JP2002523877A - 扁平な封止組立体を持つ電気化学的電池 - Google Patents

扁平な封止組立体を持つ電気化学的電池

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Abstract

(57)【要約】 電気化学的活性材料を収容するための、解放端及び閉鎖端を含む缶（３１２）と、缶（３１２）の解放端に亘って置かれた第１の外カバー（３４５）と、第１の外カバー（３４５）と電気的に結合し、缶（３１２）内で内部に延びて正負の電極の一方と電気的に接触するコレクタ（３４０）と、Ｌ字型断面を持ち、缶（３１２）を第１の外カバー（３４５）から電気的に絶縁して第１の外カバー（３４５）と缶（３１２）との間に封止を作り出すために缶（３１２）と第１の外カバー（３４５）との間に配置された環状封止（３３０）と、を含む電気化学的電池が提供される。例えば溝（３７０）などの圧力軽減機構は、好ましくは缶（３１２）の閉鎖端に形成される。また、そのような電気化学的電池用のコレクタ及び封止組立体、及び、電気化学的電池を組み立てる方法が提供される。本電池構造により、電気化学的活性材料を収容する大きな内部容積が利用可能になる。該コレクタは、釘の形状を持ち、該封止は、Ｊ字型断面を持ち得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、一般的には電気化学的電池構造に関する。より詳細には、本発明は
、アルカリ電池のような電気化学的電池に使用する容器及びコレクタ組立体に関
する。
【０００２】 図１は、従来のＣサイズのアルカリ電池１０の構造を示している。図示するよ
うに、電池１０は、解放端及び閉鎖端を持つ円筒形の缶１２を含む。缶１２は、
缶１２の閉鎖端で底表面１４に溶接された外カバー１１が電池に対する電気的接
触端子として機能するような、電導性材料で形成されることが好ましい。 電池１０は、更に、一般に第１の電極材料１５を含んでおり、これが正極（カ
ソードとしても知られている）として機能する。第１の電極材料１５は前もって
作り、缶１２に挿入するか、又は、缶１２の内面に接触するようにそこに型込め
してもよい。アルカリ電池の場合、第１の電極材料１５は、通常ＭｎＯ2を含む
。第１の電極材料１５が缶１２に備えられた後、隔壁１７が第１の電極材料１５
により形成された空間に挿入される。隔壁１７は、好ましくは非織物生地である
。隔壁１７は、電極材料間のイオン輸送を可能にしながら、第１の電極材料１５
と、電解質及び第２の電極材料の混合物２０との物理的分離を維持するために設
けられる。 一旦隔壁１７が第１の電極材料１５により形成された空洞内に収められると、
隔壁１７により形成された空間に電解質及び第２の電極材料の混合物２０と共に
電解質が調剤され、これが負極（アノードとしても知られている）となり得る。
電解質・第２電極材料混合物２０は、好ましくはゲル化剤を含む。一般のアルカ
リ電池の場合、混合物２０は、ＫＯＨ水溶液電解質と亜鉛との混合物で形成され
、それが第２の電極材料として機能する。水及び追加添加物もまた、混合物２０
に含まれてもよい。
【０００３】 一旦第１の電極材料１５、隔壁１７、電解質、及び、混合物２０が缶１２内に
形成されると、組立済みコレクタ組立体２５が缶１２内に挿入される。缶１２は
、通常その解放端が僅かに先細りになっている。この先細りは、コレクタ組立体
を正しい位置に固定する前に目標とする方向に向けて支える働きをする。コレク
タ組立体２５が挿入された後、コレクタ組立体２５に外カバー４５が被せられる
。コレクタ組立体２５は、缶をコレクタ組立体２５に対し半径方向に締め付ける
ことにより適切に固定される。缶１２の終縁部１３がコレクタ組立体２５の唇縁
の上に折り込まれ、それにより外カバー４５及びコレクタ組立体２５を缶１２の
末端内部に固定する。下記に更に説明するように、コレクタ組立体２５が果たす
機能の１つは、電気化学的電池に対する第２の外部電気的接触を準備することで
ある。加えて、コレクタ組立体２５は、缶１２の解放端を封止して、内部の電気
化学的材料がこの電池から漏れるのを防がなければならない。更に、コレクタ組
立体２５は、十分な強度を備えて電池が通常曝される物理的に厳しい取り扱いに
耐えなければならない。また、電気化学的電池は、水素ガスを発生することがあ
るので、コレクタ組立体２５は、内部で発生した水素ガスがそれを透過して電気
化学的電池の外に逃げることができるものとなろう。更にまた、コレクタ組立体
２５は、何らかの形の圧力軽減機構を備え、電池内部で生成された圧力を、もし
この圧力が過剰になったら軽減しなければならない。そのような状況は、電気化
学的電池が、内部で発生した水素ガスがコレクタ組立体を通して電池の外部に浸
出できる速度を超える速度で水素ガスを発生する時に起きるであろう。
【０００４】 図１に示すコレクタ組立体２５は、封止３０、コレクタ釘４０、内カバー４４
、座金５０、及び、複数の突出部５２を含む。封止３０は、コレクタ釘４０が挿
入される孔を持つ中央ハブ３２を含むことが示す。封止３０は、更に第１電極材
料１５の上面１６と接触し得るＶ字型部３４を含む。 封止３０はまた、封止３０の周辺に沿って環状に上方に延びる周縁直立壁３６
を含む。周縁直立壁３６は、コレクタ組立体２５のインタフェースと缶１２との
間の封止として機能するだけではなく、正極の缶と電池の負極の端子との間に電
気的短絡が生じるのを防ぐための電気絶縁体として機能する。 剛性金属で形成された内カバー４４は、剛性を強め、コレクタ組立体２５の半
径方向の圧縮を支え、それにより封止の有効性を改善するために準備されている
。図１で示すように、内カバー４４は、中央ハブ部３２及び周縁直立壁３６に接
触するように構成されている。コレクタ組立体２５をこのように構成することに
より、内カバー４４は、コレクタ釘４０が中央ハブ部３２を圧縮できるように役
立つ一方で、缶１２の内面による周縁直立壁３６の圧縮も支える。
【０００５】 外カバー４５は、通常ニッケルメッキした鋼でできており、封止３０の環状周
縁直立壁３６により形成される領域から延びて、コレクタ釘４０の頭部４２と電
気的に接触するように構成されている。外カバー４５は、いかなる接触損失をも
防ぐように、コレクタ釘４０の頭部４２に溶接してもよい。図１で示すように、
コレクタ組立体２５が缶１２の解放端に挿入された時、コレクタ釘４０は、電解
質・第２電極材料混合物２０内に深く貫通し、それと十分な電気的接触を確立す
る。図１で示す例で、外カバー４５は、外カバー４５の周囲に沿って上方へ延び
る唇縁４７を含む。唇縁４７より大きな長さを持つ封止３０の周縁直立壁３６を
形成することにより、周縁直立壁３６の一部分は、缶１２の上部周縁１３のどの
部分も外カバー４５と接触しないようにするため、折り込み工程の間に唇縁４７
の上に折り曲げることができる。
【０００６】 封止３０は、ナイロンで形成するのが好ましい。図１で示す構成では、内部圧
力をそのような圧力が過剰になった時に軽減することのできる圧力軽減機構が準
備される。更にまた、内カバー４４及び外カバー４５は、通常水素ガスを電池１
０の外に逃がすことができる開口部を備える。図示された機構は、封止３０と内
カバー４４との間に準備された環状金属座金５０及び複数の突出部５２を含む。
各突出部５２は、封止３０の薄い中間部３８に押しつけられる尖端５３を含む。
電池１０の内部圧力が増加し、それに従って封止３０が内カバー４４へ向かう押
し上げにより変形した時、突出部５２の尖端５３が封止３０の薄い中間部３８を
突き通し、それにより封止３０を破裂させ内部で発生したガスが開口部４３を通
って逃げることができるように、突出部５２は、内カバー４４の低い方の内面に
対して斜めに向けられている。 上記で説明したコレクタ組立体２５は、上記で着目した全ての目標とする機能
を満足に果たすのであるが、その断面形状から明らかなように、この特別なコレ
クタ組立体は、電池１０の内部の空間の相当部分を占めるのである。図１で示す
構造は、電池構造のほんの１例に過ぎないことに注意されたい。扁平な、従って
電池内部でより小さな空間しか占めない別のコレクタ組立体が存在する。しかし
そのようなコレクタ組立体は、通常その占有容積の低減をコレクタ組立体の封止
特性か圧力軽減機構の性能及び信頼性かを犠牲にして達成するのである。
【０００７】 本出願の優先日に市販されていた幾つかの電池で測定した外部及び内部容積が
図２Ａ及び図２Ｂで示す表に列記してある。表は、Ｄサイズ、Ｃサイズ、ＡＡサ
イズ、及び、ＡＡＡサイズの電池に対する容積（立法センチメートル）を列記し
ている。図１Ａに列記した市販の電池に対するコレクタ組立体容積、及び、全電
池容積のうちコレクタ組立体を構成する部分の割合が図２Ｂに与えられている。
また図２Ａに、全電池容積のうち電気化学的な活性材料を収容するのに利用でき
る内部容積を構成する部分の割合が与えられている。
【０００８】 「全電池容積」は、電池内部の空洞部分も含めて全ての容積を含む。図１に示
す電池の場合、全容積は、理想的には図３Ａに示すような全斜線部を含む。電池
の「内部容積」は、図３Ｂに示す斜線部により表される。ここで使用する「内部
容積」とは、電池の封止された容積に閉じこめられる如何なる（コレクタ釘を除
き）空洞や電気化学的に不活性な材料のほか、電気化学的な活性材料を収容する
電池又はセル内部の容積である。そのような化学的不活性材料には、隔壁、導体
、及び、電極内の如何なる不活性添加物をも含まれ得る。ここで述べる「電気化
学的活性材料」と言う語は、正負の電極及び電解質を含む。「コレクタ組立体容
積」は、コレクタ釘、封止、内カバー、座金、突出部、及び、負極カバーの底表
面と封止との間の如何なる空洞容積をも含む（図３Ｃの斜線により指示す）。「
容器容積」は、缶の容積、ラベル、負極カバー（外カバー４５）、ラベルと負極
カバーとの間の容積、正極カバー、及び、正極カバーと缶との間の空洞容積を含
む（図３Ｄの斜線部で示す）。ラベルが負極カバー上又は負極カバー内に延びて
接触している場合、ラベルと負極カバーとの間に存在する空洞容積は容器容積に
含められ、従ってまた全容積の一部と考えられる。そうでない場合には、空洞部
分は、容器容積にも全容積にも含められない。
【０００９】 「内部容積」、「コレクタ組立体容積」、及び、「容器容積」の総計は、「全
容積」に等しいことを理解されたい。従って、電気化学的活性材料を収容するの
に使用できる内部容積は、コレクタ組立体容積及び容器容積を計測し、計測した
電池の全容積からコレクタ組立体容積及び容器容積を減算することにより確定す
ることができる。 電気化学的電池の外径は、一般的に米国規格協会（ＡＮＳＩ）又は他の標準規
格組織により一定なので、コレクタ組立体が占める空間が大きいほど電池内で電
気化学的材料が使用できる空間が少なくなる。従って、電池内で供給される電気
化学的材料の量の低減により電池の有効寿命が短くなる。従って、電気化学的活
性成分が利用できる電気化学的電池内の内部容積を最大にすることが必要である
。
【００１０】 本発明において、十分な封止特性を維持し、信頼性ある圧力軽減機構を可能に
する一方で、コレクタ組立体が占める空間及び容器容積が占める空間を最小にす
る電気化学的電池を構成することにより上記が達成し得ることが見出された。 従って、本発明は、第１の態様として 少なくとも正負の電極及び電解質を含む電気化学的活性材料を収容し、解放端
と閉鎖端とを含む缶と、 前記缶の前記解放端に亘って置かれた第１の外カバーと、 前記第１の外カバーに電気的に結合し、前記缶内を内部に延びて前記正負の電
極の一方と電気的に接触するコレクタと、 Ｌ字型断面を持ち、前記缶を前記第１の外カバーから電気的に絶縁して前記第
１の外カバーと前記缶との間に封止を作り出すため前記缶と前記第１の外カバー
との間に配置された環状封止と、を含む電気化学的電池を提供する。
【００１１】 本発明は、第２の態様として、 少なくとも正負の電極及び電解質を含む電気化学的活性電池材料を収容する缶
の解放端に置かれるように作られたカバーと、 前記カバーに電気的に結合し、前記缶内で内部に延びて前記正負の電極の一方
と電気的に接触するように作られたコレクタと、 Ｌ字型断面を持ち、前記缶を前記カバーから電気的に絶縁し、前記カバーと前
記缶との間に封止を作り出すように作られた、前記カバーと封止的に係合する環
状封止と、を含む電気化学的電池用のコレクタ及び封止組立体を提供する。
【００１２】 本発明は、第３の態様として、 解放端と閉鎖端、及び、前記解放端と前記閉鎖端との間に延びる側壁を持つ缶
を準備する段階と、 少なくとも正負の電極及び電解質を含む電気化学的活性材料を前記缶に配置す
る段階と、 コレクタ・カバー組立体を形成するためにコレクタを第１の外カバーに固定す
る段階と、 コレクタ・カバー・封止組立体を形成するためにＬ字型断面を持つ環状封止を
前記コレクタ・カバー組立体の周囲に固定する段階と、 前記コレクタと前記第１の外カバーとが前記正負の電極の一方と電気的に接触
するように前記コレクタ・カバー・封止組立体を前記缶内に配置し、その結果、
前記環状封止が前記第１の外カバーと前記缶との間に封止を形成するように前記
第１の外カバーを前記缶の前記解放端内に配置する段階と、を含む電気化学的電
池を準備する方法を提供する。
【００１３】 圧力軽減機構は、缶の表面に形成されることが好ましく、缶の閉鎖端の位置の
表面に形成されることがより好ましい。 有利なことには、外カバーを缶から電気絶縁するＬ字型断面を持つ環状封止を
使用することにより、かなり扁平なコレクタ組立体が利用でき、それにより電気
化学的電池内に占める空間がかなり小さくなる。更に、この配置により従来の組
立体よりも時間の経過による水損失の低い電池構造が可能になり、それにより電
池の保存期間が延びる。本発明の追加の利点は、利用可能電池容積に多くの割合
を占めずに信頼性のある圧力軽減機構を備えることが可能なことである。更に別
の利点は、電池構造が製造するのにより簡単で、より少ない材料しか必要とせず
、そのため恐らく製造コストがより低くなることである。その上、電池を十分に
封止するために缶によって加えられる半径方向の圧縮力がより少なくて済み、そ
の結果、より薄い側壁を持つ缶の使用が可能になり、従ってより大きな内部電池
容積をもたらす電池構造が可能になる。 本発明は、図を参照することにより一層良く理解されるであろう。
【００１４】 上記で説明したように、本発明の第一義的目的は、電気化学的活性材料を収容
するのに利用できる電池の内部容積を、電池に設ける圧力軽減機構の信頼性を低
減して損なうことなく、そうでない場合に電池が漏れを生じるであろう可能性を
増大させることなく、増加させることである。 電気化学的電池は、少なくとも正負の電極及び電解質を含む電気化学的活性材
料を収容する缶を含み、その缶は、解放端と閉鎖端、及び、その解放端と閉鎖端
との間に延びる側壁とを持ち、第１の外カバーは、缶の解放端に亘って置かれ、
コレクタは、電気的に第１の外カバーに結合され、缶内を内部に延びて正極及び
負極の一方と電気的に接触し、Ｌ字型断面を持つ環状封止は、缶を第１の外カバ
ーから電気的に絶縁するため、及び、第１の外カバーと缶との間に封止を作り出
すために、缶と第１の外カバーとの間に配置されている。該封止は、Ｊ字型の断
面を形成するために延長した垂直部材を更に含み得る。
【００１５】 圧力軽減機構は、好ましくは缶表面に形成され、より好ましくは、内部圧力が
過剰になった時、缶内部からの内部圧力を逃がすために缶の閉鎖端に形成される
。その結果、既知の複雑なコレクタ・封止組立体は、使用する容積がより少なく
部品数がより少ない本発明のコレクタ組立体と置き換えることができる。従って
、内部電池容積効率における相当の改善を得ることができる。 圧力軽減機構は、好ましくは缶の表面に溝を備えることにより形成される。こ
の溝は、例えば缶の底表面の鋳造、底表面の切削、又は、正極が成形される時に
缶の底表面に溝を成形することにより形成される。ＡＡサイズの電池の場合、鋳
造した溝の底における金属の適切な厚さは約５０ミクロン（２ミル）である。Ｄ
サイズの電池の場合、適切な厚さは、約７５ミクロン（３ミル）である。溝は、
約３００度の弧として形成され得る。溝により形成された形状を少し開いておく
ことにより、圧力軽減機構は、効果的な蝶番を持つことになる。
【００１６】 もし破裂した時、電気化学的材料が電池から直接外へ向けて危険に噴霧しない
ように、圧力軽減機構は、好ましくは外カバーの下に配置される。また、電池が
、他の電池と共に電池正極端子の末端が他の電池の負極に押しつけられる直列で
使用される場合、外カバーを圧力軽減機構の上に準備することは、正極の突起の
もとでこの機構が外側にたわむことを可能にし、最終的には破裂させる。そのよ
うな環境で外カバーが無い場合、２つの電池の接触は、圧力軽減機構の破裂をそ
うではなく防ぐことができる。更に、外カバーが圧力軽減機構を覆っていない場
合、電池の正極末端にある圧力軽減機構は、損害をもっと受け易いであろう。外
カバーはまた、圧力軽減機構を周囲環境の腐食効果から防護し、従って早々に通
気孔があいたり漏れが生じたりする可能性を低減する。従って、圧力軽減機構は
、好ましくは、電池缶の閉鎖端における外カバーの下に形成される。外カバーは
、好ましくは、電池の正極外部端子として機能する。 溝により囲まれる領域のサイズは、過剰な内部圧力で破裂する時、溝内部の領
域が外カバーに妨げられることなく正極突出部内部の蝶番で枢点するように選択
されることが好ましい。一般に、溝により形成される領域は、選択された溝の深
さのほか、缶の直径と圧力軽減機構が破裂して内部で発生したガスが逃げるその
圧力とに左右される。
【００１７】 缶の解放端は、Ｊ字型又はＬ字型の断面を持つ環状封止を缶の解放端に取り付
けることにより封止される。封止材は、他の適切な材料も使うことができるが、
好ましくはナイロンである。好ましくは負極として機能し、好ましくは折返し縁
部部を持つ外カバーは、封止内に挿入される。続いて、缶の外縁は、封止及びカ
バーを正しく保持するために折り込まれる。封止を正しく保持し易いように、好
ましくは缶の解放端の周囲にビードが形成される。封止は、好ましくはアスファ
ルトのような材料で覆われ、封止を電気化学的活性材料から保護し、より良好な
封止をもたらす。 環状封止は、その最も外側の周囲に延長垂直壁、封止の半径方向内側により低
い垂直壁を含み、垂直壁の間に形成された水平方向の基礎部材を持ってＪ字型の
断面を構成し得る。短い垂直部分があるので、この環状封止は、ここでＪ字型又
はＬ字型断面の何れかを持つものとして言及されるのである。Ｊ字型封止もまた
、低い垂直部分をなくすように配置して、単純なＬ字型断面を形成するができる
ことを理解されたい。
【００１８】 電気化学的電池は、以下のようにして組立てることができる。缶、好ましくは
円筒形の缶は、解放端、及び、好ましくは缶の閉鎖に先立って内部に収容される
電池材料を受け入れるためのビード、を形成する側壁を持つように形成される。
缶内部に、隔壁及び何らかの添加物のほか、正負の電極及び電解質を含む活性な
電気化学的電池材料が収容される。カバーの底表面に固定されたコレクタと共に
、外カバー及び環状封止が組立てられ、缶の解放端に挿入され、缶を封止して塞
ぐ。好ましくは釘であるコレクタは、外カバーの底表面にスポット溶接のような
溶接により固定されるのが好ましい。コレクタ及びカバーは、共に封止に係合さ
れてコレクタ組立体を形成し、コレクタ組立体は、外カバーの好ましくは折り曲
げられた周縁が、封止を支えるビード上方の環状封止の内壁に対して配置される
ように、缶に挿入される。コレクタ組立体は、缶の解放端内に強制配置されて、
缶の開口部にぴったりと係合してそれを塞ぐ。その後、缶の外縁は、好ましくは
内側に折り曲げられ、軸方向に力を加えて、封止及び外カバーを正しい位置に保
つ。
【００１９】 好ましくは、外カバーの内面及び少なくともコレクタ頭部は、防食被膜で被覆
される。防食被膜は、電気化学的に負極と適合する材料を含む。そのような電気
化学的適合材料の例には、エポキシ、テフロン（登録商標）、ポリオレフィン、
ナイロン、弾性重合体材料、又は、他の如何なる不活性材料も、単独であれ他の
材料との組み合わせであれ含まれる。被膜は噴霧又は塗布され、外カバー及びコ
レクタの内面の好ましくは電池の正負の電極上方の空洞部分で活性材料に曝され
る部分を覆う。カバーの内面は、錫、銅、又は、他の同様に電気化学的に適合す
る材料でメッキされ得ることもまた理解されたい。防食被膜を施すことにより、
外カバー及びコレクタの腐食が低減、及び／又は、防止され、それにより、もし
それがない場合に電気化学的電池内で生じ得るガス発生の量を好都合に低減する
。電池内のガス発生の低減は、内部圧力蓄積の低減をもたらす。
【００２０】 更に別の実施形態において、缶の閉鎖端に直接形成された正極電池端子用の突
出部を持つように缶を形成してもよい。このようにして、缶の閉鎖端と正極外カ
バーとの間に存在する空洞は、電気化学的活性材料を収容するか、又は、そうで
なければ、いずれにせよ電池内に設ける必要があるガスを集めるための空間とし
て使用してもよい。缶の底に直接に突出部を形成することにより得られる電池容
積の増加は、図７Ａの表には与えられていないが、この内部容積は、表に列記さ
れた別々のカバーで形成された電池に対する列記された容積よりも通常１％大き
いことが当業者には理解されるであろう。
【００２１】 更に別の実施形態では、ラベルを設けるために電池缶の外面に印刷層が直接加
えられる。ラベル基板と共にではなく印刷層として缶外部の上に直接ラベルを加
えることにより、ＡＮＳＩ又は他の外部寸法標準規格を満足する電池を構築する
のにラベル基板の厚みを考慮する必要がないので、電池の内部容積は更に増加す
るであろう。「直接に」という語は、印刷層と缶の外面との間にラベル基板が存
在しないことを意味する。現在のラベル基板は、７５ミクロン（３ミル）程度の
厚みを持つ。そのようなラベル基板は、重なり合って電池の長さに沿って走る合
わせ目を形成するので、これらの従来のラベルは、事実上直径に約２５０ミクロ
ン（１０ミル）、電池の折り曲げ高さに３３０ミクロン（１３ミル）加える。結
果として、電池は、ＡＮＳＩ又は他の寸法標準規格を満足するために、ラベルの
合わせ目の厚みを収容するように直径を選択しなければならない。しかし、石版
印刷されたラベルを直接缶の表面に印刷することにより、缶の直径は、これに対
応して約２５０ミクロン（１０ミル）増加することになろう。そのような缶の直
径の増加は、電池の内部容積を相当に増加させるであろう。従って、基板付きラ
ベルを備えた電池の内部容積は、もしラベルが缶の外部に直接印刷されると、例
えばＤサイズの電池で２％（１．０２立方センチメートル）、Ｃサイズの電池で
２．６％（０．６５立方センチメートル）、ＡＡサイズの電池で３．９％（０．
２０２立方センチメートル）、ＡＡＡサイズの電池で５．５％（０．１９５立方
センチメートル）ほど更に増加し得る。
【００２２】 ラベルはまた、転写印刷技術を使用して缶に印刷してもよい。転写印刷技術は
、ラベル画像を先ず転写媒体に印刷し、次いで直接缶外部に転写するものである
。歪み石版印刷もまた使用してよい。歪み石版印刷は、引き続いて平面材料が電
池缶の管又は円筒に形成される時の平面材料の応力歪みを計算に入れて、意図的
にゆがめられた図形を平面材料に印刷するものである。 石版印刷ラベルの印刷に先立って、缶の外面が好ましくは清掃される。缶への
印刷の固着を強めるために、缶の外面に下塗り剤の基礎塗りが行われる。既知の
石版印刷技術により次ぎに印刷層が缶の基礎塗りの上に直接塗布される。ラベル
は、更に、電気絶縁保護被膜を含むことがある。ワニス保護被膜は、好ましくは
印刷層の上に塗布して印刷層を覆って保護し、また、電気絶縁層として機能する
。印刷したラベルは、高温加熱又は紫外線放射技術の使用により硬化されてもよ
い。
【００２３】 印刷ラベルの使用により、ラベルの厚さは、基板に乗ったラベルに比べ相当に
低減し、最大で約１３ミクロン（０．５ミル）となろう。特別の実施形態では、
印刷ラベルは、約２．５から５ミクロン（０．１から０．２ミル）の範囲の厚さ
の基礎塗り層、約２．５ミクロン（０．１ミル）の厚さの印刷層、及び、約２．
５から５ミクロン（０．１から０．２ミル）の範囲の厚さのワニス保護被膜層を
持つ。 ラベルの厚さを低減することにより、缶の直径を増加することができ、それに
より電池の所定の外径を維持しながら、活性電池材料に利用できる容積の一層の
増加をもたらすことができる。
【００２４】 以下に略記する構築技術は、従来の電池で十分な折り曲げと封止とを確実にす
るのに要求されたものに比べて厚い壁を必要としないので、以下で理解される通
り、上記の構築の利用を通して、電池缶は、１００から２００ミクロン（４から
８ミル）の程度のより薄い壁で形成することができる。その上、ラベルは、電池
缶の外面上に直接石版印刷してもよい。缶壁をより薄くし、ラベルを電池缶の外
面上に直接石版印刷することにより、ＡＮＳＩの外部寸法標準規格を満足する電
池を構築するのにラベル基板の厚みを考慮する必要がなくなるので、電池の内部
容積は更に増加する。 本発明がアルカリ電池に対して主要な応用性を持つものとして説明されている
一方で、その革新的構造を他の電気化学的システムを利用する電池に利用するこ
とにより、同様の利益が得られることを当業者は理解するであろう。例えば、革
新的構造は、炭素亜鉛やリチウムを基礎とする電池のような１次システム、及び
、ＮｉＣｄ、金属水素、及び、Ｌｉを基礎とする電池のような蓄電池に利用して
もよい。更に、本発明のある特定構造は、未加工電池（すなわちバッテリパック
やマルチセル電池で使用されるようなラベルのない電池）に使用し得る。加えて
、本発明は、上記で円筒形電池と結びつけて説明してきたが、本発明のある特定
構造は、角柱電池を構築するのに利用してもよい。
【００２５】 ここで本発明は、更に図４Ａから図６を参照して説明される。 図４Ａから図４Ｃは、本発明による電気化学的電池３００の実施形態を示して
いる。図４Ａ、図４Ｂ、図５、及び、図６に示すように、圧力軽減機構３７０は
、缶３１２の底表面に溝３７２を準備することにより形成される。圧力軽減機構
３７０は、外カバー３１１の下に配置される。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、
Ｊ字型断面を持つナイロン封止３３０又はＬ字型断面を持つナイロン封止３３０
’を缶３１２の解放端に配置し、折返し縁部３４７を持つ負極外カバー３４５を
ナイロン封止３３０又は３３０’に挿入し、その後、缶３１２の外縁３１３を折
り返して封止３３０又は３３０’、及び、負極外カバー３４５を正しい位置に保
持することにより、缶３１２の解放端を封止する。封止３３０又は３３０’を正
しい位置に保持するのを補助するために、缶３１２の解放端周囲の周りにビード
３１６が形成される。ナイロン封止３３０又は３３０’は、アスファルトで被覆
され、それにより電気化学的活性材料からその封止を保護し、より優れた封止を
もたらす。
【００２６】 特に図４Ａ及び図４Ｃを参照すると、最も外側の周囲に延長垂直壁３３２、及
び、封止の半径方向内側により低い垂直壁３３６を含み、垂直壁３３２及び３３
６の間に形成された水平方向の基礎部材３３４を持つＪ字型断面で構成された環
状ナイロン封止が示される。低い垂直部分３３６があるので、この環状封止は、
ここでＪ字型又はＬ字型断面の何れかを持つものとして言及されるのである。Ｊ
字型ナイロン封止３３０もまた、低い垂直部分３３６が無いように構成して、図
４Ｂに見るような単純なＬ字型断面を形成し得る。
【００２７】 特に図４Ｃを参照すると、図４Ａに示される電気化学的電池の組立てがそこに
示される。円筒形の缶３１２は、解放端及び缶の閉鎖に先立って内部に収容され
る電池材料を受け入れるためのビード３１６を形成する側壁を持つように形成さ
れる。缶３１２内部に隔壁及び何らかの添加物のほか、正負の電極及び電解質を
含む活性電気化学的電池材料が収容される。カバー３４５の底表面に溶接された
コレクタ釘３４０と共に、外カバー３４５及び環状ナイロン封止３３０が組立て
られて缶３１２の解放端に挿入され、缶３１２を封止して塞ぐ。コレクタ釘３４
０が外カバー３４５の底側面にスポット溶接により溶接される。コレクタ釘３４
０とカバー３４５とを共に封止３３０に係合させてコレクタ組立体を形成し、コ
レクタ組立体は、外カバー３４５の折返し縁部３４７が、封止３３０を支えるビ
ード３１６上方の環状封止３３０の内壁に対して配置されるように缶３１２に挿
入される。コレクタ組立体は、缶３１２の解放端内に強制配置されて、缶の開口
部にぴったりと係合してそれを塞ぐ。その後、缶３１２の外縁３１３は、内側に
折り曲げられ、軸方向に力を加えて、封止３３０及び外カバー３４５を正しい位
置に保つ。
【００２８】 図４Ｂに戻って参照すれば、外カバー３４５の内面及び少なくともコレクタ釘
３４０の頭部は、防食被膜３４４で被覆されていることが示される。防食被膜３
４４は、電気化学的に負極と適合する材料を含む。被膜３４４は、噴霧又は塗布
され、外カバー３４５及びコレクタ釘３４０の内面の電池の正負の電極上方の空
洞部分で活性材料に曝される部分を覆うことが好ましい。防食被膜を施すことに
より、外カバー及びコレクタの如何なる腐食も低減、及び／又は、防止される。 図によって示され、上記で説明した実施形態は単に例示的であり、本発明の範
囲を限定するものではないことを理解されたい。
【００２９】 各電池に対する全電池容積、コレクタ組立体容積、及び、電気化学的活性材料
が利用可能な内部容積は、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）の図、写真、又は、
エポキシ樹脂に封入して縦に切断した電池の実物断面を調査することにより測定
される。ＣＡＤ図、写真、又は、実物縦断面を使用して電池寸法を調査し測定す
ることにより、電池内部に存在する全ての空洞容積を含めたものを計算に入れる
ことができる。全電池容積を測定するために、その中央縦方向の対称軸線を通っ
て切断した電池の断面図を調査し、幾何学的計算により全容積を測定する。電気
化学的活性材料を収容する内部容積を測定するために、中央縦方向の対称軸線を
通って切断した電池の断面図を調査し、電池の封止された容積内部に閉じ込めら
れた電気化学的活性材料、空洞容積、及び、化学的不活性材料（コレクタ釘以外
）を含む内部容積を構成する要素を幾何学的計算により測定する。同様に、コレ
クタ組立体容積を測定するために、その中央縦方向の対称軸線を通って切断した
電池の断面図を調査し、コレクタ釘、封止、内カバー、及び、負極カバーの底表
面と封止との間に形成されるいかなる空洞をも含むコレクタ組立体容積を構成す
る要素を幾何学的計算により測定する。容器の容積は、電池の中央縦方向断面を
調査し、缶、ラベル、負極カバー、ラベルと負極カバーとの間の空洞容積、正極
カバー、及び、正極カバーと缶との間の空洞容積により占められる容積を計算す
ることにより同様に測定することができる。
【００３０】 容積測定は、その縦方向の対称軸線を通って切断した電池の断面を調査するこ
とにより行われる。電池及びその構成要素は、通常軸対称であるので、これによ
り正確な容積が与えられる。電池の幾何学的形状図を得るために、電池は、先ず
エポキシ樹脂に封入され、エポキシ樹脂が固化した後、封入された電池とその構
成要素は、対称軸線を通る中央断面に至るまで研削された。更に詳細には、電池
は、最初にエポキシ樹脂に封入され、次いで中央断面に達しないところまで研削
された。次ぎに、仕上がり断面の測定がより良くできるように、負極、正極、及
び、隔壁の紙のような、全ての内部構成要素が取り去られた。封入された電池は
、次いで全ての残留屑が一掃され、空気乾燥され、残る空洞容積は、エポキシ樹
脂で満たされ、中央までの研削研磨が完了する前に電池にある完全性を与える。
電池は、再びその中心断面に仕上がるまで研削研磨され、その後図面に透写され
、それから容積が測定される。 電池をエポキシ樹脂に封入する前に、電池の測定がパスで行われ、全体の高さ
、折り曲げの高さ、及び、電池の頂部、底部、及び、中間部での外径が測定され
た。加えて、同一の電池が分解され、その構成要素が測定された。分解した電池
の構成要素の測定は、電流コレクタ釘の直径、電流コレクタ釘の長さ、電流コレ
クタ釘の負極カバーまでの長さ、及び、ラベルを除いた電池の頂部、底部、中間
部での外径を含む。
【００３１】 一旦電池が完全にエポキシ樹脂に封入され、縦方向に対称軸線を通って中心ま
で研削されると、電池の断面図は、図面を作るのに使用された。ソフトウェアＱ
Ｃ−４０００を備えるミツトヨ光学比較測長器を使用して、電池の輪郭及びその
個々の構成要素を透写し、電池の中央断面図を作り出した。それを行う時、電池
は正しい位置にしっかりと固定され、電池構成要素の輪郭は、後で問題の電池容
積を計算する立体モデル化ソフトウェアに使用できる書式で保存された。しかし
、何らかの容積寸法を取る前に、図面を調節して電池の中心に正確に整列してい
ない如何なる電池構成要素をも補償してよい。これは、電池の断面を作る前に電
池から取られた寸法や分解された同一電池から取った寸法を使用して行ってもよ
い。例えば、容積測定用に図面を一層正確にするために、電流コレクタ釘の直径
と長さ、及び、電池の全体的な外径を修正して、図面がその対応する既知の断面
寸法を含むように調節することにより図面を一層正確に描くことができる。封止
、カバー、及び、折り曲げ区域の詳細は、それらが光学比較測長器上に描かれた
時に使用された。
【００３２】 容積の大きさを計算するために、図面が立体モデル化ソフトウェアに導入され
た。立体３次元容積表現は、左右両方の断面輪郭を縦方向の対称軸線について１
８０度回転することにより生成された。従って、問題の各領域の容積がソフトウ
ェアにより計算され、左右両側を１８０度回転し、左右の容積を合計することに
より平均容積の値が測定されたが、これは、電池が非対称形態を持っている場合
には有利であろう。如何なる非対称形態をも含む容積は、一層正確な容積測定値
が得られるように必要なだけ調整できる。
【００３３】 図７Ａ及び図７Ｂは、様々な異なるタイプの電池構造を示しており、それらは
１９９８年１０月２日出願の米国特許出願第６０／１０２，９５１号、及び、１
９９８年８月２１日出願の米国特許出願第６０／０９７，４４５号において更に
十分に開示されている。図７Ａの「缶底の圧力軽減」及び「薄い壁を備える缶底
の圧力軽減」と付された行で、図４Ａで示した構造を使用して構築されたＤサイ
ズの電池は、缶壁が２５０ミクロン（１０ミル）の厚さの時、９３．５容積パー
セントの内部容積を持ち、缶壁が２００ミクロン（８ミル）の厚さの時、９４．
９容積パーセントの内部容積を持つ。図７Ｂで示すように、図４Ａで示した構造
を使用して構築されたＤサイズの電池は、缶壁が２５０ミクロン（１０ミル）及
び２００ミクロン（８ミル）の厚さの時、全容積の２パーセントのコレクタ組立
体容積を持つ。同様の構造を持つＣ、ＡＡ、及び、ＡＡＡサイズの電池もまた、
内部容積効率において図７Ａの表から明らかなように、相当の改善を示している
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のＣサイズアルカリ電気化学的電池の断面図である。
【図２】 本出願の優先日の時点で市販されていた電池で計測した、相対的な全電池容積
と電気化学的活性材料を収容するのに利用可能な内部電池容積とを示す表である
。
【図３】 図２Ａで与えられた市販の電池で計測した、相対的な全電池容積とコレクタ組
立体容積とを示す表である。
【図４】 全電池容積と様々な構成要素容積とを示す従来のＣサイズアルカリ電気化学的
電池の断面図である。
【図５】 全電池容積と様々な構成要素容積とを示す従来のＣサイズアルカリ電気化学的
電池の断面図である。
【図６】 全電池容積と様々な構成要素容積とを示す従来のＣサイズアルカリ電気化学的
電池の断面図である。
【図７】 全電池容積と様々な構成要素容積とを示す従来のＣサイズアルカリ電気化学的
電池の断面図である。
【図８】 巻返しカバー、環状Ｌ字型（Ｊ字型）封止、及び、缶の底表面に形成された圧
力軽減機構を持つ、本発明の実施形態により構成されたＣサイズアルカリ電気化
学的電池の断面図である。
【図９】 巻返しカバーを持ち、Ｌ字型環状封止を含む、本発明の実施形態により構成さ
れたＣサイズアルカリ電気化学的電池の頭部の断面図である。
【図１０】 コレクタ封止及びカバー組立体の組立てを示す、図４Ａに示す電気化学的電池
の分解全体図である。
【図１１】 缶の閉鎖端に形成された圧力軽減機構を持つ電池缶の底面図である。
【図１２】 図５に示す缶通気孔の、線Ｘ−Ｘに沿って切断された断面図である。
【図１３】 本発明に従って構成された様々な電池に対して全電池容積及び内部電池容積の
計算値を示す表である。
【図１４】 本発明に従って構成された様々な電池に対して全容積及びコレクタ組立体容積
の計算値を示す表である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 4/75 Ｈ０１Ｍ 4/75 Ｚ (31)優先権主張番号 ０９／２９３，６７７ (32)優先日 平成11年４月16日(1999．4．16) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ソンデッカー ジョージ アール アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 27203 アッシュボロー バークレイ レ ーン 2202 Ｆターム(参考） 5H011 AA03 AA17 BB03 CC02 DD06 DD11 FF03 GG02 HH01 5H012 AA01 BB01 CC00 DD05 5H017 AA02 AA03 CC14 5H024 BB05 CC02 DD01 DD04 DD07 DD11 DD15 EE09

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも正負の電極及び電解質を含む電気化学的活性材料
    を収容し、解放端と閉鎖端とを含む缶と、 前記缶の前記解放端に亘って置かれた第１の外カバーと、 前記第１の外カバーに電気的に結合し、前記缶内を内部に延びて前記正負の電
    極の一方と電気的に接触するコレクタと、 Ｌ字型断面を持ち、前記缶を前記第１の外カバーから電気的に絶縁して前記第
    １の外カバーと前記缶との間に封止を作り出すため前記缶と前記第１の外カバー
    との間に配置された環状封止と、 を含むことを特徴とする電気化学的電池。
  2. 【請求項２】 圧力軽減機構は、内部圧力が過剰になった時に前記缶内から
    前記内部圧力を逃がすために前記缶の表面に形成されることを特徴とする請求項
    １に記載の電気化学的電池。
  3. 【請求項３】 前記圧力軽減機構は、前記缶の前記閉鎖端に形成された溝を
    含むことを特徴とする請求項２に記載の電気化学的電池。
  4. 【請求項４】 前記缶の前記閉鎖端にそれと電気的に接触して置かれ、前記
    圧力軽減機構の上に重なる第２の外カバーを更に含むことを特徴とする請求項２
    又は請求項３のいずれか１項に記載の電気化学的電池。
  5. 【請求項５】 前記第２の外カバーは、前記正の電極と電気的に結合して正
    極外部電池端子として機能し、前記第１の外カバーは、前記負の電極と電気的に
    結合して負極外部電池端子として機能することを特徴とする請求項４に記載の電
    気化学的電池。
  6. 【請求項６】 前記第１の外カバーは、外部周縁部に形成される折り返し縁
    を持つことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気化学
    的電池。
  7. 【請求項７】 前記環状封止は、Ｊ字型断面を形成する垂直部材を更に含む
    ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気化学的電池
    。
  8. 【請求項８】 前記コレクタは、釘を含むことを特徴とする請求項１から請
    求項７のいずれか１項に記載の電気化学的電池。
  9. 【請求項９】 前記第１の外カバーの内面に被覆される、電気化学的に適合
    する材料から成る保護被膜を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項８の
    いずれか１項に記載の電気化学的電池。
  10. 【請求項１０】 前記被膜は、前記第１の外カバーと結合した前記コレクタ
    の一端に少なくとも部分的に更に延びることを特徴とする請求項９に記載の電気
    化学的電池。
  11. 【請求項１１】 前記環状封止は、ナイロンを含むことを特徴とする請求項
    １から請求項１０のいずれか１項に記載の電気化学的電池。
  12. 【請求項１２】 前記環状封止は、延長垂直部材を更に含んでＪ字型断面を
    形成することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電気
    化学的電池。
  13. 【請求項１３】 前記第１の外カバーの内面に少なくとも部分的に延び、前
    記電気化学的電池内の腐食とガス発生とを低減する電気化学的に適合した材料を
    備える保護被膜を含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項
    に記載の電気化学的電池。
  14. 【請求項１４】 前記被膜は、エポキシ、テフロン（登録商標）、ポリオレ
    フィン、ナイロン、弾性重合体材料、及び、それらの混合物から選択された材料
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の電気化学的電池。
  15. 【請求項１５】 前記電池は、円筒形電池であることを特徴とする請求項１
    から請求項１４のいずれか１項に記載の電気化学的電池。
  16. 【請求項１６】 少なくとも正負の電極及び電解質を含む電気化学的活性電
    池材料を収容する缶の解放端に置かれるように作られたカバーと、 前記カバーに電気的に結合し、前記缶内で内部に延びて前記正負の電極の一方
    と電気的に接触するように作られたコレクタと、 Ｌ字型断面を持ち、前記缶を前記カバーから電気的に絶縁して前記カバーと前
    記缶との間に封止を作り出すように作られ、前記カバーと封止的に係合する環状
    封止と、 を含むことを特徴とする、電気化学的電池用のコレクタ及び封止組立体。
  17. 【請求項１７】 前記カバーは、その外部周縁部に形成された折り返し縁を
    持つことを特徴とする請求項１６に記載の組立体。
  18. 【請求項１８】 前記環状封止は、延長垂直部材を更に含んでＪ字型断面を
    形成することを特徴とする請求項１６又は請求項１７のいずれか１項に記載の組
    立体。
  19. 【請求項１９】 前記コレクタは、釘を含むことを特徴とする請求項１６か
    ら請求項１８のいずれか１項に記載の組立体。
  20. 【請求項２０】 前記環状封止は、ナイロンを含むことを特徴とする請求項
    １６から請求項１９のいずれか１項に記載の組立体。
  21. 【請求項２１】 解放端と閉鎖端、及び、前記解放端と前記閉鎖端との間に
    延びる側壁を持つ缶を準備する段階と、 少なくとも正負の電極及び電解質を含む電気化学的活性材料を前記缶に配置す
    る段階と、 コレクタ・カバー組立体を形成するためにコレクタを第１の外カバーに固定す
    る段階と、 コレクタ・カバー・封止組立体を形成するためにＬ字型断面を持つ環状封止を
    前記コレクタ・カバー組立体の周囲に固定する段階と、 前記コレクタと前記第１の外カバーとが前記正負の電極の一方と電気的に接触
    するように前記コレクタ・カバー・封止組立体を前記缶内に配置し、その結果、
    前記環状封止が前記第１の外カバーと前記缶との間に封止を形成するように前記
    第１の外カバーを前記缶の前記解放端内に配置する段階と、 を含むことを特徴とする、電気化学的電池を組み立てる方法。
  22. 【請求項２２】 前記缶の側壁を前記解放端で半径方向内側に折り曲げる段
    階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 内部圧力が過剰になった時、前記缶内から前記内部圧力を
    逃がすために前記缶の前記閉鎖端において表面に形成された圧力軽減機構を準備
    する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１又は請求項２２のいずれか１項
    に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記圧力軽減機構を準備する段階は、前記缶の前記閉鎖端
    に溝を形成する段階を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記缶の前記閉鎖端に置かれ、前記圧力軽減機構の上に重
    なる第２の外カバーを前記閉鎖端と電気的に接触して接続する段階を更に含むこ
    とを特徴とする請求項２３又は請求項２４のいずれか１項に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記第１の外カバーの前記外部周縁部に折り返し縁を形成
    する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１から請求項２５のいずれか１項
    に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 Ｊ字型断面を備えるために延長垂直部材を含む前記環状封
    止を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１から請求項２６のいず
    れか１項に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記第１の外カバーの内面に、電気化学的に適合する材料
    から成っている保護被膜を施す段階を更に含むことを特徴とする請求項２１から
    請求項２７のいずれか１項に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記保護被膜を施す段階は、エポキシ、テフロン（登録商
    標）、ポリオレフィン、ナイロン、弾性重合体材料、及び、それらの混合物から
    選択された材料を施す段階を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
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