JP2009518801A - 亜鉛／空気電池 - Google Patents
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Abstract
亜鉛／空気ボタン電池（１００）であり、電池が単一のケーシング即ちアノード缶（２０６）を有する。アノード缶の開放端を密封するために、実質的に平らの金属支持ディスク（１０５）が用いられ、それ故に従来のカソード缶の必要性を排除する。金属支持ディスク（１５０）を、アノード缶開放端（２６０）内の定位置に、それらの間の絶縁シーリング材料（３３０）によって固定する。シーリング材料は、前記缶の外側表面に対してよりも大きな部分にてアノード缶（２６０）内側表面と隣接する。酸化マンガンを含んでなるカソード材料層（２３０）が、金属支持ディスク（１５０）の下に位置する。カソードが、金属支持ディスク（１５０）に対する定位置に固定される。アノード缶開放端（２６０）を軸方向及び半径方向で、金属支持ディスク（１５０）に対して、その間に絶縁シーリング材料（３３）を入れて、被せるように圧着する。カソード缶が排除されたために、密封が得られ、電池容量が増大する。
Description
本発明は、好ましくは亜鉛を含んでなるアノード及び空気カソードを有する金属／空気電池に関する。本発明は、単一のケーシング、即ちアノード缶を有する亜鉛／空気ボタン電池に関する。
亜鉛／空気減極電池は通常、プログラム式補聴器を含む電子補聴器用電池などの特定の実用性を有する小型ボタン電池の形態である。通常、このような小型ボタン電池は、約４〜２０ｍｍ、典型的には約４〜１６ｍｍの直径及び約２〜９ｍｍ、好ましくは約２〜６ｍｍの高さを持つ、ディスク状円筒形形状を有する。
小型亜鉛／空気ボタン電池は、アノードケーシング（アノード缶）、及びカソードケーシング（カソード缶）を通常は含む。アノードケーシング及びカソードケーシングは、各々が１つの閉鎖端、１つの開放端、及び当該閉鎖端から当該開放端まで延びる一体となった側壁を有する別個の缶の形状である。アノードケーシングは、アノードケーシング側壁をしっかりと取り囲む絶縁シールリングを装着している。アノード材料は、アノードケーシング内に挿入される。エアディフューザー、電解質バリア材料、及びカソードアセンブリが、当該カソードケーシング内の空気孔に隣接するカソードケーシング内に挿入される。次に、カソードケーシングの開放端を、アノードケーシングの開放端へと通常は押し倒して、当該カソードケーシングの側壁がアノードケーシングの側壁全体と実質的に重なり合い、その間に絶縁シールが入るようにする。その後、絶縁シール及びアノードケーシングの側壁上にカソードケーシングの縁を圧着することによって、アノードケーシング及びカソードケーシングは第２のステップで連結される。圧着手順において（又は別個の工程にて）、半径方向力もまたカソードケーシング壁に適用され、アノードケーシング及びカソードケーシング間での密封を確実にする。
各々が１つの閉鎖端及び対向開放端を有する「缶」の形態である、別個のアノードケーシング及びカソードケーシングを持つ従来構成を示す代表的な亜鉛／空気ボタン電池が、例えば米国特許第３，８９７，２６５号、米国特許第５，２７９，９０５号及び米国特許第６，８３０，８４７ Ｂ２号に示されている。これらの各代表的な特許に見られるように、アノード缶及びカソード缶は各々、対向開放端を備えた１つの閉鎖端及びそれらの間の一体となった側壁を有する。電池内容物が挿入された後、絶縁シーリングリングをその間にして、カソード缶側壁をアノード缶側壁の実質的に全体に対して押し倒す。カソード缶側壁の周縁を、絶縁シーリングリングをその間にして、アノード缶側壁の周縁に被せるようにして圧着させる。かかる構成は、電解質漏れの可能性を減少させた耐久性電池を作製することを意図している。
亜鉛／空気ボタン電池のアノードケーシングは、微粒子状亜鉛を含んでなる混合物で充填してよい。通常、前記亜鉛混合物は水銀及びゲル化剤を含有し、電解質が前記混合物へ添加された際にゲル化する。電解質は通常、水酸化カリウム水溶液である。カソードケーシング閉鎖端は（ケーシングが閉鎖端を上にして垂直位で保持されている場合）、その中央近くに平坦な隆起部分を有してもよい。この隆起部分は、正極端子を形成し、通常はそこを貫通する複数の通気孔を含む。この設計では、カソードケーシング閉鎖端は通常、更に、隆起正極端子を取り囲む環状凹型段差を有する。あるいは、カソードケーシング閉鎖端は、その直径にわたって完全に平坦、即ちその中心にいかなる隆起部分がなくてもよい。かかる設計では、カソードケーシング閉鎖端のかかる平面領域中心部は、電池の正極端子を通常は形成する。いずれの場合も、ボタン型亜鉛／空気電池のカソードケーシング閉鎖端には１つ以上の小さな空気孔が開けられ、空気が電池内へと入ることができる。次に、この空気は、カソードディスクに到達するために、空気拡散層（又はエアディフューザー）を横断する。
エアディフューザー材料は通常、空気透過紙又は多孔性セルロース系材料でできた１つ以上のシートで構成されている。かかる透過紙又は多孔性セルロース系材料によって、入ってきた空気がカソードアセンブリを均一に通過でき、更に吸取紙として機能して、吸気口空間へと漏れる可能性がある少量の電解質を吸収してもよい。エアディフューザーは通常、カソードケーシング閉鎖端及びカソードアセンブリ間の吸気口空間（プレナム空間）内に均一に置く。エアディフューザー材料は、このような吸気口空間を充填し、カソードケーシング閉鎖端の空気孔を覆う。補聴器デバイスにおいて一般的に用いられる市販のボタンサイズ亜鉛／空気電池は、ただ１つの空気孔を有してもよく、あるいは複数の小さな空気孔、例えば２〜６個の空気孔を有してもよく、電池の大きさによっては場合によりそれ以上の空気孔を有してもよい。
通常は、粒子状二酸化マンガン、炭素、及び疎水性結合剤の混合物を含んでなる触媒物質は、ディスク形状に圧縮して、カソードアセンブリ内にカソードディスクを形成することができる。次に、カソードディスクをその中の有するカソードアセンブリが、エアディフューザーの空気孔と反対側に向くように、カソードケーシング内に挿入されることができる。通常、カソードアセンブリは、触媒カソードディスクの一方の面に電解質バリア材料（疎水性の通気性フィルム）、好ましくはテフロン（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン）の層を、当該触媒カソードディスクの反対の面に電解質浸透性（イオン透過性）セパレータ材料を積層することによって形成される。通常、カソードディスクをその中に有するカソードアセンブリは、次にカソードケーシング内に挿入され、その中心部がエアディフューザーを覆うようにし、電解質バリア層の一部が段差の内側表面に支えられるようにする。最終的には、電池内のカソードディスクは、カソードケーシング壁と、その外周部で接触する。
カソードアセンブリは、平面又はドーム形の形状を有してもよい。作成するのにより容易であり、より経済的であるため、平面カソードアセンブリが好ましい。平面カソードアセンブリを備えた代表的な亜鉛／空気ボタン電池は、米国特許第５，２７９，９０５号、米国特許第６，６０２，６２９ Ｂ１、及び米国特許第６，８３０，８４７ Ｂ２号に示されている。
電池が適切に密封されていない場合、電解質がカソード触媒アセンブリの周りに移動し、空気孔を通してカソードケーシングから漏れる場合がある。電解質漏れは更に、カソード缶の圧着端及び絶縁体間で（本領域がしっかりと密封されていない場合に）発生する場合がある。市販の亜鉛／空気ボタン電池の壁厚さは通常、０．１５２ｍｍ（６ｍｉｌ）より厚く、例えば、約０．１５２ｍｍ〜０．３８１ｍｍ（６ｍｉｌ〜１５ｍｉｌ）である。漏れの可能性は、アノードケーシング及びカソードケーシングの壁厚さが非常に薄い場合、例えば、約０．０５０８ｍｍ〜０．１２７ｍｍ（２ｍｉｌ〜５ｍｉｌ）である場合により高くなる。このような薄い壁厚さは、電池内部容量が大きくなるために、望ましい。しかしながら、電池の完全性を犠牲にすることなく、アノード缶側壁及びカソード缶側壁を薄くするには限界がある。
電池を組み立てた後、取り外し可能タブをカソードケーシング表面上の通気孔の上に取り付ける。使用前に、タブを取り除いて、空気孔を露出させ空気を入れて電池を作動させる。
利用可能なアノード缶内容積を増加させて、任意の所与サイズの電池のためのアノード材料が挿入されることによって、亜鉛／空気ボタン電池の電池容量を改善することが望ましい。
特に（Specifially）、任意の電池総直径及び総高さの任意の亜鉛／空気ボタン電池のために、そこに挿入されるアノード材料のための利用可能なアノード缶内容積を増大させることが望ましい。
電池全体構造が、電解質漏れに耐える密封を有する耐久性電池をもたらすことが望ましい。
本発明は、一次、非充電式亜鉛／空気電池、特にボタン電池の形態の小型亜鉛／空気電池に関する。本明細書で使用する時、用語「ボタン電池」は、１．０未満の高さ対直径の比を有する円筒形セルを意味する。閉鎖端及び対向開放端（その間に一体となった側壁を備える）を有するアノード缶を使用して、亜鉛粒子、ゲル化剤及びアルカリ電解質から成るスラリーを含むアノード材料を収容する。通常、このようなボタン電池は更に、カソード材料を収容するためのカソード缶を含む。このような従来のカソード缶は、アノード缶と構成が類似し、即ち、閉鎖端、対向開放端、及びその間の一体となった側壁を有する「缶」形状である。従来技術の亜鉛／空気ボタン電池では、電池内容物がアノード缶及びカソード缶に充填された後、カソード缶側壁を押してアノード缶側壁に被せるように圧着させて、カソード缶側壁がアノード缶側壁に重なり合うようにする（絶縁シーリング材料がその間にある）。即ち、従来の亜鉛／空気ボタン電池においては、アノード缶側壁の外側表面に隣接する絶縁シーリング材料があり、それがアノード缶側壁及び重なり合ったカソード缶側壁との間に配置されている。
本発明において、従来のカソード缶は、「排除」されることができて実質的に平らの金属支持ディスク（アノード缶開放端の定位置に挿入されて固定される）で置き換えることができる。金属支持ディスクは、アノード缶開放端を閉じ、金属支持ディスク周縁とアノード缶内側表面との間に、絶縁シーリング材料を配置させる。このため、事実上、電池ケーシングは、１つの単独の缶、即ち従来のカソード缶を排除したアノード缶で形成されている。本発明において、事実上、１つの単独の外側ケーシングがあるために、任意サイズの電池において、アノード材料用アノードケーシング内の利用可能な空間がより大きくなる。これにより、放電時の電池容量が増加する。
好ましくは、金属支持ディスクの外側表面は、外部環境に向き、直接に電池の正極端子として機能する。カソード材料シート（望ましくは、金属メッシュスクリーン上にコーティングされたもの）を、金属支持ディスク下の電池内部空間内の所定の位置に固定し、それが金属支持ディスク本体の空気孔に向くようにする。
本発明の亜鉛／空気電池は、望ましくは亜鉛を含んでなるアノード及びアルカリ電解質を有する小型ボタン電池の形態である。カソードは通常、亜鉛と流入空気との間の電気化学反応を触媒して、電流を発生させるために使用される、酸化マンガン、典型的には二酸化マンガンを含んでなる触媒物質から成る。カソード材料は、かなりの部分が還元されるように、即ち、空気の流入と共に電池放電する間の電気化学反応に直接関与するように配合されてよい。このような電池は、空気補助型亜鉛／空気ボタン電池と呼ばれる場合がある。本発明の亜鉛／空気ボタン電池には、補聴器などの小型電子デバイスのための電源としての特殊な用途がある。電池は、他の電子デバイスへ電力を供給するためにも使用される。本発明の小型亜鉛／空気ボタン電池は通常、約４〜２０ｍｍ、例えば約４〜１６ｍｍ、好ましくは約４〜１２ｍｍの直径のディスク状円筒形形状を有する。小型亜鉛／空気ボタン電池は、約２〜９ｍｍ、好ましくは約２〜６ｍｍの高さを有する。
絶縁シーリング材料の主要部が、それが金属支持ディスク周縁とアノード缶内側表面との間に配置されるように、即ち金属支持ディスクがアノード缶から電気的に絶縁されるように配置される。絶縁シーリング材料は、「アノード缶外側表面に対してよりも大きな部分にてアノード缶内側表面と隣接」する。かかる絶縁シーリング材料が、アノード缶外側表面のいかなる部分とも隣接していないことが望ましい。（当然ながら、このことは任意のフィルムラベル又は印刷インクが、別個にアノード缶外側表面に適用され、絶縁材料としてではなくむしろ一次的には電池ラベルとして提供される点は除外される。）このため、本発明の亜鉛／空気ボタン電池は、アノード缶外側表面の少なくとも大部分が、外部環境に晒される。通常、本発明の電池においては、アノード缶外側表面の全て又は実質的に全てが、外部環境に晒される。
前記絶縁シーリング材料は、望ましくは、中心部が中空になった全周リング構成を有する絶縁ディスクの形態である。絶縁ディスクリングの一部は、上方に延び（アノードケーシング開放端を最上部にして電池を見た場合）、絶縁シーリングディスクの周縁を形成する。言い換えると、絶縁シーリングディスク周縁は、金属支持ディスク周縁とアノード缶内側表面との間に配置される。
エンドキャップ組立体は、金属支持ディスク、絶縁シーリングディスク、及びカソードアセンブリ（金属メッシュスクリーン上にコーティングされたカソード材料をコーティングすることにより形成される）を含んでなり、形成される。アノード材料を缶の中へ充填してもよい。絶縁シーリングディスクが、アノード缶の中に挿入され、缶の開放端近くの缶の内側表面上の出っ張りの上に置かれてもよい。金属支持ディスクは、取り囲む周縁を有する実質的に平らの本体プレートの形態でもよい。金属支持体本体プレートは好ましくは、それを貫通する少なくとも１つの空気孔を有する。カソードは、金属支持ディスク下面に対して挿入されてもよい。次に、金属支持ディスク周縁を内側に曲げてＵ型エッジに折り、カソードアセンブリ端へと押し付け、締め付け又は咬み合わせてチップエッジを終端にし、カソードを支持ディスクへ連結させる。カソードを連結させた金属支持ディスクが缶の開放端に挿入され、金属支持ディスク周縁が絶縁ディスク内に収まり、絶縁シーリングディスク周縁と隣接するようにする。次に、アノード缶開放端の周縁を金属支持ディスク端に被せるように圧着させて（絶縁シーリングディスク周縁をその間にして）、これによりエンドキャップ組立体をアノード缶内に固定させる。上記圧着プロセス中に半径方向力も加えて、エンドキャップ組立体及びエンドキャップ組立体コンポーネントを定位置にしっかりと固定し、アノード缶開放端を閉じ且つそこで密封する。このようにして作成したシールは、電池が粗雑に扱われた場合又は高速放電された場合であっても、電解質漏れを阻止する。
本発明は、主として空気減極型電気化学セルに関する。このような電池は、通常はアノードケーシング内の亜鉛及びアルカリ電解質の混合物を含んでなる金属製アノードを有し、カソード材料はアノードから絶縁されている。前記電池は一般に、金属／空気電池又は空気減極電池、更に典型的には亜鉛／空気電池と呼ばれている。
本発明の亜鉛／空気電池は望ましくは、小型ボタン電池の形態である。前記電池には、補聴器などの小型電子デバイスのための電源としての特殊な用途がある。しかし、このような電池は、他の電子デバイスへ電力を供給するために使用されてもよい。ボタン電池は、１．０未満の高さ対直径の比を有する円筒形セルとして定義することができる。本発明の小型亜鉛／空気ボタン電池は通常、約４〜２０ｍｍ、例えば約４〜１６ｍｍ、好ましくは約４〜１２ｍｍの直径のディスク状円筒形形状を有する。小型亜鉛／空気ボタン電池は、約２〜９ｍｍ、好ましくは約２〜６ｍｍの高さを有する。代表的なボタン電池は、３１２型サイズ電池、即ち７．９２ｍｍ（０．３１２インチ）の総直径×２．８７ｍｍ（０．１１３インチ）高さの電池であってよい。小型亜鉛／空気ボタン電池は通常、約１．２ボルト〜０．２ボルトの動作負荷電圧を有する。電池は、典型的に約１．１〜約０．９ボルトの間の実質的に均一な放電電圧特性を有し、その後、電圧が全く突然ゼロにまで下がる。小型の亜鉛／空気電池は、通常約０．２〜２５ミリアンペアの割合で放電可能である。
本発明の電池は、追加の水銀を、例えばアノードに亜鉛の約３重量％で含んでもよいし、または本質的に水銀を含まなくてもよい（水銀無添加電池）。このような水銀無添加電池の場合、添加された水銀は存在せず、亜鉛内に元々存在する微量の水銀が存在するに過ぎない。それ故に、本発明の電池は１００万重量部の亜鉛当たり約１００重量部未満、好ましくは１００万重量部（ｐｐｍ）の亜鉛当たり４０重量部未満、より好ましくは１００万重量部の亜鉛当たり約２０重量部未満の総水銀含有量を有することができる。（本明細書で使用する時、「実質的に水銀が含まれていない」という用語は、電池の水銀含有量が１００万重量部の亜鉛当たり約１００ｐｐｍ未満であることを意味するものとする）。本発明の電池は、アノード中に極少量の鉛添加剤を有することができる。鉛をアノードに添加する場合、電池中の鉛含有量は通常、アノード内の亜鉛の約１００〜１，０００ｐｐｍにすることができる。しかし、電池は、望ましくは、追加量の鉛を含有しないため、事実上無鉛であり得る、即ち、鉛総含有量は、アノードの亜鉛中、３０ｐｐｍ未満、望ましくは１５ｐｐｍ未満である。
本発明の亜鉛／空気ボタン電池１００を図１及び図１Ａに示す。亜鉛／空気電池１００は、ただ１個のみの電池ケーシング、即ちアノードケーシング（アノード缶）２６０を有することを特徴とする。アノードケーシング２６０は、閉鎖端２６１、対向開放端２６８、及びその間で一体となった側壁２６３を有する「缶」構成である。このようなボタン電池において、通常アノード缶側壁へ押し倒されるカソードケーシング（カソード缶）は、排除される。カソード缶に代えて、実質的に平らの金属支持ディスク１５０を含んでなる本発明のエンドキャップ組立体１２０がある。エンドキャップ組立体１２０は、絶縁シーリングディスク３３０、金属支持ディスク１５０、及びカソードアセンブリ２３０、及び金属支持ディスク１５０内の空気孔２４３の下に位置するエアディフューザー材料２３１を含む。本発明のアノードアセンブリ１２０を含んでなる構成要素を下記図１及び図３に示す。
亜鉛／空気電池１００は、アノードケーシング（アノード缶）２６０及びアノードケーシング２６０の該開放端２６８に挿入され、その開放端を閉じるエンドキャップ組立体１２０を含む。エンドキャップ組立体１２０は、金属支持ディスク１５０、絶縁シーリングディスク３３０、カソードアセンブリ２３０、及びカソードアセンブリ２３０上に配置されたエアディフューザー２３１を含む。アノードケーシング２６０の閉鎖端２６１は、アノードケーシング直径の少なくとも大部分に沿って存在する、平らな又は実質的に平らの表面２６１ａを含む。好ましくは、平坦表面２６１ａは、閉鎖端２６１の中心２６２から延びて、該閉鎖端２６１のほとんど全部をカバーする。平坦表面２６１ａは、閉鎖端２６１の縁を形成し、外に延びる周回段差２６１ｃで終わる、上方に延びる短辺２６１ｂで終わる。言い換えると、周回段差２６１ｃは、アノードケーシング２６０本体を形成する、一体形成された垂直壁２６３で終わる。側壁２６３は、外側に段差として出て、該側壁２６３の内径よりわずかに大きい内径を有する並列周縁２６６で終わる。これによって、電池内部空間に向き、側壁２６３と周縁２６６との間に位置する、小さな一体化した周回する出っ張り２６４が形成される。また、周回するくぼみ又は溝２６５が、周縁２６６と側壁２６３との間のつなぎ目で、側壁外側表面２６３にあってもよい。図１に示すように、小さな周回する出っ張り２６４は、絶縁シーリングディスク３３０がアノードケーシング２６０内に挿入された際に、そのための取り付け場所を提供する。
本発明のエンドキャップ組立体１２０がアノード缶２６０の開放端２６８に挿入され、該開放端を封止する。エンドキャップ組立体１２０は、金属支持ディスク１５０、アノードケーシング２６０から金属支持ディスク１５０を絶縁するシーリング絶縁ディスク３３０；金属支持ディスク１５０の下に位置するカソードアセンブリ２３０、並びに金属支持ディスク１５０内の空気孔２４３の下に位置して金属支持ディスク１５０とカソードアセンブリ２３０との間の空気取り入れ空間２８８内に挿入されたディフューザー材料２３１を含む。金属支持ディスク１５０は、カソードアセンブリ２３０と導通している。このため、金属支持ディスク１５０の本体１５２上の露出表面が、電池の正極端子として機能する。図１及び図１Ａに示すように、該正極端子１５２は、その間にある絶縁シーリングディスク３３０によってアノードケーシング２６０から電気的に絶縁される。エンドキャップ組立体１２０の構成要素、即ち金属支持ディスク１５０、カソードアセンブリ２３０、及び絶縁シーリングディスク３３０は、互いに「連結」する。エンドキャップ組立体１２０は全体として、アノードケーシング２６０の周縁２６６と「連結」する。エンドキャップ組立体１２０は、アノードケーシング２６０の周縁２６６が金属支持ディスク１５０の端に被せるように圧着された場合に、該アノードケーシング内の定位置にしっかりと、恒久的に保持される。
絶縁ディスク３３０は、圧縮されたときの低温流に耐え、アルカリ電解質による攻撃に耐える、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン又はナイロンなどの耐久性電気絶縁材料である。好ましい実施形態（図１及び図１Ａ）では、絶縁シーリングディスク３３０は、大きな中心開放部３３７（図３）を備えた、リング構成、好ましくはナイロン構成である。絶縁ディスク３３０は、リング本体３３２及び該リング本体３３２（図１）から垂直に上方に延びる一体化した周縁３３３を有する。下向きに延びる一体形成の周辺スカート部３３４があり、それは該リング本体３３２から下向きに延びる。周縁３３３の底部３３６は、十分な幅があり、アノードケーシングの出っ張り２６４の内側表面と結合し、そこに収まる（図１及び図１Ａ）。図示されるように、絶縁シール３３０のスカート部３３４が内側にわずかに傾斜して、それがアノードケーシング側壁の出っ張り２６４上の絶縁ディスク３３０の台座とぶつからないようになっている。また、リング本体３３２は、図１及び図１Ａに示すように、リング本体３３２から内側の電池内部空間へと延びる一体形成された周棚３３５を有する。棚３３５は、支持ディスク１５０がアノードケーシング２６０の開放端２６８に挿入された際に、金属支持ディスク１５０の周縁１５４のための収納場所を提供する。
本発明においては、金属支持ディスク１５０が用いられ、従来のカソード缶に代わって、アノードケーシング２６０の開放端２６８を閉じる。従来のカソード缶とは異なり、本発明の金属支持ディスク１５０は、延伸する側壁が無い実質的に平らなディスクである。また、従来の亜鉛／空気ボタン電池用カソード缶とは異なり、本発明の金属支持ディスク１５０は、アノードケーシング２６０の「内側表面」と隣接する（その間に絶縁シーリング材料３３０を持つ）。それに対して、従来の亜鉛／空気ボタン電池用カソードケーシングは、アノードケーシング側壁の外側表面に押し倒した（絶縁シーリング材料をその間に持つ）側壁を有する。金属支持ディスク１５０は、ディスク形状の平らな又は実質的に平らの本体プレート１５２から形成されている。本体プレート１５２を貫通する少なくとも１つの空気孔２４３があり、通常複数の空気孔、例えば約２〜６個の空気孔２４３がある。空気孔のサイズは様々であるが、通常は約０．１１４〜０．３０５ｍｍ（０．００４５〜０．０１２インチ）であり、電池サイズに応じて幾分より大きく又はより小さくてもよい。金属支持ディスク１５０の周縁１５４は、内側に折り曲げられてＵ型エッジとなり、金属支持体本体プレート１５２の底部に存在する。金属支持ディスク１５０の圧着チップエッジ１５６を締め付けて、それによってカソードアセンブリ２３０上の周縁２３６の少なくともより低い部分２３６ａと「連結」する。金属支持体圧着端１５６をカソードアセンブリ２３０の周縁２３６に対して締め付けた際、図１及び図１Ａに図示されるように、周方向の咬合（へこみ）２３６ａが、カソードアセンブリ２３０の外縁２３６上に形成されてもよい。支持ディスク１５０のＵ型エッジ１５４は、絶縁シーリングディスク３３０の周縁３３３の内側表面と隣接する。絶縁シーリングディスク３３０は、アノードケーシング２６０の周縁２６６と順次連結する。
具体的には、絶縁シーリングディスク３３０は、底部段差端３３６で終わる周縁３３３を有する。絶縁シーリングディスク３３０がアノードケーシング２６０に挿入された際、該シーリングディスク３３０の周縁３３３がその下端３３６にて、アノードケーシング２６０の内側表面上の側壁の出っ張り２６４と連結する。エンドキャップ組立体１２０がアノードケーシング２６０の開放端２６８に挿入された際、エンドキャップ組立体１２０のアノードケーシング２６０との連結は強化され、アノードケーシング２６０の周縁２６６を金属支持ディスク１５０の端に対して圧着することにより永続的なものとなる。アノードケーシング２６０の圧着端２６７を金属支持ディスク１５０に対して曲げるのと同時に、長手方向の軸線１１０に沿った圧着軸方向力をノードケーシング２６０に適用する。アノードケーシング周縁２６６がエンドキャップ組立体１２０の端に対して半径方向に圧着されるように、エンドキャップ組立体コンポーネントもまたお互いに半径方向に圧着されるように、半径方向力は更に、圧着プロセス中にも適用される。このような半径方向圧縮は、エンドキャップ組立体１２０の構成要素間でのお互いの連結を向上させる。半径方向圧縮は更に、エンドキャップ組立体１２０全体とアノードケーシング２６０の内側表面との間の連結を向上させる。これは、通常の使用中及び更に電池が例え高速放電された場合での、電解質漏れに耐える非常にしっかりした永続的密閉を形成する。
好ましくは、アノードケーシング２６０は、銅層をその内部表面に持ち、ニッケル層をその外側表面に持つステンレス鋼で構成されている３層被覆加工材料で形成される。ステンレス鋼の内側表面上に、銅層をメッキ又は被覆して、組電池において亜鉛アノード材料４５０が銅層と接触するようにする。銅メッキが、アノード４５０から負端子、通常はアノードケーシング閉鎖端２６１へと通る電子のための高導電性経路を提供するため、銅メッキが望ましい。アノードケーシング２６０の総壁厚は、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）〜０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）、望ましくは約０．０５０８〜０．３８１ｍｍ（２〜１５ミル）、例えば約０．１５２〜０．３８１ｍｍ（６〜１５ミル）である。好ましくは、アノードケーシング２６０は約０．０５０８〜０．１２７ｍｍ（２〜５ミル）の総壁厚を有する。金属支持ディスク１５０は、好ましくはニッケルメッキされた冷間圧延鋼板で形成されている。上述のように、金属支持ディスク１５０は、Ｕ型圧着端１５４を有する実質的に平らの本体プレート１５２で形成されている。金属支持ディスク１５０は望ましくは、約０．１０２〜０．２０３ｍｍ（４〜８ミル）、好ましくは約０．１０２〜０．１５２ｍｍ（４〜６ミル）の均一な壁厚を有する。
アノードケーシング２６０（アノード缶）は、微粒子状亜鉛、及び水性アルカリ電解質を含んでなるアノード混合物４０を含む。微粒子状亜鉛は望ましくは、約１００〜１０００ｐｐｍのインジウムと共に合金にされる。亜鉛粒子は更に、追加のインジウム、好ましくは約１００〜１５００ｐｐｍのインジウムによってメッキしてもよい。触媒複合材料２３４（図２）を含むカソード触媒アセンブリ２３０は、空気孔２４３に最も近い金属支持ディスク１５０の下になるように置かれている。カソードアセンブリ２３０の端は、金属支持ディスク１５０のチップエッジ１５６と連結されている。ディスク状触媒複合材料２３４は、メッシュスクリーン２３７上にコーティングされたカソード触媒混合物２３３を含む。電池の放電中、触媒材料２３３は、周囲の酸素が空気孔２４３から入る際に、周囲の酸素との電気化学反応を促進する。接着性シーラント５１０（図１Ａ）は好ましくは、アスファルト又はポリアミド接着剤であり、絶縁シーリングディスク３３０の周縁３３３とアノードケーシング２６０の周縁２６６との間に適用してよい。このような接着性シーラント、例えばアスファルト又はポリアミドシーラントもまた、金属支持ディスク１５０とカソードアセンブリ２３０との間、即ちカソードアセンブリ端２３６ａと金属支持体圧着先端１５６との間の連結継ぎ目へ適用してもよい。同様に、このような接着性シーラント、好ましくはアスファルト又はポリアミド接着剤を、金属支持ディスク１５０の圧着端１５４と絶縁シーリングディスク３３０の周縁３３３の内側表面との間に適用してもよい（図１Ａ）。
カソード触媒アセンブリ２３０（図１及び図２）は、疎水性電解質バリアフィルム材料層２３５、好ましくは、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン）層を、触媒複合材料２３４の片面に、そしてイオン浸透性セパレータ材料２３８を反対面に積層することによって形成可能である。セパレータ２３８は、セロハン紙、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル、及びミクロ孔質ポリプロピレンを含む従来のイオン透過性セパレータ材料から選択されることができる。電解質バリアフィルム２３５は、好ましくはテフロンでできており、空気を透過する性質を有するが、水及び電解質がそれを通り抜けるのを防止する。好ましい実施形態では、個々の電解質バリアシート２３２（図２）（好ましくはテフロン製）を電解質バリアシート２３５の上に適用することができる。本実施例では、追加の電解質バリアシート２３２をカソードアセンブリ２３０の一部と考えてもよい。従来の吸取紙エアディフューザー材料２３１は、空気透過紙又は多孔性セルロース系材料でできており、金属支持ディスク１５０とカソードアセンブリ２３０との間の吸気口空間２８８内に挿入される。エアディフューザー材料２３１は、金属支持ディスク１５０内の空気孔２４３に隣接して配置される。
カソード触媒複合材料２３４は、望ましくは微粒子酸化マンガン（通常は、二酸化マンガン）、炭素、及び疎水性結合剤から成るカソード触媒混合物２３３を含み、これは従来のコーティング法によって導電性スクリーン２３７の表面に適用される。スクリーン２３７は、金属繊維織物、例えばニッケル又はニッケルメッキされた鋼繊維の織物からできていてよい。カソード複合材料２３４は、ディスク形状にて形成されている。カード混合物２３３内には、銀、白金、パラジウム及びルテニウム等の金属、又は他の金属酸化物若しくはマンガン（ＭｎＯｘ）及び酸素還元反応を触媒することが知られている他の構成成分などの他の触媒材料が含まれていてよい。適用中、触媒混合物２３３は、スクリーン２３７の多孔性メッシュ内に実質的に吸収される。触媒混合物２３３内にて使用される二酸化マンガンは、標準的電池グレード二酸化マンガン、例えば電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）であることができる。触媒混合物２３３中の二酸化マンガンは、硝酸マンガンＭｎ（ＮＯ３）２又は過マンガン酸カリウムＫＭｎＯ４の熱分解から形成することができ、従ってＭｎ２Ｏ３、及びＭｎ３Ｏ４などの他の酸化マンガンが含まれる場合がある。混合物２３３の調製中に使用される炭素は、グラファイト、カーボンブラック及びアセチレンブラックを含む各種形態であることができる。好ましい炭素は、その高表面積故にカーボンブラックである。好適な疎水性結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluroethylene）（テフロン）であることができる。カソード触媒混合物２３３は、約３重量％〜１５重量％の酸化マンガン（例えば、ＭｎＯ２）；約１０重量％〜５０重量％の炭素、典型的には約１０重量％〜４０重量％のカーボンブラック；及び残余部分の結合剤を含んでよい。電池放電中、触媒混合物２３３は、本質的には触媒として作用し、流入空気が関与する電気化学反応を促進する。しかし、追加の二酸化マンガン並びに電解質を前記触媒に添加して、電池を空気補助型亜鉛／空気電池へ変換することができる。ボタン電池の形態でもあり得るこのような電池では、二酸化マンガンの少なくとも一部が放電する、即ち酸素流入と共に、幾らかのマンガンが電気化学的放電中に還元される。亜鉛／空気電池内における基本的電気化学反応は、次の通りである。
カソード側では、流入酸素は、電子を消費しながら以下の反応によって還元される。
１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ＝２［ＯＨ］− 式１
１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ＝２［ＯＨ］− 式１
アノード側では、亜鉛粒子が電子を放出しながら酸化される。
Ｚｎ−２ｅ＝Ｚｎ＋２ 式２
Ｚｎ＋２＋２［ＯＨ］−＝Ｚｎ［ＯＨ］２ 式３
Ｚｎ−２ｅ＝Ｚｎ＋２ 式２
Ｚｎ＋２＋２［ＯＨ］−＝Ｚｎ［ＯＨ］２ 式３
Ｚｎ［ＯＨ］２は、沈殿剤である。電池を放電する際、特に限られたＫＯＨ及び少量の水を系内に持つ場合、Ｚｎ［ＯＨ］２は分解し始めて次に示すようにＺｎＯ及びＨ２Ｏとなる。
Ｚｎ［ＯＨ］２＝ＺｎＯ＋Ｈ２Ｏ 式４
Ｚｎ［ＯＨ］２＝ＺｎＯ＋Ｈ２Ｏ 式４
このため、電池の全体的な反応は、反応１、２、３及び４を収率に加えることにより得られる。
Ｚｎ＋１／２Ｏ２＝ＺｎＯ 式５
Ｚｎ＋１／２Ｏ２＝ＺｎＯ 式５
同時に、段階的なガス発生が主として以下の反応から生じ、これにより電池の水分含有量が減少し、水素ガス及び追加のＺｎＯが生じる。
Ｚｎ＋Ｈ２Ｏ＝ＺｎＯ＋Ｈ２ 式６
Ｚｎ＋Ｈ２Ｏ＝ＺｎＯ＋Ｈ２ 式６
ＺｎＯは、最終的には電池内に蓄積されて、亜鉛粒子をコーティングして機能を低下させ、その結果電池が消耗するまで亜鉛の利用が低下する。電池が適切に密封されていない場合、電解質が緩く密封された表面を這い上がり、最終的には電池から漏れる場合がある。電池内の水素ガスの蓄積も、電解質漏れを加速する場合がある。本発明のエンドキャップ組立体１２０は、非常に高い密封性を生み出し、電池内で生じるいかなるガス発生にもかかわらず、電解質漏れの可能性を低減させる。
具体的な非限定例として、電池寸法は、約７．６８〜７．７３ｍｍ（０．３０２５〜０．３０４５インチ）の外径及び約３．３０〜３．５２ｍｍ（０．１３００〜０．１３８４インチ）の高さを有する標準寸法の３１２亜鉛／空気電池であり得る。アノード４５０には添加された水銀を含有することはできず（水銀含有量は、亜鉛を基準にして１００ｐｐｍ未満であることができる）、以下の代表的な組成物を有することができる：亜鉛７８．０重量％（亜鉛は、インジウム及び鉛各々について２００〜１０００ｐｐｍと共に合金とすることができる）、電解質（３５重量％ＫＯＨ及び２重量％ＺｎＯ）２２．０重量％、ゲル化剤（ウォーターロック（Waterlock）Ｊ−５５０）０．３重量％。十分なアノード材料４５０を供給して、アノードケーシング２６０の利用可能な内容積のほとんど、通常は約７０〜９０％を充填して、電池放電の際の亜鉛アノードの膨張を許容する。カソード触媒２３３は、以下の組成物を有することができる：ＭｎＯ２１２．９重量％、カーボンブラック３８．７重量％、テフロン結合剤４８．４重量％（ニッケルメッキされた鋼鉄メッシュスクリーン２３７上にコーティングされている）。カソード材料２３３は、通常約０．０１５ｇであってよく、全カソード複合材料２３４（カソード２３３にメッシュスクリーン２３７を合わせたもの）は、約０．１６ｇであってよい。
組立時には、アノード材料４５０が最初にアノードケーシング２６０内へ挿入される。絶縁シーリングディスク３３０、金属支持ディスク１５０、及びカソードアセンブリ２３０構成要素を含んでなるエンドキャップ組立体１２０は、図１及び図３に示すように組み立ててよい。絶縁シーリングディスク３３０がアノードケーシング２６０の開放端２６８に挿入され、アノードケーシングの内部空間にある出っ張り２６４に対して適切に収まるようにする。カソードアセンブリ２３０は、金属支持ディスク下面１５０に対して挿入されてもよい。次に、金属支持ディスク周縁１５４を内側に曲げてＵ型エッジに折り、カソードアセンブリの端２３６ａへと押し付け、締め付け又は咬み合わせてチップエッジ１５６を終端にし、カソードを支持ディスクへ連結させる（図１及び図１Ａ）。次に、連結させた金属支持体１５０及びカソードアセンブリ２３０が、絶縁シーリングディスク３３０上へ挿入され、金属支持ディスク１５０の圧着端１５４が絶縁シールの内側の棚３３５上に適切に収まるようにする。次に、アノードケーシング２６０の周縁２６６を上述のように、金属支持ディスク１５０に被せるように圧着させて、軸方向力と半径方向力の両方をアノードケーシング周縁２６６に適用し、この際同時に周縁２６６を金属支持ディスク１５０に被せるように曲げる。アノードアセンブリ内の定位置にエンドキャップ組立体１５０を固定した、得られた完成電池を図４に示す。
本発明は、特定の実施形態を参照して記載されるが、本発明の要旨から逸脱することなく、他の実施形態も可能であることを理解されたい。従って、本発明は、特定の実施形態に限定することを意図するものではなく、むしろその範囲は、請求項及びその同等物によって画定される。
本発明は、以下の図面を参照することによって、よりよく理解されよう。
Claims (7)
- その間に一体となった側壁を有する開放端及び対向閉鎖端を含んでなるアノード缶；アノード缶の開放端に挿入され、前記開放端を閉じるための金属支持部材；亜鉛粒子及び前記アノード缶内の水性アルカリ電解質を含んでなるアノード材料を含んでなる金属／空気減極電池であって、この際、前記金属支持部材が、取り囲む周縁を持つディスク状本体を有し、前記電池が、絶縁シーリング材料を更に含んでなり、ここで前記絶縁シーリング材料の少なくとも一部が金属支持部材とアノード缶との間に配置されて、前記金属支持部材を該アノード缶から電気的に絶縁し、且つ前記金属支持部材を最上部にして垂直位置で電池を見た場合に、前記金属支持部材の下にカソードが位置するものであり、前記アノード缶が、電池の内部空間に向く内側表面及び前記電池の内部空間から見て外方に向く外側表面を有し、前記絶縁シーリング材料が、前記アノード缶の外側表面よりも前記アノード缶の内側表面とより大きな部分にて隣接する、金属／空気減極電池。
- 前記金属支持部材が、取り囲む周縁によって結合された実質的に平らなディスク状本体及び前記の実質的に平らな本体を貫通する空気孔を少なくとも１つ有する、請求項１に記載の電池。
- 前記絶縁シーリング材料が、前記アノード缶の外側表面のいかなる部分とも隣接しない、請求項１又は２に記載の電池。
- 前記金属支持部材が、前記電池の正極端子としても機能する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池。
- 前記電池が、高さ対直径の比が１．０未満の円筒形形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池。
- 前記電池が、４〜２０ｍｍの直径及び２〜９ｍｍの高さの円筒形形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池。
- 前記電池が、１００万重量部の亜鉛当たり１００重量部未満の水銀を含んでなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池。
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