JP2006196363A - 定電気容量アルカリ乾電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 放電安定性等を確保しながら、電気容量だけを所定量に再現性良く減量制御することを可能にし、これにより、電気容量の有無が薬剤の残量有無を的確に指示できるようにした定電気容量アルカリ乾電池を提供する。
【解決手段】ＬＲ型アルカリ乾電池であって、負極ゲル２３中の亜鉛濃度が４０〜５０重量％で、かつＮａ−ＰＡ（吸水性ポリマー）濃度が０．９〜１．６重量％とすることにより、使用時の放電安定性を確保しつつ電気容量だけを所定量に減量制御した定電気容量アルカリ乾電池。
【選択図】 図２

Description

この発明は、電気容量を用途に合わせて減量制御した定電気容量アルカリ乾電池に関し、たとえば電池式薬剤拡散器に利用される。

最近、カートリッジ式の芳香剤や殺虫剤等（以下、薬剤と総称）を電池駆動の小型電動ファンで拡散放出させて使用する電池式薬剤拡散器（放出器）が実用化されるようになってきた。カートリッジには所定量の薬剤が含まれている。この薬剤カートリッジを用いる電池式薬剤拡散器では、カートリッジ交換によって薬剤の補給を非常に簡便かつ安全に行うことができる。

薬剤の拡散放出に使用する電動ファンは、低消費電力の小型モータを用いて構成され、ＬＲ型のアルカリ乾電池で長時間運転させることができる。その運転の有無は、電動ファンの回転状況あるいはＬＥＤ（発光ダイオード）等を用いた電池インジケータによって確認することができる。

図４は、上記拡散器等に使用されていた従来のアルカリ乾電池の構成を示す。同図に示すアルカリ乾電池１０’はＬＲ６（単３）型であって、形状およびサイズが規格化された有底筒状の正極缶１１を用いて構成されている。この正極缶１１内には環状の固形正極合剤２１が装填され、この正極合剤２１の内側には筒状セパレータ２２が配置されている。そして、このセパレータ２２の内側に亜鉛を主成分とする負極ゲル２３’が充填されている。

負極ゲル２３’は、負極活物質である亜鉛紛を５５〜７０重量％含むとともに、ゲル化剤であるＮａ−ＰＡ（吸水性ポリマー）を０．４〜２重量％含むことによりゲル状化されている。この負極ゲル２３’中には、負極端子板２５の内側に突設された金属製の棒状負極集電２４’が貫入している。正極缶１１の開口部は負極端子板２５およびガスケット２６を用いて封口されている。

このＬＲ型アルカリ乾電池１０’は汎用乾電池であって、規格で定められた形状およびサイズ等の範囲内にて電気容量が放電性能と共に最大となるように構成されている（たとえば非特許文献１参照）。
「最新 電池ハンドブック」１３４ページ、（株）朝倉書店、１９９６年１２月２０日初版第１刷

しかしながら、上述した従来のアルカリ乾電池１０’を一般の電池利用機器たとえばライトやポンプ、電子カメラなどに使用する場合には、電気容量が放電性能と共に最大となるように構成する必要があるが、上述した電池式薬剤拡散器に使用する場合は、次のような問題が生じる。

すなわち、薬剤カートリッジを用いる電池式薬剤拡散器では、カートリッジの薬剤残量が無くなるタイミングと電池の電気容量が無くなるタイミングとが同時に来ることが理想的で非常に望ましい。この２つのタイミングが合えば、電動ファンの停止またはＬＥＤ等の電池インジケータの表示状態（消灯）が即、カートリッジの薬剤切れを表示することになり、カートリッジの交換を、時期を逸することなく、適切行うことができるようになって、使用者には非常に好都合である。

ところが、従来のＬＲ型アルカリ乾電池は、電気容量が放電性能と共に最大となるように構成されているため、図５に示すように、薬剤の残量が無くなった後もかなりの電気容量が残って電動ファンを空運転させ続ける。この状態では薬剤切れを判断できないため、薬剤カートリッジの交換を適切に行うことができない。

電気容量の有無で薬剤残量の有無を指示できるようにするためには、電気容量を薬剤量にマッチングさせる必要があり、このためには、たとえばＬＲ６型（単３）を１段階小型のＬＲ０３型（単４）に変更することも考えられる。しかし、この場合は、薬剤量に対して電気容量が大幅に不足してしまう。つまり、薬剤量と電気容量のミスマッチが逆方向で大きく拡大してしまう。

したがって、電気容量の有無で薬剤の残量有無を指示できるようにするためには、アルカリ乾電池たとえばＬＲ６型アルカリ乾電池の電気容量を、ＬＲ６型の形状およびサイズ等の規格を変更することなく、電気容量だけを所定量に減量制御するしかない。

この場合、カートリッジの薬剤量を電池の電気容量に合わせて変更することも考えられる。しかし、可及的に大きな電気容量を持つように構成された従来のアルカリ乾電池は、電気容量の最小は保証しても、最大を保証する構成ではないため、カートリッジの薬剤量変更は解決策とならない。カートリッジには使用期間等の商品規格に応じて定められた定量の薬剤を過不足無く含有させる必要があり、電池の電気容量に合わせて薬剤量を変えるということはできない。

そこで、本発明者は、ＬＲ型アルカリ乾電池の電気容量をカートリッジの薬剤量に応じて所定量に減量制御することを検討した。しかし、アルカリ乾電池の電気容量は放電性能等の他の性能と一体になって改良されてきたものであり、従来構成のアルカリ乾電池において、放電性能を確保しながら、電気容量だけを選択的に減量することは、非常に無理を伴うことが判明した。電気容量を減量させようとすると、この減量に伴って放電性能とくに放電安定性が低下し、電動ファンを規定通り安定に駆動することができなくなって、薬剤の拡散放出を適正に行えなくなってしまう。

形状やサイズ等が規格化されたＬＲ型のアルカリ乾電池において、その規格を守りながら電気容量を減らす方法としては、発電物質である負極ゲルの充填量を減量することが考えられる。しかし、負極ゲルを減量した場合、図６に示すように、放電電位（端子電圧Ｖ）にフラツキが生じやすくなることが判明した。つまり、放電安定性が悪くなるという問題が生じる。

この発明は以上のような背景と問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、放電安定性等を確保しながら、電気容量だけを所定量に再現性良く減量制御できるようにし、これにより、電気容量の有無が薬剤の残量有無を的確に指示できるようにした定電気容量アルカリ乾電池を提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

本発明の手段は次の通りである。
（１）有底筒状の正極缶内に環状の固形正極合剤が装填され、この正極合剤の内側に筒状セパレータが配置され、このセパレータの内側に亜鉛を主成分とする負極ゲルが充填され、さらに、この負極ゲル中に金属製の棒状負極集電子が貫入するとともに、上記正極缶の開口部が負極端子板およびガスケットによって封口されたＬＲ型アルカリ乾電池であって、上記負極ゲル中の亜鉛濃度を４０〜５０重量％で、かつＮａ−ＰＡ（吸水性ポリマー）濃度を０．９〜１．６重量％とすることにより使用時の放電安定性を確保しつつ電気容量だけを所定量に減量制御したことを特徴とする定電気容量アルカリ乾電池。

上記手段（１）においては、次の手段が実施形態としてさらに好ましい。
（２）上記手段（１）において、ＬＲ６型のアルカリ乾電池で負極集電子の直径が１．３ｍｍ以上であることを特徴とする定電気容量アルカリ乾電池。
（３）上記手段（１）または（２）において、Ｎａ−ＰＡの見かけ密度が０．６０〜０．８０ｇ／ｃｃであり、このＮａ−ＰＡによる４０％ＫＯＨ水溶液の吸液量が３０〜５０ｇ／ｇであることを特徴とする定電気容量アルカリ乾電池。

放電安定性等を確保しながら、電気容量だけを所定量に再現性良く減量制御することができ、これにより、電気容量の有無が薬剤の残量有無を的確に指示できるようにした定電気容量アルカリ乾電池を提供することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

図１は、本発明の技術が適用された定電気容量アルカリ乾電池１０の実施形態を示す。同図に示す電池１０はＬＲ６型のアルカリ乾電池であって、形状およびサイズが規格化された有底筒状の正極缶１１を用いて構成されている。この正極缶１１内には環状の固形正極合剤２１が装填され、この正極合剤２１の内側には筒状セパレータ２２が配置されている。そして、このセパレータ２２の内側に亜鉛を主成分とする負極ゲル２３が充填されている。この負極ゲル２３中には、負極端子板２５の内側に突設された金属製の棒状負極集電２４が貫入している。正極缶１１の開口部は負極端子板２５およびガスケット２６を用いて封口されている。

ここで、負極ゲル２３の充填量については、満杯量（最大充填可能体積）あるいは満杯量の８０％以上であって、従来とそれほど変らないが、ゲル２３中の亜鉛濃度が４０〜５０重量％で、かつＮａ−ＰＡ（吸水性ポリマー）濃度が０．９〜１．６重量％の範囲となっていて、これは前述した従来の汎用アルカリ乾電池と大きく異なる。

亜鉛濃度とＮａ−ＰＡ濃度がそれぞれ上記範囲（４０〜５０重量％および０．９〜１．６重量％）に設定された負極ゲル２３は、その充填量（体積）を大きく減量させなくても、少なくとも８０％以上の充填量を維持しながら、電気容量を減量させることができる。また、充填量を大きく減量しないことにより、放電安定性等の放電性能も良好に保たれることが判明した。これは、負極ゲル２３の充填量がある程度以上確保されることで、負極ゲル２３と正極合剤２１間の対向面積、負極ゲル２３と負極集電子２４間の接触抵抗がそれぞれ安定かつ良好に確保されるためと考えられる。

一方、電気容量については、亜鉛濃度とＮａ−ＰＡ濃度をそれぞれ上記範囲（４０〜５０重量％および０．９〜１．６重量％）内で調節することにより、アルカリ乾電池に要求される放電性能や放電安定性を確保しつつ、安定に減量させられることが判明した。

また、ＬＲ６型のアルカリ乾電池の場合、負極ゲル２３を上記のように調整したときに、負極集電子２４の直径を１．３ｍｍ以上とすることで、電気容量だけを安定に減量させられる範囲を上記よりも拡大できることが判明した。さらに、Ｎａ−ＰＡの見かけ密度を０．６０〜０．８０ｇ／ｃｃとし、このＮａ−ＰＡによる４０％ＫＯＨ水溶液の吸液量を３０〜５０ｇ／ｇとすることにより、電気容量だけを安定に減量させられる範囲をさらに大幅に拡大できることが判明した。

これにより、図２に示すように、電池の電気容量をカートリッジの薬剤量にマッチングさせて、電池の容量切れによる電動ファンの停止またはＬＥＤ等の電池インジケータの表示状態（消灯）でもって、カートリッジの薬剤切れを使用者に察知させることが可能になる。これにより、使用者は、カートリッジの交換を時期を逸することなく適切に行うことができる。そして、図３に示すように、薬剤の残量がある間、放電電位（端子電圧Ｖ）はフラツキを生じることなく安定に推移して電動ファンを規定通り安定に駆動し続けることができる。

＜＜実施例＞＞
この実施例では、電動ファン式殺虫剤拡散器の専用電池して、電気容量が１．８ＡＨの定電気容量アルカリ乾電池を作製する。この場合、理論的に要求される電気容量は１．７ＡＨであるが、利用率を考慮すると、薬剤量とマッチングする電気容量は１．８ＡＨとなる。この電気容量１．８ＡＨは、現行（従来構成）の汎用アルカリ乾電池の約６０％の電気容量である。したがって、現行の汎用アルカリ乾電池を使用すると、電気容量と薬剤量との間に大きなミスマッチングが生じてしまう。

そこで、負極ゲルの充填量（体積）を現行仕様（従来構成）の８０％に保ち、かつ電気容量を所定の目標値（１．８ＡＨ）に設定するために、表１に示すように、負極集電子の直径（φｍｍ）、負極ゲルの亜鉛濃度（重量％）、Ｎａ−ＰＡ濃度（重量％）の各パラメータがそれぞれ異なるＬＲ６型アルカリ乾電池を試作し、各電池における放電電位のフラツキを検証した。表１において、「◎」はフラツキが認められなかったものを示し、「×」は支障となるフラツキが認められたものを示す。

表１より判るように、負極ゲルの体積すなわち充填量を一定以上に保った場合、
亜鉛濃度を４０〜５０重量％の範囲、Ｎａ−ＰＡ濃度を０．９〜１．６重量％の範囲、負極集電子の直径φを１．３ｍｍ以上とすることにより、電気容量を現行仕様の約４４％まで安定に減量させることができる。

＜＜比較例＞＞
負極ゲルの組成については従来仕様のままとし、電気容量を減量させるためにその負極ゲルの充填量（体積）を減量していった場合において、負極集電子の直径と放電電位のフラツキとの関係を検証した。この検証の結果を表２に示す。

表２の結果から判るように、従来仕様の負極ゲルすなわち亜鉛濃度が上記実施例の範囲よりも高い負極ゲルでは、負極集電子の直径φを１．３ｍｍ以上にした場合でも、負極ゲルの充填量を８０％以下にすると、放電電位にフラツキが生じた。つまり、従来仕様の負極ゲルを使用した場合、電気容量は現行容量の８０％までしか減量できず、それ以上の減量は放電の安定性を失って電池としての機能が果たせなくなる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、本発明はＬＲ６型以外のアルカリ乾電池にも適用可能である。

放電安定性等を確保しながら、電気容量だけを所定量に再現性良く減量制御することができ、これにより、電気容量の有無が薬剤の残量有無を的確に指示できるようにした定電気容量アルカリ乾電池を提供することができる。

本発明による定電気容量アルカリ乾電池の実施形態を示す図である。 本発明に係るアルカリ乾電池の電気容量と薬剤残量の推移を示すグラフである。 本発明に係るアルカリ乾電池の放電安定性を示すグラフである。 従来のアルカリ乾電池の一般的な構成を示す図である。 従来のアルカリ乾電池の電気容量と薬剤残量の推移を示すグラフである。 従来のアルカリ乾電池の電気容量を減量したときの放電フラツキ状態を示すグラフである。

符号の説明

１０ 定電気容量アルカリ乾電池
１１ 正極缶
２１ 正極合剤
２２ セパレータ
２３ 負極ゲル
２４ 負極集電子
２５ 負極端子板
２６ ガスケット

Claims (3)

1. 有底筒状の正極缶内に環状の固形正極合剤が装填され、この正極合剤の内側に筒状セパレータが配置され、このセパレータの内側に亜鉛を主成分とする負極ゲルが充填され、さらに、この負極ゲル中に金属製の棒状負極集電子が貫入するとともに、上記正極缶の開口部が負極端子板およびガスケットによって封口されたＬＲ型アルカリ乾電池であって、上記負極ゲル中の亜鉛濃度を４０〜５０重量％で、かつＮａ−ＰＡ（吸水性ポリマー）濃度を０．９〜１．６重量％とすることにより使用時の放電安定性を確保しつつ電気容量だけを所定量に減量制御したことを特徴とする定電気容量アルカリ乾電池。
2. 請求項１において、ＬＲ６型のアルカリ乾電池で負極集電子の直径が１．３ｍｍ以上であることを特徴とする定電気容量アルカリ乾電池。
3. 請求項１また２において、Ｎａ−ＰＡの見かけ密度が０．６０〜０．８０ｇ／ｃｃであり、このＮａ−ＰＡによる４０％ＫＯＨ水溶液の吸液量が３０〜５０ｇ／ｇであることを特徴とする定電気容量アルカリ乾電池。
   
   

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