JP2006522995A - 絶縁性管状ハウジングを有するバッテリー - Google Patents

Abstract

多角形断面を有する絶縁性管状ハウジングを有するバッテリーである。本管状ハウジングは紙で形成され得る。

Description

本発明は、電気化学セルに関する。特に本発明は、バッテリーを形成する電気化学セルをパッケージングする新しい方法に関する。

背景技術
再充電可能な電気化学セルにおいては、重量と可搬性は重要な考慮事項である。再充電可能な電池が定期保守の必要性なしに長い動作寿命を有することもまた、有利である。再充電可能な電気化学セルは、計算器、携帯型ラジオ、携帯電話（セルラー電話）といった非常に多くの民生用装置に使用されている。これらはしばしば、特定の装置の一体化部分として設計された密閉電源パックに構成される。再充電可能な電気化学セルは、より大きな「セルパック」また「バッテリーパック」として構成されることも可能である。

再充電可能な電気化学セルは、「非水性」電池または「水性」電池として分類され得る。非水性電気化学セルの例は、陽極と陰極の両者のための層間化合物と液体有機またはポリマー電解質とを使用するリチウムイオン電池である。水性電気化学セルは、「酸性」または「アルカリ性」いずれかに分類され得る。酸性電気化学セルの例は、陽極の活性材料として二酸化鉛を使用し、負の活性材料として大きな表面積の多孔質構造の金属鉛を使用する鉛酸電池である。アルカリ性電気化学セルの例は、ニッケルカドミウム電池（Ｎｉ−Ｃｄ）とニッケル金属水素化物電池（Ｎｉ−ＭＨ）である。Ｎｉ−ＭＨ電池は、活性材料として水素吸収合金を有する陰極を使用する。水素吸収合金は、水素の可逆的な電気化学的貯蔵を可能とする。Ｎｉ−ＭＨ電池は典型的には、活性材料として水酸化ニッケルを有する陽極を使用する。これら陰極及び陽極は、水酸化カリウム等のアルカリ性電解質内に間隔をあけて配置される。

Ｎｉ−ＭＨ電池に電位を印加すると、陰極の水素吸収合金活性材料は、水素の電気化学的吸収と水素化金属を形成するヒドロキシルイオンの電気化学的放電とによって充電される。これは、式（１）で示される：
充電
Ｍ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ｅ⁻ ＜―――＞ Ｍ−Ｈ ＋ ＯＨ⁻ （１）
放電
陰極の反応は可逆的である。放電時には、蓄積された水素は水素化金属から解放されて水分子を形成して電子を放出する。

一般にニッケル水素化金属バッテリーの陰極には、水素吸蔵合金が使用される。使用され得る水素吸蔵合金の分類は、ＡＢ型合金を含む。ＡＢ型合金の例は、ＴｉＮｉ合金とＭｇＮｉ合金とを含む。使用され得る水素吸蔵合金の別の分類は、ＡＢ_２型水素吸蔵合金を含む。ＡＢ_２型合金の例は、二元のＺｒＣｒ_２、ＺｒＶ_２、ＺｒＭｏ_２、ＴｉＮｉ_２、及びＭｇＮｉ_２合金を含む。水素吸蔵合金のまた別の分類は、ＡＢ_５型水素吸蔵合金を含む。ある幾つかのＡＢ_５型の合金に関して、Ａはランタンによって代表され得、ＢはＮｉ、ＭｎまたはＣｒといった遷移金属であり得る。このタイプのＡＢ_５型合金の例は、ＬａＮｉ_５である。ＡＢ_５合金の他の例は、ＭｍＮｉ_５及びＭｍＮｉＣｒＣｏＭｎＡｌといった希土類（ミッシュメタル）合金を含む。

他の水素吸収合金は、ホストマトリックス内への選択された変性剤要素の組込みによって局所的化学秩序と局所的構造秩序とを適応させる結果として得られる。無秩序水素吸収合金は、単相または多相の結晶材料と比較して実質的に大きな密度の触媒的活性サイトと蓄積サイトとを有する。これらの追加的サイトは、電気化学的充電／放電の改善された効率と電気エネルギー蓄積容量の増加との元になっている。蓄積サイトの性質と数は、触媒的活性サイトとは別個に設計できる。特にこれらの合金は、二次蓄電池の用途での使用に適した可逆性の範囲内の結合強度において解離水素原子のバルク蓄積を可能にするように適応させられる。

上記の無秩序材料に基づいて、ある幾つかの極めて効率的な電気化学的水素吸蔵合金が構成された。これらは、その開示が参照としてここに組み込まれている米国特許第４，５５１，４００号（「４００号特許」）に開示されたようなＴｉ−Ｖ−Ｚｒ−Ｎｉ型の活性材料である。これらの材料は、水素を蓄積するために水素化物を可逆的に形成する。４００号特許で使用されるすべての材料は、少なくともＴｉ、Ｖ及びＮｉが存在し、Ｃｒ、ＺｒまたはＡｌで変性させられ得る一般のＴｉ−Ｖ−Ｎｉ組成を利用する。４００号特許の材料は、Ｃ_１４及びＣ_１５型結晶構造を有する一つ以上の相を有するがこれに限定されない多相材料である。

再充電可能水素吸蔵陰極にも使用される他のＴｉ−Ｖ−Ｚｒ−Ｎｉ合金は、米国特許第４，７２８，５８６号（「５８６号特許」）に記載されており、その内容は参照としてここに組み込まれている。５８６号特許は、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｉ及び第５の成分Ｃｒを含むＴｉ−Ｖ−Ｎｉ−Ｚｒ合金の特定の下位分類を記述している。５８６号特許は、合金のＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｉ及びＣｒ成分以外の添加物と変性剤の可能性に言及しており、また特定の添加物及び変性剤とこれら変性剤の量及び相互作用とそれらから予期され得る特定の利益とを一般的に論じている。他の水素吸収合金材料が、米国特許第５，０９６，６６７号、第５，１３５，５８９号、第５，２７７，９９９号、第５，２３８，７５６号、第５，４０７，７６１号及び第５，５３６，５９１号に論じられており、これらの内容は参照としてここに組み込まれている。

発明の概要
本発明の一態様は、多角形断面を有する絶縁性管状ハウジングと、このハウジング内に端と端をつなぐように配置された一つ以上の電気化学セルと、を含むバッテリーである。

発明の詳細な説明
図１は、本発明の一実施形態を示す。図１は、第１の円筒形状の電気化学セル２０Ａと第２の円筒形状の電気化学セル２０Ｂとを含むバッテリー１０を示す。各電気化学セルは、上端または正端子２５と下端または負端子３５とを有する。これらの電気化学セルは、第１の電気化学セル２０Ａの下端（負端子）３５が第２の電気化学セル２０Ｂの上端（正端子）２５に隣接して電気的に接触するように、端と端をつなぐように配置される。第１及び第２の電気化学セルは、一つの絶縁性管状ハウジング４０内に配置される。

ハウジング４０は、電気的に非伝導性の如何なる材料でも（例えば如何なる誘電材料でも）形成され得る。可能な材料の例は、紙、プラスチック及びゴムを含む。好適にはハウジングは、紙から形成される。紙は、セルロース繊維を化学的に処理することによって作られた半合成製品を含む。紙は、誘電性クラフト紙であってよい。クラフト紙には、フェノール樹脂が真空含浸されてよい。この紙は、バルカンファイバーであってよい。バルカンファイバーは、コットンラグベースの紙から製造され得る。バルカンファイバーはフィッシュペーパーとも呼ばれる。

図１に示す本発明の実施形態では管状ハウジング４０は、正方形の断面を有する。バッテリー１０の断面は、図２に示される。図２は、第１の電気化学セル２０Ａの上端２５を示す。図２に示すように電気化学セルの側壁表面とハウジング４０との間にはギャップ５０が存在する。ギャップ５０は、ハウジング内に配置された電気化学セルを冷却するために空気（または何らかの別の形の冷媒）が循環できるための領域を与える。空気循環の可能な流れ６０は、図３に示されている。

管状ハウジングの正方形は、バッテリーパックを形成するために多数のバッテリーを共にパッキングすることを容易にする。これは、バッテリーパック７０を形成するために複数のバッテリー１０が並べて積み重ねられている図４に示されている。図５は、バッテリーパックの断面図を示す。

図１〜４に示す管状ハウジングの実施形態では、管状ハウジングの断面は、正方形である。より一般的には絶縁性管状ハウジングは、如何なる多角形断面をことも可能である。すなわち管状ハウジングの断面は、３辺以上の辺を有する多角形であってよい。考えられる断面の例が図６Ａ〜６Ｄに示されている。図６Ａでは多角形断面は三角形である。図６Ｂでは多角形断面は五角形である。図６Ｃでは多角形断面は六角形である。

好適には多角形断面の辺のすべては、実質的に同じ長さを有する。この場合、多角形断面は「等辺」であるといわれる。しかしながら多角形断面が異なる長さを有し得ることは可能である。この場合、多角形断面は「非等辺」であるといわれる。例えば正方形断面を有する絶縁性管状ハウジングを使用するのではなく、図６Ｄに示すような矩形断面を有する絶縁性管状ハウジングを使用することが可能である。図６Ｄに示すように、二つの平行な辺は長さＬ１を有し、他の二つの平行な辺は長さＬ２を有する（ここでＬ１はＬ２より小さい）。図６Ｄに示すような楕円形断面を有する電気化学セルを収容するために矩形断面を有する絶縁性管状ハウジングが使用され得ることは可能である。これは平らに巻かれたバッテリー用の容器であり得る。

更に、多角形断面を有することだけではなく、絶縁性管は単に、管内に収容される電気化学セルの断面とは異なる断面形状を有することが考えられる。電気化学セルと管の形状は異なるので、電気化学セルの側壁（単数または複数）と管の壁（単数または複数）との間には、なおギャップが存在するであろう。これらのギャップは、空気が管の内部を循環して電気化学セルの表面に接触することができるように使用され得る。循環空気は、電気化学セルを冷却するために使用され得る。

更に図１では単に２個の電気化学セルが端と端をつなぐように収容されているが、３個以上の電気化学セルを端と端をつなぐように絶縁性管状ハウジング内に収容することも可能である。更に、１個の電気化学セルのみが管状ハウジング内に配置されることも可能である。

再び図４、５を参照すると、絶縁性管状ハウジングは第１の電気化学セルのケースがバッテリーパック内で第１の電池の側面に置かれた第２の電気化学セルのケースに接触することを防止していることが分かる。これは、電気化学セルの各々のケースが純粋な金属または金属合金といった金属材料から（または他の導電材料から）形成されるときには極めて有用である。

したがって金属ケースを有する電気化学セルは、金属ケースの周りに如何なる追加の絶縁被覆も使用する必要なく、絶縁性管状ハウジング内に配置することができる。この絶縁性管状ハウジングは、複数の電気化学セルのうちの一つの金属ケースがバッテリーパック内で側面に配置された別の電気化学セルの金属ケースに接触することを防止するであろう。したがって絶縁性管状ハウジングは、金属材料で形成された電気化学セルのケーシングの周りに如何なる追加の絶縁被覆（例えば、絶縁プラスチック収縮被覆）を使用する必要もなくする。

本発明で使用される電気化学セルは、当技術分野で既知の如何なる電気化学セルでもよい。好適にはこれらの電気化学セルは、アルカリ性電気化学セルである。アルカリ性電気化学セルは、アルカリ電解質を使用する。アルカリ電解質は、好適にはアルカリ金属水酸化物の水溶液である。アルカリ金属酸化物は、好適には水酸化カリウム、水酸化リチウムまたは水酸化ナトリウム、あるいはそれらの混合物を含む。好適には電気化学セルは、ニッケル水素化金属電気化学セル、またはニッケル−カドミウム電気化学セルである。より好適には電気化学セルは、ニッケル水素化金属電気化学セルである。ニッケル金属水素化物電池は、活性材料として水素吸蔵合金を含む陰極と、活性材料として水酸化ニッケル材料を含む陽極とを使用する。一般に如何なる水素吸蔵合金でも陰極用の活性電極材料として使用でき、また如何なる水酸化ニッケル材料でも陽極用活性電極材料として使用できる。水素吸蔵合金の例は、上記で論じた。

本発明は好適な実施形態と手順とに関連して説明されてきたが、本発明をこれらの好適な実施形態と手順とに限定することが意図されていないことは理解されるべきである。逆に前記の付属の請求項に記載の本発明の精神と範囲内に含まれ得るすべての代替手段、修正版及び同等手段をカバーすることが意図されている。

管状ハウジング内に端と端をつなぐように配置された第１及び第２の電気化学セルを含むバッテリーを示す図である。 図１のバッテリーの上端の断面図である。 図１に示すバッテリーの管状ハウジング内を空気がどのように通過し得るかを示す図である。 図１に示すバッテリーを６個積み重ねることによって形成されたバッテリーパックを示す図である。 図４のバッテリーパックの断面図である。 三角形の断面を有する管状ハウジング内に配置されたバッテリーの断面図である。 五角形の断面を有する管状ハウジング内に配置されたバッテリーの断面図である。 六角形の断面を有する管状ハウジング内に配置されたバッテリーの断面図である。 矩形の断面を有する管状ハウジング内に配置されたバッテリーの断面図である。

Claims (10)

1. 多角形断面を有する絶縁性管状ハウジングと、
   前記ハウジング内に端と端をつなぐように配置された一つ以上の電気化学セルと、を含むことを特徴とするバッテリー。
2. 前記電気化学セルは円筒形であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
3. 前記多角形断面は等辺であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
4. 前記多角形断面は非等辺であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
5. 前記多角形断面は正方形であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
6. 前記絶縁性ハウジングは紙を含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
7. 前記電気化学セルはニッケル金属水素化物電池であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
8. 前記電気化学セルはアルカリ電池であることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
9. 前記電気化学セルは金属ケースを有することを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
10. 前記一つ以上の電気化学セルは複数の電気化学セルであることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。

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