JP4892180B2 - 電気化学セル、その製造方法およびその外観検査方法 - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学セルに関するものである。
非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学セルは、高エネルギー密度、軽量、小型といった特徴があり、携帯機器の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等として用いられてきた。これらの携帯機器は、小型化、軽量化、高機能化する必要があり、更なる電気化学セルの高密度実装が求められている。
また、電気化学セルを回路基板に実装する際にリフローハンダ付け法が一般的に用いられるようになっている。リフローハンダ付け法は、回路基板のハンダ付けをする部分にハンダクリームを塗布後その上に電気化学セルを載置して、回路基板ごと200〜260℃の高温の炉内を通過させることによりハンダ付けを行う方法である。リフローハンダ付けに耐えられるよう、電気化学セルに高い耐熱性が求められている。
電極と電解液を包含した容器に蓋を溶接して封止する電気化学セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。この電気化学セルは、容器と蓋を抵抗溶接などにより接合するため封止強度が高く耐熱性に優れている。従来のコイン型電気化学セルと異なり、かしめ封止ではなく、溶接封止する電気化学セルは任意の形状とすることができるので実装面積を有効に活用でき、かつ気密性に優れている。
特開２００１−２１６９５２号公報（第２〜4頁、第１図）
従来、電気化学セルの漏液の有無を検査するのに時間とコストがかかっていた。
蓋と容器を溶接して封止を行っているが、溶接が不完全であれば電解液が漏れ出すため電気化学セルの外観検査を行い漏液の有無を確認する必要がある。
しかし、従来の電気化学セルは容器と蓋の外周が同じであったため、漏液の外観検査を電気化学セルの側面から行う必要があり、４つの側面を観察しなければならずコスト高となっていた。
本発明は漏液の検査が容易にできる電気化学セルの提供を目的とする。
本発明は、電極と電解液を包含した容器に蓋を溶接して封止する電気化学セルにおいて、蓋の外周を、前記容器の外周より小さくしたものである。
本発明の電気化学セルは、正極と負極と電解液とを包容する容器と、前記容器を封止する蓋とを備え、前記容器と前記蓋は接合材により接合され、前記蓋の外周は、前記容器の外周より小さくしたものである。
本発明の電気化学セルの製造方法は、電極と電解液を包容した容器に、前記容器より外周が小さい蓋を接合する工程と、前記容器と前記蓋からなる電気化学セルを加熱する工程と、前記電気化学セルを冷却する工程と、前記電気化学セルを前記蓋の上方向から外観検査する工程とからなる。
従来の蓋と容器が同じ大きさの電気化学セルは４側面を検査する必要があり時間とコストが多く必要だったが、本発明の電気化学セルは漏液検査の際に電気化学セルの上面から観察するだけでよい。
また、前記容器と前記蓋の間に金属リングを備えた構成のものでも、容器、金属リング、蓋の順に外周を小さくすれば漏液観察は蓋上方向だけとすることができる。
本発明の電気化学セルは、漏液観察する面を蓋上方向だけとすることにより接合不良品を容易に判定することができ、低コストの電気化学セルを提供することができる。
本発明の電気化学セルは、蓋の外周を容器の外周より小さくしたものである。
本発明の代表的な構造として図１を用いて説明する。容器１内に正極３と負極２をセパレータ４により隔離し、電解液１２を注入後、接合材５を介して容器１と蓋６を接合する。接合材５は電気メッキ、圧着、塗布、印刷、蒸着などの手段によりあらかじめ容器側に形成しても、蓋側に形成してもよいし、容器と蓋の両方に設けても良い。また接合面積と合うように事前に成型し、容器１と蓋６の間に挟んでもよい。また蓋６の一部分、片面全面、両面全面に形成してもよく、容器１上面の一部分、もしくは全面に形成してもよい。
容器１と蓋６の接合面に電解液や不純物などの付着、容器１と蓋６の位置ずれ、接合材５に生じた空孔などが、容器１と蓋６の接合不良の原因となる。容器１内に注入した電解液１２は、接合不良部分を通り容器外に漏液し、電気化学セルの容量低下や内部抵抗上昇の原因となる。場合によっては、電気化学セルが実装された回路基板に電解液が付着して腐食を生じ、回路基板自体の損傷の原因となる。
寸法Ａだけ、蓋６を容器１より小さく作製した。蓋６の外周を、容器１の外周より小さくすることで、電気化学セルの上面（蓋６方向）から観察するだけで漏液の有無を確認できる。４側面を検査する必要がないので、短時間で検査が終了しコストが安くなる。
また図２に示すように、容器１と蓋６の間に金属リング１０を設けると、加熱接合時の熱を容器１に伝えにくくし、容器１のクラックや溶融を防ぎ気密性が向上する。金属リング１０に、容器１や蓋６と熱膨張係数が同じものを用いればクラックの発生を防ぎ、さらに封止性が向上する。金属リングは、寸法Bだけ容器１より小さく作られている。
このような金属リング１０を設けた場合、接合箇所は２箇所となり、接合材も２箇所必要となる。１つめは容器１と金属リング１０の接合材１１。２つめは蓋６と金属リング１０の接合材５である。接合材１１と接合材５の材料は同じであっても異なってもよい。また前述と同様に接合材１１と接合材５は、容器１、金属リング１０、蓋６の一方もしくは両方にあらかじめ形成しておいてもよい。また容器１、金属リング１０、蓋６の一部分、もしくは片面や全面にあらかじめ形成してもよい。また接合材１１は金属リング１０と容器１の間、接合材５は蓋６と金属リング１０間に挟んでもよい。
金属リングを設けた場合でも、容器１の外周が一番大きく、かつ蓋６の外周が一番小さくなるように作られているので、電気化学セルの上面から外観検査をすれば漏液の有無は確認できる。金属リング１０は容器１と同じ大きさの外周で作製しても良い。
また、接合不良品は毛細管現象により容器内に入れた電解液が時間経過とともに漏れる。漏れる量は接合不良の穴の大きさにより異なり、穴が大きければ電解液は大量に漏れ、小さければ極微少量しか漏れない。極微少量でも漏液した電気化学セルは容量が小さくなるなどの不具合がある。穴が大きいものは顕微鏡などにより短時間で見つけることができるが、穴が小さいものは短時間で見つけることはできない。
容器と蓋を接合した後、加熱することで電解液の揮発を促進させることで容器内の圧力を上げ、接合不良を漏液により短時間で見つけることができる方法を見出した。
電気化学セルを加熱、その後冷却してから容器と蓋の接合部を外観検査して漏液の有無を確認する。この方法は短時間で接合部の小さい穴からでも電解液が漏れ出す。また漏れ出した電解液の溶媒は熱により揮発し白色の支持塩やゲル成分だけが残る。このため接合不良部である小さい穴の面積よりも漏液した面積が大きくなるので接合不良選別が容易となり、かつ短時間で行える。加熱の温度は使用する電解液の種類により異なるが、電解液の沸点程度が好ましい。
図１に示す非水電解質二次電池を作成した。箱型の容器１はセラミックシートを２層重ね合わせたもので、その間に正極端子８を形成した。負極端子７は容器１の底面から容器側面を通し、接合材５と電気的接触させるように形成した。容器１の大きさは５ｘ３ｘ０．９ｍｍとし、ＡｇＣｕ合金からなる接合材５を容器外壁の上面に形成した。
市販の三酸化モリブデンとグラファイトとポリアクリル酸を５０：４５：５ｗ％の割合で混ぜ、２ｔ／ｃｍ2の圧力で成型したものを正極３とした。また負極２は市販の一酸化シリコンとグラファイトとポリアクリル酸を４５：４０：１５ｗ％の割合で混ぜ、２ｔ／ｃｍ２の圧力で成型したものに図示しない金属リチウムを張りつけ作製した。
次に容器１内へ正極３、セパレータ４、負極２の順番で入れた後、電解液１２としてγ−ＢＬ：ＥＣ（１：１）にＬｉＢＦ4を１ｍｏｌ／Ｌ溶解したものを容器１内に注入した。これより一酸化シリコンと金属リチウムは電解液の存在によりリチウム含有シリコン酸化物となる。
蓋６はＦｅＮｉＣｏ合金を母材とし、容器と接合させる一部分にＡｇＣｕ合金からなる接合材５を形成させたものを用いた。蓋６の大きさは４．８ｘ２．８ｘ０．１ｍｍとし、容器１の外周より小さくした。その後、抵抗シーム溶接にて接合材５を溶融させ、箱型の非水電解質二次電池を１０００個作成しアルコールで洗浄した。
作成してから２６０℃で１０分加熱した後、蓋６の上、一方向だけから１つずつ顕微鏡で観察した。１０００個中３個、容器１と蓋６の間から漏液したものがあり不良とした。
図２に示すような電気二重層キャパシタを作成した。箱型の容器１はセラミックシートを２層重ね合わせたもので、その間に正極端子８を形成した。負極端子７は容器１の底面から容器側面を通し、接合材１１と電気的に導通させるように形成した。容器１の大きさは５ｘ３ｘ０．７ｍｍとし、ＡｇＣｕ合金からなる接合材１１を一部分に形成した。その後、ＦｅＮｉＣｏ合金からなる、外周４．８ｘ２．８ｘ０．２ｍｍの金属リング１０を接合材１１上に置き、加熱接合した。その後、接合材１1と金属リング１０の表面をＮｉメッキ、その上からＡｕメッキし接合材５とした。
市販の活性炭とグラファイトとポリテトラフルオロエチレンを９０：５：５ｗ％の割合で混ぜ、２ｔ／ｃｍ2の圧力で成型したものを正極３とした。また負極２は正極３と同じものを用いた。
次に容器１中へ正極３、セパレータ４、負極２の順番で入れた後、電解液１２としてプロピレンカーボネートに（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４を1ｍｏｌ／Ｌ溶解したものを容器１内に注入した。
蓋６はＦｅＮｉＣｏ合金を母材とし、全面に厚み２μｍのＮｉメッキを接合材５とした。蓋６の大きさは４．６ｘ２．６ｘ０．１ｍｍとし、金属リング１０の外周より小さくした。
蓋６を金属リング１０上に置き、その後、抵抗シーム溶接にて接合材５を溶融させ、箱型の電気二重層キャパシタを１０００個作成しアルコールで洗浄した。作製した電気化学セルを２６０℃で１０分間保持してから冷却し、蓋６の上から顕微鏡で観察した。１０００個中２個、金属リング１０と蓋６の間から漏液したものがあり不良とした。
次に、本発明で用いられる電気化学セルに用いる材料の例を列記する。
電池の正極活物質としては、例えばリチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有マンガン酸化物、リチウム含有チタン酸化物、三酸化モリブデン、五酸化ニオブなどがある。また負極活物質としては炭素、リチウム含有チタン酸化物、五酸化ニオブ、リチウム含有シリコン酸化物、リチウムアルミ合金など従来から知られているものを用いることができる。これら正極活物質や負極活物質の導電性を良くするためにグラファイトなどの導電助材と、フッ化ビニリデン樹脂やポリビニルアルコール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリル酸などの結着材を混合し、所定の形状に圧縮成型し正極、負極とすることができる。
電気二重層キャパシタの正極および活物質としては活性炭などが知られている。導電助剤や結着材としては電池と同様なものを用いることができる。
電解液としては特に限定されることなく従来の電池や電気二重層キャパシタに用いられているものが使用できる。例えば非水溶媒であればプロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン（γＢＬ）、スルホラン（ＳＬ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、１，２−ジメチキシエタン（ＤＭＥ）、アセトニトリル（ＡＮ）など単独、または数種類混合して用いることができる。支持塩としては（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（ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 ）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ２ ）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などの１種以上の塩を用いることができる。これら非水溶媒に支持塩を所定量溶解し、電解液として用いることができる。
またポリエチレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマー、PVDF等と上記非水溶媒、支持塩と併用し、ゲル状とした電解液も用いることができる。電解液を容器内に注入した後、接合する場合、ゲル状とした電解液は、接合面へ毛細管現象による電解液のはい上がりがなく、気密がよい接合が得られる。
容器としてはセラミック、ガラス、またエポキシなどの熱硬化性樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰなどの熱可塑性樹脂など、従来から知られているものを用いることができる。特に非水溶媒を用いた電気化学セルは水分を嫌うため、水透過性の少ない容器材料を使う必要がありセラミックを用いたものは、樹脂に比べて好ましい。
蓋の材料としてはセラミック、ガラス、またエポキシなどの熱硬化性樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰなどの熱可塑性樹脂やＦｅＮｉ合金やＦｅＮｉＣｏ合金などの金属などがある。蓋として、ＦｅＮｉＣｏ合金に接合材としてＮｉメッキしたものを用い、蓋の全周をシーム溶接行う。接合は金属リング側のＮｉメッキ−Ａｕメッキと蓋側のＮｉメッキで接合される。この方法は接合材を蓋上に安価なメッキで形成できる。また抵抗シーム溶接は小型パッケージであれば数秒で溶接できるので、容器中に入れた電解液揮発を最小限にすることができ好ましい。
接合材としては、エポキシ、アクリル、シリコンなどを主成分とした接着剤、ＡｇＣｕ合金、ＡｕＣｕ合金、ＡｕＳｎ合金、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｕＮｉなどのロウ材がある。
接着剤による接合方法は、主成分の接着剤に硬化剤などを添加した熱硬化型、紫外線硬化型、水分揮発硬化型などの方法がある。またロウ材の接合方法は、それぞれのロウ材の融点以上に加熱し、冷却させることでロウ材を硬化させ接合する。例えば図２において、容器１はセラミック、金属リング１０はセラミックと熱膨張係数が近いＦｅＮｉＣｏ合金、接合材１1はＡｇＣｕ合金を用い加熱により接合し、その後、金属リング１０表面にＮｉメッキ、その上にＡｕメッキする。これらのメッキは１度に容器１底面の負極端子７を形成することができ、実装される基板とのハンダ付け性に優れるとともに、接合材５とすることができる。
本発明の製造方法によれば、漏液観察する面を１面だけとすることにより接合不良品を容易に選別することができ、低コストで信頼性の高い電気化学セルを提供することができる。
１ 容器
２ 負極
３ 正極
４ セパレータ
５ 接合材
６ 蓋
７ 負極端子
８ 正極端子
１０ 金属リング
１１ 接合材
１２ 電解液
１３ 漏液
２ 負極
３ 正極
４ セパレータ
５ 接合材
６ 蓋
７ 負極端子
８ 正極端子
１０ 金属リング
１１ 接合材
１２ 電解液
１３ 漏液
Claims (6)
- 正極電極と、負極電極と、電解液とを包容する箱型の容器と、前記容器を封止する蓋とからなる電気化学セルであって、
前記容器と前記蓋は、金属リングを介して接合され、
前記金属リングの外周は、前記容器の縁部の外周より小さく、かつ、前記容器の縁部の内周より大きく、
前記蓋の周縁部の外周は、前記金属リングの外周より小さく、かつ、前記金属リングの内周より大きいことを特徴とする電気化学セル。 - 前記容器は、前記容器の外側底面に正極端子と負極端子を備え、
前記正極端子は、前記容器の外側底面から外側側面を通り、前記容器の側壁を貫通して前記容器の内側の底面に延設され、前記正極電極と電気的に接続され、
前記負極端子は、前記容器の外側底面から外側側面を通り、前記容器の上端面に延設され、前記金属リングおよび前記蓋を介して、前記負極電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。 - 前記容器はセラミックであることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学セル。
- 前記電解液が液体またはゲル状であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学セル。
- 箱状の容器の側壁の上端部に、前記容器の縁部の外周より小さく、かつ、前記容器の縁部の内周より大きい金属リングを接合する工程と、
前記容器に、正極電極と、負極電極と、電解液を包容する工程と、
前記金属リングの上面に、前記金属リングの外周より小さく、かつ、前記金属リングの内周より大きい周縁部を備えた蓋と、前記容器とを、前記金属リングを介して封止する工程と、
からなることを特徴とする電気化学セルの製造方法。 - 請求項１に記載の電気化学セルの外観を検査する電気化学セルの外観検査方法であって、
前記電気化学セルを加熱する工程と、
前記電気化学セルを冷却する工程と、
前記蓋と前記リングの接合部及び前記リングと前記容器との接合部での漏液の有無を、前記蓋の上方向からのみ観察して検査する工程と、
からなることを特徴とする電気化学セルの外観検査方法。
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