(57)【要約】【課題】電解腐食から配線を有効に保護することが可能な電気化学デバイスを提供すること。【解決手段】本発明に係る電気化学デバイスは、ケースと、蓄電素子と、電解液と、配線と、接着層とを具備する。ケースは、液室を形成し、液室の底面に凹部が設けられている。蓄電素子は、液室に収容されている。電解液は、液室に収容されている。配線は、凹部に接続されている。接着層は、凹部に充填された導電性接着材からなり、蓄電素子をケースに接着すると共に前記配線を被覆する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液室を形成し、前記液室の底面に凹部が設けられたケースと、
前記液室に収容された蓄電素子と、
前記液室に収容された電解液と、
前記凹部に接続された配線と、
前記凹部に充填された導電性接着材からなり、前記蓄電素子を前記ケースに接着すると共に前記配線を被覆する接着層と
を具備する電気化学デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記凹部は、前記蓄電素子の前記底面に対向する領域の全部と対向しない
電気化学デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記配線は、前記ケースの内部から前記凹部に向かって形成されたビアを含む
電気化学デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記凹部の深さは１０μｍ以上１５０μｍ以下である
電気化学デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記ケースは、ＨＴＣＣ（High Temperature
Co-fired Ceramics）からなり、
前記配線は、前記ＨＴＣＣの焼結温度より高い融点を有する金属からなる
電気化学デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記導電性接着材は、導電性粒子を含有したフェノール樹脂である
電気化学デバイス。
【請求項７】
請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
前記蓄電素子は、活物質を含む第１の電極シートと、多孔質材料からなるセパレートシートと、活物質を含む第２の電極シートとが積層されて構成され
前記第１の電極シートは、前記接着層によって前記ケースに接着されている
電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充放電可能な蓄電素子を備える電気化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電が可能な蓄電素子を備え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は、バックアップ電源等に広く利用されている。このような電気化学デバイスは一般に、蓄電素子と電解液が絶縁性のケースに封入された構造となっている。絶縁性のケースには配線が施され、封入された蓄電素子と導通するように構成されている。
【０００３】
ここで、このような電気化学デバイスにおいては、蓄電素子の充放電に伴なう電解腐食から配線を保護する必要がある。例えば特許文献１に記載の「非水電解質電池及び電気二重層キャパシタ」においては配線は金、銀等の耐食性の高い金属からなるものとされている。また、特許文献２に記載の「電気二重層キャパシタ及び電池」においては、導電性接着剤からなる保護層によって配線が被覆される構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２１６９５２号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のように配線を耐食性の高い金属によって構成する場合には、利用できる金属種が限定され、例えば高融点金属を利用することができない。したがって、高温の加熱が必要な製造プロセスによって製造することができないという問題がある。また、特許文献２に記載のように配線を導電性接着剤によって被覆する構成においては、電極載置面に導電性接着剤を塗布した後、電極を載置する際に導電性接着剤が押しのけられ、配線が露出するおそれがある。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、電解腐食から配線を有効に保護することが可能な電気化学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、ケースと、蓄電素子と、電解液と、配線と、接着層とを具備する。
上記ケースは、液室を形成し、上記液室の底面に凹部が設けられている。
上記蓄電素子は、上記液室に収容されている。
上記電解液は、上記液室に収容されている。
上記配線は、上記凹部に接続されている。
上記接着層は、上記凹部に充填された導電性接着材からなり、上記蓄電素子を上記ケースに接着すると共に上記配線を被覆する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る電気化学デバイスの斜視図である。
【図２】同電気化学デバイスの断面図である。
【図３】同電気化学デバイスの平面図である。
【図４】同電気化学デバイスの凹部を示す模式図である。
【図５】同電気化学デバイスの凹部への導電性接着材の充填及び蓄電素子の配設を示す模式図である。
【図６】同電気化学デバイスの凹部に充填された導電性接着材を示す模式図である。
【図７】同電気化学デバイスの断面図である。
【図８】同電気化学デバイスの断面図である。
【図９】同電気化学デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスは、ケースと、蓄電素子と、電解液と、配線と、接着層とを具備する。
上記ケースは、液室を形成し、上記液室の底面に凹部が設けられている。
上記蓄電素子は、上記液室に収容されている。
上記電解液は、上記液室に収容されている。
上記配線は、上記凹部に接続されている。
上記接着層は、上記凹部に充填された導電性接着材からなり、上記蓄電素子を上記ケースに接着すると共に上記配線を被覆する。
【００１０】
この構成によれば、配線が接着層によって被覆されているため、配線への電解液の接触が防止され、即ち、電解液による配線の電解腐食が防止される。これにより、配線に用いる金属種は電解液に対する耐食性に関わらず選択することが可能となる。
【００１１】
上記凹部は、上記蓄電素子の上記底面に対向する領域の全部と対向しなくてもよい。
【００１２】
この構成によれば、蓄電素子が凹部内に入り込まないため、凹部に充填された導電性接着材が蓄電素子によって押し出されることが防止され、蓄電素子のケースへの接着と蓄電素子と配線との電気的接続が確保される。
【００１３】
上記配線は、上記ケースの内部から上記凹部に向かって形成されたビアを含んでいてもよい。
【００１４】
この構成によれば、配線をビアによって凹部に接続させることが可能である。
【００１５】
上記凹部の深さは１０μｍ以上１５０μｍ以下であってもよい。
【００１６】
この構成によれば、凹部に充填された導電性接着材からなる接着層の厚さを１０μｍ以上１５０μｍ以下にすることが可能である。接着層の厚さを１０μｍ以上とすることにより配線を確実に被覆することができ、接着層の厚さを１５０μｍ以下とすることにより電気化学デバイスの低背化が可能となる。
【００１７】
上記ケースは、ＨＴＣＣ（High Temperature
Co-fired Ceramics）からなり、上記配線は、上記ＨＴＣＣの焼結温度より高い融点を有する金属からなるものであってもよい。
【００１８】
ケースがＨＴＣＣ（高温焼結セラミック）からなるものである場合、配線はＨＴＣＣの焼結温度に耐える高融点金属（例えばタングステン等）から選択する必要がある。しかし高融点金属は耐食性が比較的小さく、電解液による電解腐食を受け得る。しかしながら、上記のように配線は接着層によって被覆され、電解液との接触が防止されているため、配線を耐食性の小さい高融点金属からなるものとすることが可能である。
【００１９】
上記導電性接着材は、導電性粒子を含有したフェノール樹脂であってもよい。
【００２０】
フェノール樹脂は化学的安定性が高い、電解液による膨潤性が小さい、耐熱性が高い等の特性を有するため、導電性粒子を含有するフェノール樹脂からなる導電性接着材を利用することにより、配線を有効に保護することが可能となる。さらに、フェノール樹脂は熱硬化性を有するため、加熱によって硬化させることが可能である。
【００２１】
上記蓄電素子は、活物質を含む第１の電極シートと、多孔質材料からなるセパレートシートと、活物質を含む第２の電極シートとが積層されて構成され、上記第１の電極シートは、上記接着層によって上記ケースに接着されていてもよい。
【００２２】
この構成によれば、第１の電極シート、セパレートシート及び第２の電極シートが積層された蓄電素子を有する電気化学デバイスにおいて、配線を電解腐食から有効に保護することが可能である。
【００２３】
本発明の実施形態に係る電気化学デバイスについて説明する。
【００２４】
［電気化学デバイスの構成］
図１は、本実施形態に係る電気化学デバイス１０の斜視図であり、図２は電気化学デバイス１０の断面図である。図３は、電気化学デバイス１０の平面図である。これらの図に示すように、電気化学デバイス１０は、ケース１１、リッド１２、蓄電素子１３、正極配線１４、正極端子１５、負極配線１６、負極端子１７、結合リング１８及び正極接着層１９及び負極接着層２０を有する。
【００２５】
図２に示すように、電気化学デバイス１０は、ケース１１とリッド１２が結合リング１８を介して接合され、それによって形成された液室１１ａに蓄電素子１３及び電解液が封入されて構成されている。詳細は後述するが、正極配線１４はケース１１の内部を通過して蓄電素子１３の正極と正極端子１５を電気的に接続し、負極配線１６はケース１１の内部を通過して蓄電素子１３の負極と負極端子１７を電気的に接続している。
【００２６】
ケース１１は、セラミック等の絶縁性材料からなり、リッド１２と共に液室１１ａを形成する。ケース１１は液室１１ａを構成するように凹状に形成されるものとすることができ、例えば図１に示すような直方体形状あるいは円柱状形状等、他の形状とすることも可能である。ケース１１の液室１１ａの底面にあたる面を底面１１ｂとすると、底面１１ｂの中央部には凹部１１ｃが形成されている。凹部１１ｃの詳細については後述する。
【００２７】
リッド１２は、結合リング１８を介してケース１１と接合され、液室１１ａを封止する。リッド１２は、各種金属等の導電性材料からなるものとすることができ、例えばコバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）からなるものとすることができる。また、リッド１２は、電解腐食を防止するため、コバール等の母材がニッケル、白金、銀、金あるいはパラジウム等の耐腐食性の高い金属からなる被膜によって被覆されたクラッド材とすることも可能である。
【００２８】
リッド１２は、結合リング１８を介してケース１１に接合され、液室１１ａを封止する。結合リング１８に対するリッド１２の結合には、シーム溶接やレーザ溶接等の直接接合法を利用できる他、導電性接合材を介在した間接接合法を利用することができる。
【００２９】
蓄電素子１３は、液室１１ａに収容され、電荷を蓄積し（蓄電）あるいは放出（放電する）。図２に示すように蓄電素子１３は、第１電極シート１３ａ、第２電極シート１３ｂ及びセパレートシート１３ｃを有し、第１電極シート１３ａ及び第２電極シート１３ｂによってセパレートシート１３ｃが挟まれた構成とすることができる。蓄電素子１３は、第１電極シート１３ａが底面１１ｂ側となるように底面１１ｂに載置されるものとすることができる。
【００３０】
第１電極シート１３ａ、第２電極シート１３ｂ及びセパレートシート１３ｃの構成材料は、必要な特性に応じて適宜選択することができる。例えば、第１電極シート１３ａ及び第２電極シート１３ｂは、活性炭、黒鉛（グラファイト）、ＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor：ポリアセン系有機半導体）等から選択される活物質を含む材料からなり、セパレートシート１３ｃはガラス繊維、セルロール繊維、プラスチック繊維等を主材料とする多孔質シートであるものとすることができる。
【００３１】
第１電極シート１３ａ、第２電極シート１３ｂ及びセパレートシート１３ｃの材料は、電気化学デバイス１０の種類によって同じ場合と異なる場合とがある。例えば、電気化学デバイス１０が電気二重層キャパシタの場合は第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂの材料は同じものとすることができ、電気化学デバイス１０がリチウムイオンキャパシタの場合は第１電極シート１３ａと第２電極シート１３ｂの材料は異なるものとすることができる。
【００３２】
蓄電素子１３と共に液室１１ａに収容される電解液も、任意に選択することが可能である。電解液は、例えば、電気化学デバイス１０が電気二重層キャパシタの場合は電解質塩が溶媒に溶解した電解液とすることができ、電気化学デバイス１０がリチウムイオンキャパシタの場合はリチウム塩が溶媒に溶解した電解液とすることができる。
【００３３】
正極配線１４は、蓄電素子１３（の第１電極シート１３ａ）と正極端子１５とを電気的に接続する。具体的には、正極配線１４は、正極端子１５から凹部１１ｃの直下までケース１１の内部を通過する帯状部１４ａと、帯状部１４ａからケース１１に向かって形成されたビア部１４ｂを有する。帯状部１４ａ及びビア部１４ｂはそれぞれ複数が設けられるものとすることができる。
【００３４】
ビア部１４ｂは、凹部１１ｃに接続され、凹部１１ｃ内に充填された導電性を有する正極接着層１９に接触し、正極接着層１９を介して第１電極３ａに導通する。正極配線１４は各種金属等の導電性材料からなるものとすることができる。詳細は後述するが、ビア部１４ｂは正極接着層１９によって電解腐食から保護されるため、正極配線１４の材料は耐食性に関わらず幅広い材料から選択することが可能である。例えば、正極配線１４はタングステンからなるものとすることができ、ビア部１４ｂはタングステン上にニッケル膜及び金膜が成膜されたものとすることができる。
【００３５】
正極端子１５は、蓄電素子１３の正極（第１電極シート１３ａ）と正極配線１４によって接続され、外部、例えば実装基板との接続に用いられる。正極端子１５は、任意の導電性材料からなるものとすることができ、図２に示すように、ケース１１の側面から下面側に向けて形成されるものとすることができる。
【００３６】
負極配線１６は、蓄電素子１３（の第２電極シート１３ｂ）と負極端子１７とを電気的に接続する。具体的には、負極配線１６は、負極端子１７からケース１１の外周に沿って形成され、結合リング１８に接続されるものとすることができる。負極配線１６は、導電性を有する結合リング１８、リッド１２及び負極接着層２０を介して第２電極シート１３ｂに導通する。負極配線１６は任意の導電性材料からなるものとすることができる。
【００３７】
負極端子１７は、蓄電素子１３の負極（第２電極シート１３ｂ）と負極配線１６によって接続され、外部、例えば実装基板との接続に用いられる。負極端子１７は、任意の導電性材料からなるものとすることができ、図２に示すように、ケース１１の側面から下面側に向けて形成されるものとすることができる。
【００３８】
結合リング１８は、ケース１１とリッド１２を接続して液室１１ａを封止すると共に、リッド１２と負極配線１６とを電気的に接続する。結合リング１８は、コバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）等の導電性材料からなるものとすることができる。また、結合リング１８の表面には、耐食性膜（例えば、ニッケル膜及び金膜等）が形成されるものとすることができる。結合リング１８は、ロウ材（金−銅合金等）を介してケース１１及びリッド１２に接合されるものとすることができる。
【００３９】
正極接着層１９は、第１電極シート１３ａをケース１１に接着すると共に、第１電極シート１３ａと正極配線１４を電気的に接続する。正極接着層１９は、凹部１１ｃに充填された導電性接着材が硬化したものであり、導電性接着材は、導電性粒子を含有する合成樹脂であるものとすることができる。導電性粒子は例えば、炭素粒子（カーボンブラック）や黒鉛粒子（グラファイト粒子）等であり、合成樹脂はフェノール樹脂あるいはエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂であるものとすることができる。特にフェノール樹脂は、電解液に対する膨潤性が小さい、耐熱性が高い、化学的安定性が高い等の点から好適である。導電性接着材はこの他にも、導電性を有し、硬化させることができるものであればよい。
【００４０】
図２に示すように、正極接着層１９は、凹部１１ｃ内に形成され、凹部１１ｃに接続された正極配線１４（のビア部１４ｂ）を被覆する。これにより、液室１１ａに収容された電解液が正極配線１４に接触することを防止し、正極配線１４を電解腐食から保護する。
【００４１】
負極接着層２０は、第２電極シート１３ｂをリッド１２に接着すると共に、第２電極シート１３ｂとリッド１２を電気的に接続する。負極接着層２０は、導電性接着材が硬化したものであり、導電性接着材は正極接着層１９のものと同様のものと同様に、導電性粒子を含有する合成樹脂であるものとすることができる。なお負極接着層２０と正極接着層１９は、同種の導電性接着材からなるものとすることもでき、他種の導電性接着材からなるものとすることもできる。
【００４２】
なお、ケース１１は、正極配線１４、正極端子１５、負極配線１６及び負極端子１７と共に高温で焼結されたＨＴＣＣ（High Temperature Co-fired Ceramics：高温焼結セラミック）であるものとすることができる。焼結の際、これらの各部材は高温となるため、正極配線１４、正極端子１５、負極配線１６及び負極端子１７は高融点金属（例えばタングステン等）からなるものとする必要がある。即ち、ケース１１がＨＴＣＣである場合、一般的に耐食性の高い金属（金、銀、白金等）は利用することができない。したがって、ケース１１がＨＴＣＣである場合には、比較的耐食性の小さい金属からなる正極配線１４等を電解腐食から保護する必要性が高い。
【００４３】
［凹部について］
ケース１１に設けられている凹部１１ｃの詳細について説明する。図４は凹部１１ｃを示す模式図である。図４（ａ）はケース１１の断面図であり、図４（ｂ）はケース１１の平面図である。
【００４４】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、凹部１１ｃは液室１１ａの底面である底面１１ｂの中央部に形成されるものとすることができる。凹部１１ｃの深さは１０μｍ以上１５０μｍ以下が好適である。これは凹部１１ｃの深さによって正極接着層１９の厚さ（後述）が規定されるためである。なお、凹部１１ｃの深さは均一でなくてもよい。
【００４５】
また、図４（ｂ）に示すように、凹部１１ｃは、蓄電素子１３の底面１１ｂに対向する領域（以下、対向領域）の全部と対向しない形状、即ち少なくとも対向領域の一部が凹部１１ｃからはみ出る形状に形成されている。これは、凹部１１ｃに蓄電素子１３が入り込まないようにするためである。具体的には、図４（ｂ）に示すように、凹部１１ｃは対向領域より小さい大きさに形成されるものとすることが可能である。また、凹部１１ｃの形状は矩形に限られず、円形、楕円形、菱形等の形状とすることも可能である。一方で凹部１１ｃは、対向領域の全部と対向しない範囲でなるべく大きい面積とすることが好適である。これは、凹部１１ｃの面積によって正極接着層１９の面積が規定（後述）されるためである。
【００４６】
凹部１１ｃへの導電性接着材の充填及び蓄電素子１３の配設について説明する。図５は、凹部１１ｃへの導電性接着材１９’の充填及び蓄電素子１３の配設を示す模式図である。図５（ａ）は凹部１１ｃへ充填された導電性接着材１９’を示し、図５（ｂ）は導電性接着材１９’上に配設された蓄電素子１３を示す。
【００４７】
図５（ａ）に示すように、凹部１１ｃへ導電性接着材１９’が充填される。この際、導電性接着材１９’がその表面張力により、底面１１ｂから盛り上がる程度の量を充填することが好適である。これは、蓄電素子１３のケース１１への接着と正極配線１４と蓄電素子１３の電気的接続を確保するためである。凹部１１ｃへ導電性接着材１９’が充填されることにより、凹部１１ｃに接続されている正極配線１４のビア部１４ｂは導電性接着材１９’によって被覆される。
【００４８】
図５（ｂ）に示すように、凹部１１ｃへ充填された導電性接着材１９’上に蓄電素子１３が載置され、導電性接着材１９’によって接着される。図６は図５（ｂ）の拡大図である。図６（ａ）に示すように、余剰の導電性接着材１９’は、蓄電素子１３によって底面１１ｂ上に押し出されもよく、図６（ｂ）示すように、蓄電素子１３と底面１１ｂの間に存在してもよい。
【００４９】
導電性接着材１９’は、蓄電素子１３が載置された後に硬化され、正極接着層１９となる。導電性接着材１９’は、熱硬化性材料である場合には加熱によって硬化させることが可能である。なお、実際には、リッド１２によって液室１１ａが閉塞された後、負極接着層２０となる導電性接着材と共に硬化されるものとすることができる。
【００５０】
上記説明では、第１電極シート１３ａ、セパレートシート１３ｃ及び第２電極シート１３ｂが一体化された蓄電素子１３が導電性接着材１９’によって接着されるものとしたが、これに限られない。例えば、第１電極シート１３ａのみが導電性接着材１９’に貼付されてもよい。この場合、第２電極シート１３ｂは、負極接着層２０となる導電性接着材によってリッド１２に貼付される。第１電極シート１３ａ上にセパレートシート１３ｃが配置された状態で、リッド１２がケース１１に接合されることにより、蓄電素子１３を形成することができる。
【００５１】
このようにして、凹部１１ｃに充填された導電性接着材１９’からなる正極接着層１９によって蓄電素子１３がケース１１に固定され、かつ正極配線１４が被覆される。正極接着層１９の面積は大きい方が、蓄電素子１３と正極配線１４の間の導電率が高く好適である。したがって、凹部１１ｃは、対向領域の全部と対向しない範囲でなるべく大きい面積である方が好適である。
【００５２】
また、正極接着層１９によって正極配線１４が被覆され、電解液の正極配線１４への接触が防止され、即ち正極配線１４の電解腐食が防止される。正極配線１４への電解液の接触を防止するためには正極接着層１９は少なくとも１０μｍの厚さが必要であり、即ち凹部１１ｃの深さは１０μｍ以上が好適である。一方で、正極配線１４の被覆には正極接着層１９の厚さは１５０μｍあれば十分であり、即ち凹部１１ｃの深さを１５０μｍ以下とすることによりより電気化学デバイス１０の低背化が可能である。
【００５３】
凹部１１ｃは、液室１１ａの底面１１ｂに形成された別の凹部の内側に形成されるものとすることも可能である。図７は、この凹部を有する電気化学デバイス１０を示す模式図である。同図に示すように、底面１１ｂには、第２凹部１１ｄが形成され、凹部１１ｃは第２凹部１１ｄの内側に段状に形成されている。第２凹部１１ｄは蓄電素子１３の対向領域と一致する形状とすることが可能である。
【００５４】
これにより、蓄電素子１３は第２凹部１１ｄにちょうど収容され、一方、凹部１１ｃは蓄電素子１３の対向領域の全部とは対向しない形状に形成されているため、蓄電素子１３は凹部１１ｃには入り込まない。これにより、凹部１１ｃに正極接着層１９となる導電性接着材を充填した後、蓄電素子１３を第２凹部１１ｄをガイドとして位置決めすることが可能となる。
【００５５】
本技術は上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である。
【００５６】
例えば凹部１１ｃは、ケース１１自体の加工ではなく、底面１１ｂに配置されたスペーサによって形成することも可能である。図８及び図９は、スペーサＳによって形成された凹部１１ｃを示す模式図である。スペーサＳを用いることにより、ケース１１自体を加工することなく凹部１１ｃを形成することが可能であるため、ケース１１の製造をより簡易にすることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…電気化学デバイス
１１…ケース
１１ａ…液室
１１ｂ…底面
１１ｃ…凹部
１２…リッド
１３…蓄電素子
１３ａ…第１電極シート
１３ｂ…第２電極シート
１３ｃ…セパレートシート
１４…正極配線
１４ａ…帯状部
１４ｂ…ビア部
１５…正極端子
１６…負極配線
１７…負極端子
１８…結合リング
１９…正極接着層
２０…負極接着層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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