JP2008527633A - 金をメッキした端子接点が備わっている平面一次電池 - Google Patents

金をメッキした端子接点が備わっている平面一次電池 Download PDF

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Abstract

電池の長さに沿って延びる平らな側面を少なくとも１つ持っている一次電池。前記電池は例えばデジタルカメラで使用することができる。前記電池には、リチウムを含むアノード、及び低抵抗接点を搭載することができる。アノード及びカソードは、その間にあるセパレータとともにらせん状に巻かれているシートの形状にすることができる。接触抵抗を上昇させるために、外側の負極及び正極接点は金でメッキする。

Description

本発明は、一次リチウム電池、とりわけ、平面ハウジングを備えた一次リチウム電池に関する。
デジタルカメラ、及びその他の電子機器（例えば携帯電話、ＭＰ３プレイヤー、及び、ブラックベリー（BlackBerries）（登録商標）のような携帯端末（ＰＤＡ））は、二次（すなわち充電式）ニッケル水素電池や二次リチウムイオン電池などの電池の力で作動する。デジタルカメラで用いられている電池の種類の１つは、パナソニック（Panasonic）から入手可能な電圧３．７Ｖのプリズム型二次リチウムイオン電池、ペンタックス（Pentax）Ｄ−Ｌ１２で、図１及び図２に描かれてある。
図１を見てみると、電池１０の長さ「Ｌ」は約５３．０ｍｍ、幅「Ｗ」は約３５．２ｍｍ、厚み「Ｔ」は約７．０ｍｍである。本出願書では、図１及び２に示したタイプのプリズム型電池は一様に「電池Ａ」と呼ぶこととする。電池Ａタイプの電池のその他の具体例としては、ペンタックス（Pentax）Ｄ−Ｌ１２Ｂ、ゴールドピーク（Gold Peak）ＶＦＬ００１、パナソニック（Panasonic）ＶＷ−ＶＢＡ１０、ムゲンパワー（Mugen Power）ＨＬＩ−ＮＰ６０、及びフジフイルム（Fujifilm）ＮＰ６０が挙げられる。
次に図２を見てみると、電池１０の表面１２には、隣接しあう形で配置されている電気接点１４、１６、１８という電気接点が３つ備わっている。接点１４は正極、接点１８は負極である。接点１４及び１８の間、及び、前記２つの接点から等距離にある接点１６はサーミスタである。サーミスタは再充電を制御する感温抵抗器である。電池１０を充電すると電池の温度が上昇し、それによってサーミスタの電流フローに対する抵抗値が上昇する。その結果、電池１０の充電電流が低下する。電池１０の温度が上がりすぎると、サーミスタが充電を止める。電池１０をデジタルカメラ又は充電器に挿入すると、接点１４、１６、及び１８は、カメラ又は充電器の該当する接点と接触する。
プリズム型二次リチウムイオン電池の別の例はカシオ（Casio）ＮＰ２０である。カシオ（Casio）ＮＰ２０のようなタイプの電池は一様に「電池Ｂ」と呼ぶこととする。電池Ｂには電気接点が３つ（正極接点、サーミスタ、負極接点）備わっており、また、電池Ｂの寸法は５０ｍｍ×３３ｍｍ×４．５ｍｍである。
プリズム型二次リチウムイオン電池の別の例はオリンパス（Olympus）ＬＩ−１０Ｂである。オリンパス（Olympus）ＬＩ−１０Ｂのようなタイプの電池は一様に「電池Ｃ」と呼ぶこととする。電池Ｃには電気接点が３つ（正極接点、サーミスタ、負極接点）備わっており、また、電池Ｃの寸法は４６ｍｍ×３２ｍｍ×９．７ｍｍである。
プリズム型二次リチウムイオン電池の別の例はモトローラ（Motorola）ＳＮＮ５７１７Ｃである。モトローラ（Motorola）ＳＮＮ５７１７Ｃのようなタイプの電池は一様に「電池Ｄ」と呼ぶこととする。
電池Ｄには電気接点が４つ（正極接点、サーミスタ、抵抗器、負極接点）備わっており、また、電池Ｄの寸法は５８ｍｍ×３５．６ｍｍ×７．０ｍｍである。抵抗器は、電子機器（例えばデジタルカメラ、充電器）が電池の化学的性質を特定する一助となることができる。
プリズム型二次リチウムイオン電池の別の例はモトローラ（Motorola）ＳＮＮ５７０５Ｂである。モトローラ（Motorola）ＳＮＮ５７０５Ｂのようなタイプの電池は一様に「電池Ｅ」と呼ぶこととする。電池Ｅには電気接点が４つ（正極接点、サーミスタ、抵抗器、負極接点）備わっており、また、電池Ｅの寸法は５８ｍｍ×３５．６ｍｍ×４．６ｍｍである。
プリズム型二次リチウムイオン電池の別の例はノキア（Nokia）ＢＬ−５Ｃである。ノキア（Nokia）ＢＬ−５Ｃのようなタイプの電池は一様に「電池Ｆ」と呼ぶこととする。電池Ｆには電気接点が４つ（正極接点、サーミスタ、抵抗器、負極接点）備わっており、また、電池Ｆの寸法は５３ｍｍ×３４ｍｍ×５．７ｍｍである。
プリズム型二次リチウムイオン電池の別の例はブラックベリー（BlackBerry）（登録商標）ＢＡＴ−０３０８７−００２である。ブラックベリー（BlackBerry）（登録商標）ＢＡＴ−０３０８７−００２のようなタイプの電池は一様に「電池Ｇ」と呼ぶこととする。電池Ｇには電気接点が４つ（正極接点、サーミスタ、抵抗器、負極接点）備わっており、また、電池Ｇの寸法は５０．５ｍｍ×３８ｍｍ×７．１ｍｍである。
本発明は概ね、電子機器（例えばデジタルカメラ、携帯電話、ＭＰ３プレイヤー、又は、ブラックベリー（BlackBerries）（登録商標）のような携帯端末（ＰＤＡ））で用いる一次電池（例えばリチウム電池）に関するものである。
ある態様では、一次電池の寸法は電池Ａとほぼ同じだが、電池Ａの対応する負極又は正極接点とは異なる位置に配置されている負極又は正極接点が少なくとも１つ備わっている。
態様によっては、一次電池には、電池Ａの正極接点及び／又は負極接点に当たる位置に凹部が備わっている。一次電池に凹部が備わっている場合の正極及び／又は負極接点は、電池Ａの正極接点及び／又は負極接点とは別の位置に配置されている。一次電池は、独立した接点（すなわち、正極及び負極接点から分離している接点）を持つサーミスタを電池ハウジング上に備えないのが好ましい。特定の態様では、一次電池には、電池Ａのサーミスタに当たる位置に凹部が備わっていてもよい。凹部を備える一次電池は、電池Ａ又は一次電池のいずれかによってデジタルカメラが作動するようにする接点のあるデジタルカメラで用いることができる。ただし、電池Ａとともに使用することを目的としている充電器に一次電池を誤って入れても、一次電池には、充電器の接点に対応する接点一式が備わっていないため再充電はされない。ユーザーは、例えば一次電池を充電器に誤って入れても一次電池がオーバーヒートしないか心配する必要がないために、これは一次電池ユーザーにとって有益である。一次電池は、例えば小型及び／又は断面の薄いデジタルカメラに適合する設計にすることができる。別の利点としては、一次電池では、ユーザーが、電源コードや充電器などの荷物になるアクセサリーを持ち歩いたり、及び／又は携帯したりする必要がないことである。
本発明のある態様では、正極及び負極接触端子は、金属基材の露出側面上に金がメッキされている金属基材から形成されている。金属基材は、ニッケルで作られているか、又は実質的にニッケルから構成されているのが好ましい。ニッケル基材の露出面の上に少なくとも１層の金層がメッキされているニッケル基材から形成された負極接点、正極接点のいずれかが備わっているのは好都合である。負極接点、正極接点の双方とも、露出面の上に金層がメッキしてあるニッケル基材から形成されるのが好ましい。従来的に一次リチウム電池は、ニッケルを含む、メッキを施されていない端子から構成される。本発明の一次リチウム電池は、電池の長さに沿って延びる実質的に平らな側面を少なくとも１つ持っているハウシングを備える。本発明の一次リチウム電池は、電池の長さに沿って延びる平らな対向する一対の側面を有するのが望ましい。対向する２つの平らな側面は典型的には平行であってよい。したがって、本発明の電池は、平ら又はプリズム型の形状を有することができ、好ましい用途においては、デジタルカメラを使用可能にするために典型的に用いる、充電式リチウムイオン電池の代用品とすることを意図している。
本発明の電池の負極及び正極接触端子の露出面上の金メッキは、とりわけ高出力の電子機器、例えばデジタルカメラで電池を用いた場合に、電池の性能を著しく向上させることが分かっている。デジタルカメラの平均所要パルス又は間欠電力は、約２〜６ワット、典型的には約２〜３ワットで、所要ピーク電力は約４〜６ワットである。従来のニッケル端子接点を搭載した場合には、本発明の一次リチウム電池の端子とデジタルカメラの端子の間の接触抵抗が上昇する可能性があることが分かっている。状況によっては、カメラの接触端子を金でメッキしてあるにもかかわらず、また電池の端子とカメラの端子の間にかかる接触力にもかかわらず、上記の範囲内の所望のパルス又は間欠出力が常に実現するのを妨げてしまうほど接触抵抗が高くなる可能性がある。
ある特定の態様では、電池の端子とカメラの端子の間の接触抵抗を十分に低下させるために、本発明の一次リチウム電池の負極端子と正極端子の双方は、露出面上に金をメッキできることが分かっている。本発明の電池の主な適用法は高出力デジタルカメラへの電力供給に関するものであるが、当然のことながら本発明は、カメラへの適用に限定することを意図していない。むしろ本電池は、例えばＭＰ３オーディオプレイヤーなどのその他の高出力機器に電力を供給する目的で使用することができ、また概して充電式プリズム型リチウムイオン電池の代用品として用いることができる。
電池の接触端子の１つのみを金でメッキすれば、電池の性能が向上すると思われる。しかしながら、本発明の電池の負極接触端子と正極接触端子の双方は、その露出面上に少なくとも１層の金層がメッキされているのが好ましい。本発明の一次リチウム電池の負極端子と正極端子の双方は、ニッケルで作られているか、又は、実質的にニッケル、若しくはニッケルを含有する合金から構成されている金属基材から形成され、並びに前記金属基材の露出面上が金層でメッキされているのが望ましい。メッキは、従来の電気メッキ法を用いて実施してよく、金メッキの平均厚が約０．１〜５ミクロン、好ましくは０．２５〜０．５ミクロンになるようもたらされる。電池の端子とカメラの端子の間の接触力が約０．２９Ｎ（３０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）という広い範囲で変動しても、このように金メッキを施した電池の端子とデジタルカメラの端子の間では、金メッキを施していないニッケル電池の端子に比べ、接触抵抗が著しく上昇する。金メッキを施した電池の端子とデジタルカメラの端子の間の電気接触抵抗は、金メッキを施していない同様の電池の端子よりも少なくとも約２０〜９０％、典型的には少なくとも５０％低いという平均水準まで著しく低下する。電気接触抵抗のこのような低下は、約０．４９Ｎ（５０グラム重量）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）という広範囲にわたる接触力において、デジタルカメラの端子もまた金でメッキした場合にも当てはまることが分かっている。電池の接触端子の表面上には、比較的硬質の金メッキを施すのが望ましい。金メッキが軟質すぎると、処理及び使用中に、端子の表面に不要な圧痕が発生する場合がある。このことから、金メッキの厚みが好ましくは約０．２５〜５ミクロンになるとともに、金メッキのヌープ微小硬度（２５グラムの負荷をかけて測定したヌープ硬度）が約１３０〜２００ＨＫ２５になるように金メッキを施すのが望ましい。
別の態様では、一次電池（例えばリチウム電池）の寸法は電池Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、又はＧとほぼ同じである。一次電池が電池Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、又はＧと異なる点は、本発明の第１の態様に関する部分で既に述べた相違点のうちの１つ以上の点である。例えば、一次電池には、電池Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、又はＧの対応する正極又は負極接点とは異なる位置に配置した正極又は負極接点を少なくとも１つ搭載することができる。
別の態様では、一次電池には、厚みが約２ｍｍ〜約１５ｍｍ、幅が約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、長さが約２０ｍｍ〜約６０ｍｍのハウジングが備わっている。一次電池には更に、ハウジングの表面に配置されている正極電気接点及び負極電気接点が備わっている。ハウジング内には、アノード、カソード、及び、電解質がある。この電池は、電池ハウンジングに、独立した接点を持つサーミスタを備えていない。
別の態様では、一次電池は、厚みが約２ｍｍ〜約１５ｍｍ、幅が約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、長さが約２０ｍｍ〜約６０ｍｍのハウジングを備える。ハウジング内には、アノード、カソード、及び、電解質がある。一次電池は更に、ハウジングの表面に配置されている正極電気接点及び負極電気接点を備える。正極電気接点及び負極電気接点は、ほぼ同じ大きさの接触スペースをそれぞれ占めており、少なくとも前記接点間を十分に絶縁させる（例えば、前記接点間の電気短絡を防止する）ほどの広さのスペースによって隔てられている。一部の実施形態では、正極電気接点と負極電気接点は、接触スペースとほぼ同じサイズのスペースによって隔てられている。特定の実施形態では、正極電気接点と負極電気接点は、 接触スペースの少なくとも約１．５倍の大きさ（例えば、接触スペースの少なくともの約２倍の大きさ、接触スペースの少なくとも約２．５倍の大きさ）のスペースによって隔てられている。
一部の実施形態では、上記の電池は、電池ハウンジングに、独立した接点を持つサーミスタを備えていない。
別の態様では、一次電池には、厚みが約２ｍｍ〜約１５ｍｍ、幅が約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、長さが約２０ｍｍ〜約６０ｍｍのプリズム型ハウジングが備わっている。ハウジング内には、アノード、カソード、及び、電解質がある。一次電池には更に、ハウジングの表面に配置されている正極電気接点及び負極電気接点が、前記表面の両端に備わっている。
別の態様では、一次電池にはハウジング（例えば厚み約２ｍｍ〜約１５ｍｍ、幅約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、長さ約２０ｍｍ〜約６０ｍｍ）が備わっている。ハウジング内には、アノード、カソード、及び、電解質がある。正極電気接点及び負極電気接点はハウジングの表面上にある。負極電気接点は抵抗器としての機能も果たす。
別の態様では、一次電池は、厚みが約２ｍｍ〜約１５ｍｍ、幅が約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、長さが約２０ｍｍ〜約６０ｍｍのプリズム型ハウジングを備えた３ボルト電池である。ハウジング内には、アノード、カソード、及び、電解質がある。正極電気接点及び負極電気接点はハウジングの表面上にある。
別の態様では、本発明は、上記の１つ以上の電池とともに利用可能なデジタルカメラを特徴としている。一部の実施形態では、カメラには、正極電気接点、負極電気接点、及び、正極若しくは負極電気接点という３つの電気接点のある表面を備えたハウジングが搭載されている。
本明細書で使用する時、「一次電池」という用語は、一度だけ完全に消耗されるまで放電してから破棄する設計になっている電池を指す。一次電池については、例えばデビッド・リンデン（David Linden）著「電池ハンドブック（Handbook of Batteries）」（マクグロー−ヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５年）に記載されている。
本申請の目的上、「プリズム型電池」には概ね平らな側面が少なくとも４つあり、寸法の１つ（例えば厚み）が他の２つの寸法（例えば長さ及び幅）よりも実質的に短い。一例としては、プリズム型電池の厚みは約２ｍｍ〜約１５ｍｍ（例えば約４ｍｍ〜約１０ｍｍ）、幅は約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ（例えば約２０ｍｍ〜約４０ｍｍ）、長さは約２０ｍｍ〜約６０ｍｍ（例えば約３０ｍｍ〜約４０ｍｍ）にすることができる。
図３を見てみると、一次リチウム電池１００には、表面１０４を備えたハウジング１０２がある。表面１０４には、２つの末端部１０５及び１０７が備えられ、これらの末端部によって電池１００の幅が定められている。電池１００の全体的な形状及び寸法は、電池Ａと同じである。したがって、電池１００は、電池Ａも収めることのできるデジタルカメラのスペースにぴったり収まることが可能である。ただし、電池１００は３ボルト電池であるため、電池Ａとは電圧が異なる。ハウジング１０２は、金属若しくは金属合金（例えばニッケル、ニッケルメッキ鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム含有合金）、又はプラスチック（例えばポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスルフォン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリスチレン）から作製することができる。
図４を見てみると、電池１００の表面１０４には、正極接点１０６及び負極接点１０８という２つの電気接点が備わっている。電気接点１０６と１０８の間には、２つの凹部１１０及び１１２がある。正極接点１０６は表面１０４の末端部１０５の近くに配置されており、一方、負極接点１０８は表面１０４の末端部１０７の近くに配置されている。一般に、凹部１１０及び１１２は非導電材料から作製する。凹部１１０及び１１２は、例えばプラスチック（例えばポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスルフォン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリスチレン）から作製することができる。凹部１１０及び１１２をハウジング１０２と同じ材料から作製する場合もあれば、凹部１１０及び１１２とハウジング１０２を異なる材料から作製する場合もある。電池Ａの再充電に適した接点を備えた充電器に一次電池１００を誤って入れても、電池１００は再充電されることはない。電池１００の電気接点の少なくとも１つは、充電器の対応する接点と接触しないためである。
負極接点１０８及び正極接点１０６はニッケルから作製してもよい。ニッケルは通常、一次リチウム電池の正極及び負極接点用として用いられている金属である。「ニッケル」という用語は、本明細書で使用する時、ニッケルの合金、又は、少なくともかなりの部分がニッケルで占められている金属まで拡大適用することを意図している。ただし、デジタルカメラのように特定の高パルス電源が必要な電子機器に電力を供給する目的で本発明の電池を使用する場合、ニッケル製接点を用いていると、電池の所要出力の達成が不完全になる可能性がある。このようなデジタルカメラの所要パルス又は間欠電力は典型的に約２〜６ワットと思われ、平均所要値は典型的には約２〜３ワット、所要ピーク電力は約４〜６ワットである。端子１０８及び１０６の露出している接触面がニッケルから作られている場合、その端子接点と一部のデジタルカメラの対応する端子の間の電気抵抗が、そのカメラの適切な性能を阻害するほど高くなりかねないことが分かっている。例えば、接触抵抗の上昇は、最も効果的な方法でカメラを作動させるために必要な所要パルス電力を得る妨げとなる場合がある。この問題の考えられる原因に関する調査によれば、ニッケルの表面上に酸化物が形成されることが、接触抵抗が上昇する主な原因の少なくとも１つであると考えられる。とりわけ、所要パルス電力が高い場合の接触抵抗への影響に関して、現時点ではあまり解明されていないその他の表面現象が関連していると思われる。
端子１０８及び１０６と、対応する機器、例えばデジタルカメラの端子の間の接触力を実質的に上昇させても、ニッケル製接点を用いていると、接触抵抗は、本発明の電池から所望のレベルのパルス出力を得るのを著しく阻害するほど高くなる可能性のあることが分かっている。接点１０８及び１０６と対応する機器の端子の間の接触力は、例えば機器の端子にかかるバネ荷重を増やすことによって上昇させることができる。機器の端子にかかるバネ荷重を例えば約１．４７Ｎ（１５０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）のレベルまで増やすことは、前記問題を軽減させるのにある程度役立つ。しかし、このような高いバネ荷重のもとでニッケル製接点１０８及び１０６を使用すると、一部のデジタルカメラの最も効率的な動作を得るのを妨げるほど接触抵抗が高くなる可能性のあることが分かっている。更には、端子接点のバネ荷重レベルが前記レベルよりも低い、例えば約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜１．４７Ｎ（１５０グラム重量）であるデジタルカメラが多い。これは、バネ荷重が高いと、カメラの電池キャビティ内のバネ又はバネ付き接点の重量を重くする必要性が生じるためである。重量を重くしたこのような接点は電池キャビティ内で、より大きな容量を占めることになり、その結果、カメラのサイズが大きくなる。以上のことから、大半のデジタルカメラメーカーは、１．４７Ｎ（１５０グラム重量）を大きく上回るほどは、カメラ内の端子接点のバネ荷重を増やしたがらない。しかし、約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜１４．７Ｎ（１５０グラム重量）という一般的な範囲にあるカメラのバネ付き接点では、ニッケル製接点を用いていると、接点１０８及び１０６の各々とデジタルカメラの接点の間で接触抵抗が典型的には約３０ミリオームまで、更にはそれよりも高くなり、問題が増幅する場合がある。
この問題の解決法は、単純にニッケル製接点１０８の露出面を金層１０８ａで、ニッケル製接点１０６の露出面を金層１０６ｂでメッキすることであると分かっている。金にはニッケルよりも優れた点がある。金の表面上には、接触抵抗を大きく上昇させる可能性のある顕著な酸化物層が形成されないのである。また、金の抵抗率は純ニッケルよりもかなり低い。例えば、金の低効率は約２．１９マイクロオームセンチメートルで、純ニッケルの低効率は約６．８４マイクロオームセンチメートルである。本発明の電池１００で、金メッキを施した負極及び正極端子を用いている好ましい実施形態は、例えば図６、７Ｃ、７Ｈ、７Ｉ、及び７Ｊに示してある。これらの図に示したように、電池１００のハウジングには、対向する２つの平らな側面が、典型的には平行に、前記ハウジングの長さに沿って延びる形で備わっている。前記の図を見てみると、本発明の電池には、ニッケル基材１０８ｂから形成されるのが好ましいとともに、その露出面を金層１０８ａでメッキした負極接触端子１０８を搭載してよいことを見てとれる。同様に、本発明の電池には、ニッケル基材１０６ｂから形成させるのが好ましいとともに、その露出面が金層１０６ａでメッキされている正極接触端子１０６が備わっている。負極端子を形成するニッケル基材１０８ｂの厚みは典型的に、約０．０２５４ｍｍ（１ミル）〜０．２５４ｍｍ（１０ミル）、好ましくは約０．１０ｍｍ（４ミル）〜０．１３ｍｍ（５ミル）であってよい。正極端子を形成するニッケル基材１０６ｂの厚みは典型的に、約０．０２５４ｍｍ（１ミル）〜０．２５４ｍｍ（１０ミル）、好ましくは約０．１３ｍｍ（５ミル）であってよい。基材１０８ｂ及び１０６ｂは少なくとも約９９％のニッケルであるのが好ましい。ニッケル基材１０８ｂにメッキされている金層１０８ａ、及び、ニッケル基材１０６ｂにメッキされている金層１０６ａが好ましくは約０．２５〜５ミクロンの厚さで接触端子１０８及び１０６に備わっている場合、典型的なデジタルカメラの端子との電気接触抵抗が、金メッキを施していない同様の端子１０８及び１０６の接触抵抗よりも少なくとも約２０〜９０％、典型的には少なくとも５０％低いという平均水準まで著しく低下する。接触抵抗のこのような低下は、約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）、典型的には０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜２．９４Ｎ（３００グラム重量）という広範囲にわたる接触力において、デジタルカメラの端子も金でメッキした場合でも当てはまることが分かっている。ニッケル基材１０８ｂにメッキされている金層１０８ａ、及びニッケル基材１０６ｂにメッキされている金層１０６が好ましくは約０．２５〜５ミクロンの厚さで接点１０８及び１０６に備わっている場合、カメラの端子との電気接触抵抗は、約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜１．４７Ｎ（１５０グラム重量）という範囲の接触力において、金メッキを施していない同様の端子１０８及び１０６の接触抵抗よりも少なくとも約２０〜９０％、典型的には少なくとも５０％低いという平均水準まで著しく低下する。接触抵抗のこのような低下は、デジタルカメラの端子を金でメッキした場合でも当てはまる。
ニッケルは端子１０８及び１０６に好ましい基材であるが、本発明を前記金属基材に限定する意図はない。その他の基材１０８ｂ及び１０６ｂ、例えばステンレス鋼や銀を使用し、金でメッキすることができ、この場合、少なくともある程度の接触抵抗の抵抗が予想される。しかし、本発明の電池の接触端子との関連で用いるのに好ましい基材１０８ｂ及び１０６ｂはニッケルである。当然のことながら、「ニッケル」という用語は、基材１０８ｂ及び１０６ｂとの関連において使用する時、ニッケルの合金、又は、基材組成物の少なくともかなりの部分がニッケルで占められている金属まで拡大適用することを意図している。したがって「ニッケル」という用語は、基材１０８ｂ及び１０６ｂとの関連において使用する時、純ニッケルに限ることは意図していない。
金層１０８ａ及び１０６ａは、当該技術分野において一般的に行われているように、例えば、ローレンス・Ｊ・ダーニー（Lawrence J. Durney）著「電気メッキエンジニアリングハンドブック第４版、１９８４年（Engineering Handbook Fourth Edition 1984）」２２６〜２４１ページに記載されているように、シアン化金カリウム又はその相当物の電解浴を用いる従来の電気メッキ法によって、典型的にはニッケルで作られている金属基材１０８ｂ及び１０６ｂに適用することができる。プラズマ又は蒸着の一形態であるスパッタリングによって、金もまたニッケル基材などの金属基材の表面に適用してよい。金をスパッタリングによって適用する場合、金層の厚みは典型的には約０．０３〜０．３ミクロンであるが、これより多少厚くしてもよい。スパッタリングには、非常に薄い金を金属基材に適用できるという利点があるが、大量生産環境では効果的な使用が困難で、更に厚い金を所望する場合には、用いるのが難しくなるというデメリットがある。このため、本発明の一次リチウム電池との関連においては、電解法によって金メッキをメッキ厚約０．２５〜５ミクロン、又はそれ以上のメッキ厚で金属基材１０８ｂ及び１０６ｂに適用するのが最も望ましいことが分かっている。電池の端子１０８及び１０６と対応する機器の端子、例えばデジタルカメラの端子の間の接触抵抗を所望どおりに低下させるという点を犠牲にせず、更に薄い金メッキ厚、例えば、約０．２５〜１ミクロンの範囲を採用することが可能であることが分かっている。したがって、メッキコストを軽減するために、約０．２５〜１ミクロンの範囲の更に薄い金メッキ厚を採用することができる。平均所要パルス又は間欠電力が約２〜６ワット、所要ピーク電力が約４〜６ワットであるデジタルカメラなどの電子機器に電力を供給するために電池を用いる場合、電池１００の端子接点１０８及び１０６（図６）を形成する際にニッケル基材１０８ｂ及び１０６ｂを金でメッキすることが特に望ましい。
金メッキ１０８ａ及び１０６ａは好ましくは、ＡＳＴＭ規格（ASTM Standard）Ｂ４８８−０１の仕様に従ってニッケル基材１０８ｂ及び１０６ｂに適用してよい。金メッキには、電池を操作及び使用する過程において容易にくぼまないほど十分な硬度が備わっているのが望ましい。このような圧痕は接触端子の全体的な美的外観を損なうとともに、メッキを施していないニッケルとの比較において、接触伝導度の上昇を期待よりも低くする可能性もまたある。
金メッキ法は、通常ＡＳＴＭ規格（ASTM Standard）Ｂ４８８、第４．２．３項に従って調整することができる。約０．２５〜５ミクロンの金メッキ厚を採用すると同時に、金属基材１０８ｂ及び１０６ｂ上の金メッキを調整して、２５グラムの負荷をかけて測定したヌープ微小硬度（ヌープ微小押し込みとも呼ばれている）（ＨＫ２５）が約１３０〜２００ＨＫ２５になるようにするのが望ましい。（ＡＳＴＭ Ｂ４８８に記載されているヌープ硬度試験は実質的に、１９３９年に規格基準局（National Bureau of Standards）が最初に開発した微小押し込み試験である。試験ではまず、表面上に微小押し込みを適用する手段を経て硬度を測定する表面を冶金的に研磨する必要がある。ベースが菱形の角錘型ダイヤモンドで、細長いダイヤモンド形状のくぼみを形成させる表面インデンタを研磨試験表面に適用する。ヌープ試験は一般に、インデンタに約１０ｇ〜１，０００ｇの力を加えることによって行うことができる。）厚み約０．２５〜５ミクロン、好ましくは約０．２５〜１ミクロンの、ニッケル基材１０８ｂ上の金メッキ１０８ａ、及びニッケル基材１０６ｂ上の金メッキ１０６ａは、そのヌープ微小硬度が約１３０〜２００ＨＫ２５であれば、本発明の電池を通常操作及び使用している最中に容易にくぼまないほど十分硬いことが分かっている。以下の実施例では、本発明の一次リチウム電池で金メッキを施したニッケル製接点を使用すると、メッキを施していないニッケル製接点と比べて接触抵抗の低下を達成することができることについて例証する。
実施例１．
金メッキを施したニッケル製接点（デジタルカメラの接点）に対する、メッキを施していない厚さ約０．１２７ＭＭ（０．００５インチ）のニッケル製接点の接触抵抗を測定する目的で、比較試験を行った。表面同士が接触する面積は約０．２５ｍｍ２であった。
デジタルカメラの金メッキを施した接点は、デジタルカメラで典型的に用いられるバネ付き接点の代表的なものである。メッキを施していないニッケル製接点は、従来型の一次リチウム電池で通常使われる接点の代表的なものである。メッキを施していないニッケル製接点とデジタルカメラの接点の間の接触力は、約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）の間で変化させた。メッキを施していないニッケル製接点とデジタルカメラの金メッキを施した接点の間の電気抵抗は、前記範囲内の様々な接触力で、約１ミリアンペアのパルス電流を前記２つの接点の間に流すことによって測定した。メッキを施していないニッケル製接点とデジタルカメラの金メッキを施した接点の間の０．４９Ｎ（５０グラム重量）の場合の電気抵抗は約２０ミリオームで、３．９２Ｎ（４００グラム重量）の場合の抵抗値は約５ミリオームだった。約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）の範囲の場合の平均接触抵抗は約１０ミリオームだった。約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜１．９６Ｎ（２００グラム重量）の範囲の場合の平均接触抵抗は約１４ミリオームだった。
続いて、ニッケル製接点を厚み約０．２５ミクロンの金層で電気メッキした点以外は上と同様の試験を行った。デジタルカメラの金メッキを施した接点に押し付けた場合の、金メッキを施したニッケル製接点にかかる接触力は、０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）の間で変化させた。デジタルカメラの金メッキを施した接点に押し付けた、金メッキを施したニッケル製接点の間の電気抵抗は、前記範囲内の様々な接触力で測定した。約０．４９Ｎ（５０グラム重量）の場合の抵抗値は約４ミリオームで、３．９２Ｎ（４００グラム重量）の場合の抵抗値は約１ミリオームだった。約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）の範囲の場合の平均抵抗値は約２．５ミリオームだった。約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜１．９６Ｎ（２００グラム重量）の範囲の場合の平均抵抗値は約２．８ミリオームだった。
つまり、約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜３．９２Ｎ（４００グラム重量）の範囲においては、金メッキを施したニッケル製接点を使用した時の平均接触抵抗は、メッキを施していないニッケル製接点を使用した時の平均接触抵抗よりも約７５％小さかった。約０．４９Ｎ（５０ｇｆ）〜１．９６Ｎ（２００グラム重量）の範囲においては、金メッキを施したニッケル製接点を使用した時の平均接触抵抗は、メッキを施していないニッケル製接点を使用した時の平均接触抵抗よりも約８０％小さかった。
好ましい実施形態では、通常は充電式リチウムイオン電池を用いるデジタルカメラであるヒューレットパッカード（Hewlett Packard）ＨＰ Ｒ ７０７又はサムスン（Samsung）ＳＳ ＵＣＡ−３に電力を供給するために、金メッキを施した接点１０８及び１０６を備えた電池１００を適用することができる。前記カメラは、本発明のプリズム型又は平面形状の一次電池を収容できる設計、すなわち、充電式リチウムイオン電池を本発明の電池１００に置き換えられる設計になっている。図６で電池を見てみると、電池１００の負極接点１０８の位置は充電式電池の負極接点の位置と同じであるが、電池１００の正極接点１０６は、充電式電池の正極接点が通常置かれる位置の右に配置されている。正極接点１０６は、接触スペースの少なくとも１．５倍、例えば接触スペースの少なくとも約２倍、典型的には接触スペースの少なくとも約２．５倍の空間によって負極接点１０８から隔てられているのが望ましい。本発明の申請者の指示に沿ったデジタルカメラは、充電式リチウムイオン電池と同じ位置にある正極端子と、本発明の電池の正極接点１０６と同じ位置にある正極端子という２つの正極端子が搭載されている設計にすることができる。つまり、デジタルカメラに電力を供給する目的で通常用いられる充電式リチウムイオン電池は、全体のサイズ及び形状は同じであるが、別の位置に正極接点１０６が備わっている一次リチウム電池と置き換えることができる。別の位置に正極接点１０６を搭載する設計になっている電池の利点は、本発明の電池１００のサイズと全体的形状がリチウムイオン電池と同じでも、リチウム電池を充電する目的で通常用いられる従来の充電器の端子と本発明の電池１００が電気接続しない点である。こうなるのは、本発明の電池１００の正極接点１０６の位置がずれており、充電器の対応する正極端子と電気接触しないようになっているためである。
図５には、電池１００の中に搭載されるセル１４９を示してある。セル１４９にはアノード１５０、カソード１５４、セパレータ１５８、及び電解質１６２が備わっている。
セル１４９のアノード活物質は例えば、リチウム又はリチウム含有物質（例えばリチウム、並びにアルミニウム、カルシウム、ナトリウム、及び／又はマグネシウムを含む合金）にすることができる。
カソード活物質は例えば二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のような金属酸化物にすることができる。場合によっては、カソード活物質は電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）にすることができる。その他のカソード活物質は例えば、同時係属中及び同一出願人による米国特許公開番号ＵＳ２００３／０１２４４２１ Ａ１号（２００３年７月３日公開、表題「非水性電気化学セル（Non-Aqueous Electrochemical Cells）」）に記載されており、前記特許は参照することによりすべてそのまま本明細書に組み込む。
カソードには、結合剤（例えばＰＴＦＥ）のようなその他の構成成分、及び／又は導電性材料（例えば炭素）を含めることができる。結合剤は例えば、同時係属中及び同一出願人による米国特許出願番号１０／２９０，８３２号（２００２年１１月８日申請、表題「可撓性カソード（Flexible Cathode）」）に記載されており、前記特許は参照することによりすべてそのまま本明細書に組み込む。
セパレータ１５８は、非水性電気化学セルで用いられる標準的なセパレータ材のいずれかから形成することができる。例えばセパレータは、ポリプロピレン（例えば不繊ポリプロピレン又は微孔性ポリプロピレン）、ポリエチレン、及び／又はポリスルフォンから形成することができる。セパレータは更に、例えば米国特許第５，１７６，９６８号に記載されおり、前記特許は参照することによりすべてそのまま本明細書に組み込む。
電解質１６２は、液体、固体、又はゲル（ポリマー）の形状にすることができる。電解質には、有機溶媒（例えばプロピレンカーボネート）又は無機溶媒（例えばＳＯ２、ＳＯＣＩ２）を含めることができる。一部の実施形態では、電解質に添加物を１つ又は複数含めることができる。例えば電解質にはリチウム塩、例えばリチウムトリフルオロメタンスルフォネート（ＬｉＴＦＳ）若しくはリチウムトリフルオロメタンスルフォンイミド（ＬｉＴＦＳＩ）、又はこれらの混合物を含めることができる。含むことのできる追加のリチウム塩は、米国特許第５，５９５，８４１号に記載されており、これは、参照することによりすべてそのまま本明細書に組み込む。電解質は、上で組み込み済みの米国特許公開番号ＵＳ２００３／０１２４４２１ Ａ１号に記載されている。
図６及び７Ａを見た場合、電池１００には、正の温度係数を有する抵抗器（ＰＴＣ）であってリード線１８２及び１８４に接続している抵抗器１８０を備えた組立体１７９を搭載するのが好ましい。リード線１８２は負極接点１０８として機能し、リード線１８４は電池ハウジング１０２に溶接されており、伝導体として機能する。ＰＴＣ１８０は、例えばユーザーが電池１００を短絡させた場合に電池１００がオーバーヒートするのを防ぐことができる。ＰＴＣ１８０は感温抵抗器である。電池１００の温度が上昇すると、ＰＴＣ１８０は電池１００内の電流フローに対する抵抗値をわずかに上昇させる。電池１００内の温度が所定の温度に達すると、ＰＴＣ１８０は電流フローに対する抵抗値を大きく上昇させ、それによって電池１００内の電流フローを効率的に遮断し、電池１００がオーバーヒートするのを防ぐ。ショートの原因が取り除かれた後は、ＰＴＣ１８０は電池１００内の抵抗値を標準的なレベルに戻す。
図７Ｂ〜７Ｉには、電池１００の製造過程で組立体１７９を電池１００に組み込む方法を示してある。図７Ｂでは、リード線１８２を約９０°の角度に曲げ、図７Ｃでは、組立体１７９をスペーサ１８６の中に組み込む。図７Ｄ（組立体１７９は図７Ｃでの位置から約１８０°回転している）に示したとおり、続いてリード線１８２を矢印Ａの示す方向に折り曲げる。図７Ｅには、図７Ｄの時点の組立体１７９の反対側を示してある。図７Ｆでは、続いて組立体１７９を矢印Ｂの方向で（例えば接着剤によって）ハウジング１０２の上に取り付け、図７Ｇに示したセル１９０を作製する。その後、図７Ｈ（セル１９０は図７Ｇでの位置から約１８０°回転している）に示したとおり、正極接点１０６を矢印Ｃの方向で（例えば溶接によって）セル１９０に取り付ける。次に、図７Ｉに示したとおり、正極接点１０６を折り曲げる（及び、ＰＴＣ１８０をハウジング１０２に溶接する）。図７Ｊに示したとおり、続いてスペーサカバー１９４を矢印Ｄの方向でセル１９０の上に配置する。
一次電池の接点の配置の１つを図３及び４に示したが、異なる配置も可能である。例えば、図８を見てみると、電池Ａ及び電池１００と全体形状及び寸法が同じ電池２００には、正極電気接点２０６に隣接している負極電気接点２０４を備えた表面２０２が搭載されている。更に表面２０２には、２つの凹部２０８及び２１０が備わっている。図３及び４の電池１００と同様に、不注意で一次電池２００を電池Ａの充電器に入れても、電池２００は再充電されない。電気接点の少なくとも１つが充電器の対応する接点と接触しないためである。
一部の実施形態では、電池Ｄ、Ｅ、Ｆ、及びＧに関する部分で説明したとおり、一次電池は、正極接点、負極接点、サーミスタ、及び抵抗器という４つの電気接点を備えた二次電池の代用品にすることができる。
上では一次リチウム電池について述べてきたが、電池のその他の種類の化学的性質も採用することができる。例としては、一次電池はアルカリ電池にすることができる。好適なアノード及びカソード物質を備えたアルカリ電池は例えば、同時継続中及び同一出願人による米国特許出願番号０９／６５８，０４２号（２０００年９月７日申請、表題「電池カソード（Battery Cathode）」）、及び米国特許公開番号ＵＳ２００２／０１７２８６７ Ａ１号（２００２年１１月２１日公開、表題「電池カソード（Battery Cathode）」）に記載されており、いずれも参照することによりすべてそのまま本明細書に組み込む。更にアルカリ電池は、米国特許第６，５０９，１１７号にも記載されており、この特許は参照することによりすべてそのまま本明細書に組み込む。場合によっては、一次電池は亜鉛−空気電池である。亜鉛−空気電池は例えば、デビッド・リンデン（David Linden）著「電池ハンドブック（Handbook of Batteries）」（マクグロー−ヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５年）に記載されている。
本発明について特定の実施形態を参照しながら説明してきたが、当然のことながら、本発明の概念から逸脱することなくその他の実施形態も可能であり、すなわち、その他の実施形態は本発明の特許請求及び均等物の範囲内にある。
その他の特徴及び利点は説明、図面、及び請求項の中にある。
電池の斜視図。 図１の電池の平面図。 電池の斜視図。 図３の電池の平面図。 図３の電池のセルの断面図。 図３の電池の斜視図。 図３の電池の構成成分の斜視図。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 図３の電池を作製する方法の図解。 電池の平面図。

Claims (31)

  1. ハウジングの長さに沿って延びる実質的に平らな側面を少なくとも１つ持っているハウジング、リチウムを含むアノード、負極接点、及び正極接点を備えた一次電池であって、前記負極及び正極接点の各々が金属基材を含み、前記金属基材の、外部環境に面している表面上に、少なくとも１層の金層がメッキされている、一次電池。
  2. 前記ハウジングの長さに沿って延びる実質的に平らな対向する一対の側面を有する、請求項１の電池。
  3. 前記金属基材の各々がニッケルを含む、請求項１の電池。
  4. 前記金属基材の厚みが約０．０２５４ｍｍ（１ミル）〜０．２５４ｍｍ（１０ミル）である、請求項１の電池。
  5. 前記負極及び正極接点の各々が、前記外部環境にさらされている金の表面を持つように、前記金属基材の表面上に前記金がメッキされている、請求項１の電池。
  6. 前記金属基材の表面上の前記金の厚みが約０．１〜５ミクロンである、請求項５の電池。
  7. 前記金属基材の表面上の前記金の厚みが約０．２５〜５ミクロンである、請求項５の電池。
  8. 前記負極及び正極接点の各々の表面を形成している前記金のヌープ硬度が約１３０〜２００ＨＫ２５である、請求項６の電池。
  9. 前記負極及び正極接点の各々の表面を形成している前記金のヌープ硬度が約１３０〜２００ＨＫ２５である、請求項７の電池。
  10. 二酸化マンガンを含むカソードを更に有する、請求項１の電池。
  11. 前記アノード及びカソードがそれぞれ、アノード及びカソードの間にあるセパレータ材とともにらせん状に巻かれているシートの形状をしている、請求項１０の電池。
  12. 前記ハウジングの厚みが約２ｍｍ〜１５ｍｍ、幅が約１０ｍｍ〜５０ｍｍ、長さが約２０ｍｍ〜６０ｍｍである、請求項１の電池。
  13. 前記電池ハウジングに、独立した接点を持つサーミスタが備わっていない、請求項１２の電池。
  14. 前記負極及び正極接点が、接点スペースと少なくともほぼ同じ大きさのスペースによって隔てられている、請求項１の電池。
  15. 前記負極及び正極接点が、接点スペースの少なくとも約１．５倍の大きさのスペースによって隔てられている、請求項１の電池。
  16. 前記負極及び正極接点が、接点スペースの少なくとも約２倍の大きさのスペースによって隔てられている、請求項１の電池。
  17. 前記負極及び正極接点が、接点スペースの少なくとも約２．５倍の大きさのスペースによって隔てられている、請求項１の電池。
  18. ハウジングの長さに沿って延びる実質的に平らな側面を少なくとも１つ持っているハウジング、リチウムを含むアノード、負極電気接点、及び正極電気接点を備えた一次電池であって、前記ハウジングの厚みが約２ｍｍ〜１５ｍｍ、幅が約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、長さが約２０ｍｍ〜６０ｍｍであり、前記負極及び正極接点の各々が金属基材を含み、前記金属基材の、外部環境に面している表面上に、少なくとも１層の金層がメッキされている、電池。
  19. 前記ハウジングの長さに沿って延びる実質的に平らな対向する一対の側面を有する、請求項１８の電池。
  20. 前記金属基材の各々がニッケルを含む、請求項１８の電池。
  21. 前記金属基材の厚みが約０．０２５４ｍｍ（１ミル）〜０．２５４ｍｍ（１０ミル）である、請求項１８の電池。
  22. 前記負極及び正極接点の各々が、前記外部環境にさらされている金の表面を持つように、前記金属基材の表面上に前記金がメッキされている、請求項１８の電池。
  23. 前記金属基材の表面上の金の厚みが約０．１〜５ミクロンである、請求項２２の電池。
  24. 前記金属基材の表面上の前記金の厚みが約０．２５〜５ミクロンである、請求項２２の電池。
  25. 前記負極及び正極接点の各々の表面を形成している前記金のヌープ硬度が約１３０〜２００ＨＫ２５である、請求項２３の電池。
  26. 前記負極及び正極接点の各々の表面を形成している前記金のヌープ硬度が約１３０〜２００ＨＫ２５である、請求項２４の電池。
  27. 前記負極及び正極接点が、接点スペースの少なくとも約１．５倍の大きさのスペースによって隔てられている、請求項１８の電池。
  28. 前記負極及び正極接点が、接点スペースの少なくとも約２倍の大きさのスペースによって隔てられている、請求項１８の電池。
  29. 前記負極及び正極接点が、接点スペースの少なくとも約２．５倍の大きさのスペースによって隔てられている、請求項１８の電池。
  30. 二酸化マンガンを含むカソードを更に有する、請求項１８の電池。
  31. 前記アノード及びカソードがそれぞれ、アノード及びカソードの間にあるセパレータ材とともにらせん状に巻かれているシートの形状をしている、請求項３０の電池。
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