JP2005525678A - 向上した放電性能を有する円筒形のアルカリ電池 - Google Patents
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Abstract
向上した放電容量を有するアルカリ・バッテリが提供される。電極の直径を増加させずに、高さを増加させることによって、電池の容量全体を不必要に増加させることなく、内容積及び電極のインターフェース面の表面積の両方が増加され、これにより、電池の容量全体が不必要に増加されることを回避する。
Description
本発明は、一般に、円筒形のアルカリ二酸化亜鉛/マンガン電気化学電池(セル)バッテリに関する。
円筒形のアルカリ二酸化亜鉛/マンガン・バッテリは、消費者によって用いられる携帯型装置のための一般的な電源である。これらは、容易に入手可能であり、信頼性が高く、適当なコストで良好な保存寿命と放電特性を提供する。
携帯型装置は、高速の出力(電流及び出力)能力、及び該装置に動力を供給するバッテリからの一層長い放電時間を、ますます必要としている。同時に、コンパクトな装置が多くなり、よってバッテリが小さくなる傾向がある。
高速の出力を達成し、放電時間を増加させるための1つの方法は、バッテリの放電効率を改善することである。バッテリは、理論的な能力の一部分しか発揮することができず、一般に、放電速度が増加するにつれてその割合(放電効率)が減少する。バッテリの放電効率に影響を与え得る1つの要因は、バッテリの電池内の電極間のインターフェース面の表面積である。インターフェース面の表面積の増加は、一般に、電流密度、内部抵抗、濃淡分極、及び放電効率に影響を与え得る他の特性に対して積極的な影響を有する。したがって、アノードとカソードとの間のインターフェース面の表面積を増加させることによって、アルカリ・バッテリの電流、出力、及び放電能力を増加させることができる。
典型的な消費者用の円筒形のアルカリZn/MnO2バッテリ電池は、電極が同軸状に配置された糸巻き型の構成を有する。正極(カソード)は、本質的に、電池容器側の近くに配置された滑らかで丸い内面を備えた中空の円筒形状を有する。負極(アノード)は、対向するアノードの面とカソードの面との間のセパレータ(すなわち、電極のインターフェース面)を有する該カソードの中空のキャビティ内に配置される。そのインターフェース面の面積は、中空のカソード円筒体の内面の面積を測定することによって概算できるインターフェース面の表面積である。
電極のインターフェース面の面積を増加させることによって、アルカリ・バッテリの高い出力能力及び/又は高速の放電能力を改善する従来の試みがあった。米国特許第3,335,031号、第5,869,205号、第6,074,781号、及び第6,342,317号に例を見出すことができる。しかしながら、これらの参考文献の各々は、特にAAA/LR03及びAAAA/LR8D425サイズのような小さな直径、小さな容積の電池についての以下の欠点の1つ又はそれ以上を有する。
電流コレクタ突出部が複数の同じ極性の電極の各々の中に延びなければならない際には、電池の製造は困難である。このことは、電流コレクタの突出部の各々を、複数の電極の1つと位置合わせしなければならず、電池及び電流コレクタの両方を配向することを必要とする。さらに、多数の電流コレクタ突出部を必要とする場合には、単一の電流コレクタ突出部で十分な電池の設計と比較すると、コレクタの全容積の増加を可能にするために、活性物質の容積を減少させなければならない。
電極のインターフェース面の形状は、本質的に直角の円筒体ではなく(例えば、半径方向の突出部がある場合)、凹凸のある面及び小さな間隙のために、セパレータを挿入することが困難である。細片又はシートの形態の典型的なセパレータ材料(例えば、高分子フィルム、織られた又は不織紙又は布)を、カソード内のキャビティの表面にうまく適合させることができない。吹付け用セパレータを電極の1つのインターフェース面に塗布することでさえ困難である。カソードのインターフェース面の鋭利なコーナー部及び狭い凹部により、特に高い製造速度で、キャビティをアノード材料で完全に満たすことが困難になる。電極のインターフェース面(及び反対側の電極)からの最大距離が、両電極の様々な部分で著しく変わるので、放電中、活性物質が、非均一に、よって不完全に消費される。電極のローブをより脆弱なものとすることもできるが、組立て中の損傷及び電池内の短絡がもたらされることになる。
セパレータの容積の相対的な増加は、アノード及びカソードの容積の増加より大きいものとすることができ、活性物質量の相対的な還元による減少で、改善された放電効率を通じて達成できる放電能力の増加を少なくとも部分的に相殺する。
バッテリの放電能力を増加させる別の方法は、電池内に引き入れられる活性物質の量を増加させることである。種々の業界基準における標準的なバッテリ・タイプにはよくあることだが、最大寸法が特定される際のように、バッテリの外のり寸法が増加されない場合には、このことは困難になり得る。この手法の例は、米国特許第5,283,139号及び第6,265,101号に見出される。これらの参考文献の各々は、最大寸法が維持され、バッテリの活性物質(よって、理論的な容量)の量の可能な増加量が制限されるという欠点を有する。
多くの場合、携帯型装置のサイズを最小にすることが望ましいので、これらの装置に動力を供給するバッテリの容積を最小にすることも同様に望ましい。
上述の理由により、電池の容積の増加を最小にしながら、向上した理論的容量及び放電効率を有する円筒形のアルカリ電池への必要性がある。
同じアノード及びカソード直径を維持しながら、該アノード及び該カソードの長さを拡張させることによって、電池の容積全体における影響を最小にする、拡張されたインターフェース面の表面積のアルカリ電池を開発した。
本発明の第1の態様は、直線状の側壁と閉じた底端部と開放された頂端部を有する円筒形の電池容器と、電解質の二酸化マンガンを含む正極と、亜鉛を含む負極と、セパレータと、水中に水酸化カリウム溶質を含む電解質と、該容器の開放端を閉鎖し、電極及び電解質を電池内にシールする閉鎖要素とからなるアルカリ・バッテリ電池である。正極は、中空の円筒形状であり、容器の側壁及び底部に押し当てて配置されてキャビティを形成する。負極はキャビティ内に配置され、セパレータは、負極と正極の間及び該負極と容器の底部の間に配置される。容器の直線状の側壁は、7.3mmから14.5mmまでの外径を有し、正極は、容器の底部から45.7mmから76.2mmまでの高さを有する。
本発明の実施形態においては、容器の直線状の側壁の直径及び正極の高さは、それぞれ、9.0mmから10.5mmまで及び53.4mmから68.6mmまで、7.3mmから8.3mmまで及び45.7mmから61.2mmまで、13.1mmから14.5mmまで及び58.4mmから76.2mmまでである。
本発明の第2の態様は、直線状の側壁と閉じた底端部と開放された頂端部を有する円筒形の電池容器と、電解質の二酸化マンガンを含む正極と、亜鉛を含む負極と、セパレータと、水中に水酸化カリウム溶質を含む電解質と、該容器の開放端を閉鎖し、電極及び電解質を電池内にシールする閉鎖要素とからなるアルカリ・バッテリ電池である。正極は、中空の円筒形状であり、容器の側壁及び底部に押し当てて配置され、キャビティを形成する。負極はキャビティ内に配置され、セパレータは、負極と正極の間及び該負極と容器の底部の間に配置される。容器の直線状の側壁は、9.0mmから10.5mmまでの外径を有し、正極は、容器の底部から55.9mmから68.6mmまでの高さを有する。電池の理論的な容量は2500mAhより大きく、正極はセパレータを介して負極にインターフェースする面を有し、そのインターフェース面は12.0cm2より大きい面積を有し、正極は1.9cm3より大きい容積を有し、正極は黒鉛をさらに含み、電解質の二酸化マンガンと黒鉛の重量比は19:1より大きい。
本発明のこれら及び他の特徴、利点、並びに目的は、以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付の図面を参照することによって、さらに理解され、認識されるであろう。
特に指定する場合を除いて、以下の定義及び方法が、ここに用いられる。
(1)「固形物(又は固体)」は、20重量パーセントから50重量パーセントまでの範囲のどこにも、水性KOH溶液における有効な溶解度を有していない(すなわち、水の重量に基づいて1パーセントより小さい)物質を意味する。
(2)固形物の内容物(すなわち、固形百分率及び固形パッキング百分率)は、その電極内の全ての固形物の容積の合計をその電極の全容積で割り、その結果に100を乗算することによって求められる。
(3)電極内の固形物の容積は、ヘリウム比重びん法又は比較方法によって求められるように、その材料の重量をその実際の密度で割ることによって求めることができる。
(4)「電極の多孔率(又は気孔率)」は、電極内の非固形物の容積百分率を意味し、非固形物(液体、液体に溶けた物質、及び閉じ込められた気体)を電極の容積全体で割ることによって求めることができる。百分率で表される場合は、電極の多孔率は、100%から該電極の固形物の容積パーセントを引いたものに等しい。
(5)「電極の容積」は、電極(アノード又はカソード)の外面内の容積を意味する。
(6)「電極のインターフェース面」は、反対の極性の電極に隣接する電極の面を意味する。隣接する電極のインターフェース面の形状及びサイズは、電池の内容積を最も効率的に使用するために、通常互いに非常に類似しているが、内部の短絡を防止し、製造におけるばらつきを収容するために、一方の電極が他方の電極をわずかに超えて延びることができる。インターフェース面の表面積は、隣接する電極の対応するインターフェース面を超えて延びる電極の一部分を含む、インターフェース面全体の面積である。
(7)電極の理論的な容量は、該電極の活性物質の特定の容量(グラム毎のAh)に基づいたアンペア時(Ah)の計算された容量であり、活性物質の全てが、公称放電反応に従って反応すると仮定する。特に示され、明らかでない限り、電解質の二酸化マンガンの特定の容量のために用いられる特定の容量は、0.379Ah/gであり、マンガンの全てがMn+2.67(平均Mn原子当たり約1.33電子)及び亜鉛の特定の容量が0.820Ah/gであると仮定する。電池の理論的な容量は、低い容量の電極(制限的な電極)のものに等しい。代替的に、容量は、ミリアンペア時(mAh)で表すことができる。
(8)「長いAAA電池」は、乾電池及びバッテリについての米国標準規格の規格、ANSI C18.1に特定されるような、LR03バッテリの寸法要求を満たすバッテリに用いられる電池に適した直径を有する電池である。
(9)「長いAAAA電池」は、乾電池及びバッテリについての米国標準規格の規格、ANSI C18.1に特定されるような、LR8D425バッテリの寸法要求を満たすバッテリに用いられる電池に適した直径を有する電池である。
特に指定がない限り、全ての開示された特徴及び範囲は、室温(20℃から25℃まで)で求められるものとする。
本発明のアルカリ・バッテリ電池は、放電容量が増加した電池である。本発明の電池においては、全体の電池容積を不必要に増加させることなく、内容積及び電極のインターフェース面の表面積の両方が増加される。円筒形のカソードによって囲まれている円筒形のアノードを有する電池(標準的な円筒形のアルカリ電池に代表的な)の場合は、該円筒形のアノードの直径を増加させること(これにより、周囲のカソードの内径も増加される)、アノード及びカソードの長さを増加させること、或いはアノード及びカソードの直径及び長さの両方を増加させることのいずれかによって、このような増加を達成することができる。全ての他の要因が同じままである場合には、インターフェース面の表面積は、前述の直径の増加に比例して、及び/又は前述の長さの増加量に比例して増加する。例えば、同軸の円筒形の電極を有する電池のアノード直径の10%の増加は、電極のインターフェース面の表面積の10%の増加をもたらす。アノード及び周囲のカソードの長さの10%の増加も、インターフェース面の表面積の10%の増加をもたらす。これらの解決法の両方とも、電池の容積を増加させるものである。しかしながら、アノード及び周囲のカソードの長さの10%の増加は、全体の電池の容積の少なくとも10%の増加をもたらし、一方、アノードの直径の10%の増加は、少なくとも21%の増加をもたらす。このように、全体の電池の容積への影響が、直径も増加された場合よりも小さくなるように、直径ではなく、アノード及び周囲のカソードの長さだけを増加させることによって、インターフェース面の電極の表面積を増加させることが望ましい。
本発明の電池は、既存の電池と同じ基本設計及び活性物質を有することができるが、より長い電極を収容するためのより長い電池容器を有する。LR03及びLR8D425バッテリ電池は、通常は溶質としてKOHを有する水性アルカリ電解質を含む、円筒形のZn/MnO2電池である。LR03及びLR8D425電池を、それぞれ長いAAA電池及び長いAAAA電池を製造するために、上述のように修正することができる。代替的に、シール、カバー、電流コレクタ、電極の組成、電解質の組成などのような他の電池の特徴を修正することもできる。
長いAAAの円筒形アルカリ電池が、従来のLR03センチの直径に対応する直径、及び従来のLR03電池の高さの1.5倍に対応する高さを有するように作られた。この電池は、糸巻き型構成を有していた。各々の長いAAA電池は、閉鎖した底部及び開放した頂端部を有する円筒形のスチール缶と、該缶の側壁の内面に押し当てて形成された中空の直角の円筒体の形態のカソードと、該カソードの内面及び該缶の底部によって形成されたキャビティ内に配置されたアノードと、アノードとカソード及びアノードと缶の底部の間に配置されたセパレータと、該缶の開放端を閉鎖するシール及びコレクタ組立体とを含んでいた。
英国特許出願番号GB0015003.7、GB0113990.6、GB0113991.4、及びGB0120824.8に記載される電池の設計が、次に述べられる。例えば、アノードの多孔率は少なくとも69%であり、カソードの多孔率は少なくとも26%であり、電解質の濃度は、1回の放電加工後の最終的なKOH濃度が、49.5%から51.5%まで(重量/重量の電池)の間になるように選択された。
各々の電池は、7.32グラムのカソード混合物と、4.31グラムのアノード混合物と、1.04グラムの電解質溶液とを含み、密封された電池内に5.0容積パーセントのボイド(空隙)容量を有していた。
各々のカソードは、カソード混合物をリング形状のペレット内に形成し、6つのペレットを各々の缶内に押し込むことによって、該ペレットと該缶との間が締まり嵌めされた状態で作られた。一片の被覆されたセパレータ・ペーパーが、チューブ内に巻かれ、バスケット形状に折り畳まれ、カソードと缶の底部によって形成されたキャビティ内に配置された。アノードのゲル混合物及び遊離型の電解質が、電池に付加された。電池は、中央に配置されたアノード内に延びるピン形状の電流コレクタと共に、シール及びコレクタ組立体で閉じられた。
電池の缶は、外面がニッケルでめっきされた、冷間圧延された従来の材料のスチール片から、従来の方法で作られた。カソードに接触する缶の内面は、EB099、すなわち米国ミシガン州Port Huron所在のAcheson Colloids Company社から入手可能な黒鉛被覆材料で被覆された。全体の缶の高さは64ミリメートルであり、全体の直径は10ミリメートルであった。
実施例1の電池に用いられたカソード混合物は、23:1のEMD:黒鉛の比を有し、Kerr McGee EMD(94.30重量パーセント)、Superior Graphiteの膨張黒鉛(4.10重量パーセント)、及び水に対する40重量パーセントのKOH(1.60重量パーセント)を含んでいた。1.22グラムの重さのカソード・ペレットの各々は、挿入前には9.60mmの外径及び9.80mmの高さを有し、缶への挿入後は6.30mmの内径を有し、30.0容積パーセントの最終的なカソード多孔率がもたらされた。
アノード混合物は、69.50容積パーセントの多孔率を有し、64.10重量パーセントの亜鉛粉末(ベルギー、ブリュッセル所在のUmicore社からの、Bi−In−Al亜鉛合金を含み、110μmのd50を有するBIA110)と、5.60亜鉛フレーク(米国オハイオ州コロンバス所在のTransmet Corp.からの、Bi−In−Al亜鉛合金を含むグレード5454.3)と、0.38重量パーセントのゲル化剤(米国オハイオ州クリーブランド所在のB.F.Goodrich Specialty Chemicals社からの、100%酸の形態のCARBOPOL(登録商標)940アクリル酸)と、0.02重量パーセントの水酸化インジウムと、0.04重量パーセントの酸化亜鉛と、水に対する38重量パーセントのKOHからなる29.86重量パーセントのKOH溶液とを含んでいた。
英国特許出願番号GB0113989.8に開示されるように、セパレータは、アクリル酸:ナトリウム・スチレン・スルホネートの20:80の比で、30グラム/m2のポリ(アクリル酸−コ−ナトリウム−4−スチレン−スルホネート)に被覆された2層のVLZ75セパレータ・ペーパー(日本国高知県所在のニッポン高度紙工業株式会社からの)を有していた。
長いAAAAの円筒形アルカリ電池が、従来のLR8D425の直径に対応する直径及び従来のLR8D425電池の高さの1.5倍に対応する高さを有するように作られた。これらの電池は、以下を除いて、実施例1の電池について開示されたものと同じ方法で作られた。
各々の電池は、3.71グラムのカソード混合物と、1.80グラムのアノード混合物と、0.90グラムの電解質溶液とを含み、密封された電池内に3.5容積%のボイド容量を有していた。
電池の缶は、59.25ミリメートルの缶の全高と、7.6ミリメートルの全直径とを有していた。
0.62グラムの重さのカソード・ペレットの各々は、挿入前は7.11mmの外径及び8.50mmの高さを、缶への挿入後は4.55mmの内径を有し、29.0容積パーセントの最終的なカソードの多孔率がもたらされた。
アノード混合物は、68.00容積パーセントの多孔率を有し、71.00重量%の亜鉛粉末と、亜鉛フレークは含まず、0.36重量パーセントのゲル化剤と、0.02重量パーセントの水酸化インジウムと、0.04重量パーセントの酸化亜鉛と、水に対して38重量パーセントのKOHからなる28.58重量のKOH溶液を含んでいた。
比較放電試験のために、サンプルが、利用可能な円筒形アルカリLR8D425、LR03、及びLR6バッテリから選択された。
実施例1、実施例2、及び実施例3からの電池は、表1及び表2に示されるような、種々の一定出力の放電管理のもとで、1.1ボルトまで放電された。この結果は、表1及び表2において比較される。表1においては、放電時間が、時間又は分で示される。表2においては、放電時間の結果が、各々の試験においてLR03電池に標準化される(すなわち、100%は、所定の試験におけるLR03電池の放電時間であり、150%は、例えば、同じ試験におけるLR03電池の放電時間の1.5倍となる)。
実施例4で行われた一定出力試験における、実施例1からの長いAAA電池についての典型的な放電曲線が、図1に示され、そこでは、放電時の電圧が、放電の時間にわたってプロットされる。
図2は、1000mWの連続放電試験における実施例1の長いAAA電池について典型的な放電曲線を、実施例3からのLR03及びLR6電池についての典型的な放電曲線と比較するものである。
100mW、250mW、及び400mWの一定出力試験における実施例2の長いAAAA電池についての典型的な放電曲線が、図3に示される。
表1の結果から、容量(mWh)が、電池の外部容積の関数として計算され、プロットされた。4つの試験の各々において、長いAAA電池1が、同じ試験におけるLR03電池のデータポイントとLR6電池のデータポイントとの間の直線補間に基づいて、予想されるより高い平均容量を有していた。長いAAA電池の平均容量は、100mW、250mW、400mW、及び1000mWにおける補間された容量より、それぞれ約107%、114%、138%、及び134%優れたものであった。
実施例2からの長いAAAA電池の場合は、容量のプロット対電池の全容量についてのLR8D425電池とLR03電池との間の直線補間に対する容量の利点は観察されなかった。これは、長いAAAA電池の組み立ての難しさに起因する、該長いAAAA電池の欠陥によるものであった。
長いAAAの円筒形アルカリ電池が、表3に示されるものを除き、実施例1の長いAAA電池について開示されたものと同じ方法で、本発明に従って作られた。全ての電池成分の量は、入力された量に基づいており、製造中に損失(例えば、水の蒸発)がないものと仮定する。英国特許出願番号GB0015003.7、GB0113990.6、GB0113991.4、及びGB0120824.8に記載される電池の設計原理に、必ずしも実施例5の長いAAA電池において従う必要はなかった。実施例1の電池と比較した活性物質の増加が、より小さな容積のシール及びコレクタ組立体の使用によって、部分的に可能になった。実施例5の長いAAA電池は、2500mAhより大きい理論的な放電容量と、12.0cm2より大きいカソードインターフェース面の表面積と、1.9cm3より大きいカソード容量とを有し、MnO2:炭素の重量比は19:1より大きかった。
実施例5の長いAAA電池のものに最も近いパラメータを有するバッテリが、利用可能なLR03及びLR6電池から選択された。上の表3は、これらのLR03及びLR6電池の主要なパラメータを含む。
実施例5及び実施例6からの電池は、幾つかの連続的な定電流及び一定出力放電試験において、21℃(華氏70°F)で試験された。1.0ボルトまでの平均容量が、表4に要約される。
実施例7の試験の結果を用いて、電池の全容積及びカソードの容積の双方の関数として、一定出力放電についての長いAAA電池の放電容量(mWh)が、以下の補間方法によるLR03及びLR6の放電容量と比較された。表5に示されるように、長いAAA電池の放電容量は、LR03の結果とLR6の結果の間の直線補間に基づいた、各々の試験において予想されるものより大きい。
表5の結果は、上の実施例4において説明されたものと合致しており、実際の容量は、長いAAA電池より大きい容量及び小さい容量をもつ電池の種類についてのデータポイント間の直線補間に基づいて予想されるものを超えている。このことは、容量のプロット対電池の全容積が用いられようと、或いは容量対カソード容積が用いられようと言えることである。この利点の大きさと一定放電出力の増加との間の直接的相関関係もある。
補間方法
ステップ(1):長い電池及び2つの比較対象電池が、以下の基準に従って選択される。
(a)各々の電池の種類が、同軸の正及び負極をもつ円筒形の容器と、該電極間のセパレータと、電解質と、閉鎖要素とを有し、該正極は、電解質の二酸化マンガンを含み、中空の円筒形状を有し、該容器本体の側壁及び底部に押し当てて形成され、円筒体内にキャビティを形成し、該負極は、亜鉛を含み、該正極及び該容器の底部によって形成された該キャビティ内に配置され、電解質は、水中に水酸化カリウム溶質を含み、閉鎖要素は、該容器の開放端を閉鎖し、電極及び電解質を該電池内にシールする。
ステップ(1):長い電池及び2つの比較対象電池が、以下の基準に従って選択される。
(a)各々の電池の種類が、同軸の正及び負極をもつ円筒形の容器と、該電極間のセパレータと、電解質と、閉鎖要素とを有し、該正極は、電解質の二酸化マンガンを含み、中空の円筒形状を有し、該容器本体の側壁及び底部に押し当てて形成され、円筒体内にキャビティを形成し、該負極は、亜鉛を含み、該正極及び該容器の底部によって形成された該キャビティ内に配置され、電解質は、水中に水酸化カリウム溶質を含み、閉鎖要素は、該容器の開放端を閉鎖し、電極及び電解質を該電池内にシールする。
(b)全ての電池の種類において、長い電池のカソード混合物における電解質の二酸化マンガンの重量パーセントと、比較対象電池の各々におけるものの比が、0.99:1から1.01:1までの範囲である水及びKOHと、該長い電池の該カソード混合物における他の成分の各々の重量パーセントと、該比較対象電池の各々におけるものの比が、0.90:1から1.10:1までの範囲である水及びKOHとを除いて、該カソード混合物は、同じ種類の材料を含む。
(c)全ての電池の種類において、長い電池のアノード混合物における電解質の二酸化マンガンの重量パーセントと、比較対象電池の各々におけるものの比が、0.99:1から1.01:1までの範囲である水及びKOHと、該長い電池の該アノード混合物における他の成分の各々の重量パーセントと、該比較対象電池の各々におけるものの比が、0.90:1から1.10:1までの範囲である水及びKOHとを除いて、該アノード混合物は、同じ種類の材料を含む。
(d)長い電池の水全体の百分率(アノード混合物、カソード混合物、KOH溶液、及び水の合計の重量パーセントとしての)と、他の電池の各々におけるものの比は、0.98:1から1.02:1.05までの範囲であり、長い電池のKOH濃度全体(KOH及び水全体の重量パーセントとしての)と、比較対照電池の各々のものの比は、0.95:1から1.05:1の範囲内であり、電池の製造中に水の損失がないものと仮定する。
(e)各々の電池の種類が同じ種類のセパレータ材料を有し、長い電池についてのカソードインターフェース面の表面積(cm2)当たりのセパレータ容積(cm3)と、比較対象電池の各々のものの比が、0.99:1から1.01:1までの範囲内である。
ステップ(2):室温において、少なくとも1つの各々の種類の電池を、1000mWで1.0ボルトまで連続的に放電させ、各々の種類について、実際の放電容量をmWhで求める。
ステップ(3):x軸上に放電時間を、y軸上に電池の全容積及びカソード容積のうちの1つを有した状態で、電池の種類の各々についての平均をグラフ上に表すデータポイントをプロットする。
ステップ(4):比較対象電池の種類についてのデータポイント間に直線を引く。
ステップ(5):直線上に、長い電池の種類の容積に対応する点を見出し、対応する補間された長い電池の放電容量をy軸上に求める。
ステップ(6):ステップ(5)で補間された放電容量を、ステップ(2)で得た長い電池の実際の放電容量と比較する。
ステップ(3):x軸上に放電時間を、y軸上に電池の全容積及びカソード容積のうちの1つを有した状態で、電池の種類の各々についての平均をグラフ上に表すデータポイントをプロットする。
ステップ(4):比較対象電池の種類についてのデータポイント間に直線を引く。
ステップ(5):直線上に、長い電池の種類の容積に対応する点を見出し、対応する補間された長い電池の放電容量をy軸上に求める。
ステップ(6):ステップ(5)で補間された放電容量を、ステップ(2)で得た長い電池の実際の放電容量と比較する。
LR03バッテリの電池容器は、ある程度、円筒形の容器の周りに塗布できる何らかの被覆物の厚さによって、0.359インチから0.413インチまで(9.0mmから10.5mmまで)の範囲の直径を有することができる。同様の利点は、長いAAAA電池(容器の直径が0.288インチから0.327まで(7.3mmから8.3mmまで))、長いAA電池(容器の直径が0.516インチから0.571インチまで(13.1mmから14.5mmまで))、及び他のもののような、他の直径を有する円筒形のアルカリ電池にも認めることができる。したがって、長いバッテリの電池容器の直径は、約0.288インチから0.571インチ(14.5mm)までに及ぶことができる。
長い電池のカソードの高さは、直径が同じである従来の電池のカソードの高さの約1.4倍から1.8倍までに及ぶことができ、例えば、電池の閉鎖要素の容積を減少させ、活性物質のためのより多くの空間を可能にできる際に、より高いカソードの高さが好ましい。LR8D425、LR03、及びLR6の直径の場合は、これは、対応する長い電池について約1.8インチから3.0インチまで(45.7mmから76.2mmまで)、又はLR8D425及びLR03の直径を有する長い電池について約1.8インチから2.7インチまで(45.7mmから68.6mmまで)の範囲を含む。長いAAA電池は、約2.1インチから2.7インチまで(53.4mmから68.6mmまで)、及び特定の条件のもとでは、好ましくは少なくとも2.2インチ又は2.4インチ(55.9mm又は61.0mm)のカソードの高さを有することができる。長いAAAA電池は、約1.8インチから2.4インチまで(45.7mmから61.2mmまで)、好ましくは少なくとも2.0インチ(50.8mm)のカソードの高さを有することができる。長いAA電池は、約2.3インチから3.0インチまで(58.4mmから76.2mmまで)、好ましくは少なくとも2.5インチ(63.5mm)のカソードの高さを有することができる。
電池容器の直径を増加させない他の電池の特徴を変えることによって、電池の放電性能をさらに改善することができる。例えば、不活性の電池部品(例えば、電池容器、閉鎖要素、電流コレクタ、及びセパレータ)の容積を減少させ、活性物質のためにより多くの内容積を利用できるようにすることが可能である。電極及び電解質の処方を変えて、理論的な容量及び/又は放電効率を改善することもできる。電極の成分(例えば、二酸化マンガン、黒鉛、又は他の導電材料、結合剤、亜鉛、アノード・ゲル化剤、水酸化カリウム、及び種々の電極添加剤の量)を変えて、より良い放電性能を与えることができる。電極の形状を変えることができるように、電流コレクタ材料、形状、サイズ、及びコーティングを変えることもできる。
異なる電気化学システム(活性物質及び電解質)並びに異なる形状(例えば、角柱状の電池)を有する電池において同様の利点を達成することも可能となる。
本発明は、特定の好ましいバージョンに関連してかなり詳細に説明されたが、他のバージョンも実行可能であり、実施例が上に開示される。
本発明は、特定の好ましいバージョンに関連してかなり詳細に説明されたが、他のバージョンも実行可能であり、実施例が上に開示される。
Claims (19)
- アルカリ・バッテリ電池であって、
直線状の側壁と閉じた底端部と開放した頂端部を含む円筒の電池容器と、
電解質の二酸化マンガンを含む正極と、亜鉛を含む負極と、セパレータと、前記容器の内側に配置されて水中に水酸化カリウム溶質を含む電解質と、
前記容器の前記開放端を閉鎖し、前記両電極及び前記電解質を前記電池内にシールする閉鎖要素とからなり、
前記正極は、中空の円筒形状を有し、前記容器の前記側壁及び前記底端部に押し当てて配置されて前記中空円筒内にキャビティを形成し、前記負極は、前記正極内の前記キャビティ内に配置され、前記セパレータは、該負極と該正極との間及び該負極と該容器の底部との間に配置され、
前記容器の直線状の側壁が、7.3mmから14.5mmまでの外径を有し、
前記正極が、前記容器の底部から45.7mmから76.2mmまでの高さを有することを特徴とする電池。 - 前記容器の外径が、9.0mmから10.5mmまでであり、前記正極の高さが、53.4mmから68.6mmまでであることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記正極の高さが、少なくとも55.9mmであることを特徴とする請求項2に記載の電池。
- 前記正極の高さが、少なくとも61.0mmであることを特徴とする請求項3に記載の電池。
- 前記理論的な電池容量が、2500mAhより大きいことを特徴とする請求項2に記載の電池。
- 前記正極が前記セパレータを介して前記負極とインターフェースするための面を有し、前記インターフェース面が12.0cm2より大きい面積を有することを特徴とする請求項5に記載の電池。
- 前記正極の容積が、1.9cm3より大きいことを特徴とする請求項6に記載の電池。
- 前記正極が、さらに黒鉛を備え、電解質の二酸化マンガンと黒鉛の重量比が、19:1より大きいことを特徴とする請求項2に記載の電池。
- 水酸化カリウムと水の総量に基づいた、放電前の前記電池内の全体の水酸化カリウム濃度は、該電池が放電し前記二酸化マンガン内のマンガンをMn+3.0に還元した場合に、計算された水酸化カリウム濃度が49.5パーセントから51.5パーセント(w/w溶液)までの間となる、ことを特徴とする請求項2に記載の電池。
- 前記容器外径が7.3mmから8.3mmまでであり、前記正極高さが45.7mmから68.6mmまでであることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記正極高さが、少なくとも50.8mmであることを特徴とする請求項10に記載の電池。
- 前記容器の外径が13.1mmから14.5mmまでであり、前記正極の高さが58.4mmから76.2mmまでであることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記正極の高さが、少なくとも63.5mmであることを特徴とする請求項12に記載の電池。
- アルカリ・バッテリ電池であって、
側壁と閉じた底端部と開放した頂端部を含む円筒形の電池容器と、
電解質の二酸化マンガンを含む正極と、亜鉛を含む負極と、セパレータと、前記容器の内側に配置されて水中に水酸化カリウム溶質を含む電解質と、
前記容器の前記開放端を閉鎖し、前記電極及び電解質を前記電池内にシールする閉鎖要素と、とからなり、
前記正極は、中空の円筒形状を有し、前記容器の前記側壁及び前記底端部に押し当てて配置されて前記中空円筒にキャビティを形成し、前記負極は、前記正極内の前記キャビティ内に配置され、前記セパレータは、該負極と該正極との間及び該負極と該容器の底部との間に配置され、
前記容器が、9.0mmから10.5mmまでの外径を有し、
前記正極が、前記容器の底部から55.9mmから68.6mmまでの高さを有し、
前記電池の理論的な容量が、2500mAhより大きく、
前記正極が前記セパレータを介して前記負極とインターフェースするための面を有し、前記インターフェース面が12.0cm2より大きい面積を有し、
前記正極が1.9cm3より大きい容積を有し、
前記正極が、さらに黒鉛を備え、電解質の二酸化マンガンと黒鉛の重量比が、19:1より大きいことを特徴とする電池。 - アルカリ・バッテリ電池であって、
直線状の側壁と閉じた底端部と開放した頂端部を含む円筒形の電池容器と、
電解質の二酸化マンガンを含む正極と、亜鉛を含む負極と、セパレータと、前記容器の内側に配置されて水中に水酸化カリウム溶質を含む電解質と、
前記容器の前記開放端を閉鎖し、前記電極及び電解質を前記電池内にシールする閉鎖要素と、からなり、
前記正極は、中空の円筒形状を有し、前記容器の前記側壁及び前記底端部に押し当てて配置されて前記中空の円筒体内にキャビティを形成し、前記負極は、前記正極内の前記キャビティ内に配置され、前記セパレータは、該負極と該正極との間及び該負極と該容器の底部との間に配置され、
前記容器の直線状の側壁が、9.0mmから10.5mmまでの外径を有し、
前記正極が、前記容器の底部から53.4mmから68.6mmまでの高さを有し、
前記電池の実際の放電容量(ミリワット時:mWh)は、補間法に従ったLR03電池及びLR6電池の放電試験から補間された場合に、補間された電池の放電容量の少なくとも110パーセントであることを特徴とする電池。 - 前記正極が前記セパレータを介して前記負極とインターフェースするための面を有し、前記インターフェース面が12.0cm2より大きい面積を有することを特徴とする請求項15に記載の電池。
- 前記正極の容積が、1.9cm3より大きいことを特徴とする請求項16に記載の電池。
- 前記正極の高さが、少なくとも55.9mmであることを特徴とする請求項17に記載の電池。
- 前記正極の高さが、少なくとも61.0mmであることを特徴とする請求項18に記載の電池。
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