專利名稱：電化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能被表面安裝的例如非水電解質(zhì)電池的電化學(xué)電池、和利用電雙層原理的電雙層電容器。
背景技術(shù)：
電化學(xué)電池例如非水電解質(zhì)電池和電雙層電容器一直以來用作用于時鐘功能的備用電源、用于半導(dǎo)體存儲器的備用電源、用于電子設(shè)備例如微機或IC存儲器的備用電源、用于太陽能時鐘和電動機驅(qū)動電源的電池，近年來，這些電池作為用于例如電動車的電源和用于能量轉(zhuǎn)換·儲存系統(tǒng)的輔助電能儲備單元而得到研究。
在例如非水電解質(zhì)電池和電雙層電容器的電化學(xué)電池中，由于非易失性半導(dǎo)體存儲器的開發(fā)和時鐘功能設(shè)備中功率消耗的降低，對于大容量和強電流的要求也隨之降低。對于非水電解質(zhì)電池和電雙層電容器的不斷增加的要求是，在相當程度上要減小厚度或回流焊接(此方法包括預(yù)先將焊接膏劑涂覆于在其上將進行焊接的印刷基底的一部分上并安裝部件到該部分，或在安裝部件后提供小焊接球(焊接突出)至將要焊接的部分，然后將其上安裝有該部件的印刷基底放入高溫氣氛的爐子中，將該高溫氣氛設(shè)置為高于焊料熔點的溫度例如200到260℃，用于將該部件焊接，并以此熔化焊料以進行焊接。)圖2示出一種現(xiàn)有的電化學(xué)電池。包括正極活性物質(zhì)201和電極集電體(current collector)202的正極、和包括負極活性物質(zhì)204和電極集電體202的負極由隔板208隔開，并且正極殼體203和負極殼體205將其與電解質(zhì)206保持在一起。用墊圈207填塞并密封正極殼體203和負極殼體205。在現(xiàn)有電化學(xué)電池中，由于橫截面為例如硬幣或紐扣狀的圓形，所以有必要使端子等預(yù)先焊接于外殼以進行回流焊接，鑒于部件數(shù)目和制備步驟數(shù)目的增加，造成成本增加。此外，在基底上必須為端子提供空間，而這限制了尺寸的縮小。
當還對矩形電化學(xué)電池進行研究時，發(fā)現(xiàn)很難在尺寸縮小的同時獲得密封空間。
JP-A No.2001-216952矩形電化學(xué)電池不能通過壓接不同于圓形電池的殼體而密封。因此，為了密封就必須通過一些或其他方式將密封板結(jié)合到凹形容器的上部。該結(jié)合方法包括使用粘接劑法、熱壓結(jié)合法、激光焊接法、超聲焊接法和電阻焊法。
然而，由于非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器在其內(nèi)部包含電解質(zhì)(通常是溶液)，所以不可能獲得高可靠性的密封，除非在一定范圍上提供用于結(jié)合部分的邊緣。
例如，在將釬焊材料例如與凹形容器的邊緣基本等同的釬焊材料或焊接材料置于該容器邊緣、通過使用密封板將其夾在其中、以高于所述釬焊材料或焊接材料的熔點的溫度加熱所述密封板、并按壓它們以實施密封的情況下，無法獲得充分密封，這是因為存在于內(nèi)部的所述液體電解質(zhì)溶液受熱會泄露到外部，除非所述結(jié)合的部分有足夠的邊緣。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，在用于電化學(xué)電池的凹形容器的邊緣上設(shè)置金屬層，并通過該金屬層結(jié)合所述凹形容器和密封板，以提高密封性。包括正極和負極的成對的電極、隔板和電解質(zhì)包含在所述凹形容器中，在其上放置密封板，并且通過使用焊接方法特別是平行接縫電阻焊來實施縫焊。所述密封板和凹形容器具有相近的熱膨脹系數(shù)，因此可使密封具有高可靠性。
然后，所述金屬層包括金屬環(huán)和釬焊材料，該金屬環(huán)與所述凹形容器具有相近的熱膨脹系數(shù)，通過焊接方法將該凹形容器和密封板結(jié)合在一起。作為其他實施例，所述金屬層只包括通過電鍍、印刷或覆層形成的釬焊材料。
所述凹形容器優(yōu)選地由絕緣體制成。更優(yōu)選地，所述凹形容器由陶瓷或陶瓷玻璃制成。此外，優(yōu)選的是，所述金屬環(huán)包括含有鈷、鎳和鐵的合金，所述釬焊材料優(yōu)選為通過電鍍、印刷或覆層而形成于所述金屬環(huán)上的鎳和/或金膜。
所述密封板包括一種金屬，其中，在與所述凹形容器結(jié)合的一側(cè)的表面上形成釬焊材料。所述密封板與凹形容器具有相近的熱膨脹系數(shù)。更優(yōu)選地，密封板的金屬包括含有鈷、鎳和鐵的合金，在與所述凹形容器結(jié)合的一側(cè)的表面上形成的釬焊材料為鎳和/或金膜。所述釬焊材料通過電鍍、印刷或覆層形成。優(yōu)選的是，位于所述凹形容器邊緣的金屬層厚度小于位于密封板和所述隔板一側(cè)的電極總厚度。
在所述容器內(nèi)部形成一個或多個臺階，并且所述隔板置于該臺階之上。
將電極集電體置于凹形容器內(nèi)部的底部。所述電極集電體優(yōu)選地包括主要由選自鎢、鋁、鈦、碳、鈀、銀、鉑和金的元素所構(gòu)成的材料。更優(yōu)選地，將主要由碳構(gòu)成的導(dǎo)電層置于所述電極集電體上。
此外，所述隔板由包括聚苯硫醚、聚醚醚酮或玻璃纖維作為主要成分的非織布制成。
下面將根據(jù)附圖詳細描述本發(fā)明優(yōu)選的實施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器的橫截面圖；圖2是現(xiàn)有非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器的橫截面圖；圖3是金屬層厚度大于負極活性物質(zhì)107和隔板105的總厚度的情況下的橫截面圖；圖4是在本發(fā)明凹形容器101內(nèi)部提供臺階的情況下，非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器的橫截面圖；和圖5是在本發(fā)明凹形容器101內(nèi)部提供臺階的情況下，非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器的橫截面圖。
具體實施例方式
下面參考圖1描述本發(fā)明的一種典型結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的所述非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器中，為了減小安裝與表面安裝空間的比率，將其外形主要制成矩形的平行管裝形式是有效的。
圖1是本發(fā)明矩形的平行管裝形式的非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器的橫截面圖。凹形容器101由氧化鋁制成，該氧化鋁通過在一片未經(jīng)處理的片材上印刷鎢、在其上放置由Coval(一種合金，包含Co17，Ni29，F(xiàn)e平衡)制成的金屬環(huán)109并燒結(jié)而制成。此外，將鎳/金鍍層電鍍到連接端子A 103和連接端子B 104上，將鎳金鍍層作為釬焊材料1081(釬焊材料)涂覆到金屬環(huán)109上。使銀焊料、鎳焊料或鋁焊料適合于連接凹形容器101和金屬環(huán)109。此外，使位于凹形容器101邊緣的金屬層(金屬環(huán)109和釬焊材料108)的厚度小于負極活性物質(zhì)107和隔板105的厚度之和。在所述金屬層的厚度大于負極活性物質(zhì)107和隔板105的厚度之和的情況下，所述金屬層和正極活性物質(zhì)106可能會互相接觸，而不能用作非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器。圖3示出金屬層厚度大于負極活性物質(zhì)107和隔板105的厚度之和情況下的橫截面圖。在制備步驟中，當擴散使正極活性物質(zhì)106移位時，這可能會與金屬環(huán)109接觸而發(fā)生內(nèi)部短路。
金屬環(huán)109通過鎢層與連接端子B 104電連接，其中鎢層經(jīng)過圖1左側(cè)的側(cè)邊。
當連接端子A、B都達到凹形容器的外底部，并且甚至當它們繼續(xù)處于所述容器的側(cè)邊的情況下，仍可用所述焊料通過潤濕而與所述基底焊接。
將作為電極集電體用于導(dǎo)線的鎢金屬層置于所述凹形容器內(nèi)底部的整個表面，并使其穿透凹形容器壁并且與連接端子A 103電連接。用含碳的導(dǎo)電粘接劑1111結(jié)合所述電極集電體和正極活性物質(zhì)106。對于所述電極集電體和正極活性物質(zhì)106的結(jié)合無特殊要求，并且它也可以僅置于其上。正極包括電極集電體和正極活性物質(zhì)106。
將用以形成釬焊材料1082的鎳鍍層涂覆在所述容器一側(cè)的一部分密封板102上。用含碳的導(dǎo)電粘接劑1112將密封板102和負極活性物質(zhì)107預(yù)先結(jié)合。負極包括密封板102和負極活性物質(zhì)107。一對正極和負極形成成對的電極。
在使所述正極和負極、隔板105和電解質(zhì)溶液容納在所述容器內(nèi)部，并且用密封板102封蓋之后，通過利用電阻焊原理的平行縫焊機，在每個相對的兩個邊上對密封板102進行焊接。通過上述方法可獲得高可靠性的密封。
凹形容器101優(yōu)選地由絕緣體和耐熱材料例如耐熱樹脂、玻璃、陶瓷或陶瓷玻璃制成。作為一種制備方法，可通過導(dǎo)電體印刷將導(dǎo)線施加到低熔點的玻璃陶瓷或玻璃上并層疊，并可在低溫下進行烘干?？蛇x地，可通過導(dǎo)電體印刷將其與氧化鋁生片層疊并可被燒結(jié)。
優(yōu)選的是，用于所述密封板和金屬環(huán)109的材料與凹形容器101具有相近的熱膨脹系數(shù)。
例如，在將熱膨脹系數(shù)為6.8×10-6/℃的氧化鋁用于凹形容器101的情況下，使用熱膨脹系數(shù)為5.2×10-6/℃的Coval作為所述金屬環(huán)和密封板。
此外，優(yōu)選的是，為了提高焊接后的可靠性，也可將與用于所述金屬環(huán)相同的Coval用作密封板102。這是因為當將所述板表面安裝到設(shè)備的基底(線路板)上時，即在回流焊接期間，該板焊接后可以被加熱。
此外，用以形成所述電極集電體的一部分導(dǎo)線優(yōu)選地由具有良好抗腐蝕性能的鎢、鈀、銀、鉑或金制得且可通過厚膜方法形成。此外也可使用鋁、鈦或碳。在凹形容器101底面上使用導(dǎo)線作為正極側(cè)上的電極集電體時，特別優(yōu)選使用金、鋁或鎢。這是為了在通過使用高耐(withstanding)電壓材料施加正電位時避免所述材料的熔化。此外，為提高所述電極和導(dǎo)線之間的導(dǎo)電性，使用含導(dǎo)電粘接劑的碳是有效的。此外，在使用低耐電壓材料的情況下，以下操作是有效的涂覆只含碳的導(dǎo)電粘接劑于所述電極集電體金屬的整個表面，然后烘干該表面使其硬化以形成導(dǎo)電層。在使用鋁涂覆所述電極集電體的情況下，可利用常溫熔鹽(氯化丁基吡啶(butyl pyridinium chloride)電鍍槽、氯化咪康唑(imidazolium chloride)電鍍槽或氣相沉積)進行熱噴涂或電鍍。
為了與基底(線路板)焊接，優(yōu)選地將鎳、金、錫或焊料置于連接端子A 103和連接端子B 104的部分上。對于凹形容器101的邊緣也同樣如此，優(yōu)選地是布置一層與粘接材料具有良好親和性的鎳或金層。所述層的形成方法可包括例如氣相沉積的氣相方法和電鍍方法。
在與金屬環(huán)109和密封板102結(jié)合的表面上設(shè)置作為釬焊材料的鎳和/或金膜是有效的。雖然金的熔點為1063℃，鎳的熔點為1453℃，但通過形成金和鎳的合金可使其熔點降至1000℃或更低。層的形成方法可以包括例如電鍍、諸如氣相沉積的氣相方法、覆層或使用印刷的厚膜方法?？紤]到成本，特別優(yōu)選使用電鍍或印刷的厚膜方法。
然而，有必要將所述釬焊材料層的雜質(zhì)元素例如P、B、S、N、和C減少至10％或更少。在使用電鍍的情況下尤其必須注意。例如，在化學(xué)鍍中，會以來自次磷酸鈉的P作為還原劑和來自二甲胺硼烷的B的形式而引入這些雜質(zhì)元素。此外，在電解電鍍中，由于可能從添加劑例如拋光劑或陰離子中引入這些雜質(zhì)元素，所以必須注意。有必要通過調(diào)節(jié)還原劑、添加劑等的量將這些雜質(zhì)元素限制在10％或更少。如果所摻入的雜質(zhì)元素為10％或更多，則在結(jié)合表面形成金屬間的化合物，從而引起裂縫。
在密封板102的一側(cè)上用鎳作為釬焊材料1082的情況下，在凹形容器101的一側(cè)上優(yōu)選用金作為釬焊材料1082。所述金與鎳的比率優(yōu)選在1∶2到1∶1之間，通過降低所述合金的熔點來降低焊接溫度，從而還提高了可粘接性。
對于結(jié)合部分的焊接，可使用利用電阻焊方法的平行縫焊。在通過點焊將密封板102和凹形容器101臨時固定之后，使輥狀電極與密封板102相對的兩邊相壓，并根據(jù)電阻焊原理提供電流以進行焊接?？赏ㄟ^焊接密封板102的四個邊實現(xiàn)密封。由于在轉(zhuǎn)動輥狀電極的同時以脈沖的方式提供電流，所以焊接后得到焊合(seam-like)狀態(tài)。除非控制脈沖寬度以便通過脈沖使各單個焊接軌跡相互重合，否則不能實現(xiàn)完全密封。
在用于含有電解質(zhì)(液體)的電容器或電池的焊接中，尤其優(yōu)選的是利用電阻焊方法的平行縫焊，這是因為該方法與其他方法相比，具有較小的蒸發(fā)熱效應(yīng)和較少的電池中的電解質(zhì)溶液泄露。
所用隔板優(yōu)選地為耐熱非織布。例如，在諸如由軋制多孔膜制成的隔板中，該隔板是耐熱性的，但是該隔板在利用電阻焊方法的縫焊時因受熱而沿輥壓方向收縮。結(jié)果會導(dǎo)致內(nèi)部短路。使用耐熱樹脂或玻璃纖維的隔板由于其較小的收縮率而令人滿意。作為樹脂，以PPS(聚苯硫醚)和PEEK(聚醚醚酮)為佳。玻璃纖維尤其有效。此外，也可使用多孔陶瓷和聚氟樹脂體。
在凹形容器101內(nèi)部設(shè)置臺階并使隔板置于該臺階之上，這能有效地防止內(nèi)部短路。如圖4所示，將金屬環(huán)109的厚度減至小于凹形容器101的側(cè)邊壁，以形成臺階110，并使隔板置于該臺階上。這大大減少了內(nèi)部短路。此外，如圖5所示，在凹形容器101的側(cè)邊壁上提供臺階1101也是有效的。
本發(fā)明中所述非水電解質(zhì)電池和電雙層電容器的形狀基本上是任意的。如圖2所示，通過壓接和密封制成的現(xiàn)有電雙層電容器的形狀基本上限于圓形。因此，在要與其他大多數(shù)為矩形的電子部件共同安置在基底(線路板)上的情況下，不可避免地形成浪費空間的死區(qū)。由于本發(fā)明的電雙層電容器還可設(shè)計為矩形，而且沒有例如端子的突出物，所以它可被有效地置于基底上。
根據(jù)本發(fā)明的非水電解質(zhì)電池或者電雙層電容器，由于所述連接端子與凹形容器是集成在一起的，且置于該容器外底部，所以可節(jié)省所述基底(線路板)上的空間。此外，通過由耐熱材料來構(gòu)成上述部件而與回流焊接相兼容。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)電池，包括具有一個正極和一個負極的成對的電極，用以隔開所述正極和負極的隔板，電解質(zhì)，用于包含所述成對的電極、隔板和電解質(zhì)的凹形容器，用于密封所述凹形容器的密封板，其中在所述凹形容器的邊緣上設(shè)置金屬層，所述密封板與凹形容器具有相近的熱膨脹系數(shù)，而且所述凹形容器和密封板通過焊接結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，所述金屬層包括金屬環(huán)和釬焊材料，所述金屬環(huán)與凹形容器具有相近的熱膨脹系數(shù)，所述凹形容器和密封板通過縫焊而結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電化學(xué)電池，其中，所述凹形容器和密封板通過平行接縫電阻焊而結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求4的電化學(xué)電池，其中，所述凹形容器包括一個絕緣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，所述凹形容器包括陶瓷或陶瓷玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的電化學(xué)電池，其中，所述金屬環(huán)包括含有鈷、鎳和鐵的合金，所述釬焊材料為形成在所述金屬環(huán)上的鎳和/或金膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，所述密封板包括一種金屬，在該金屬中，在與所述凹形容器結(jié)合的一側(cè)的表面上形成釬焊材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，所述密封板的金屬包括含鈷、鎳和鐵的合金，在與所述凹形容器結(jié)合的一側(cè)的表面上形成的所述釬焊材料為鎳和/或金膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的電化學(xué)電池，其中，所述釬焊材料通過電鍍、印刷或覆層形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的電化學(xué)電池，其中，所述釬焊材料通過電鍍、印刷或覆層形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，位于所述凹形容器邊緣的所述金屬層的厚度小于位于所述密封板邊側(cè)的電極和所述隔板的厚度之和。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，在所述凹形容器的內(nèi)部設(shè)置臺階，并使隔板置于該臺階之上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，電極集電體置于所述凹形容器內(nèi)部的底表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)電池，其中，所述電極集電體包括主要含有選自鎢、鋁、鈦、碳、鈀、銀、鉑和金的元素的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電化學(xué)電池，其中，在所述凹形容器內(nèi)部的底表面上的所述電極集電體上，進一步設(shè)置具有導(dǎo)電性的主要包括碳的層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中所述隔板包括非織布。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，所述隔板的主要成分包括聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚氟樹脂或玻璃纖維。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中，所述金屬層是通過電鍍、印刷或覆層形成。
19.一種電化學(xué)電池，包括具有一個正極和一個負極的成對的電極，用以隔開所述正極和負極的隔板，電解質(zhì)，用于容納所述成對的電極、隔板和電解質(zhì)的凹形容器，用于密封所述凹形容器的密封板，其中在所述凹形容器的邊緣上設(shè)置金屬層，所述密封板與凹形容器具有相近的熱膨脹系數(shù)，且所述凹形容器和密封板通過電阻焊而結(jié)合。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的電化學(xué)電池，其中，所述凹形容器和密封板通過平行接縫電阻焊而結(jié)合。
全文摘要
為避免現(xiàn)有矩形的平行管裝形式的非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器中存在的如下問題考慮到容納在其中的液體電解質(zhì)，除非結(jié)合部分具有一定程度的足夠的邊緣，否則就不能實現(xiàn)高可靠性的密封。在容器邊緣設(shè)置金屬層，該金屬層包括具有與非水電解質(zhì)電池或電雙層電容器的凹形容器的熱膨脹系數(shù)相近的釬焊材料和金屬環(huán)，由具有與所述金屬環(huán)相似的性能且在結(jié)合表面具有釬焊材料層的金屬制成的密封板也可用作所述密封板，而且，還將包括正極和負極的成對的電極、隔板和電解質(zhì)容納在所述凹形容器之中，使所述密封板置于該容器之上，并通過使用平行接縫電阻焊方法進行縫焊，以此實現(xiàn)高可靠性密封。
文檔編號H01M2/14GK1725544SQ20041007946
公開日2006年1月25日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者渡邊俊二, 中村芳文, 小野寺英晴, 酒井次夫 申請人:精工電子微型器件有限公司