JP2007537573A - アルカリ電池におけるエネルギー、電力及び費用のバランスをとった埋め込み型の電極構造 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2004年10月22日に出願した米国特許出願第10/904,097号に基づく優先権を主張するものである。この基礎米国特許出願は、2004年6月21日に出願の米国特許出願第10/710,135号、2004年6月18日に出願の米国特許出願第10/710,116号、2004年6月18日に出願の米国特許出願第10/710,116号、2004年5月14日に出願の米国特許出願第10/846,020号の一部継続出願であり、また、この基礎米国特許出願は、2003年9月2日に出願の米国仮特許出願第60/499,545号、2003年9月16日に出願の米国仮特許出願第60/503,298号、2003年10月21日に出願の米国仮特許出願第60/513,167号に基づく優先権を主張するものである。これら全ての出願は参考として本願明細書に引用するものである。
本発明は、広くは電気化学電池に関するものである。より詳しくは、本発明は、アルカリ電池のような電気化学電池であって、電極構成部材間の表面界面領域を妥当なものとすることにより、高〜中間の電力放電レベルにおける電力及びエネルギー送出能力のバランスをとった電気化学電池に関するものである。
二酸化マンガンカソード及び亜鉛アノードに基づくアルカリ電池は、コンシューマ向けの携帯型電子機器に広く用いられている。標準の円筒状フォーマット、例えばAAA、AA、C及びDサイズの主要なアルカリ電池には大きな市場が存在している。これらの製品には多数の利点がある。亜鉛及び二酸化マンガンは、安価で安全であり、環境にも優しく、またこの機構により良好なエネルギー密度が得られる。これらの標準的なアルカリ電池製品は、一連の電気製品に対する簡単且つ便利な汎用的な解決策をコンシューマに提供してきた。
アノード及びカソード間の表面領域を増大させる電池構造を採用することにより、代表的な円筒状又はプリズム状のアルカリ電池の多量のエネルギー含量及びその他の特徴を維持しながら、中間範囲の放電電力レベルにおける容量稼働率を大幅に向上させた円筒状又はプリズム状のアルカリ電池のような電池を提供する。本願明細書において具体的に説明する本発明の原理によれば、本発明の特徴は、内面と、第1端子と、第2端子とを有する内部空間を規定する電池ハウジングを有する電気化学電池にある。この電池は更に、ハウジングの内部空間内に配置されており且つセパレータによりカプセル化された内電極を有する。この内電極は曲線状に構成されており、内電極の外延部が、電池ハウジングの内部空間により規定される輪郭に概ね従うように形成されている。この内電極は、ハウジングの第2端子と電気的に連絡している。外電極は、内電極とイオン的に連絡し且つ電池ハウジングの第1端子と電気的に連絡するようにハウジングの内部空間内に配置されている。
本発明は多くの異なる形態を採用しうるものであり、図面及び明細書に説明する1つ以上の特定例は、本発明の原理を例示するものであり、本発明を限定することを意図していないことを理解されたい。
本実施例は、図5A〜5Dに示す「波形の折り曲げ部を付けた埋め込み式」の構成に関するものである。この例では、アノードとして、多孔性の固体電鋳亜鉛を使用している。全ての実施例について図8〜11を参照しており、平面状の電鋳亜鉛を、約1.5”W×1.625”Hのアノード半アセンブリ51として使用している。この電鋳亜鉛アノード半アセンブリ51は、絶縁リード62を取付けた銀若しくは銅の薄肉金属基板64上に、酸化亜鉛/バインダスラリー63をペーストし、その後、アルカリ浴中で電鋳することにより形成した。その後、このアノード半アセンブリ51を洗浄し乾燥して、Scimat700/70セパレータ52のパウチで熱封止しアノードアセンブリ55を形成した。使用したアノードは乾燥状態で約4.7gであり、基板及びリードを含んだ乾燥状態で0.045インチの厚さであった。乾燥したアノードアセンブリ55を、緩やかな波形の「W」字状態53に折り曲げる前に、少なくとも1時間に亘り9NのKOHに浸漬した。パンチメタル基板54上に被着した2つの平面状MnO2カソードと、9NのKOHに浸漬して被覆部を設けたKC16吸収体とを、アノードの各側にカソードが存在するように配置して、かみ合った状態の「W」字状物56になるよう折り曲げ、波形積層体57の形態の電極アセンブリを得た。この波形積層体57を、電池ハウジング又は缶59に挿入する前に、0.500インチ〜0.515インチの直径のボアを有する圧縮ダイにおいて円筒形状58にプレス成形した。電極積層体57の厚さは、成形後に缶59を充填するのに薄肉になりすぎないように、或いは厚肉すぎて缶59に挿入する際に過剰に圧縮されて多孔性及び電解質が損なわれないよう調整する。この電極積層体を缶59に挿入した後、この缶59の上部に封止ビード60を成形した。アノードリード62を蓋63に取り付け、缶を封止して完全な電池64を形成した。
本実施例は、図5A〜5Dに示す「波形の折り曲げ部を設けた埋め込み式」の構成であって、特にアノード半アセンブリにペースト亜鉛を使用した構成を説明するものである。アノードは、押出成形又はペースト処理を用いて亜鉛粉末からアノードシートを形成することで製造する。アノード半アセンブリは、粉末状の金属亜鉛若しくは亜鉛合金及び酸化亜鉛を、Kratonバインダ及びShellsol溶剤と共に混合することにより調製した。この混合物を、リードを取付けた厚さ0.002インチの穿孔銅箔基板上にペーストし、溶剤を蒸発させた。その後、この半アセンブリを、SM700/70セパレータで包んでアノードアセンブリを形成した。乾燥したアノードアセンブリは、緩やかな波形の「W」字状態に折返す前に、少なくとも1時間に亘り9NのKOHに浸漬した。パンチメタル基板上に被着した2つの平面状MnO2カソードと、9NのKOHに浸漬して被覆部を設けたKC16吸収体とを、アノードの各側にカソードが存在するように配置して、かみ合った状態の「W」字状物56になるよう折り曲げた。波形積層体57を、電池ハウジング又は缶に挿入する前に、0.500インチ〜0.515インチの直径のボアを有する圧縮ダイにおいて円筒状にプレス成形した。電極積層体の厚さは、成形後に缶を充填するのに薄肉になりすぎないように、或いは厚肉すぎて缶に挿入する際に過剰に圧縮されて多孔性及び電解質が損なわれないよう調整する。電極積層体を缶に挿入した後、この缶の上部に封止ビードを成形した。アノードリードを蓋に取り付け、缶を封止して完全な電池を形成した。
本実施例は、図5A〜5Dに示す「波形の折り曲げ部を設けた埋め込み式」の構成であって、亜鉛ゲルを使用してアノードアセンブリを形成した構成を説明するものである。亜鉛ゲルは、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、デンプン及びそれらの誘導体のような好適なゲル化剤と共に、粉末状金属亜鉛若しくは亜鉛合金と、任意には酸化亜鉛とを含むものとした。リードを取り付けたアノード電流コレクタを、Scimat SM700/79のセパレータから調製したパウチ内に配置し、このパウチ内に7gのゲルを添加し、その後底部を加熱封止しアノードアセンブリを形成した。パンチメタル基板上に被着した2つの平面状MnO2カソードと、9NのKOHに浸漬して被覆部を設けたKC16吸収体とを、アノードの各側にカソードが存在するように配置して、かみ合った状態の「W」字状物になるよう折り曲げた。波形積層体を、電池ハウジング又は缶に挿入する前に、0.500インチ〜0.515インチの直径のボアを有する圧縮ダイにおいて円筒状にプレス成形した。電極積層体の厚さは、成形後に缶を充填するのに薄肉になりすぎないように、或いは厚肉すぎて缶に挿入する際に過剰に圧縮されて多孔性及び電解質が損なわれないよう調整する。電極積層体を缶に挿入した後、この缶の上部に封止ビードを成形した。アノードリードを蓋に取り付け、缶を封止して完全な電池を形成した。
本実施例は、図5A〜5Dに示す「波形の折り曲げ部を設けた埋め込み式」の構成であって、亜鉛ファイバを添加した亜鉛ゲルを使用してアノードアセンブリを形成する構成を説明するものである。亜鉛ゲルは、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、デンプン及びこれらの誘導体のような好適なゲル化剤と共に、粉末状金属亜鉛若しくは亜鉛合金と、5%のAlltrista 1/8”亜鉛ファイバと、任意には酸化亜鉛とを含むものとした。リードを取り付けたアノード電流コレクタを、Scimat SM700/79のセパレータから調製したパウチ内に配置し、このパウチ内に7gのゲル/ファイバ混合物を添加し、その後底部を加熱封止しアノードアセンブリを形成した。パンチメタル基板上に被着した2つの平面状MnO2カソードと、9NのKOHに浸漬して被覆部を設けたKC16吸収体とを、アノードの各側にカソードが存在するように配置して、かみ合った状態の「W」字状物になるよう折り曲げた。波形積層体を、ハウジング又は缶に挿入する前に、0.500インチ〜0.515インチの直径のボアを有する圧縮ダイにおいて円筒状にプレス成形した。電極積層体の厚さは、成形後に缶を充填するのに薄肉になりすぎないように、或いは厚肉すぎて缶に挿入する際に過剰に圧縮されて多孔性及び電解質が損なわれないよう調整する。電極積層体を缶に挿入した後、この缶の上部に封止ビードを成形した。アノードリードを蓋に取り付け、缶を封止して完全な電池を形成した。
上記の記載に基づけば、本発明の原理が、プリズム状を含む任意の種類の電池構成又は任意の自由な形態の電池構成においても実現しうるものであることが、当業者に理解されるだろう。しかし、更なる例示のために、複数のプリズム状電池の実施例を以下に詳細に説明する。
実施例5〜8において、内電極及び外電極の長手方向寸法は、容器の全内法高さから封止に必要な高さを引いたものにほぼ等しくなり、代表的には内法高さの少なくとも70%になるため、電極複合材料が容器の全長のほとんどを占めエネルギー含量が最大になる。プリズム状電池については、カソード重量を約11gとし、厚さを0.041インチとした。プレス処理の際に電解質の一部(約0.5〜1.0g)が失われた。
本発明の電極アセンブリを用いた試験用の電池を製造して試験した。亜鉛ゲルは、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、デンプン及びこれらの誘導体のような好適なゲル化剤と共に、粉末状金属亜鉛若しくは亜鉛合金と、任意には酸化亜鉛とを含むものとした。スズ被覆スチール基板を含むScimat SM700/79のセパレータから調製した約28mm×62mmのセパレータパウチに、65%の亜鉛粉末と、34.5%のKOHと、0.5%のカルボポールとから成る約5gの亜鉛ゲル製剤を充填し、アノードアセンブリを形成した。60mm×62mmのエクスパンディッドメタル基板上へ被覆した平面状MnO2カソードにより、図17A及び17Bに示す折り曲げ構成を用いてアノードを包んだ(アノード160、カソード162、ハウジング又はケース164)。カソードアセンブリの重量は、11.11gであった。各基板に溶接されたアノード及びカソードリードは、それぞれケースの反対側の端部から導出させた。この電池は、0.8Vまで500mAの定電流で放電させると1.22Ahの容量が得られた。
本発明の電極アセンブリを用いた第2の試験用電池を製造して試験した。亜鉛ゲルは、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、デンプン及びこれらの誘導体のような好適なゲル化剤と共に、粉末状金属亜鉛若しくは亜鉛合金と、任意には酸化亜鉛とを含むものとした。スズ被覆スチール基板を含むScimat SM700/79のセパレータから調製した約28mm×62mmのセパレータパウチに、65%の亜鉛粉末と、34.5%のKOHと、0.5%のカルボポールとから成る約5gの亜鉛ゲル製剤を充填し、アノードアセンブリを形成した。60mm×62mmのエクスパンディッドメタル基板上へ被覆した平面状MnO2カソードにより、図17A及び17Bに示す折り曲げ構成を用いてアノードを包んだ。カソードアセンブリの重量は、10.82gであった。各基板に溶接されたアノード及びカソードリードは、それぞれケースの反対側の端部から導出した。この電池は、0.8Vまで500mAの定電流で放電させると1.25Ahの容量が得られた。
本発明の電極アセンブリを用いた第3の試験用電池を製造して試験した。亜鉛ゲルは、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、デンプン及びこれらの誘導体のような好適なゲル化剤と共に、粉末状金属亜鉛若しくは亜鉛合金と、任意には酸化亜鉛とを含むものとした。スズ被覆スチール基板を含むScimat SM700/79のセパレータから調製した約28mm×62mmのセパレータパウチに、65%の亜鉛粉末と、34.5%のKOHと、0.5%のカルボポールとから成る約5gの亜鉛ゲル製剤を充填し、アノードアセンブリを形成した。60mm×62mmのエクスパンディッドメタル基板上へ被覆した平面状MnO2カソードにより、図17A及び17Bに示す折り曲げ構成を用いてアノードを包んだ。カソードアセンブリの重量は、10.14gであった。各基板に溶接されたアノード及びカソードリードは、それぞれケースの反対側の端部から導出した。この電池は、0.8Vに対して500mAの定電流で放電させると1.33Ahの容量が得られた。
本発明の電極アセンブリを用いた第4の試験用電池を製造して試験した。亜鉛ゲルは、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、デンプン及びこれらの誘導体のような好適なゲル化剤と共に、粉末状金属亜鉛若しくは亜鉛合金と、任意には酸化亜鉛とを含むものとした。スズ被覆スチール基板を含むScimat SM700/79のセパレータから調製した、約28mm×62mmのセパレータパウチに、65%の亜鉛粉末と、34.5%のKOHと、0.5%のカルボポールとから成る約4.5gの亜鉛ゲル製剤を充填し、アノードアセンブリを形成した。60mm×62mmのエクスパンディッドメタル基板上へ被覆した平面状MnO2カソードにより、図17A及び17Bに示す折り曲げ構成を用いてアノードを包んだ。カソードアセンブリの重量は、11.57gであった。各基板に溶接されたアノード及びカソードリードは、それぞれケースの反対側の端部から導出させた。この電池は、0.8Vまで500mAの定電流で放電させると1.37Ahの容量が得られた。
前述した説明から当業者にとって明らかであるように、本発明の原理は、多くの異なる製造方法及びアセンブリにより多くの異なる実施形態に適用することができる。これらの原理及び本発明の広い範囲を更に例証するために、他の製造方法及び及びこれらの製造方法に関連する電池の実施例を説明する。
好適例においては、アノード172は波形その他の折り曲げ形態に予め折り曲げておき再度平坦化すると、最終的な成形をより容易に行うことができる。好適例においては、この成形段階を容易にするためにロータリプレスを利用することができる。
O字状の内電極−外側カソード物質は、4つの1.5gのペレットからなり、このペレットは、内径0.420”で外径0.525”であり、89%のEMDと、6%のグラファイト(Superior Graphite ABG1010)と、5%のKOH混合とからプレスされたものである。アノードパウチは、高さ約41mmで幅28mmであり、開いた円筒体に形成する。内側カソード物質は、約6gの単一ロッド状物質である。
S字状の内電極−外側カソード物質は、4つの1.7gのペレットからなり、このペレットは、内径0.420”で外径0.525”であり、89%のEMDと、6%のグラファイト(Superior Graphite ABG1010)と、5%のKOH混合とからプレスされたものである。アノードパウチは、高さ約41mm及び幅34mmであり、うねったS字状に形成する。内側カソード物質は半円形断面の2本の棒であり、全重量は約4.4gである。
W字状の内電極−外側カソード物質は、4つの1.5gのペレットからなり、このペレットは、内径0.436”で外径0.527”であり、89%のEMDと、8%のグラファイト(Superior Graphite ABG1010)と、5%のKOH混合とからプレスされたものである。アノードパウチは、高さ約41mm及び幅39mmであり、うねった波形W字状に形成する。内側カソード物質は方形断面の3つの平坦な棒であり、全重量は約4.35gである。
炭素被覆パウチを具えるS字状の内電極−電池は実施例10と同様のものとするが、アノードパウチは、KOHに浸漬するのではなく、セパレータに炭素被覆を被着する組立処理中に、9NのKOH50ml中に5gのABG1010グラファイトを加えて調製したスラリーに浸漬する。
炭素被覆パウチを具えるW字状の内電極−電池は実施例11と同様のものとするが、アノードパウチは、KOHに浸漬するのではなく、セパレータに炭素被覆を被着する組立処理中に、9NのKOH50ml中に5gのABG1010グラファイトを加えて調製したスラリーに浸漬する。
Claims (16)
- −内面と、第1端子と、第2端子とを有する内部空間を規定する電池ハウジングと、
−前記内部空間内に配置された電極半アセンブリと
を有する電気化学電池であって、
前記電極半アセンブリは、
−少なくとも1つの空間領域を規定する曲線幾何学形状に構成されている実質的に平坦な材料を有する内電極と、
−前記内電極の周囲に形成された外電極アセンブリであって、前記電極半アセンブリの外延部が、前記電池ハウジングの内部空間により規定された輪郭に実質的に従うようにする当該外電極アセンブリと、
−前記内電極をカプセル化しているセパレータと
を有している当該電気化学電池において、
前記外電極アセンブリが、前記内電極とイオン的に連絡し且つ前記電池ハウジングの第1端子と電気的に連絡しており、前記内電極が電池ハウジングの第2端子と電気的に連絡している電気化学電池。 - 請求項1に記載の電気化学電池において、
前記内電極の曲線状幾何学形状は、c字状、n字状、o字状、s字状、u字状、v字状、w字状及びz字状からなる群から選択された形状を有する電気化学電池。 - 請求項1に記載の電気化学電池において、
この電池は、セパレータを被覆している多孔性導電被膜を更に有する電気化学電池。 - 請求項1に記載の電気化学電池において、
前記セパレータは、炭素が被覆されたものである電気化学電池。 - 請求項1に記載の電気化学電池において、
前記外電極アセンブリは、内側部分及び外側部分を有し、これらの各部分が電子活性カソード材料物質を有する電気化学電池。 - 請求項5に記載の電気化学電池において、
前記内側部分対外側部分の物質量の比率は、実質的に0.5〜2.0の範囲にある電気化学電池。 - 請求項1に記載の電気化学電池において、
前記電池ハウジングの内面は前記第1端子と連絡しており、この内面及び外電極アセンブリ間の接触により、前記内側部分及び外側部分と前記第1端子との間の電気的な連絡が確立されるようになっている電気化学電池。 - 請求項1に記載の電気化学電池において、
前記内電極はアノードを形成しており、前記外電極アセンブリはカソードを形成しており、前記第1端子は正極性を有し、前記第2端子は負極性を有する電気化学電池。 - 請求項8に記載の電気化学電池において、
前記アノードは亜鉛を含む電気化学電池。 - 請求項8に記載の電気化学電池において、
前記カソードは二酸化マンガンを含む電気化学電池。 - −内面と、第1端子と、第2端子とを有する内部空間を規定する電池ハウジングを設けるステップと、
電極半アセンブリを形成するステップであって、この電極半アセンブリが、
少なくとも1つの空間領域を規定する曲線幾何学形状に構成されている実質的に平坦な材料を有する内電極、
前記内電極の周囲に形成された外電極アセンブリであって、前記電極半アセンブリの外延部が、前記電池ハウジングの内部空間により規定された外形に実質的に従うようにする当該外電極アセンブリ、及び
前記内電極をカプセル化しているセパレータを具えるようにする当該ステップと
を有する電気化学電池の製造方法において、
−前記内部空間内に前記電極半アセンブリを配置する電気化学電池の製造方法。 - 請求項11に記載の電気化学電池の製造方法において、
−カソード材料を所望の形状に圧縮するステップと、
−この圧縮したカソード材料を、前記内電極の少なくとも1つの空間領域内に挿入するステップと、
−この圧縮したカソード材料及び内電極を、前記電池ハウジング内に挿入するステップと
を更に有する電気化学電池の製造方法。 - 請求項11に記載の電気化学電池の製造方法において、
−プレスしたカソード材料物質から成るリングペレットを設けるステップと、
−前記電池ハウジング内に複数のリングペレットを挿入し、外電極アセンブリの外側部分を形成するステップと、
−前記外電極アセンブリの外側部分の内側に、前記内電極を挿入するステップと、
−前記外電極アセンブリの外側部分の内側に内側カソード材料を挿入し、この内側カソード材料により、前記内電極の曲線状の構成により規定される少なくとも1つの空間領域を実質的に充填するステップと
を有する電気化学電池の製造方法。 - 請求項13に記載の電気化学電池の製造方法において、
−前記外電極アセンブリの外側部分の内側に挿入された内側カソード材料と、前記外電極アセンブリの外側部分のプレスされたカソード材料との物質割合が実質的に0.5〜2.0の範囲にある電気化学電池の製造方法。 - 請求項11に記載の電気化学電池の製造方法において、
前記セパレータは、炭素が被覆されたものである電池。 - 請求項11に記載の電気化学電池の製造方法において、
内電極に9NのKOH溶液を被覆するステップを更に有する電気化学電池の製造方法。
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