 2.9mΩ로부터 더 저감하게 된다.
배선 저항치가 양극 및 음극을 합하여 약 13mΩ이고, 한쪽 극의 접속 저항치가 1mΩ 이하이면, 표 2에서 설명한 바와 같이, 단독의 전기 화학 셀에서는, 1.75A의 방전 전류에 있어서도, 초기의 전압 강하는 0.3V 이하이다. 마찬가지로, 표 3에 나타내는 바와 같이 배선 저항치는 14mΩ보다 작기 때문에, 2직렬로 접속한 경우에는 0.90A의 방전 전류에 있어서도 초기의 전압 강하는 0.3V 이하이다. 또, 표 4에 의하면, 배선 저항치는 14mΩ보다 작기 때문에, 3직렬로 해도, 0.60A의 방전 전류에서 초기의 전압 강하가 0.3V 이하이다. 즉, 본 변형예는, 대전류 방전 용도로 이용하는 것이 가능하다.
다음에 보호막(11)에 관해서 설명한다. 집전체로서 기능하는 배선 패턴(10)의 내면측이 전해질과 접촉하지 않도록, 본 변형예에서는, 도 5(c) 또는 도 5(d)에 나타내는 바와 같이 보호막이 설치되어 있다. 도 5(c)에서는, 패드막(2)이 베이스 측벽 내측면(1f)에까지 연장되어 성막되어 있다(부호 번호 2a로 나타낸다). 베이스 측벽 내측면까지 성막함으로써, 베이스의 베이스 내측면(1a)과 측벽 내측면(1f)의 경계 부근의 패드막(2)이 얇아지는 것을 막을 수 있다. 따라서, 도 5(c)에서는, 2a의 부분과 2a의 근방 영역을 보호막(11)으로 한다. 이로 인해, 배선 패턴(10)은 그 전면을 상술한 적절한 두께의 패드막(2)으로 피복하는 것이 가능해지고, 따라서 배선 패턴(10)의 전해 부식을 방지할 수 있다.
도 5(d)는, 패드막(2)과는 다른 재료의 막을 보호막(11)으로서 이용하고, 배선 패턴(10)의 내면측을 피복하여, 배선 패턴(10)이 전해질과 접촉하는 것을 막고 있다. 여기서 보호막(11)은, 배선 패턴(10)의 표면 및 베이스 재료의 밀착성, 내전해질 특성, 전해질의 비침투성, 기판에 실장시의 온도 특성, 성막이나 도포 등의 용이성, 경화 온도 등을 감안하여 결정된다. 또, 보호막(11)은, 1층으로 한정되지 않고, 복수의 막이 코트된 다층막이어도 된다. 보호막(11)으로서는, 무기 코팅재, 부틸계 고무, 폴리이미드, 폴리아미드이미드 베이스의 내열 수지 등, 에폭시계 자외선 경화형 수지 등을 이용할 수 있다. 경화 온도에 있어서는, 에폭시계 자외선 경화형 수지 등은 약 100℃, 무기 코팅재에서는 약 120~150℃, 폴리아미드이미드나 폴리이미드는 약 230℃~270℃이다. 이와 같이, 보호막(11)의 경화 온도는 알루미늄의 융점보다 낮다. 그 때문에, 알루미늄으로 이루어지는 패드막(2)을 형성한 후에 보호막(11)을 도포해도 패드막(2)에 영향을 주지 않는다.
이상으로부터, 본 변형예에 있어서도, 배선 저항치를 충분히 낮은 값으로 억제할 수 있다. 또, 보호막(11)에 의해 집전체로서 기능하는 배선 패턴(10)이 전해질에 노출되지 않기 때문에, 본 발명이 목적으로 하는 대전류 방전 용도로 안정되게 이용하는 것이 가능하다.
계속해서, 한층 더한 변형예에 대해서 도 6에 기초하여 설명한다. 도 6(a)의 전기 화학 셀은, 세라믹스의 평판으로 이루어지는 베이스(1)와, 오목형상으로 이루어지는 금속제의 덮개(6a)를 외장 용기로 한 것이며, 단면도를 나타내고 있다. 용기의 내부에는, 상술한 발명과 같이, 셀(7)과, 한 쌍의 셀 리드(8)와, 한 쌍의 패드막(2)과, 베이스 내 단자(3)와 전해질이 수납되고, 셀 리드(8)와 패드막(2)은 용접에 의해 접속된 것이다.
도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 덮개(6a)는, 셀(7) 등을 덮도록, 그 개구부를 베이스(1)의 주위에 설치된 접합 금속 부재(5)에 맞닿게 하여 용접되어 있다. 이 용접에는, 레이저에 의한 심 용접이 바람직하다. 또, 심 용접을 행할 때는, 도 6(a)의 화살표 방향으로부터 주사 조사된다. 롤러 전극을 이용한 저항 심 용접으로는, 롤러 전극이 덮개(6a)의 단차에 접촉하기 쉽고, 롤러 전극을 접합부에 적절히 맞닿게 하는 것이 어려워진다.
덮개(6a)에서는, 덮개(6a)의 저면부에 작은 구멍을 형성하고 있다. 이것은, 베이스(1)와 리드(6a)를 용접한 후에, 전해질을 이 작은 구멍으로부터 충전하고, 그 후에 봉지 마개(6b)를 이용하여 기밀하게 봉지할 수 있도록 의도된 것이다. 이로 인해, 베이스 접합용 금속층(5)과 덮개(6a)의 접합면의 사이에 전해질이 존재함에 따른, 봉지 작업의 능률 저하를 막을 수 있다. 베이스(1)의 내측면에 형성되는 패드막(2)의 재료나 그 두께의 범위, 베이스 내 단자(3)의 구조나 그 개수, 셀 리드(8)와 패드막(2)의 접합 수단은, 상술과 동일하므로 기재를 생략한다.
도 6(b)에 나타내는 전기 화학 셀은, 도 6(a)와 같은 구성이지만, 평판형상의 베이스(1)의 주위에 배치되는 접합 금속 부재(5)가, 베이스에 설치된 스텝에 끼워넣어져 있어, 접합 금속 부재(5)와 베이스 내측면의 높이의 차가 충분히 작게 억제되어 있다. 이로 인해, 덮개(6a)를 역상으로 한 상태로 전해질을 충전한 후에, 셀(7)을 덮개(6a) 중에 배치해도, 덮개(6a)로부터 넘쳐 나오는 전해질량을 줄일 수 있다. 따라서, 도 6(b)의 구성으로 함으로써, 전해질이 충전된 상태에서도 베이스(1)와 덮개(6a)의 용접을 용이하게 행할 수 있다. 그 때문에, 도 6(a)에 나타낸 바와 같은 덮개(6a)의 작은 구멍은 불필요하고, 봉지 마개(6b)에 의한 봉지 공정도 생략할 수 있다.
계속해서, 다른 변형예에 대해서 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7(a)에, 본변형예에서 이용하는 베이스를 나타냈다. 본 변형예에서는, 베이스(1)가, 세라믹스제의 평판과, 평판에 접합된 금속제의 통형상의 측면(12)으로 구성되어 있고, 이로 인해 오목형상의 용기를 이루고 있다. 베이스의 베이스 내측면(1a)에는, 베이스의 외측면에 직접 관통하는 베이스 내 단자(3)가 설치되고, 그 위에 패드막(2)이 한 쌍 배치되어 있다. 금속제의 금속 측벽(12)은, 열팽창율이 베이스의 평판과 매칭되도록 선택되고, 평판에 납재로 접합되어 있다. 한편, 반대측의 개구부는, 덮개(6)의 접합면을 형성하고 있다. 본 변형예에서는, 덮개(6)를 봉지하기 위한 접합 금속 부재(5)는 불필요하고, 금속 측벽(12) 그 자체가 접합 금속 부재(5)의 역할도 다하고 있다. 그 때문에, 적어도 덮개(6)와 접합하는 면에는, 니켈과 금의 도금막이 실시되어 있고, 덮개(6)는, 도금면에 맞닿게 되어, 저항 심 용접이나 레이저 심 용접을 이용하여 접합이 가능하도록 구성되어 있다.
도 7(b)는, 베이스를 이용한 전기 화학 셀의 단면도를 나타낸다. 셀(7)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8)가 용접 수단으로 패드막(2)에 접속되고, 베이스 내 단자(3)에 의해, 접속 단자(4)에 접속되어 있다. 용기 내에는, 도시를 생략한 전해질이 충전되어, 덮개(6)에 의해 기밀하게 봉지되어 있다. 패드막의 재질이나 그 두께는 상술과 같다. 금속 측벽(12)은, 금속제이므로, 여러가지 형상으로 가공하는 것이 가능하다. 또 그 형상은, 모서리, 트랙형상, 타원, 원 등의 선택이 가능하다. 특히, 규격품의 중공 파이프를 임의의 길이로 절단하여 이용하면, 전기 화학 셀의 높이를 자유롭게 결정할 수 있는 데다가, 제조 코스트의 저감을 도모할 수 있다.
도 7(c)에 나타내는 전기 화학 셀에서는, 도 7(b)와 같이 금속제의 금속 측벽(12)을 이용하고 있지만, 패드막(2)은 양극측으로만 한정한 예이다. 양극측의 리드(8b)는 패드막(2)에 접속되는 한편, 음극측의 셀 리드(8c)는, 금속제의 금속 측벽(12)의 내측에 용접으로 접속되어 있다. 또한, 음극에 대응하는 접속 단자(4)는, 금속 측벽과 전기적으로 접속하도록 구성되어 있다. 이로 인해, 금속 측벽(12)이 금속제이고, 또한 전류가 흐르는 경로가 크기 때문에, 음극측의 배선 저항치는 낮게 억제된다. 따라서, 본 발명의 전기 화학 셀도 대전류 방전이 가능해진다.
계속해서, 또한 다른 변형예에 대해서 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은, 전기 화학 셀의 단면을 나타내는 것이며, 세라믹으로 이루어지는 오목형상의 용기(1)의 내저면(1a)에는, 상술과 같이 알루미늄막으로 이루어지는 패드막(2)이 설치되고, 베이스 내 단자(3)에 의해 접속 단자(4)에 접속된 구성을 이룬다. 본 변형예에서는, 패드막은 하나만 설치되고, 권회법이나 적층법 등에 의해 구성된 셀(7)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8) 중, 양극측(8b)이 패드막에 초음파 용접으로 접속되어, 충분히 낮은 접속 저항치를 실현하고 있다.
한편, 음극측의 셀 리드(8c)는 덮개(6)의 내면측에 접속된 구조를 가지고 있다. 음극측의 셀 리드(8c)의 재질이 각각 알루미늄, 동, 또는 니켈의 박판이나 박으로 이루어지는 경우여도, 금속제의 덮개(6)에 초음파 용접, 레이저 스폿 용접, 저항 스폿 용접, 아크 용접 등의 주지의 용접법으로 접속하는 것이 가능하다. 따라서, 음극측도 접속 저항치를 충분히 낮게 억제하는 것이 가능하다.
음극측의 접속 단자는 용기 저면(1b)으로부터 측면을 따라 접합 금속 부재(5)에 연장 설치되어 있고, 덮개(6)와 전기적으로 접속된다. 연장 설치되는 부분을 연장 설치부(4b)로 했다. 연장 설치부(4b)의 도체의 길이, 폭과 두께를 조정함으로써 연장 설치부의 직류 저항치를 낮게 억제할 수 있기 때문에, 음극측의 배선 저항치를 크게 증대시키지 않고 구성할 수 있다.
용기(1) 내에는 도시를 생략한 전해질이 충전되고, 덮개(6)가 접합 금속 부재(5)에 용접되어 기밀 용기를 이룬다. 리튬 이온 2차 전지에서는 음극의 집전체 재료로서 동박, 셀 리드로서는 니켈의 박판이 관용되지만, 본 변형예를 적용하는 것이 가능하다. 따라서, 높은 기밀 특성을 갖는 고신뢰의 소형, 박형의 리튬 이온 2차 전지를 제조할 수 있다.
또한, 연장 설치부는 본 변형예에서는 용기의 외측에 설치했다. 덮개(6)와 접속 단자(4)의 접속은 이것에 한정하지 않고, 접합 금속 부재(5)의 하부에 구멍을 형성하여, 내면에 도체 재료를 형성하여 접속 단자(4)에 접속하는 구조로 하는 것도 용이하다.
(실시예 1)
다음에, 도 9에 나타내는 전기 이중층 커패시터의 제조 플로우를 참조하면서, 실시예 1에 대해서 설명한다. 우선, 외장 용기로서, 도 1(a) 및 (b)에 나타내는 오목형상을 이루는 베이스(1)와, 덮개(6)를 준비했다. 베이스(1)는, 장변이 10㎜, 단변이 5㎜, 높이가 2.85㎜이며, 베이스(1)의 저변의 두께는 0.5㎜이다. 재료로서는, 세라믹스로 전자 부품의 패키지를 제조할 때의 표준적인 재료를 이용했다. 재료의 항절 강도는 400㎫, 영율은 310GPa이다. 패드막(2)이 형성되는 영역에는, 텅스텐을 충전하고, 그 표면을 니켈과 금으로 도금한 내경 0.2㎜의 베이스 내 단자(3)를, 베이스의 내측면과 외측면을 직접 관통하도록, 각각 4개 설치했다. 베이스 외측면(1b)에는, 한 쌍의 접속 단자(4)가 배치되고, 베이스 내 단자(3)에 접속되어 있다. 접속 단자에는 니켈을 하지로 한 금 도금이 실시되어 있다(S10).
다음에, 베이스 내측면(1a)에는, 알루미늄의 증착막으로 이루어지는 한 쌍의 패드막(2)을 형성했다. 패드막(2)의 치수는, 장변 2.4㎜, 단변 2㎜로 두께는 약 25㎛이다(S11).
한편, 덮개(6)는, 두께 0.15㎜의 코바르판을 준비하고, 표면을 전해 니켈 도금했다(S20).
계속해서 셀(7)의 준비를 한다. 20㎛의 두께를 갖는 알루미늄으로 이루어지는 금속 집전체에 활성탄, 도전 보조재, 바인더 및 증점재로 이루어지는 활물질을 도공법에 의해 코팅하여 시트 전극으로 했다(S30). 적당한 길이로 절단한 후, 금속 집전체의 일단에, 두께가 80㎛이고 폭이 2㎜, 길이 8㎜의 알루미늄의 박판을 초음파 용접으로 부착하여 셀 리드(8)로 했다(S31). 셀 리드(8)가 용접된 음양 한 쌍의 시트형상의 전극 사이에, 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 세퍼레이터를 끼운 후, 권심을 넣어, 트랙형상으로 감았다. 그 후, 권심을 취출하고, 간극을 가볍게 눌러 권회 전극으로 했다(S32).
계속해서, 초음파 용접을 행한다. 먼저 준비한 베이스(1)의 패드막(2)의 표면에, 셀 리드(8)를 밀착시켜 위치 결정했다. 초음파 용접은, 셀 리드를 한쪽씩 행했다(S33). 초음파 용기의 발진 주파수는 40KHz로 행했다. 용접 혼은 철제이며, 같은 재료로 이루어지는 초음파 용접용 팁(9)은 혼의 선단에 일체형으로 설치되어 있다. 초음파 용접용 팁(9)의 표면에는, 2×1.5㎜의 영역에, 0.2㎜피치의 하운드투스 체크형상의 요철 패턴(널)을 설치했다. 산의 높이와 골의 바닥의 차는 0.2㎜이다. 용접의 모드는. 용접 중에 셀 리드(8)에 공급하는 에너지를 제어하는 모드로 하고, 용접 에너지의 설정치를 15J로 하고, 용접 시간의 최대치를 60msec로 했다. 초음파 용접용 팁(9)이, 에어 기구에 의해 알루미늄으로 이루어지는 셀 리드(8)의 표면에 강하한 후, 셀 리드(8)의 표면에 침투하여, 셀 리드(8)와 패드막(2)의 계면의 사이에서 진동함으로써 용접이 행해진다.
용접 종료후, 셀 리드(8)를 접도록 하여 셀(7)을 베이스(1) 중에 수납했다. 이 때에, 셀 리드(8)가 접합 금속 부재(5)에 혼촉하지 않도록 주의했다(S34). 셀의 쇼트를 회피하기 위해서이다.
다음에, 셀(7)이 수납된 베이스(1)를, 액체의 전해질 중에 침지시키고, 1시간 진공 탈포했다. 여기서, 전해질의 지지염은 스피로비피롤리듐테트라플루오로보레이트이며, 비수용매로서 폴리카보네이트와 에틸렌카보네이트의 혼합액을 이용했다(S35). 계속해서, 대기압으로 되돌려, 전해질 중으로부터 셀(7)이 수납된 베이스(1)를 취출한 후에, 질소 분위기하에서 덮개(6)를 접합 금속 부재(5)에 맞닿게 하고, 장변측의 2점의 가용접을 행하고, 계속해서 장변측과 단변측을 이 순서로 연속해서 저항 심 용접을 행하고 기밀하게 봉지했다(S36). 이와 같이 하여 실시예 1의 전기 이중층 커패시터를 제작했다.
제작한 실시예 1의 전기 이중층 커패시터의 전기 특성 검사를 행했다(S37). 항목으로서는 등가 직렬 저항 및 용량의 측정을 행했다. 등가 직렬 저항은, AC1KHz로의 교류 저항법을 이용했다. 또, 용량은, 방전법(2V-1V간에서 측정 전류를 10mA로 했다)을 이용했다.
(비교예 1)
실시예 1과 동일한 치수로 이루어지는 시트 전극을 이용하여 셀(7)을 제작했다. 여기서, 셀 리드는, 재질 및 폭과 두께는 실시예 1과 동일하지만, 길이는 40㎜로 했다. 다음에, 동일한 전해질을 충전하여, 알루미늄 래미네이트 필름으로 이루어지는 외장 용기에 수납했다. 이와 같이 하여 비교예의 알루미늄 래미네이트 패키지를 이용한 전기 이중층 커패시터를 제작했다. 이 비교예 1은, 패드막을 갖지 않으므로, 접속 저항은 실용치인 값을 나타내는 것이다.
제작한 비교예 1의 전기 이중층 커패시터에 대해서, 실시예 1과 같이 전기 특성 검사를 행했다.
실시예 1의 등가 직렬 저항은, 310mΩ였다. 또, 용량은 170mF였다. 비교예 1의 등가 직렬 저항의 측정치는, 320mΩ였다. 또, 용량은 실시예 1과 대략 같은 180mF였다. 즉, 패드막과 셀 리드의 용접에 의해도 배선 저항치는 실용 레벨로 낮게 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 실시예 1 및 비교예 1의 등가 직렬 저항의 값 중, 셀 리드(8)의 저항치를 포함하는 외장 용기의 저항분을 비교한 것이 표 5이다.
Figure pat00005
표 5에서, 접속 저항치 등의 란의 2.4mΩ의 수치는, R1 셀 리드(8)와 패드막(2)의 사이의 접속 저항치와, 이하의 3개의 배선 저항치의 합계이다. 3개의 배선 저항치란, R2 패드막(2) 자체의 저항치와, R3 베이스 내 단자(3)의 저항치와, R4 접속 단자(4)의 저항치이다. R1, R2, R3, R4는 도 10에 나타냈다. 접속 저항치 등에 나타낸 2.4mΩ는, 별도로 측정 샘플을 제작하여 실측한 값이다. 충전 관통 구멍(3)은, 상술과 같이, 1개의 패드막(2)에 대해서 6개 배치하고 있으므로, 충전 관통 구멍(3)의 저항치(R3)는, 이들 6개의 관통 구멍이 기여한 저항치로 되어 있다. 본 접속 저항 등의 값은, 비교예의 알루미늄 래미네이트 패키지에서는, 셀 리드가 그대로 패키지 외로 노출되어 측정기의 측정 단자에 접속되는 구조이므로, 0mΩ로 하고 있다. 또한, 수치는 모두, 양극과 음극의 합이다.
표 5의 접속 저항치 등의 수치는, 한쪽만의 전극으로 1.2mΩ, 양극에서 2.4mΩ이므로, 본 실시예에서는, 우선 R1 내지 R4까지의 각각의 수치가 충분히 낮은 것을 알 수 있다. 그리고, 셀 리드와 패드막의 접속 저항치는, 별도로 행한 다수개의 실험으로부터, 패드막을 구성하는 알루미늄의 증착막의 저항율을 6.6μΩ㎝로 하면 1mΩ 이하로 산출된다. 알루미늄의 증착막은, 통상, 벌크의 값(2.75μΩ㎝)의 2.2배 내지 2.7배 정도로 되므로, 6.6μΩ㎝는, 2.4배에 상당하는 값이 되고, 타당하다고 생각된다.
또, 베이스 내 단자(3)가 접속 단자(4)에 6개 직접 접속하는 구조에 의해, R1과 R2와 R3의 합계로 이루어지는 배선 저항치도 충분히 낮게 억제되어 있다. 따라서, 표 5의 합계치의 란에서는, 실시예 1의 합계는, 5.2mΩ이며, 알루미늄 래미네이트 패키지의 합계치인 13.6mΩ와 동등한 값으로 되어 있다.
(비교예 2)
상기의 접속 저항치를, 도전성 접착제를 이용한 접속 수단에 의한 경우의 접속 저항치와 비교하는 목적으로, 실시예 1과 동일한 베이스(1)와 알루미늄의 박판을 도전성 접착제를 이용하여 접속하고, 접속 저항치를 구했다. 도전성 접착제의 주된 도전성 필러는, 그래파이트와 카본이다. 표 6에 결과를 나타냈다.
Figure pat00006
도전성 접착제(D1, D2)는, 활성탄과 카본과 폴리테트라플루오로에틸렌 분말을 혼련하여 시트형상으로 한 전극을 알루미늄이나 스테인리스에 접착하는 경우에 관용되는 것이다. 또, D3는, 도전 도료이며, 알루미늄이나 스테인리스에 뛰어난 젖음성으로 도포할 수 있는 것이다. 접속 면적은 약 4㎟, 경화 온도는 150℃에서 30분으로 했다.
접속 저항치는, D3을 이용한 경우에도 9.4Ω이며, D1과 D2에서는 10Ω를 초과한 값이었다. 이러한 값으로는 충방전에 의해 대폭적인 전압 강하를 일으키므로, 본 발명이 목적으로 하는 대전류 방전에는 부적당하다. 실시예 1의 접속 저항치는, 상기와 같이 1mΩ 이하였기 때문에, 비교예 2의 경우와 비교하여 3자릿수나 낮은 수치를 달성하고 있다. 표 6에는, 단위면적당(1㎠)으로 환산한 접속 저항치가 기재되어 있지만, 접속 면적이 1㎠로 확대되어도 300mΩ 이상이며, 접속 저항치로서는 너무 큰 값이다. 도전성 접착제를 이용한 접속은, 본 발명이 목적으로 하는 소형의 외장 용기를 이용한 전기 화학 셀에는 부적당하다. 즉, 종래 방법인 도전성 접착제를 이용하여 셀 리드와 패드막을 접속한 전기 화학 셀에 비해, 셀 리드와 패드막을 용접에 의해 접속한 본원 발명에 관련된 전기 화학 셀의 접속 저항치는 매우 낮은 값이 되는 것을 알 수 있다.
계속해서, 실시예 1에서 작성한 샘플의 리플로우 처리에 있어서의 열의 영향을 검토했다. 본 샘플을 최고 온도 270℃가 수 초 인가되는 리플로우 장치로 리플로우 처리한 후, 외장 용기 외관을 광학 현미경으로 면밀하게 관찰했다. 베이스(1)에 크랙의 발생은 일절 확인되지 않았다. 또, 베이스(1)와 덮개(6)의 저항 심 용접부는 물론, 베이스 하측면의 관통 전극 개구부 근방에 있어서도 전해질의 누액은 없었다.
또한, 셀 리드(8)와 패드막(2)을 초음파 용접하는 조건으로, 동일 부재를 별도 용접하여, 접합 계면의 단면을 광학 현미경으로 관찰했다. 셀 리드(8)와 패드막(2)를 초음파 용접한 샘플을, 수지에 묻어 고형화한 후, 한 방향으로부터 서서히 연마를 행하고 면밀하게 관찰했다. 이 결과, 셀 리드(8)의 단면에는, 초음파 용접 팁의 요철이 전사되어, 팁의 볼록부가 침투한 근방은, 패드막을 이루는 알루미늄막에 접합되어 있는 것이 관찰되었다. 또, 팁의 오목부에 맞닿은 근방은, 알루미늄막의 패드와는 수㎛의 간극이 관찰되었다. 즉, 초음파 용접 팁의 요철에 대응한 접합 포인트에서 셀 리드(8)와 패드막(2)이 접합한 형태였다. 그리고, 패드막(2)의 하면에 닿는 세라믹스의 단면에는, 베이스 내 단자(3)가 형성된 근방을 포함하여 크랙의 발생은 확인되지 않았다.
이상으로부터, 베이스의 내측면으로부터 외측면으로 직접 접속하는 베이스 내 단자의 배치에 의해 배선 저항치를 낮게 억제하는 구조를 채용하고, 셀 리드(8)와 패드막(2)을 초음파 용접에 의해 접속시키는 구조로 했기 때문에, 접속 저항치도 충분히 낮고, 대전류 방전 용도의 전기 화학 디바이스를 실현하는 것이 가능해졌다. 그리고, 적절한 용접 조건을 설정함으로써, 베이스에 손상을 주지 않고 용접할 수 있으므로, 신뢰성이 뛰어난 전기 화학 셀을 제작 가능하다.
(실시예 2)
셀 리드(8)와 패드막(2)을 접합시키는 공정을, YAG 레이저에 의한 스폿 용접에 의해 실시했다. 또한, 질소를 내뿜음으로써 용접시의 접합부의 산화를 방지했다.
알루미늄의 세판은 두께가. 80㎛이고, 폭이. 2㎜(실시예 1에서 셀 리드(8)에 이용한 것과 동일)이다. 세라믹제의 오목형상 용기는, 실시예 1과는 달리, 변형예 2에서 설명한 도 4(c)에 나타내는 구조와 같은 구조이며, 베이스의 도중까지 관통하는 베이스 내 단자는 6개 설치되어 있다. 베이스의 저면의 두께는, 실시예 1보다 얇은 0.3㎜이며, 베이스 내측면에 알루미늄을 증착법으로 약 25㎛의 두께로 형성하고 있다. 패드막의 치수는, 3㎜×1.3㎜의 직사각형형상이다.
용접은 다음과 같이 행했다. 우선 알루미늄막에 셀 리드(8)를 충분히 밀착시켰다. 계속해서, 밀착을 유지하도록 리드(8)의 선단부의 네 모서리의 위치를 기계적으로 누른 후, YAG 레이저로 2개소를 스폿 용접했다. 여기서 용접 조건은, 피크 출력이 300W이고 펄스 폭은 1msec로 한, 즉, 1펄스의 에너지는 0.3J이다.
이와 같이 하여 셀 리드를 접속한 샘플의 배선 저항치와 접속 저항치의 합계치를 측정했다. 측정은, 베이스 저면에 얇은 동제 리드를 납땜한 후, 셀 리드와 동제의 리드간을 상술한 저항계를 이용하여 측정했다. 합계치로부터 셀 리드와 동제의 리드의 배선 저항치분을 공제한 저항치(접속 저항치와 베이스의 배선 저항치의 합)는, 약 38 내지 40mΩ의 범위였다. 동일한 샘플을, 실시예 1과 같은 초음파 용접 장치(단, 초음파 용접용 팁(9)을 교환하고, 용접 영역이 2.0×0.5㎜인 영역에서 용접했다)를 이용하여 용접한 경우의 상기의 저항치(접속 저항치와 베이스의 배선 저항치의 합)도 거의 같은 범위였다. 이로 인해, 레이저 용접한 경우의 접속 저항치는, 초음파 용접한 경우의 그것과 거의 같다고 추측된다.
본 샘플과는 별도로, 동일한 용접 조건으로 레이저 용접한 개소의 단면 관찰을 실시했다. 광학 현미경에 의한 단면 관찰에 의하면, 알루미늄의 셀 리드(8)와 하측의 알루미늄 증착막으로 이루어지는 패드막(2)의 접속 개소는, 약 120㎛의 직경으로 이루어지는 영역에서 접속되어 있었다. 또, 본 접속 영역의 주변의 세라믹스에는 크랙 등의 손상은 확인되지 않았다. 이로 인해, 용접 수단으로서 레이저를 이용한 방법도 가능하다.
(실시예 3)
실시예 1, 2 모두 베이스의 재료는 세라믹스였다. 본 실시예에서는, 베이스의 재료가 유리인 경우에 대해서 설명한다. 소다 라임 유리(두께 약 1.3㎜)의 표면(한쪽 면)에, 이온 플래팅법에 따라 알루미늄막을 성막했다. 두께는 5㎛로 했다. 이 알루미늄 표면에, 초음파 용접을 이용하여, 두께가 80㎛이고 폭이 2㎜인 알루미늄의 세판(실시예 1에서 셀 리드(8)에 이용한 것과 동일하다)를 용접했다. 초음파 용접은 발진 주파수는 62.5KHz로 했다. 초음파 용접 팁의 선단의 면적은, 장변이 2㎜이고 단변은 0.5㎜이며, 선단의 표면에는, 하운드투스 체크형상의 요철이 가공되어 있다.
본 용접 조건에 있어서 알루미늄의 세판은 알루미늄막에 확실히 용접되고, 한편, 소다라임 유리에 크랙을 유발하는 일은 없었다. 초음파 용접에 의한 2개의 알루미늄의 세판간의 배선 저항치와 접속 저항치의 합계치를 측정한 후, 배선 저항치분을 공제하여, 접속 저항치를 산출했다. 이 때, 이온 플래팅 성막에 의한 알루미늄막의 저항율을 3.8μΩ㎝로 하면, 접속 저항치는 1mΩ 이하로 산출되었다.
따라서, 베이스 재료는 세라믹스에 한정되지 않고 소다라임 유리와 같은 취성 재료여도 가능하다. 소다 라임 유리나 내열 유리에 베이스 내 단자를 형성하는 기술은 상술과 같이 공지이므로, 본 발명의 패드막과 조합함으로써, 대전류 용도의 전기 화학 셀의 베이스 재료에 이용하는 것이 가능하다.
(실시예 4)
본 실시예에서 이용한 세라믹스 재료는, 항절 강도가 350㎫이고 영률이 280GPa이며, 전자 부품의 패키지로서 표준적인 것이다. 두께가 0.3㎜인 세라믹스로 이루어지는 판에, 내경이 0.3㎜인 베이스 내 단자를 피치 0.5㎜로 XY 방향으로 다수개 설치한 샘플을 준비했다. 베이스 내 단자의 개구면에는, 이들 베이스 내 단자를 서로 접속하도록 베타형상의 텅스텐의 패턴을 표면, 이면 모두에 설치했다. 텅스텐의 두께는 10㎛이며, 표면은 니켈과 금의 도금이 실시되어 있다. 셀 리드로서, 판두께가 80㎛이고 폭이 2㎜인 알루미늄의 세판을, 도금된 텅스텐의 표면에 위치 결정하고, 초음파 용접에 의해 용접했다. 초음파 용접기와 초음파 용접 팁은, 실시예 3과 동일하다.
상기 용접 조건으로 용접한 샘플의 용접 단면의 관측을 실시예 1과 같이 행했다. 다수개 배열한 관통 구멍의 개구부 근방을 광학 현미경으로 열심히 관찰했지만, 세라믹에 크랙은 관찰되지 않았다. 즉, 음극용 집전체측은, 알루미늄의 패드막을 설치하지 않는 설계로 해도, 양극의 동일한 용접 수단을 적용할 수 있다. 이로 인해, 양극과 음극에서 다른 용접 수단을 준비할 필요는 없고, 제조 상 편리하다.
전기 화학 셀로서 안정되게 기능하기 위해서는, 상술과 같이, 베이스의 내측면에 형성되는 양극용의 집전체에는 알루미늄과 같은 판금속의 코트가 필요하지만, 음극용의 집전체에는 반드시 필요한 것은 아니다. 상술한 알루미늄의 패드막은, 최저한, 양극용의 집전체에만 설치되어 있으면 된다. 이 때, 음극용의 집전체는, 베이스 내 단자를 형성할 때에 이용하는 텅스텐막이며 그 표면을 니켈과 금의 도금을 실시한 막이 형성되어 있다.
셀 리드(8)와 패드막(2)을 접속하는 상술한 용접이, 또 한쪽의 셀 리드(8)와 텅스텐막의 접속에도 적용할 수 있으면, 제조상 편리하다.
(실시예 5)
상술한 실시예 1 내지 실시예 4에서 나타낸 셀 리드(8)는 모두 알루미늄이었다. 실시예 5에서는 셀 리드(8)의 재질이 니켈인 경우를 나타낸다. 니켈제의 리드는, 리튬 이온 이차전지의 음극용의 리드로서 관용되고 있다. 예를 들면, 니켈 리드는 동박으로 이루어지는 음극 집전체에 접속된 후, 또 한쪽의 단부를 외장 용기의 내부에서 패드막에 접속한다.
실시예 1과 같은 재질로 이루어지는 두께 0.5㎜의 세라믹제의 판에, 두께 5㎛의 알루미늄을 증착하여 패드막을 형성했다. 폭이 6㎜이고 두께가 100㎛로 이루어지는 니켈제의 리드를 배치하여 초음파 용접을 행했다. 초음파 용접용 팁의 표면에는, 4㎜×3㎜의 영역에, 0.7㎜ 피치의 하운드투스 체크형상의 요철 패턴을 설치했다. 그 산과 골의 바닥의 차는 0.30㎜이다. 본 팁을 니켈 리드의 표면에 밀착시켰다. 용접의 모드는, 용접 시간을 지정하는 방식으로 하고, 정용접 시간은 0.15초로 했다. 에어의 압력은 0.1㎫, 용접 에너지는 22.1줄, 용접 진폭은 약 13㎛의 조건으로, 충분한 용접 강도의 용접이 가능했다.
접합한 부재를 상술과 같이 수지에 묻은 후에 연마를 행하고, 접합부의 단면 관찰을 실시했다. 상세한 관찰을 행했지만, 세라믹부에 크랙의 존재는 없었다. 따라서, 셀 리드에 니켈제의 리드를 이용한 경우도 본 발명의 구조를 갖는 전기 화학 셀을 구성하는 것이 가능해진다.
또한, 리튬 이온 이차 전지의 음극용으로서 니켈 리드를 접속한 알루미늄으로 이루어지는 패드막은, 전해액에 노출되지 않도록 절연성의 도료로 피복하는 것이 바람직하다.
(실시예 6)
본 실시예에서는, 셀 리드(8)는 동박인 경우를 나타낸다. 실시예 5와 동일한 세라믹스판을 준비했다. 5㎛의 막두께로 형성된 알루미늄의 패드막 상에 폭이 6㎜이고 두께가 20㎛로 이루어지는 동박을 5매 포개어 배치했다. 실시예 5와 동일한 초음파 용접용 팁을 이용했다. 동박의 표면에 초음파 용접 팁을 밀착시켜 용접했다. 용접의 조건은, 실시예 5와 동일하게 했다. 즉, 용접의 모드는, 용접 시간을 지정하는 방식으로 하고, 정용접 시간은 0.15초, 에어의 압력은 0.1㎫, 용접 에너지는 22.1줄, 용접 진폭은 약 13㎛의 조건으로 했다. 이 조건으로 충분한 용접 강도의 용접이 가능하고, 동박이 벗겨지는 일은 없었다.
접합한 부재를 상술과 같이 수지에 묻은 후에 연마를 행하고, 접합부의 단면 관찰을 실시했다. 상세한 관찰을 행했지만, 세라믹부에 크랙의 존재는 없었다. 따라서, 셀 리드에 동박의 리드를 이용한 경우도 본 발명의 구조를 갖는 전기 화학 셀을 구성하는 것이 가능해진다.
또한, 동박이 리튬 이온 이차 전지의 음극용의 집전체인 경우는, 상기 동박을 접속한 알루미늄으로 이루어지는 패드막은, 전해액에 노출되지 않도록 절연성의 도료로 피복하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 본 명세서에 기술된 변형예나 실시예로 한정되지 않고, 발명의 요지를 일탈하지 않고 그 외 여러 가지의 구성을 취할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들면, 청구항에서 한정하지 않는 한, 덮개는 금속으로 한정되지 않고, 세라믹, 유리, 수지 등을 이용하는 것이 가능하고, 재료에 따라서 여러가지 봉지의 수단이 가능하다.
또, 도 6이나 도 7에 나타낸 전기 화학 셀은, 베이스의 저면이 기판에 수평하게 부착되는 것에 한정되지 않고, 전기 화학 셀의 치수에 따라서, 실장 방향을 결정하면 된다. 예를 들면, 덮개(6a)의 높이 치수가 클 때는, 전기 화학 셀을 기판에 수평하게 부착할 수도 있다. 그러기 위해서는, 베이스에 설치되는 접속 단자의 패턴을 약간 변경하여 대응할 수 있다.
1:베이스
1a:베이스 내측면
1b:베이스 외측면
1c:베이스 측면
1d:베이스 저면 구성판
1e:베이스 저면 구성판
1f:베이스 측벽 내측면
2:패드막
3:베이스 내 단자
4:접속 단자
4b:연장 설치부
5:접합 금속 부재
6:덮개
6a:캐비티형 덮개
6b:봉지 마개
7:셀
8:셀 리드
8a:셀 리드와 패드막의 용접 영역
8b:양극의 셀 리드
8c:음극의 셀 리드
9:초음파 용접용 팁
9a:팁 선단
10, 10a, 10b:배선 패턴
11:보호막
12:금속 측벽

Claims (21)

  1. 베이스와 덮개로 이루어지는 외장 용기와, 상기 외장 용기 중에 수납되는 셀과, 전해질로 이루어지는 전기 화학 셀로서,
    상기 셀의 연장부인 복수의 셀 리드와,
    상기 베이스의 내측면에 형성된 밸브 금속으로 이루어지는 패드막과,
    상기 베이스의 외측면에 설치되고, 상기 패드막과 전기적으로 접속된 접속 단자를 가지며,
    적어도 하나의 상기 셀 리드가, 용접에 의해 상기 패드막과 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 패드막의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 패드막의 두께는 10㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패드막은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접이 초음파 용접 또는 빔 용접인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스가 세라믹 또는 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 리드가 알루미늄, 니켈 또는 동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 리드 중, 양극 및 음극의 상기 셀 리드 모두 상기 패드막에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    음극의 상기 셀 리드는, 상기 덮개와 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패드막과 상기 접속 단자는, 상기 베이스 내부에 매설된 베이스 내 단자를 통해 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  11. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외장 용기는, 오목형상의 상기 베이스와 판형상의 덮개가, 직접 또는 접합 금속 부재를 개재하여 봉구된 것임을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 베이스는, 상기 외장 용기의 외측의 층인 제1 베이스와 내측의 층인 제2 베이스로 구성되고,
    상기 베이스 내 단자는 상기 제2 베이스를 관통하고,
    상기 접속 단자는, 상기 베이스의 외측면으로부터 상기 제1 베이스와 상기 제2 베이스의 경계면에 연장 설치되고, 상기 베이스 내 단자와 접속하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  13. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패드막은, 상기 베이스의 내측면에 연장 설치된 배선 패턴을 개재하여, 상기 접속 단자와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 배선 패턴은 전해질에 노출되지 않도록 보호막으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  15. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스는 평판형상이며, 상기 덮개는 오목형상인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 베이스 또는 상기 덮개는 작은 구멍을 가지며, 상기 작은 구멍은 봉지 마개로 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 베이스 부재는 상기 접합 부재와 접하는 면에 스텝을 가지며, 상기 스텝에 상기 접합 부재가 끼워 넣어져 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  18. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 부재와 상기 덮개는 평판형상이며, 금속 측벽을 개재하여 봉구되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  19. 청구항 18에 있어서,
    양극의 상기 셀 리드는, 상기 금속 측벽에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  20. 외장 용기를 구성하는 베이스의 내측면에 패드막을 형성하는 패드막 형성 공정과,
    셀 리드와 상기 패드막을 용접으로 접속하는 셀 리드/패드막 용접 공정과,
    셀을 베이스에 수납하는 공정과,
    전해질을 충전하는 공정과,
    덮개를 베이스에 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀의 제조 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 셀 리드와 상기 패드막의 용접 공정은, 초음파 용접 또는 빔 용접을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀의 제조 방법.
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