(57)【要約】【課題】容器と封口板との正確な位置決めが容易に行え、容器と封口板の溶接が簡単でき生産効率の向上を図ることができる電気化学素子を提供する。【解決手段】電気二重層キャパシタ１０は、上方が開放した四角箱状の容器１１を有するとともに、その容器１１に溶接されその開口部を封口する封口板１２を有している。封口板１２にて封口された容器１１内には、正極活物質１３、セパレータ１４、負極活物質１５、電解液１６等からなるキャパシタセルが配設されるようになっている。封口板１２は、上面１２ａを凹ませて下面１２ｂに凸部２２を形成した。封口板１２を容器１１に載置するとき、凸部２２はガイドとなって容器１１に対する封口板１２の位置決めを容易する。そして、容器１１と封口板１２の溶接において隙間が生じることなく十分な封止性を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方が開口した容器と、前記容器の開口部に形成した金属膜に当接し、その当接部分を、溶接して前記容器を封口する封口板とを有し、前記封口板にて封口される前記容器内に、少なくとも正極及び負極からなる対電極、セパレータ、電解質を収容した電気化学素子であって、
前記封口板に、前記容器の開口部に嵌合する凸部を突出形成したことを特徴とする電気化学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学素子において、
前記凸部は、前記封口板の上面を凹ませて、下面を突出させて形成したことを特徴とする電気化学素子。
【請求項３】
請求項２に記載の電気化学素子において、
前記凸部の突出量は、前記容器の深さに対して、４％〜２０％であることを特徴とする電気化学素子。
【請求項４】
請求項３に記載の電気化学素子において、
前記封口板に形成した凸部の面積は、前記容器の開口部の開口面積に対して、２０％以上であることを特徴とする電気化学素子。
【請求項５】
請求項４に記載の電気化学素子において、
前記凸部の平面形状は、前記容器の開口部に平面形状と相似形であることを特徴とする電気化学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学素子は、時計機能のバックアップ電源、半導体のメモリのバックアップ電源、マイクロコンピュータやＩＣメモリ等の電子装置の予備電源、ソーラ時計の電池、モータ駆動用の電源等として使用されている。さらに、近年は、電気自動車の電源やエネルギー変換・貯蔵システムの補助システム等としても注目されている。
【０００３】
半導体メモリは不揮発化、時計機能素子の低消費電力化により、電気化学素子は、容量、電流ともそれほど大きなものの必要性が減少している。むしろ、薄型化やリフローハンダ付けにより基板上への実装化の要求が強く望まれている。
【０００４】
そこで、コインまたはボタンのような丸い形状や、特許文献１に示すような四角形状の電気化学素子が提案されている。四角形状の電気化学素子は、丸い形状のものと違って、四角箱状の容器をかしめて（クリンプして）封口することができない。そのため、四角形状の電気化学素子は、四角箱状の容器の上部に封口板を載置し抵抗溶接にて封口していた。詳述すると、四角箱状の容器内に、正極及び負極からなる対電極、セパレータ、電解質等を収容した後に、封口板をその上部に載せ、抵抗溶接法を用いたシーム溶接を行っていた。
【特許文献１】特開２００１−２１６９５２号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、抵抗溶接法を用いたシーム溶接を行う場合、封止性を確保するためには封口板を、容器に対して、正確に位置決めして行わなければならなかった。しかしながら、近年の、電子デバイスの益々の小型化に伴う電気化学素子の小型化によってサイズが益々小さくなり、封口板を容器の上に位置決めするのは益々困難になってきている。
【０００６】
また、封口後の、電極間距離を確保するための、封口する際に封口板にて、正極及び負極からなる対電極、セパレータ等に適度な圧力を加えるようにしている。従って、封口板は、容器と位置合わせする際、封口前の正極及び負極からなる対電極や、セパレータ等によって持ち上げられ、容器から少し離間した位置に、即ち、浮いた状態に配置されてしまい不安定な状態にあった。その結果、封口板を容器に対して、封口板を正確な位置決めを行うことは、難しくなっていている。これは、サイズが小さくなるほど困難になり、生産効率を図る上で問題となっていた。また、押圧が不足すれば、電気化学素子の内部抵抗が上昇する原因となる。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、容器と封口板との正確な位置決めが容易に行え、容器と封口板の溶接が簡単でき生産効率の向上を図ることができる電気化学素子を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、上方が開口した容器と、前記容器の開口部に形成した金属膜に当接し、その当接部分を、溶接して前記容器を封口する封口板とを有し、前記封口板にて封口される前記容器内に、少なくとも正極及び負極からなる対電極、セパレータ、電解質を収
容した電気化学素子であって、前記封口板に、前記容器の開口部に嵌合する凸部を突出形成した。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電気化学素子において、前記凸部は、前記封口板の上面を凹ませて、下面を突出させて形成した。
請求項３の発明は、請求項２に記載の電気化学素子において、前記凸部の突出量は、前記容器の深さに対して、４％〜２０％である。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の電気化学素子において、前記封口板に形成した凸部の面積は、前記容器の開口部の開口面積に対して、２０％以上である。
請求項５の発明は、請求項４に記載の電気化学素子において、前記凸部の平面形状は、前記容器の開口部に平面形状と相似形である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、封口板に凸部を形成したため、凸部がガイドとなって容器の開口部に嵌合することから、容器の上に載置される封口板の位置決めが容易で確実となる。その結果、容器への封口板の溶接は、容易でしかも隙間を生じることなく溶接することができる。
【００１２】
しかも、凸部によって、正極、負極等に適度な圧を加えることができことから、電極間距離を適正に保つことができ、内部抵抗の低減を図ることができる。
請求項２の発明によれば、凹ませて形成したことから、封口板の剛性が上がり、溶接やリフローハンダ付け時において膨らみや変形が生じ難くなる。また、封口板の強度アップにより、封口板を薄くでき材料費の削減や軽量化を図ることができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、漏液もなく、内部抵抗のバラツキを抑えることができる。
請求項４の発明によれば、内部抵抗を小さくでき、製造バラツキを低く抑えることができる。
【００１４】
請求項５の発明によれば、容器内の対電極等に対して均一に圧を加えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の電気化学素子を電気二重層キャパシタに具体化した第１実施形態を、図１及び図２に従って説明する。
図１は、直方体形状の電気化学素子としての電気二重層キャパシタの断面図を示す。図１において、電気二重層キャパシタ１０は、上方が開放した四角箱状の容器１１を有するとともに、その容器１１に溶接されその開口部を封口する封口板１２を有している。封口板１２にて封口された容器１１内には、対電極を構成する正極活物質１３、セパレータ１４、対電極を構成する負極活物質１５、電解液１６等からなるキャパシタセルが配設されるようになっている。容器１１のサイズは、本実施形態では、３．６（縦）×５．６（横）×０．７（高さ）ｍｍとしている。容器１１の凹部のサイズは、本実施形態では、３（縦）×５（横）×０．５（深さ）ｍｍとしている。
【００１６】
容器１１は、その内底面１１ａの全面に耐電圧性の高いタングステンの層よりなる正極集電体１７が形成されているとともに、四方の側壁１１ｂの上面１１ｃにコバール（コバルト：１７、ニッケル：２９、鉄：残の比率の合金）製の金属リング１８が四角環状に形成されている。正極集電体１７の右側は、側壁１１ｂを貫通し、容器１１の底面１１ｄの右側に形成した第１外部端子Ｔ１と電気的に接続されている。一方、金属リング１８は、左側側壁１１ｂの外面に形成されたタングステンの層よりなる導電膜１９を介して、容器１１の底面１１ｄの左側に形成した第２外部端子Ｔ２と電気的に接続されている。
【００１７】
容器１１は、本実施形態では、アルミナ製であって、グリーンシートを複数枚積層し焼成して成形される。詳述すると、焼成前のグリーンシートに、正極集電体１７、導電膜１９となるタングステンを印刷するとともに、金属リング１８となるコバールを側壁１１ｂの上面１１ｃに載せて焼成することによって、容器１１に正極集電体１７、金属リング１８、導電膜１９が形成される。
【００１８】
なお、コバールからなる金属リング１８の熱膨張係数（５．２×１０−１６／℃）とアルミナ製の容器１１の熱膨張係数（６．８×１０−１６／℃）は、非常に近い値となり、熱膨張による体積変化のズレが非常に小さくなっている。
【００１９】
また、第１外部端子Ｔ１及び第２外部端子Ｔ２は、焼成された容器１１に対して、ニッケル、金メッキを施すことによって形成される。同様に、その金属リング１８の上部には、ニッケル及び金メッキにて形成された接合剤（ロウ材）２０が形成されている。
【００２０】
ここで、金属リング１８の厚さは、本実施形態では、０．１５ｍｍ、接合剤（ロウ材２０）の厚さは、本実施形態では、０．０５ｍｍとしている。従って、本実施形他では、金属リング１８及び接合剤（ロウ材）２０を含む容器１１の外壁の高さは、０．９ｍｍとなり、金属リング１８及び接合剤（ロウ材）２０を含む容器１１の凹部の深さは０．７ｍｍとなる。
【００２１】
封口板１２は、外形が直方体をなし、外周部を除く内側部分を、容器１１側に凹ませて図２（ａ）に示すように、凹部２１を形成している。上面１２ａを凹ませたことにより、図２（ｂ）に示すように、下面１２ｂに凸部２２を突出形成させている。そして、上面１２ａ側の凹部２１の平面形状はコーナー部が面取りされた四角形状になり、図２に示すように、下面１２ｂ（容器１１側に面）側の凸部２２も平面形状が、コーナー部２２ａが面取りされた四角形状となる。封口板１２は、前記金属リング１８と同じ材質のコバールで形成され、金属リング１８との熱膨張係数を同じにしている。封口板１２は、容器１１側の面全体（凸部２２も含む）にニッケルよりなる接合剤（ロウ材）２３がメッキにて形成されている。
【００２２】
封口板１２の外形のサイズは、本実施形態では、２（縦）×４（横）×０．１０（厚さ）ｍｍとしている。また、凸部２２の縦・横の寸法は、本実施形他では、容器１１の凹部の縦・横の寸法より、それぞれ０．０５ｍｍ短い寸法であって、２．９５（縦）×４．９５（横）ｍｍとしている。また、四角形状の凸部２２の面取りしたコーナー部２２ａの半径は０．５ｍｍとした。又、凸部２２の下面１２ｂからの突出量は、本実施形態では、０．０２〜０．１０ｍｍとした。
【００２３】
従って、凸部２２を容器１１の開口部に向けて封口板１２を、容器１１を封口するとき、凸部２２が、容器１１の開口部内に嵌合し、凸部２２の外周部に位置する封口板１２の下面１２ｂが、側壁１１ｂの上面１１ｃ（接合剤２０）に当接する。従って、凸部２２が容器１１の開口部内に嵌合することによって、封口板１２は、容器１１に対して位置決めされ保持された状態となる。つまり、封口板１２は、凸部２２がガイドになって容器１１に位置決め載置され、しかも、載置された後は、凸部２２が容器１１の開口部内に嵌合することから容易にその位置からズレない。
【００２４】
正極集電体１７の上面には正極活物質１３が配置されている。正極活物質１３は炭素を含有する導電性接着剤２４を介して正極集電体１７と接着し、該正極集電体１７と電気的に接続されている。正極活物質１３は、本実施形態では、活性炭シートを使用し、サイズを２（縦）×４（横）×０．２５（厚さ）ｍｍとしている。
【００２５】
正極活物質１３の上側には、厚さ０．２ｍｍのセパレータ１４が配置されるとともに、容器１１内に電解液１６が注入される。セパレータ１４は、耐熱性の不織布であることが好ましい。つまり、ロール圧延したポーラスフィルム等のセパレータにおいては、耐熱性があるものの、抵抗溶接法を利用したシーム溶接時の熱で圧延方向に縮んでしまい、内部ショートを起こし易いため好ましくない。耐熱性のある樹脂又はガラス繊維を用いたセパレータの場合、縮みが少なく良好であった。樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が良好であった。特に、ガラス繊維が有効である。また、セパレータ１４を、セラミックスの多孔質体で成形しても良い。
【００２６】
また、電解液１６は、本実施形態では、プロピレンカーボネイト（ＰＣ）に（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４を１ｍｏｌ／Ｌ加えた電解液であって、５マイクロリットル注入した。
そのセパレータ１４の上側には、負極活物質１５が配置されている。具体的には、負極活物質１５は、予め封口板１２の凸部２２の平面２２ｂ（接合剤２０）に対して、導電性接着剤２５を介して、接着されている。そのため、本実施形態では、封口板１２の凸部２２を容器１１の開口部に嵌合させることにより、負極活物質１５は、セパレータ１４の上側に配置されるようになっている。負極活物質１５は、本実施形態では、正極活物質１３と同様に、活性炭シートを使用し、サイズを２（縦）×４（横）×０．２５（厚さ）ｍｍとしている。
【００２７】
そして、封口板１２を容器１１に載せると、凸部２２が容器１１の開口部内に嵌合して、封口板１２は容器１１に対して位置決めされ保持された状態となる。この状態から、封口板１２を容器１１側に押圧して、凸部２２の外周部の封口板１２の下面１２ｂと、側壁１１ｂの上面１１ｃ（接合剤２０）に当接させる。このとき、容器１１内に収容された正極活物質１３、セパレータ１４、負極活物質１５は、適度の圧力により、内部抵抗が軽減される。
【００２８】
そして、凸部２２の外周部の封口板１２の下面１２ｂと、側壁１１ｂの上面１１ｃ（接合剤２０）に当接させた状態で、封口板１２は、容器１１に対して溶接され、容器１１を封口する。溶接は、本実施形態では、抵抗溶接の原理を利用したパラレルシーム溶接機を使用し、封口板１２の向かい合う２辺を、それぞれ同時に溶接を行う。そして、溶接により、金属リング１８は、封口板１２の接合剤（ロウ材）２３と接合し、同接合剤（ロウ材）２３及び接着剤２５を介して負極活物質１５と電気的に接続される。この結果、負極活物質１５は、導電膜１９を介して、第２外部端子Ｔ２と電気的に接続されることになる。
【００２９】
そして、容器１１と封口板１２を溶接して製造された電気二重層キャパシタ１０は、電子機器の基板に表面実装される。表面実装は、リフローハンダ付けで行われる。例えば、２００〜２６０℃に設定された高温雰囲気の炉内を、電気二重層キャパシタ１０を搭載した基板を通過させ、ハンダを溶融させて、第１外部端子Ｔ１及び第２外部端子Ｔ２がハンダ付けされ、電気二重層キャパシタ１０は基板に実装される。
【００３０】
次に、本実施形態のものも含み各種条件の電気二重層キャパシタを、１００個１組として複数組作製し、それぞれを、最高温度２６０℃のリフローハンダ付けを用の炉内を通過させて加熱し、漏液の有無と内部抵抗の測定を１ｋＨｚの交流法にて実施した。その後、７０℃、２．６Ｖの電圧を印加した状態で、４０日保管して内部抵抗の変化を測定し、どの程度、電気二重層キャパシタが劣化するか調べた。その結果を、表に１に示す。尚、一般に、７０℃、１０日の保存は、１年に相当すると考えらえている。
【００３１】
【表１】
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表１で示した封口板の凹み量は、凸部２２の下面１２ｂからの突出量に相当する。そして、容器１１の凹部の深さは０．７ｍｍに対する封口板の凹み量の割合を％で示した。
【００３２】
表１から明らかなように、リフロー加熱後の内部抵抗は、凹み量が大きいほど若干低くなる傾向はあるが、大きな差はない。
比較例１，２において、漏液が発生しているのは、凸部２２の段差（突出量）が小さく、位置決めとしてのガイドが十分でなく溶接時に位置ズレを起こし、漏液してしまったと考えられる。
【００３３】
比較例３において、凹み量が大きいにもかかわらず内部抵抗が大きくなっている。これは、封口板に設けた凹み量（凸部２２の突出量）が大きすぎて、電気二重層キャパシタの内容積を圧迫したためと考えられる。また、封口板に設けた凹み（凸部２２）が、中に入れた電極（正極活物質１３及び負極活物質１５）や電解液１６を外に押し出しことになり、電解液不足に陥ったものと考えられる。また、漏液は、電極（正極活物質１３及び負極活物質１５）の一部が溶接部分からはみ出し、溶接が十分でなくなり発生したものと考えられる。
【００３４】
この結果から、封口板１２に設けた凹みは、凹状の容器１１の凹部の深さに対して４％以上２０％以下が好ましいことがわかる。
７０℃、２．６Ｖの電圧を印加し続けて４０日経過後の内部抵抗は、凹み量が、０．０３ｍｍ以上の実施例１〜４において、凹み量が大きいほど低くバラツキも小さく良好な結果を示した。
【００３５】
一方、凹み量のない、或いは、小さい比較例１，２は、凹みによる圧が小さく、正極（正極活物質１３）、負極（負極活物質１５）に適度な圧を加えて、電極間距離を適正の保つことができなかったためと考えられる。ただし、凹み量が大きすぎる比較例３においては、内部抵抗が高めでバラツキも大きい。
【００３６】
次に、封口板以外は、前記実施例１〜４と同様として、実施例５〜８と比較例４をおこ
なった。封口板１２に設けた凹みの形状（凸部２２の平面２２ｂ形状に相当）は、上面１２ａからみた開口部内側の四角形と相似形とし、開口部内側の四角形の面積に対して、１０％〜９０％まで変化させた。尚、凹みの量は０．０５ｍｍとした。
【００３７】
そして、各種条件の電気二重層キャパシタを、１００個１組として複数組作製し、最高温度２６０℃のリフローハンダ付けを用の炉内を通過させて加熱した。その後、７０℃、２．６Ｖの電圧を印加した状態で、４０日保管して内部抵抗の変化を測定し、どの程度、電気二重層キャパシタが劣化するか調べた。その結果を、表に２に示す。
【００３８】
【表２】
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７０℃、２．６Ｖの電圧を印加した状態で、４０日保管して内部抵抗は、開口部内側の四角形の面積に対する凹みの面積（平面２２ｂの面積に相当）の割合が２０％以上である実施例５〜８においては、凹み面積が大きいほど低くバラツキも小さく良好な結果を示した。凹み面積の小さい比較例４は、実効的に圧を加え電極（負極活物質１５）と接している面積が小さくなり、内部抵抗が上がったものと考えられる。
【００３９】
次に、上記のように構成した本実施形態の効果を以下に記載する。
（１）本実施形態では、封口板１２を凹ませて下面１２ｂに凸部２２を形成したため、凸部２２がガイドとなって容器１１に対する封口板１２の位置決めは容易となり、容器１１と封口板１２の溶接において隙間が生じることなく十分な封止性を得ることができる。（２）本実施形態では、凸部２２により、封口後に、正極、負極に適度な圧を加えて、電極間距離を適正に保つことができ、電気二重層キャパシタ１０の電気的特性の安定化を図ることができる。特に、重要な特性となる内部抵抗のバラツキを小さくすることができ、作成するにあたって歩留まりが高く生産性の高いものとなる。
【００４０】
しかも、凸部２２の平面形状を、容器１１の開口部に平面形状と相似形にしたので、容器１１内の負極活物質１５等をより均一に圧を加えることができ、内部抵抗のバラツキをより小さくすることができる。
（３）本実施形態では、封口板１２を凹ませて凸部２２を形成することにより、封口板１２の剛性が上がり、溶接やリフローハンダ付け時において膨らみや変形が生じ難くなる。これにより、実装基板や他の部品に対して悪影響を与えることや、膨らみによる電極間距離が広がり、内部抵抗が増大するといった問題を解消させることができる。また、封口板
１２の強度アップにより、封口板１２を薄くでき材料費の削減や軽量化を図ることができる。
（３）本実施形態では、凸部２２の突出量を、容器１１の深さに対して、４％〜２０％にしたことにより、漏液もなく、内部抵抗のバラツキを抑えることができる。
（４）本実施形態では、封口板１２に形成した凸部２２の面積は、容器１１の開口部の開口面積に対して、２０％以上にしたことにより、内部抵抗を小さくでき、製造バラツキを低く抑えることができる。
【００４１】
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、封口板１２を凹ませて下面１２ｂに形成した四角形状の凸部２２は、１つであった。これを、図３及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、凹みを２個形成し、封口板１２の下面１２ｂに四角形状の凸部２２を、２つ設けて実施してもよい。これによれば、さらに封口板１２の強度アップを図ることができる。
【００４２】
・上記実施形態では、下面１２ｂに形成した凸部２２であったが、図５（ａ）（ｂ）に示すように、封口板１２の上面１２ａを十字形状に凹ませて、封口板１２の下面１２ｂに十字形状の凸部２２を形成して実施してもよい。この場合にも、封口板１２の強度アップを図ることができる。さらに、図６（ａ）（ｂ）に示すように、封口板１２の上面１２ａを「×印」形状（クロス形状）に凹ませて、封口板１２の下面１２ｂに「×印」形状の凸部２２を形成して実施してもよい。この場合、さらに、封口板１２の強度アップを図ることができる。
【００４３】
・上記実施形態では、封口板１２の上面１２ａを凹ませて下面１２ｂに四角形状の凸部２２を形成したが、封口板１２を凹ませないで、下面１２ｂの四角形状の凸部２２に相当する領域に、例えば、ホトリソによって成膜を施してその下面に１２ｂに積層した膜によって凸部２２としてもよい。
【００４４】
・上記実施形態では、電気二重層キャパシタ１０は、直方体であったが、特に容器及び封口板の形状は限定されず、コイン形又はボタン形の電気二重層キャパシタ１０、即ち、円板状の封口板にも応用してもよい。
【００４５】
・上記実施形態では、電気化学素子として電気二重層キャパシタ１０に具体化したが、非水電解質電池に応用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態の電気二重層キャパシタの断面図。
【図２】封口板を説明するための説明図であって、（ａ）は封口板を上側からみた斜視図、（ｂ）は封口板を下側からみた斜視図。
【図３】封口板の別例を説明するための電気二重層キャパシタの断面図。
【図４】同じく封口板を説明する説明図であって、（ａ）は封口板を上側からみた斜視図、（ｂ）は封口板を下側からみた斜視図。
【図５】封口板の別例を説明するための説明図であって、（ａ）は封口板を上側からみた斜視図、（ｂ）は封口板を下側からみた斜視図。
【図６】封口板の別例を説明するための説明図であって、（ａ）は封口板を上側からみた斜視図、（ｂ）は封口板を下側からみた斜視図。
【符号の説明】
【００４７】
１０…電気二重層キャパシタ、１１…容器、１２…封口板、１２ａ…上面、１２ｂ…下面、１３…正極活物質、１４…セパレータ、１５…負極活物質、１６…電解液、２１…凹部、２２…凸部、２２ｂ…平面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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