JP2009520335A - 電池用の圧力逃がし弁 - Google Patents
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Abstract
電池を開示する。ある実施形態において、電池は、5.16mm2(0.008平方インチ)以下の面積を有する開口を備えるハウジング、ハウジング中のアノード、ハウジング中のカソード、膜を備えることができる。膜は、開口の少なくとも一部分を覆い、かつ少なくとも1つのポリマーを含むことができる。膜は、開口の面積の約105パーセント以下である面積を有することができる。
Description
本発明は、電池に関する。
電池又は電気化学電池は、一般的に用いられる電気エネルギー供給源である。電池は、典型的にはアノードと呼ばれる負電極と、典型的にはカソードと呼ばれる正電極を含有する。アノードは、酸化され得る活性物質を含有し、カソードは、還元され得る活性物質を含有又は消費する。アノード活物質は、カソード活物質を還元できる。アノードの活物質とカソードの活物質の直接反応を防ぐために、両電極はセパレータによって互いに電気的に分離されている。
電池が装置内で電気エネルギー供給源として用いられるときには、電気的接続がアノードおよびカソードになされ、電子が装置を貫流できるようにし、並びにそれぞれ酸化および還元反応を生じさせて電力を提供する。アノードおよびカソードに接触している電解質は、電極間のセパレータを貫流するイオンを含有し、放電中の電池全体の電荷の均衡を維持する。
本発明は、一般的には膜を含む電池に関する。
1つの態様において、本発明は、開口を備えるハウジング、ハウジング中のアノード、ハウジング中のカソード、および開口を覆う膜を含む電池を特徴とする。膜は、紫外線硬化性ポリマーおよび/又は熱硬化性ポリマーを含む。
他の態様において、本発明は、最大限で5.2mm2(0.008平方インチ)(例えば、最大限で3.2mm2(0.005平方インチ)、最大限で0.65mm2(0.001平方インチ)、最大限で0.32mm2(0.0005平方インチ)、最大限で0.06mm2(0.0001平方インチ))の面積を有する開口を備えるハウジングと、ハウジング中のアノードと、ハウジング中のカソードと、および開口を覆い(例えば、その場で形成される膜)、少なくとも1つのポリマーを含む膜と、を有する電池を特徴とする。膜の面積は、開口の面積に対して最大限で約105パーセント(例えば、最大限で約104パーセント、最大限で約103パーセント、最大限で約102パーセント、最大限で約101パーセント)である。
さらなる態様において、本発明は、開口を備えるハウジングと、ハウジング中のアノードと、ハウジング中のカソードと、および通気アセンブリを含む電池を特徴とする。通気アセンブリは、開口を覆う膜を備えている。通気アセンブリはディスクを備えていない。
さらなる態様において、本発明はハウジングを備える電池を作製する方法を特徴とする。この方法は、ポリマーをハウジング中の開口に塗布すること、ポリマーを硬化させて開口を覆う膜を形成すること、ハウジング内にアノードを配置すること、およびハウジング内にカソードを配置することを含む。
さらなる態様において、本発明は、最大限で5.16mm2(0.008平方インチ)(例えば、最大限で3.23mm2(0.005平方インチ)、最大限で0.65mm2(0.001平方インチ)、最大限で0.32mm2(0.0005平方インチ)、最大限で0.06mm2(0.0001平方インチ))の面積を有する開口を備えるハウジングと、ハウジング中のアノードと、ハウジング中のカソードと、および少なくとも1つのポリマーを含む膜(例えば、その場で形成される膜)と、を備える電池を形成することを含む方法を特徴とする。膜の面積は、開口の面積に対して約105パーセント以下(例えば、約104パーセント以下、約103パーセント以下、約102パーセント以下、約101パーセント以下)であり、膜は開口を覆う。
実施形態には、次の特徴の1つ以上を含むことができる。
電池は、1つの開口を備えるか、又は複数の開口を備えることができる。膜の面積は、開口の面積に対して、少なくとも約100パーセント(例えば、少なくとも約101パーセント、少なくとも約102パーセント、少なくとも約103パーセント、少なくとも約104パーセント、少なくとも約105パーセント、少なくとも約110パーセント、少なくとも約140パーセント、少なくとも約200パーセント、少なくとも約300パーセント、少なくとも約400パーセント、少なくとも約500パーセント、少なくとも約1000パーセント、少なくとも約1500パーセント、少なくとも約2000パーセント、少なくとも約2500パーセント)、および/又は最大限で約3000パーセント(例えば、最大限で約2500パーセント、最大限で約2000パーセント、最大限で約1500パーセント、最大限で約1000パーセント、最大限で約500パーセント、最大限で約400パーセント、最大限で約300パーセント、最大限で約200パーセント、最大限で約140パーセント、最大限で約110パーセント、最大限で約105パーセント、最大限で約104パーセント、最大限で約103パーセント、最大限で約102パーセント、最大限で約101パーセント)であることができる。膜は、ハウジングに接着(例えば固着)することが可能である。膜は、接着剤を使用してハウジングに接着することができる。通気アセンブリは、膜のみを備えてよい。通気アセンブリは、ディスク(例えば、膜に重なるおよび/又は膜に隣接する金属ディスク)を備えていなくてよい。
実施形態は、以下の利点の1つ以上を備えることができる。
電池内でガス(例えば、水素ガス)を発生させる一部の実施形態において、ガスの一部又は全ては膜を通って(例えば、膜を透過すること、膜を破裂させること)電池から放出されることが可能である。この電池からのガスの放出は、電池の内部圧力が実質的に増加する可能性を制限し、それによってユーザーを害する(例えば、電池漏洩および/爆発の結果として)可能性を制限することができる。
ある実施形態において、膜は電池中で比較的少ない空間を占め、それによって電池中に他の構成要素(例えば、電極活物質)のための空間を提供することができる。特定の実施形態において、開口および/又は膜を含む電池は、上部キャップ領域に比較的薄い絶縁シールを(例えば、通気プラグ又はバネ圧力開放プラグに代わるものとして)備えることができる。例えば、シールは通気構成要素を備えていないおよび/又は伴っていないので、シールは、比較的薄いことが可能である。ある実施形態において、比較的薄いシールを備える電池は、他の構成要素(例えば、電極活物質)のために付加的な余地を有することができる。例えば、ある実施形態において、本電池は、より厚いシールを有する他の相当する電池よりも、内部に少なくとも約3パーセント多く自由体積を有することができる。電池中で電極活物質の量が増加することで、例えば、電池による電気化学的な性能の向上(例えば、容量増加)がもたらされ得る。ある実施形態において、比較的薄いシールを備える電池は、比較的厚いシールを備える電池よりも製造がより安価であり得る。
ある実施形態において、開口および/又は膜を備える電池は比較的容易に製造することができる。一例として、特定の実施形態において、開口の形状は、特定の電池(例えば、円筒状のセル、角柱状のセル)に、および/又は選択される破裂圧力閾値に適合するように比較的容易に設計されることができる。例えば、ある実施形態において、大きな電気化学セル(例えば、円筒状D電池)は、ハウジング中に1つ以上の比較的大きな開口を備え、小さな電気化学セル(例えば、円筒状AAA電池)は、ハウジング中に1つ以上の比較的小さな開口を備えることができる。他の例としては、特定の実施形態において、1つ以上の膜の特性(例えば、材料、厚さ、面積、形状)が、特定の電池(例えば、円筒状セル、角柱状セル)に、および/又は選択される破裂圧力閾値に適合するように設計されることが可能である。ある実施形態において、膜は比較的可撓性であることが可能である。これによって、例えば、膜が使用される際の位置に比較的容易に適合することが可能となる。例えば、膜は比較的容易に電池ハウジングの輪郭に適合し得る。特定の実施形態において、1つ以上の開口および/又は膜を備えるように、現存の電池部品を比較的容易に適合させることが可能である。例えば、ある実施形態において、正端子、負端子、および/又は電池の電池ハウジング壁を、1つ以上の開口および/又は膜を備えるように改良することが可能である。特定の実施形態において、電池内に開口および/又は膜を備えることは比較的安価である。
本発明の他の態様、特徴、および利点は、図面、説明、請求項の中に存在する。
図1Aを参照すると、電池又は電気化学セル10は、カソード12、アノード14、カソード12とアノード14との間のセパレータ16、および電流コレクタ20を含むハウジング18を有する。図1Bは、ハウジング18の断面図を示す。ハウジング18は円筒状ハウジングであって、内面30、外面32、および厚さT0を有する。ある実施形態において、厚さT0は、少なくとも0.18ミリメートルおよび/又は最大限で0.3ミリメートル(例えば0.25ミリメートル)であることができる。ハウジング18と接触しているカソード12はカソード活物質を含み、アノード14はアノード活物質を含む。電解質も、電池10全体に分散される。ハウジング18は、円筒部15、負端子9、および正端子11を備える。負端子9は、シール22、金属上部キャップ24、および電流コレクタ20を備える。正端子11は、負端子9と対向する電池10の端部にある。図1Aに示すように、正端子11は、膜28を含む通気アセンブリ25に覆われる円形の開口26を備える。例えば、膜28は電池10から1つ以上のガス(例えば、水素ガス)が透過するのを可能とし、および/又は圧力蓄積が起こる際に破裂するのを可能するため、それによって電池10の内部圧力を開放することができる。
図1Cは正端子11の平面図を示し、図1Dは開口26(膜28がない場合)の拡大斜視図を示す。図1Dに示すように、開口26は、ハウジング18の厚さT0と等しい厚さT1を有し、直径D1を有する。ある実施形態において、直径D1は、電池10の寸法、および/又は電池10において選択される破裂圧力閾値(膜28が破裂するために設定される圧力)に基づいて選択されることが可能である。電池10が比較的高い破裂圧力閾値(例えば、少なくとも約8.27MPa(1200psi))を有するように設計される特定の実施形態において、直径D1は比較的小さいことができるが、電池10が比較的低い破裂圧力閾値(例えば、最大限で3.45MPa(500psi))を有するように設計される特定の実施形態において、直径D1は比較的大きいことが可能である。ある実施形態において、比較的大きなセル(例えば、D電池)は比較的低い破裂圧力閾値(例えば、約2.07MPa(300psi))を有するように設計されてよく、および/又は比較的小さなセル(例えば、AAA電池)は比較的高い破裂圧力閾値(例えば、約8.27MPa(1200psi)〜約10.3MPa(1500psi))を有するように設計されてよい。
直径D1が大きくなるにつれて、電池10の破裂圧力閾値は減少することができる。ある実施形態において、直径D1は最大限で約2.5mm(0.1インチ)(例えば、最大限で1.78mm(0.07インチ)、最大限で1.27mm(0.05インチ)、最大限で約0.76mm(0.03インチ)、最大限で0.25mm(0.01インチ)、および/又は少なくとも0.13mm(0.005インチ)(例えば、少なくとも0.25mm(0.01インチ))、少なくとも0.76mm(0.03インチ)、少なくとも1.27mm(0.05インチ)、少なくとも1.78mm(0.07インチ)であることが可能である。
開口26の面積が増加するにつれて電池10の破裂圧力閾値は減少することができ、および/又は膜28を通るガス(例えば、水素ガス)の透過率は増加することができる。ある実施形態において、開口26は、最大限で5.16mm2(0.008平方インチ)(例えば、最大限で3.23mm2(0.005平方インチ)、最大限で0.65mm2(0.001平方インチ)、最大限で0.32mm2(0.0005平方インチ)、最大限で0.065mm2(0.0001平方インチ)、最大限で0.032mm2(0.00005平方インチ))、および/又は少なくとも0.013mm2(0.00002平方インチ)(例えば、少なくとも0.032mm2(0.00005平方インチ)、少なくとも0.065mm2(0.0001平方インチ)、少なくとも0.32mm2(0.0005平方インチ)、少なくとも0.65mm2(0.001平方インチ)、少なくとも3.23mm2(0.005平方インチ))の面積を有することができる。
開口26は、例えば、レーザーおよび/又はドリルを使用してハウジング18中に形成することができる。
図1Eを参照すると、フィルムとして示される膜28はハウジング18の内面30と固着し、開口26を覆う。膜28は、水素ガスに対して透過性であることができる。水素に対するこの透過性によって、膜28は、発生する水素ガスを徐々に開放することでハウジング18内に蓄積される圧力を開放するのに役立つ。特定の実施形態において、膜28は、ハウジング18内の圧力が特定の閾値に到達した(例えば、水素ガスが蓄積した結果)時に破裂するように適合させることができる。閾値圧力で破裂することで、膜28は電池10が爆発する可能性を制限することができる。
ある実施形態において、膜28の面積は開口26の面積よりも大きいことが可能である。これによって、例えば、膜28とハウジング18の内面30との間が比較的良好に接触し、および/又は接着することが可能となる。この比較的良好な接触および/又は接着によって、ハウジング18内に圧力が蓄積される際に、膜28の接合破壊による開放が早すぎてしまう可能性が制限される。特定の実施形態において、膜28の面積は開口26の領域の少なくとも約140パーセント(例えば、少なくとも約200パーセント、少なくとも約300パーセント、少なくとも約400パーセント、少なくとも約500パーセント、少なくとも約1000パーセント、少なくとも約1500パーセント、少なくとも約2000パーセント、少なくとも約2500パーセント)、および/又は最大限で約3000パーセント(例えば、最大限で約2500パーセント、最大限で約2000パーセント、最大限で約1500パーセント、最大限で約1000パーセント、最大限で約500パーセント、最大限で約400パーセント、最大限で約300パーセント、最大限で約200パーセント)であることができる。
ある実施形態において、膜28は、最大限で25.8mm2(0.04平方インチ)(例えば、最大限で19.4mm2(0.03平方インチ)、最大限で12.9mm2(0.02平方インチ)、最大限で6.45mm2(0.01平方インチ)、最大限で3.23mm2(0.005平方インチ)、最大限で0.65mm2(0.001平方インチ)、最大限で0.32mm2(0.0005平方インチ)、最大限で0.065mm2(0.0001平方インチ))、および/又は少なくとも0.013mm2(0.00002平方インチ)(例えば、少なくとも0.065mm2(0.0001平方インチ)、少なくとも0.32mm2(0.0005平方インチ)、少なくとも0.65mm2(0.001平方インチ)、3.23mm2(0.005平方インチ)、少なくとも6.45mm2(0.01平方インチ)、少なくとも12.9mm2(0.02平方インチ)、少なくとも19.4mm2(0.03平方インチ))の面積を有することができる。
図1Eに示すように、膜28は厚さT2および直径D2を有する。例えば、厚さT2は、電池10における所望の破裂圧力閾値、および/又は膜28における所望のガス透過量に基づいて選択されることが可能である。ある実施形態において、厚さT2が増加するにつれて、電池10における破裂圧力閾値も増加することができる。特定の実施形態において、厚さT2が減少するにつれて、1つ以上のガス(例えば、水素ガス)に対する膜28の透過性は増加することができる。ある実施形態において、厚さT2は、少なくとも0.0013mm(0.00005インチ)(例えば、少なくとも0.0025mm(0.0001インチ)、少なくとも0.013mm(0.0005インチ)、少なくとも0.03mm(0.001インチ)、少なくとも0.05mm(0.002インチ)、少なくとも0.10mm(0.004インチ)、少なくとも0.15mm(0.006インチ)、少なくとも0.20mm(0.008インチ)、少なくとも0.25mm(0.01インチ)、少なくとも0.38mm(0.015インチ)、少なくとも0.51mm(0.02インチ)、少なくとも0.64mm(0.025インチ))、および/又は、最大限で0.76mm(0.03インチ)(例えば、最大限で0.64mm(0.025インチ)、最大限で0.51mm(0.02インチ)、最大限で0.38mm(0.015インチ)、最大限で0.25mm(0.01インチ)、最大限で0.20mm(0.008インチ)、最大限で0.15mm(0.006インチ)、最大限で0.10mm(0.004インチ)、最大限で0.05mm(0.002インチ)、最大限で0.03mm(0.001インチ)、最大限で0.013mm(0.0005インチ)、最大限で0.003mm(0.0001インチ))であることができる。膜28は、例えば、0.006mm(0.00025インチ)、0.013mm(0.0005インチ)、0.03mm(0.001インチ)、0.05mm(0.002インチ)、又は0.30mm(0.012インチ)の厚さT2を有することができる。
例えば、直径D2は、膜28による開口26の求められる被覆度合いに基づいて選択することができる。ある実施形態において、直径D2は少なくとも1.02mm(0.04インチ)(例えば、少なくとも1.52mm(0.06インチ)、少なくとも2.03mm(0.08インチ)、少なくとも2.54mm(0.1インチ)、少なくとも3.81mm(0.15インチ))および/又は最大限で5.08mm(0.2インチ)(例えば、最大限で3.81mm(0.15インチ)、最大限で2.54mm(0.1インチ)、最大限で2.03mm(0.08インチ)、最大限で1.52mm(0.06インチ))であることができる。特定の実施形態において、直径D2は、直径D1より長く、少なくとも0.18mm(0.007インチ)であることができる。
上述のように、膜28の1つ以上の特性(例えば、厚さT2)は、膜28が所望の閾値圧力で破裂するように選択することができる。ある実施形態において、膜28は、電池10のハウジング18内の圧力が少なくとも約0.17MPa(25psi)(例えば、少なくとも約0.34MPa(50psi)、少なくとも約0.69MPa(100psi)、少なくとも約1.38MPa(200psi)、少なくとも約2.07MPa(300psi)、少なくとも約2.76MPa(400psi)、少なくとも約3.45MPa(500psi)、少なくとも約5.17MPa(750psi)、少なくとも約6.89MPa(1000psi)、少なくとも約8.62MPa(1250psi)、少なくとも約10.3MPa(1500psi)、少なくとも約13.8MPa(2000psi)、少なくとも約17.2MPa(2500psi))、および/又は、最大限で約20.7MPa(3000psi)(例えば、最大限で約17.2MPa(2500psi)、最大限で約13.8MPa(2000psi)、最大限で約10.3MPa(1500psi)、最大限で約8.62MPa(1250psi)、最大限で約6.89MPa(1000psi)、最大限で約5.17MPa(750psi)、最大限で約3.45MPa(500psi)、最大限で約2.76MPa(400psi)、最大限で約0.69MPa(100psi)、最大限で約0.35MPa(50psi))である際、破裂するように適合させることが可能である。特定の実施形態において、AAA電池は約6.89MPa(1000psi)〜約13.8MPa(2000psi)の破裂圧力閾値を有し、AA電池は約3.45MPa(500psi)〜約10.3MPa(1500psi)の破裂圧力閾値を有し、C電池は約1.38MPa(200psi)〜約4.14MPa(600psi)の破裂圧力閾値を有し、および/又はD電池は約0.69MPa(100psi)〜約2.76MPa(400psi)の破裂圧力閾値を有することができる。
膜28は、任意の多くの異なる材料から形成することができる。ある実施形態において、膜28は、1つ以上のポリマーを含むことができる(例えば、ポリマーから形成することができる)。ポリマーの例としては、ポリスルホン類、ポリエチレン類、ポリプロピレン類、ポリアミド類、ポリイミド類、およびポリエステル類(例えば、ポリエチレンテレフタラート(PET))が挙げられる。特定の実施形態において、膜28はインテグラル(INTEGRAL)625二層接着フィルム(ダウケミカル(Dow Chemical)社より)を含むことができる。
膜28は、任意の多くの異なる方法でハウジング18の内面30に接着できる。
ある実施形態において、膜28は1つ以上のエポキシ接着剤を使用して内面30に固着できる。エポキシ接着剤の一例は、ミレニアム(Millennium)EN−239−2(登録商標)エポキシ接着剤(マサチューセッツ州サウスイーストン(South Easton)のレジンテクノロジーグループ(Resin Technology Group)社より)、紫外線開始カチオン硬化性エポキシ接着剤である。特定の実施形態において、膜28は、トルエン又はイソプロパノール溶媒のスペックシール(SpecSeal)(登録商標)溶液ベースのナイロンシーラント(テネシー州クレーブランド(Cleveland)のスペシャリティケミカルズ(Specialty Chemicals)より)および/又はトルエン溶媒のコライト(Korite)アスファルトベースのシーラント(テネシー州クレーブランド(Cleveland)のスペシャリティケミカルズ(Specialty Chemicals)より)のような1つ以上のシーラントを使用して内面30に固着することができる。ある実施形態において、膜28は、D.E.R325エポキシ樹脂(ダウプラスチックス(Dow Plastics)より)と多官能性アミン又はアミドアミン(例えば、エアプロダクツ(Air Products)からのアンカミド(Ancamide)(登録商標)2426アミドアミンエポキシ硬化剤)のブレンドのような熱硬化性2液型エポキシ接着剤を使用して内面30に固着することができる。特定の実施形態において、膜28は、D.E.R325エポキシ樹脂(ダウプラスチックス(Dow Plastics)より)とアンカミド(Ancamide)(商標)350Aポリアミドエポキシ硬化剤(エアプロダクツ(Air Products)より)の熱硬化性ブレンドを使用して、内面30に固着できる。ある実施形態において、膜28はシアノアクリレート接着剤を使用して内面30に固着することができる。
ある実施形態において、膜28は、膜28および/又は膜28と内面30との間の接触領域を加熱することで、内面30に固着することができる。特定の実施形態において、膜28は、他のセル構成要素のいずれか又は全てがハウジング18に付加される前に、ハウジング18の内面30に接着することができる。ある実施形態において、開口26は最初にハウジング18中に形成され、次に膜28が開口26上に付加され、電池10の残りを組み立てることができる。例えば、カソードペレットはハウジング18中に配置され、カソード12を形成するために圧縮され、セパレータ16はハウジング18中に配置され、アノード14はハウジング18中に付加され、ハウジング18は電解質で満たされ、負端子9の構成要素が付加され、金属上部キャップ24はシステムを封入するために圧着されることが可能であり、電池10を形成する。特定の実施形態において、ハウジング18に付加される1つ以上の構成要素は、ハウジング18に対して膜を密封するのに役立つことができる。例えば、カソードペレットを圧縮することで、1つ以上のカソードペレットを膜28上に押し下げ、それによってハウジング18に対して膜28を押し付けることが可能となる。図1Aに示すように、カソード12は膜28の一部分の上にあり、それによってハウジング18に対して膜28を密封するのに役立つ。図1Aは膜の一部分の上にあるカソードを示すが、一部の実施形態では膜は完全にカソードの下部に配置することができる。例えば、カソードは、電池ハウジングに対して膜を押し付けることによって、所定の場所に膜を保持するのに役立たせることができる。
ある実施形態において、膜28は比較的低い弾性率を有することができる。例えば、これは、延伸後に膜28が比較的容易に形状を回復するのを可能とする。特定の実施形態において、膜28は、最大限で約10342.1Mpa(1,500,000psi)(例えば、最大限で約6894.8MPa(1,000,000psi)、最大限で約3447.4MPa(500,000psi)、最大限で約689.5MPa(100,000psi)、最大限で約344.7MPa(50,000psi)、最大限で約68.9MPa(10,000psi)、最大限で約34.5MPa(5,000psi)以下、17.2MPa(2,500psi))、および/又は少なくとも約12.4MPa(1,800psi)(例えば、少なくとも約17.2MPa(2,500psi)、少なくとも約34.5MPa(5,000psi)、少なくとも約68.9MPa(10,000psi)、少なくとも約344.7MPa(50,000psi)、少なくとも約689.5MPa(100,000psi)、少なくとも約3447.4MPa(500,000psi)、少なくとも約6894.8MPa(1,000,000psi))の弾性率を有することができる。ある実施形態(例えば、膜28がインテグラル(INTEGRAL)625二層接着フィルム(ダウケミカル(Dow Chemical)社より)を含むある実施形態)において、膜28は14.5MPa(2,100psi)の弾性率(例えば割線モジュラス)を有することができる。特定の実施形態(例えば、膜28が1つ以上のポリスルホンおよび/又はポリイミドを含む特定の実施形態)において、膜28は約2757.9MPa(400,000psi)の弾性率を有することができる。ある実施形態(例えば、膜28がポリエチレンテレフタレート(PET)を含むある実施形態)において、膜28は約5515.8MPa(800,000psi)(例えば、膜28が均衡化フィルムである場合)又は8963.2MPa(1,300,000psi)(例えば、膜28が伸張される場合)の弾性率を有することができる。膜の弾性率は、例えば、ASTMD882を使用して測定可能である。
特定の実施形態において、膜28は、アルカリ条件において比較的安定であることが可能である。例えば、膜28はアルカリ性電解液(例えば、水酸化カリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液)の存在下で比較的安定であり得る。アルカリ性電解液の存在下における膜28の安定性は、例えば、温熱下(例えば、約50℃〜約60℃)で1週間、アルカリ性(例えば、KOH)溶液中に膜28の試験フィルムを浸し、次に、任意の機械的特性が変化したかどうかを決定するために、試験フィルムの機械的特性を測定することで評価することができる。機械的特性が著しく変化した場合、膜28はアルカリ電解液の存在下で機械的に比較的不安定であると見なされてよい。特定の実施形態において、試験フィルムを試験前に計量し、温熱下で1週間アルカリ性溶液に浸した後に再び計量することができる。フィルムの重量が著しく減少した(例えば、0.5パーセント超)場合、膜28は、アルカリ電解液の存在下で化学的に比較的不安定であると見なされてよい。
ある実施形態において、膜28は比較的高い引張り強度を有することができる。膜28の引張り強度は、例えば、ASTMD638を使用して測定可能である。特定の実施形態において、膜28は、少なくとも約6.89MPa(1,000psi)(例えば、少なくとも約34.5MPa(5,000psi)、少なくとも約68.9MPa(10,000psi)、少なくとも約103.4MPa(15,000psi)、少なくとも約137.9MPa(20,000psi))、および/又は最大限で約172.4MPa(25,000psi)(例えば、約137.9MPa(20,000psi)以下、約103.4最大限でMPa(15,000psi)、最大限で約68.9MPa(10,000psi)、最大限で約34.5MPa(5,000psi)の引張り強度を有することができる。ある実施形態(例えば、膜28がインテグラル(INTEGRAL)625二層接着フィルム(ダウケミカル(Dow Chemical)社より)を含むある実施形態)において、膜28は20.7MPa(3,000psi)の引張り強度を有することができる。特定の実施形態(例えば、膜28が1つ以上のポリスルホン類を含む特定の実施形態)において、膜28は75.8MPa(11,000psi)の引張り強度を有することができる。ある実施形態(例えば、膜28が1つ以上のポリイミド類を含むある実施形態)において、膜28は144.8MPa(21,000psi)の引張り強度を有することができる。
特定の実施形態において、膜28は、比較的良好な形状持続性を有することができる。結果として、膜28は、ハウジング18内の圧力が増加する場合であっても形状を保持することが可能であり得る。
フィルム膜を含む電池が記載されているが、ある実施形態において、電池は代わりに、又は追加的に少なくとも1つの他の型の膜を含むことができる。例えば、図2は、内面130および外面132を有する電池ハウジング118中の開口126を満たすシール形状の膜134(例えば、その場で形成される膜)を示す。膜134は、開口126を画定するハウジング118の一部と固着する。特定の実施形態において、膜134は水素ガスに対して透過性であることができる。水素に対するこの透過性によって、例えば、膜134は、水素ガスを徐々に開放することでハウジング118内に蓄積される圧力を開放することが可能となる。ある実施形態において、膜134は所定の圧力で破裂するので、ハウジング118が爆発する(例えば、水素ガスの蓄積の結果)可能性を制限するように適合させることが可能である。
例えば、膜134は、膜28と同様の特徴(例えば、比較的低い弾性率)の1つ以上を有する。ある実施形態において、膜134は比較的薄型であり(low prfile)、および/又はハウジング118内に比較的小さい量の空間を占めることが可能である。結果として、膜134は、ハウジング118内に電極活物質のような他の構成要素のための空間を提供できる。電池中の電極活物質の量が増加するにつれて、電池は向上した電気化学的性能を示し得る。
膜134は、開口126の面積と等しい面積を有する。開口126は、開口26(図1D)と同様の特徴(例えば面積)を1つ以上有し得る。図2に示すように、膜134は変動可能な厚さを有する。例えば、膜134とハウジング118との間の接触地点における膜134の厚さT3は、膜134の中央部における膜134の厚さT4よりも厚い。膜134の変動可能な厚さは、膜134の一部又は全てが水素ガスに対して透過性があるのが可能である一方で、比較的高い接着強度を有する膜134を提供することができる。膜134の接着強度が比較的高いことで、圧力が蓄積された場合に、膜134がハウジング118から外れる可能性を制限することができる。
ある実施形態において、膜134は約41.4MPa(6000psi)の剪断強度を有することができる。特定の実施形態において、膜134を形成する材料は、約1.16の比重を有することができる。
膜134の1つ以上の特性(例えば、厚さ)は、ハウジング118内の圧力が特定のレベルまで到達すると膜134が破裂するように選択することができる。特定の実施形態において、膜134は、膜28に関して上記で提供された圧力の中の1つで破裂するように適合させることができる。
ある実施形態において、膜134は、開口126を画定するハウジング118部分と直接(つまり、任意の接着剤および/又は結合剤を使用せずに)固着することができる。特定の実施形態において、膜134をハウジング118に直接固着することは、膜134とハウジング118との間に比較的強固な接着、および/又は容易な製造をもたらすことができる。
膜134は、1つ以上の材料で形成することができる。特定の実施形態において、膜134は少なくとも1つのポリマーを含むことができる。ある実施形態において、膜134はオキセタンおよび/又は少なくとも1つのエポキシ樹脂を含むことができる。特定の実施形態において、膜134はオキセタン系の材料を含むことができる。ある実施形態において、膜134は、ミレニアム(Millennium)EN−239−2(商標)エポキシ接着剤(マサチューセッツ州サウスイーストン(South Easton)のレジンテクノロジーグループ(Resin Technology Group)社より)を含むこと(例えば、形成されること)ができる。
膜134は、任意の多くの方法で形成することができる。特定の実施形態において、膜134はハウジング118から分離して形成可能であり、その後ハウジング118に取り付けることが可能である。ある実施形態において、膜134は、膜134が開口126の位置で形成されるように、その場で形成される膜であることができる。一例としては、膜134は、開口126にわたってメニスカスを形成することができる液体ポリマーコーティング剤として、開口126中に最初に形成されることが可能である。液体ポリマーコーティング剤は、溶媒に溶解されていない1つ以上のポリマーから形成することが可能である。特定の実施形態において、液体ポリマーコーティング剤は、約25℃の温度において、少なくとも約0.5Pa・S(500cps)(例えば、少なくとも約1Pa・s(1,000cps)、少なくとも約5Pa・s(5,000cps)、少なくとも約10Pa・s(10,000cps)、少なくとも約15Pa・s(15,000cps))、および/又は、最大限で約20Pa・s(20,000cps)(例えば、最大限で約15Pa・s(15,000cps)、最大限で約10Pa・s(10,000cps)、最大限で約5Pa・s(5,000cps)、最大限で約1Pa・s(1,000cps))の粘度を有することができる。例えば、ある実施形態において、液体ポリマーコーティング剤は、約25℃で約6.8Pa・s(6,800cps)の粘度を有することができる。液体ポリマーコーティング剤は、例えば、ウベローデ懸垂液面形粘度計(Ubbelohde suspended level viscometer)を使用して測定することができる。次に、液体ポリマーコーティング剤は硬化(例えば、紫外線(UV)、可視光線、熱、および/又は電子ビーム源を使用して)することができる。特定の実施形態において、液体ポリマーコーティング剤は、約230ナノメートル〜約500ナノメートル(例えば、約375ナノメートル)の波長、および/又は0.2J/cm2を超える強度を有する紫外線に曝露することで硬化することができる。ある実施形態において、膜134を形成するために液体ポリマーを硬化するのにフュージョン(Fusion)F300(118.1W/cm(300ワット/インチ))UV硬化システム(メリーランド州ゲイサーズバーグ(Gaithersburg)のフュージョンシステムズ(Fusion Systems)より)を使用することができる。フュージョン(Fusion)F300紫外線硬化システムは、例えば、約5フィート/分のコンベヤーベルト速度で設定することができる。ある実施形態において、液体ポリマーコーティング剤は、少なくとも約25℃(例えば、少なくとも約60℃、少なくとも約100℃)、および/又は最大限で約150℃(例えば、最大限で約100℃、最大限で約60℃)の温度に曝露することで硬化することができる。例えば、液体ポリマーコーティング剤は、60℃〜150℃の温度に曝露することで硬化することができる。電池を組み立てる前、組み立てる間、および/又は組み立て後、開口126の位置に膜134は形成される。
膜134は開口126の面積と等しい面積を有するが、ある実施形態において、膜(例えば、シール形状の膜)は、膜に覆われる開口の面積よりも広い面積を有することができる。例えば、膜によって覆われる開口の面積に対する膜の面積は、膜28に関して上記で提供される範囲内であることができる。したがって、膜は開口をふさいでよく、さらに開口の寸法を超えて(例えば、電池ハウジングの内面および/又は外面に沿って)延在してもよい。特定の実施形態において、膜(例えば、電池ハウジング中の開口上のUV硬化性ポリマーを硬化することで形成される膜)は、膜に覆われる開口の面積の最大限で約105パーセント(例えば、最大限で約104パーセント、最大限で約103パーセント、最大限で約102パーセント、最大限で約101パーセント)の面積を有することができる。膜は、開口も覆いながらも、比較的小さな空間を占めることができる。
ハウジング18又はハウジング118のような電池ハウジングは、1つ以上の異なる材料によって形成することができる。ある実施形態において、電池ハウジングは、ニッケル、ニッケルメッキ鋼(例えば、ニッケルメッキ冷延鋼)、ステンレス鋼、アルミニウムクラッドステンレス鋼、アルミニウム、および/又はアルミニウム合金のような1つ以上の金属類および/又は金属合金類を含むことができる。特定の実施形態において、電池ハウジングは、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスルホン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)、および/又はポリアミドのような1つ以上のプラスチック類を含むことができる。
カソード12のようなカソードは、少なくとも1つ(例えば、2つ、3つ)のカソード活物質を含むことができる。ある実施形態において、カソードはさらに、少なくとも1つの導電性助剤および/又は少なくとも1つの結合剤を含むことができる。電解質はまた、カソード12を通して分散される。カソードの構成要素に関して本明細書で提示する重量百分率は、電解質がカソードを通して分散された後に測定する。
一部の実施形態では、カソード活物質は、酸化マンガン、例えば二酸化マンガン(MnO2)にすることができる。二酸化マンガンは、電解合成MnO2(EMD)、化学合成MnO2(CMD)、又はEMDとCMDとのブレンドにすることができる。二酸化マンガンの販売業者としては、カーマギー社(Kerr-McGee Corp.)(例えば、トロナD(Trona D)および高圧EMD(high-power EMD)の製造会社)、東ソー社(Tosoh Corp.)、デルタマンガン(Delta Manganese)、デルタEMD社(Delta EMD Ltd.)、三井化学(Mitsui Chemicals)、ERACHEM、および、JMCが挙げられる。特定の実施形態において、カソードは、約80重量%〜約94重量%(例えば、約82重量%〜約86重量%)の二酸化マンガン(例えばEMD)を含み得る。
他のカソード活物質の例としては、酸化銅類(例えば、酸化第二銅(CuO)、酸化第一銅(Cu2O));水酸化銅類(例えば、水酸化第二銅(Cu(OH)2)、水酸化第一銅(cuprous hydroxide)(Cu(OH)));ヨウ素酸第二銅(Cu(IO3)2);AgCuO2;LiCuO2;Cu(OH)(IO3);Cu2H(IO6);銅含有金属酸化物類又はカルコゲナイド;ハロゲン化銅類(例えば、CuCl2);および/又は銅マンガン酸化物類(例えば、Cu(MnO4)2)が挙げられる。酸化銅類は、化学量論的(例えば、CuO)又は非化学量論的(例えば、CuOx、この際、0.5≦x≦1.5)であり得る。カソード活物質の別の例は、Cu6InO8Clである。
カソード活物質の更なる例としては、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)のようなニッケルが含まれているカソード活物質が挙げられる。オキシ水酸化ニッケルとしては、例えば、β−オキシ水酸化ニッケル、オキシ水酸化コバルト被覆のβ−オキシ水酸化ニッケル、γ−オキシ水酸化ニッケル、オキシ水酸化コバルト被覆のγ−オキシ水酸化ニッケル、β−オキシ水酸化ニッケルおよびγ−オキシ水酸化ニッケルの固溶体、又はβ−オキシ水酸化ニッケルおよびγ−オキシ水酸化ニッケルのオキシ水酸化コバルト被覆の固溶体が挙げられる。
カソード活物質の更なる例としては、5価のビスマス含有金属酸化物が含まれているカソード活物質が挙げられる。
特定の実施形態において、カソードは多孔質であることができる。多孔質カソードには、例えば、上述のカソード活物質(例えば、EMD、NiOOH)を1つ以上含めることができる。
導電助剤は、カソード12の電子導電性を増大させることができる。導電助剤の一例は炭素粒子である。炭素粒子は、カソードに用いられる従来の炭素粒子のいずれでも可能である。炭素粒子は、例えば、黒鉛粒子であることができる。黒鉛粒子は、合成、非合成、又は合成と非合成のブレンドであることができ、これらは膨張性又は非膨張性であることができる。特定の実施形態において、カソード中の黒鉛粒子は、非合成、非膨張性の黒鉛粒子であることができる。こうした実施形態では、黒鉛粒子の平均粒径は、シンパテック(Sympatec)ヘリオス(HELIOS)分析装置を用いて測定した場合で約20μ未満(例えば、約2μ〜約12μ、約5μ〜約9μ)にすることができる。黒鉛粒子は、例えば、ブラジリアンナショナルデグラファイト(Brazilian Nacional de Grafite)(ブラジルミナスジェライス州イタペシリカ、(MP−0702X))、又は日本の株式会社中越黒鉛工業所(Chuetsu Graphite Works, Ltd.)(中越等級(Chuetsu grades)WH−20AおよびWH−20AF)から得ることができる。カソードは、例えば、炭素粒子を約3重量%〜約9重量%(例えば、約4重量%〜約7重量%)含んでよい。ある実施形態において、カソードは、黒鉛粒子を約4重量%〜約9重量%(例えば約4重量%〜約6.5重量%)含むことができる。
導電助剤の別の例は炭素繊維であり、例えば、米国特許第6,858,349号(ルオ(Luo)他)、および2002年11月21日に公開された「電池カソード(Battery Cathode)」という名称の米国特許出願公開番号2002/0172867A1号(アングリン(Anglin)に記載されているものである。一部の実施形態では、カソードは、炭素繊維を約2重量%未満(例えば、約1.5重量%未満、約1重量%未満、約0.75重量%未満、約0.5重量%未満)、および/又は約0.1重量%超(例えば、約0.2重量%超、約0.3重量%超、約0.4重量%超、約0.45重量%超)含むことができる。
特定の実施形態では、カソードは、1つ以上の導電性助剤を合計約1重量%〜約10重量%含むことができる。
カソードは、カソード物質を電流コレクタ上にコーティングし、乾燥させた後、コーティングした電流コレクタをカレンダ加工することによって作製することができる。カソード物質は、カソード活物質を、結合剤、溶媒/水、および炭素源のような他の構成要素と共に混合することにより調製することができる。例えば、MnO2のようなカソード活物質は、炭素(例えば、黒鉛、アセチレンブラック)と組み合わせるとともに、少量の水と混合して、カソードスラリーを形成させてもよい。次に、電流コレクタをカソードスラリーでコーティングして、カソードを形成することができる。
結合剤の例としては、ポリエチレン粉末類、ポリアクリルアミド類、ポルトランドセメント(Portland cement)および、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフルオロカーボン樹脂類が挙げられる。ポリエチレン結合剤の例は、商標名コアチレンHA−1681(Coathylene HA-1681)(ヘキスト(Hoechst)から入手可能)として販売されている。カソードは、結合剤を例えば最大約2重量%(例えば結合剤を最大約1重量%)含んでよい。特定の実施形態において、カソードは、結合剤を約0.1重量%〜約2重量%(例えば、約0.1重量%〜約1重量%)含むことができる。
カソードは、他の添加剤を含むことができる。添加剤は、例えば米国特許第5,342,712号(ミエツコウスカ(Mieczkowska)他)に開示されている。ある実施形態において、カソードは、二酸化チタン(TiO2)を含むことができる。特定の実施形態において、カソードは、TiO2を約0.1重量%〜約2重量%(例えば約0.2重量%〜約2重量%)含むことができる。
カソード(例えば、カソード活物質)は、例えば、2004年12月2日に公開された「平面ハウジングおよびオキシ水酸化ニッケルカソードを有するアルカリ電池(Alkaline Cell With Flat Housing and Nickel Oxyhydroxide Cathode)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0237293A1号(ダーコット(Durkot)他)、2004年10月7日に公開された「オキシ水酸化ニッケルカソードおよび亜鉛アノードを含むアルカリ電池(Alkaline Battery Including Nickel Oxyhydroxide Cathode and Zinc Anode)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0197656A1号(ダーコット(Durkot)他)、2004年4月22日に公開された「電池の作成方法(Method of Making a Battery)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0076881A1号(ボーデン(Bowden))他)、2005年6月23日に公開された「電池カソード(Battery Cathode)」という名称の米国特許出願公開番号第2005/0136328A1号(エイレム(Eylem)他)、2004年3月4日に公開された「オキシ水酸化ニッケルカソードおよび亜鉛アノードを含むアルカリ電池(Alkaline Battery Including Nickel Oxyhydroxide Cathode and Zinc Anode)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0043292A1号(クリスチャン(Christian))他)、2004年10月14日に公開された「オキシ水酸化ニッケルの調製(Preparation of Nickel Oxyhydroxide)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0202931A1号(クリスチャン(Christian))他)、2005年3月17日に公開された「ビスマス金属酸化物を含有するアルカリ一次電池(Primary Alkaline Battery Containing Bismuth Metal Oxide)」という名称の米国特許出願公開番号第2005/0058903A1号(エイレム(Eylem)他)、2005年3月17日に公開された「ビスマス金属酸化物を含有するアルカリ一次電池(Primary Alkaline Battery Containing Bismuth Metal Oxide)」という名称の米国特許出願公開番号第2005/0058902A1号(ワング(Wang)他)」、および、米国特許第6,207,322号(ケルセー(Kelsey)他)に記載されている。
カソードを通して分散される電解質(および/又は電池の残部で用いられる電解質)は、電池で用いられる電解質のいずれでも可能である。ある実施形態において、カソードは、電解質を約5重量%〜約10重量%(例えば、約6重量%〜約7重量%)含むことができる。電解質は水性又は非水性にすることができる。水性電解質は、アルカリ性溶液、例えば水性水酸化物溶液(例えば、LiOH、NaOH、KOH)、又は水酸化物溶液の混合物(例えば、NaOH/KOH)にすることができる。例えば、水性水酸化物溶液には、水酸化物物質を約33重量%〜約40重量%、例えば約9NのKOH(約37重量%KOH)を含むことができる。ある実施形態では、電解質には、酸化亜鉛を最大約4重量%(例えば約2重量%)含めることもできる。
電解質は、他の添加剤を含むことができる。例としては、電解質には、電解質中のカソード活物質の溶解度を低減させる(例えば抑える)可溶性物質(例えばアルミニウム物質)を含むことができる。特定の実施形態では、電解質には、以下の、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、アルカリ金属アルネート類、アルミニウム金属、アルカリ金属ハロゲン化物類、アルカリ金属炭酸塩類、又はこれらの混合物、のうちの1つ以上を含むことができる。電解質添加剤は、例えば、2004年9月9日に公開された「電池(Battery)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0175613A1号(エイレム(Eylem)他)に記載されている。
アノード14のようなアノードは、電池のアノードに使用される任意の亜鉛材料類から形成できる。例えば、アノードは、亜鉛金属粒子、ゲル化剤、および気泡発生阻害物質のような微量の添加剤が含まれている亜鉛ゲルにすることができる。加えて、電解質の一部はアノード全体に分散される。
亜鉛粒子類は、ゲルアノード類に使用される亜鉛粒子類(例えば、亜鉛微粒子)のいずれかにすることができる。亜鉛粒子類の例としては、米国特許第6,284,410号(ダーコット(Durkot)他)、米国特許第6,521,378号(ダーコット(Durkot)他)に記載されたものが挙げられる。特定の実施形態では、アノード14には球形の亜鉛粒子類を含むことができる。球形の亜鉛粒子類は、例えば、2004年12月23日に公開された「電池のアノード(Anode for Battery)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0258995A1号(コスタンゾ(Costanzo)他)に記載されている。亜鉛粒子類は、亜鉛合金(例えば、数百ppmのインジウムおよびビスマスが含まれているもの)にすることができる。アノードは、例えば、亜鉛粒子を約40重量%〜約90重量%(例えば、約67重量%〜約80重量%)含んでよい。
ゲル化剤類の例としては、ポリアクリル酸類、グラフト化スターチ材類、ポリアクリル酸の塩類、ポリアクリレート類、カルボキシメチルセルロース、又はこれらを組み合わせたものが挙げられる。ポリアクリル酸類の例としては、カーボポール(Carbopol)940および934(ノベオン社(Noveon Inc.)から入手可能)およびポリゲル4P(Polygel 4P)(3Vから入手可能)が挙げられる。グラフト化スターチ材の例は、ウォーターロックA221(Waterlock A221)(アイオワ州マスカティーンのグレインプロセッシング社(Grain Processing Corporation)から入手可能)である。ポリアクリル酸の塩の例は、アルコソルブ(Alcosorb)G1(チバスペシャルティーズ(Ciba Specialties)から入手可能)である。アノードは、例えばゲル化剤を約0.1重量%〜約1重量%含んでよい。
ガス発生抑制剤類は、ビスマス、スズ、鉛、インジウムなどの無機物質類にすることができる。あるいは、ガス発生抑制剤類は、リン酸エステル類、イオン性界面活性剤類、又は非イオン性界面活性剤類などの有機化合物類にすることができる。イオン性界面活性剤の例は、例えば米国特許第4,777,100号(チャリルポイル(Chalilpoyil)他)に開示されている。
セパレータ16のようなセパレータは、電気化学電池(例えば、アルカリ電池)において使用される任意の標準的なセパレータ材料で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(例えば不織布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、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド(例えば、ナイロン)、ポリスルホン、ポリ塩化ビニル、又はこれらの組み合わせから形成することができる。ある実施形態において、セパレータは、1層の不織布材料と組み合わせたセロファン層を含むことができる。不織布材には、例えばポリビニルアルコールおよび/又はレーヨンを含むことができる。
シール22のようなシールは、例えば、ポリマー(例えば、ナイロン)から作製することができる。
キャップ24のようなキャップは、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、又は鋼のような金属又は金属合金から作製することができる。
ある実施形態において、電池は、アノードにより電池の中に発生する場合がある(例えば、アノードが亜鉛を含む場合)水素ガスの量を低下させるために、水素再結合触媒を含むことができる。水素再結合触媒類は、例えば、米国特許第6,500,576号(デイビス(Davis)他)および米国特許第3,893,870号(コザワ(Kozawa))に記載されている。あるいは、電池はさらに、米国特許第5,300,371号(トマンチュゲル(Tomantschger)他)に記載されているような圧力作動バルブ又は圧力作動通気を備えるように構築することができる。
本明細書に提示した電池構成要素の重量百分率は、電解質溶液が電池の中に分散された後に測定したものである。
電池10のような電池は、一次電気化学セル又は二次電気化学セルであることができる。一次電池類とは、1度だけ放電させ(例えば、完全に消費されるまで放電させ)、その後廃棄するものを意味する。一次電池類は、再充電させることは意図していない。一次電池類については、例えば、デヴィッド・リンデン(David Linden)、電池ハンドブック(Handbook of Batteries)(マグローヒル(McGraw-Hill)、第2版、1995年)に記載されている。二2次電気化学セル類は、何回も(例えば、50回を超えて、100回を超えて、又はそれ以上)再充電することができる。ある実施形態では、二次電池類には、比較的頑健なセパレータ類、例えば多くの層を含むセパレータおよび/又は比較的厚いセパレータを備えることができる。二次電池類はまた、電池の中で生じ得る膨潤のような変化に適応する設計にすることもできる。二次電池類は、例えば、ファルク(Falk)およびサルキンド(Salkind)の「アルカリ蓄電池(Alkaline Storage Batteries)」(ジョンワイリーアンドサンズ社(John Wiley & Sons, Inc.)、1969年)、米国特許第345,124号(バーロイ(Virloy)他)に記載されている。
電池10のような電池は、様々な異なる電圧(例えば、1.5V、3.0V、4.0V)のうちのいずれかにすることができ、および/又は、例えば、AA、AAA、AAAA、C又はD電池にすることができる。電池10は、円筒形であるが、一部の実施形態では、電池は非円筒形にすることができる例えば、電池は、コイン電池、ボタン電池、ウエハー電池、又はレーストレック形状電池(racetrack-shaped cell)にすることができる。ある実施形態では、電池はプリズム状にすることができる。特定の実施形態では、電池には硬質積層セル構造又は可撓性袋、角封筒又はバッグ状セル構造を持たせることができる。ある実施形態では、電池にはらせん状に巻かれた構造、又は平板構造を持たせることができる。電池は、例えば、米国特許第4,622,277号(ベッダー(Bedder)他)、米国特許第4,707,421号(マクベイ・ジュニア(McVeigh, Jr.)他)、米国特許第6,001,504号(バストン(Batson)他)、2003年9月30日に出願された「電池(Batteries)」という名称の米国特許出願公開番号第10/675,512号(ベルコウィッツ(Berkowitz)他)、2004年3月15日に出願された「非水性電気化学電池(Non-Aqueous Electrochemical Cells)」という名称の米国特許出願公開番号第10/800,905号(トティア(Totir)他)、例えば、2004年12月2日に公開された「平面ハウジングおよびオキシ水酸化ニッケルを有するアルカリ電池(Alkaline Cell With Flat Housing and Nickel Oxyhydroxide Cathode)」という名称の米国特許出願公開番号第2004/0237293A1号(ダーコット(Durkot)他)、2005年5月26日に出願された「アルミニウム部材を含む電池(Battery Including Aluminum Component)」という名称の米国特許出願公開番号第2005/0112467A1号(ベルコウィッツ(Berkowitz)他)に記載されている。
電池(例えば、円筒型電池)は、例えば、アノード、セパレータ、およびカソードを共に巻き、これらをハウジング内に設置することにより、調製できる。その後、ハウジング(アノード、カソード、およびセパレータが含まれている)に、電解溶液を充填してから、例えば、キャップおよび円形絶縁ガスケットで気密密閉することができる。
一部の実施形態では、電池(例えば、円筒型電池)は、ロールの一端から軸方向に延在するカソード電流コレクタの一部と共に、アノード、カソードおよびセパレータを共にらせん状に巻くことにより調製することができる。ロールから延在している電流コレクタの部分には、カソード活物質を含めないことができる。電流コレクタを外部接点に接続するために、電流コレクタの露出端部を外部電池接点と電気的に接触している金属タブに溶接させることができる。グリッドは、機械方向、引張方向、機械方向と垂直、又は引張方向と垂直に巻くことができる。グリッドおよびタブアセンブリの導電性を最小限に抑えるために、タブをグリッドに溶接することができる。あるいは、電流コレクタの露出端部は、外部電池接点と電気的に接触しているプラスリード線と機械的に接触させる(すなわち溶接させない)ことも可能である。機械的接触部を含み、溶接接触部を含まない電池では、溶接接触部を含む電池よりも必要な部品および製造工程を少なくすることができる。特定の実施形態では、露出したグリッドをロールの中心に向かって曲げて、ロールの軸上のクラウンの最高点が円筒型電池の中心に対応する、ドーム又はクラウンを作り出すことによって、機械的接触の有効性を高めることができる。クラウンの構成では、成形されていない形態の場合よりも、グリッドが密集したストランド配置を有することができる。クラウンは、規則正しく折り畳むことができ、クラウンの寸法は精密に制御することができる。
電気化学電池を組み立てる方法については、例えば、米国特許第4,279,972号(モーゼス(Moses))、米国特許第4,401,735号(モーゼス(Moses)他)、米国特許第4,526,846号(カーニー(Kearney)他)に記載されている。
以下の実施例は、例示であり、非限定であると意図される。
(実施例1)
5つのアルカリAAセル(全て閉鎖系)を組み立て、破裂圧力に関して試験した。
各アルカリセルは、0.25ミリメートルの厚さを有する鋼のAAハウジングに内蔵させた。各ハウジング(リム近く)の正端子に1.0ミリメートルの直径のを有する穴を開け、バリを取った。2.15部のD.E.R325エポキシ樹脂(ダウプラスチックス(Dow Plastics)より)および1部のアンカミド(Ancamide)(商標)2426アミドアミンエポキシ硬化剤(エアプロダクツ(Air Products)より)の混合物を使用して、ハウジングに接着されている0.03mm(0.001インチ)厚のポリスルホンフィルムで各穴を覆った。
次に、以下の構成要素を各ハウジングに付加した:電解二酸化マンガン(EMD)、黒鉛、および水酸化カリウム電解質を含むカソードと、セロファン層および不織布層を含むセパレータと、並びにゲル化亜鉛アノードとである。各ハウジング中にこの構成要素を全て付加した後、ハウジングを圧着して閉鎖することでセルを形成した。
セルの形成後、各ハウジングに他の穴を開け、その穴を通して各ハウジングに窒素ガスを付加することで、セルの圧力試験を行った。窒素ガスを、ポリスルホンフィルムが破裂するまで、調節した速度でハウジング中に付加し、セルにおける破裂圧力を測定した。ハウジングにホース供給する窒素ガスの窒素ガス圧、並びにセルの内部圧力を測定する圧力計を使用して破裂圧力を測定した。各セルの破裂圧力を以下の表1において提供する。
5つのアルカリAAセル(全て閉鎖系)を組み立て、破裂圧力に関して試験した。
各アルカリセルは、0.25ミリメートルの厚さを有する鋼のAAハウジングに内蔵させた。各ハウジング(リム近く)の正端子に1.0ミリメートルの直径のを有する穴を開け、バリを取った。2.15部のD.E.R325エポキシ樹脂(ダウプラスチックス(Dow Plastics)より)および1部のアンカミド(Ancamide)(商標)2426アミドアミンエポキシ硬化剤(エアプロダクツ(Air Products)より)の混合物を使用して、ハウジングに接着されている0.03mm(0.001インチ)厚のポリスルホンフィルムで各穴を覆った。
次に、以下の構成要素を各ハウジングに付加した:電解二酸化マンガン(EMD)、黒鉛、および水酸化カリウム電解質を含むカソードと、セロファン層および不織布層を含むセパレータと、並びにゲル化亜鉛アノードとである。各ハウジング中にこの構成要素を全て付加した後、ハウジングを圧着して閉鎖することでセルを形成した。
セルの形成後、各ハウジングに他の穴を開け、その穴を通して各ハウジングに窒素ガスを付加することで、セルの圧力試験を行った。窒素ガスを、ポリスルホンフィルムが破裂するまで、調節した速度でハウジング中に付加し、セルにおける破裂圧力を測定した。ハウジングにホース供給する窒素ガスの窒素ガス圧、並びにセルの内部圧力を測定する圧力計を使用して破裂圧力を測定した。各セルの破裂圧力を以下の表1において提供する。
(実施例2)
アルカリAAセルの4組(各組は25個のセルを含む)を組み立て、破裂圧力に関して試験した。セルの各組は、セルハウジングにおいて特定の位置に配置される膜被覆開口を有していた。
各アルカリセルを、0.25ミリメートルの厚さを有する鋼のAAハウジングに内臓させた。セルの各組においてAAハウジングの異なる位置に、1.5ミリメートルの直径を有する穴(開口)を開け、バリ取りをした。セット#1における穴をハウジングのクリンプ付近に形成し、セット#2における穴をハウジングの側壁(カソードペレットの圧縮前に、カソードペレットがハウジングに付加される際の第1カソードペレットと第2カソードペレットとの間の位置)に形成し、セット#3における穴をリム付近の正端子上に形成し、セット#4における穴をピップ付近の正端子上に形成した。
次に、ミレニアム(Millennium)EN−239−2(商標)エポキシ接着剤(マサチューセッツ州サウスイーストン(South Easton)のレジンテクノロジーグループ(Resin Technology Group)社)を各穴に付加し、紫外線に曝露することで硬化した。3メートル/分(10フィート/分)のコンベヤーベルト速度のHバルブを備えるフュージョン(Fusion)F300(118.1W/cm(300ワット/インチ)紫外線硬化システム(メリーランド州ゲイサーズバーグ(Gaithersburg)のフュージョンシステムズUV(Fusion Systems UV, Inc)社より)にAAハウジングを通過させることで、エポキシ接着剤を紫外線に曝露した。このコンベヤーベルト速度において、118.1W/cm(300ワット/インチ)で約1秒間、エポキシ接着剤を紫外線に曝露し、その結果、ポリマー膜を形成させた。
次に、以下の構成成分を各ハウジングに付加し、構成要素を付加した後に、各ハウジングを圧着して閉鎖した:電解二酸化マンガン(EMD)、黒鉛、および水酸化カリウム電解質を含むカソードと、セロファン層および不織布層を含むセパレータと、およびゲル化亜鉛アノードとである。各セルは、同様に、その負端子アセンブリの中にナイロン製通気を備えた。
周囲条件下での組み立ておよび/又は保存中、セルのいくつかは漏洩した。漏洩率が最も低いセット#3セルを(セルの組み立て中セット#3セルの漏洩はなく、25個のセット#3セルのうち2個が周囲条件下での8日間の保存後に漏洩した)、破裂圧力に関して試験するために選択した。
まず、セルをエージングするために、6個のセット#3をマイルドな温度循環プロセスに2週間さらした。温度循環プロセス中、1サイクル/日、25℃と50℃との間でセルを循環した。次に、各ハウジングに他の穴を開け、その穴を通して各ハウジングに窒素ガスを付加することで、セルの圧力試験を行った。ポリマー膜が破裂するまで、窒素ガスを調節した速度でハウジング中に付加し、セルにおける破裂圧力を測定した。ハウジングにホース供給する窒素ガスの窒素ガス圧、並びにセルの内部圧力を測定する圧力計を使用して破裂圧力を測定した。各セルにおいて、ナイロン製通気は破裂しなかったが、ミレニアム(Millennium)EN−239−2(商標)エポキシ接着剤から形成された膜は破裂した。
この6個のセット#3セルは、8.69MPa(1260psi)、8.38MPa(1215psi)、7.07MPa(1025psi)、7.52MPa(1090psi)、6.48MPa(1230psi)、および4.76MPa(690psi)の破裂圧力を有していた。6個のセット#3セルにおける平均破裂圧力は7.48MPa(1085psi)であり、標準偏差は1.48MPa(214psi)であった。
アルカリAAセルの4組(各組は25個のセルを含む)を組み立て、破裂圧力に関して試験した。セルの各組は、セルハウジングにおいて特定の位置に配置される膜被覆開口を有していた。
各アルカリセルを、0.25ミリメートルの厚さを有する鋼のAAハウジングに内臓させた。セルの各組においてAAハウジングの異なる位置に、1.5ミリメートルの直径を有する穴(開口)を開け、バリ取りをした。セット#1における穴をハウジングのクリンプ付近に形成し、セット#2における穴をハウジングの側壁(カソードペレットの圧縮前に、カソードペレットがハウジングに付加される際の第1カソードペレットと第2カソードペレットとの間の位置)に形成し、セット#3における穴をリム付近の正端子上に形成し、セット#4における穴をピップ付近の正端子上に形成した。
次に、ミレニアム(Millennium)EN−239−2(商標)エポキシ接着剤(マサチューセッツ州サウスイーストン(South Easton)のレジンテクノロジーグループ(Resin Technology Group)社)を各穴に付加し、紫外線に曝露することで硬化した。3メートル/分(10フィート/分)のコンベヤーベルト速度のHバルブを備えるフュージョン(Fusion)F300(118.1W/cm(300ワット/インチ)紫外線硬化システム(メリーランド州ゲイサーズバーグ(Gaithersburg)のフュージョンシステムズUV(Fusion Systems UV, Inc)社より)にAAハウジングを通過させることで、エポキシ接着剤を紫外線に曝露した。このコンベヤーベルト速度において、118.1W/cm(300ワット/インチ)で約1秒間、エポキシ接着剤を紫外線に曝露し、その結果、ポリマー膜を形成させた。
次に、以下の構成成分を各ハウジングに付加し、構成要素を付加した後に、各ハウジングを圧着して閉鎖した:電解二酸化マンガン(EMD)、黒鉛、および水酸化カリウム電解質を含むカソードと、セロファン層および不織布層を含むセパレータと、およびゲル化亜鉛アノードとである。各セルは、同様に、その負端子アセンブリの中にナイロン製通気を備えた。
周囲条件下での組み立ておよび/又は保存中、セルのいくつかは漏洩した。漏洩率が最も低いセット#3セルを(セルの組み立て中セット#3セルの漏洩はなく、25個のセット#3セルのうち2個が周囲条件下での8日間の保存後に漏洩した)、破裂圧力に関して試験するために選択した。
まず、セルをエージングするために、6個のセット#3をマイルドな温度循環プロセスに2週間さらした。温度循環プロセス中、1サイクル/日、25℃と50℃との間でセルを循環した。次に、各ハウジングに他の穴を開け、その穴を通して各ハウジングに窒素ガスを付加することで、セルの圧力試験を行った。ポリマー膜が破裂するまで、窒素ガスを調節した速度でハウジング中に付加し、セルにおける破裂圧力を測定した。ハウジングにホース供給する窒素ガスの窒素ガス圧、並びにセルの内部圧力を測定する圧力計を使用して破裂圧力を測定した。各セルにおいて、ナイロン製通気は破裂しなかったが、ミレニアム(Millennium)EN−239−2(商標)エポキシ接着剤から形成された膜は破裂した。
この6個のセット#3セルは、8.69MPa(1260psi)、8.38MPa(1215psi)、7.07MPa(1025psi)、7.52MPa(1090psi)、6.48MPa(1230psi)、および4.76MPa(690psi)の破裂圧力を有していた。6個のセット#3セルにおける平均破裂圧力は7.48MPa(1085psi)であり、標準偏差は1.48MPa(214psi)であった。
他の実施形態
特定の実施形態が記載されているが、他の実施形態も可能である。
特定の実施形態が記載されているが、他の実施形態も可能である。
一例として、開口および膜を有する円筒状ハウジングを備える電池が記載されているが、ある実施形態においては、電池は、少なくとも1つの開口および/又は膜を有する非円筒状ハウジングを備えることができる。例えば、特定の実施形態において、電池は少なくとも1つの開口および/又は膜を含む角柱状ハウジングを備えることができる。
他の例として、開口および膜を有する正端子が記載されているが、特定の実施形態においては、電池ハウジングの1つ以上の他の部分は少なくとも1つの開口および/又は膜を備えることができる。一例としては、図3は、開口236を有する負端子240を備える電池ハウジング238を示す。他の例としては、図4は、ハウジング242の円筒状部分248の壁246中に位置する開口244を備える電池ハウジング242を示す。
さらなる例として、円形開口および膜が記載されているが、ある実施形態において、電池は、代替として又は付加的に少なくとも1つの非円形開口および/又は非円形膜を備えることができる。図5は、電池の正端子340を示す。正端子340は、正方形の膜344に覆われた正方形の開口342を備える。図6は、電池の正端子345を示す。正端子345は、矩形の膜348によって覆われた矩形の開口346を備える。図7は、電池の正端子350を示す。正端子350は、楕円形の膜354に覆われた楕円形の開口352を備える。
他の例としては、ある実施形態において、電池ハウジングは少なくとも1つの傾斜面の開口を備えることができる。一例として、図8は、電池ハウジング456内の傾斜面の開口450の断面図を示す。図のように、開口450はハウジング456の内側452上に直径D3を有し、ハウジング456の外側454上にそれより小さな直径D4を有する。他の例として、図9は、電池ハウジング464内の傾斜面の開口458の断面図を示す。図のように、開口458はハウジング464の内側460上に直径D5を有し、ハウジング464の外側462上にそれより大きな直径D6を有する。
ある実施形態において、直径D4および/又は直径D5は、最大限で約12.7mm(0.5インチ)(例えば、最大限で約10.2mm(0.4インチ)、最大限で約7.62mm(0.3インチ)、最大限で約5.08mm(0.2インチ)、最大限で約2.54mm(0.1インチ)、最大限で1.27mm(0.05インチ)、最大限で0.25mm(0.01インチ)、最大限で0.13mm(0.005インチ))、および/又は少なくとも0.03mm(0.001インチ)(例えば、少なくとも0.13mm(0.005インチ)、少なくとも0.25mm(0.01インチ)、少なくとも1.27mm(0.05インチ)、少なくとも約2.5mm(0.1インチ)、少なくとも約5.08mm(0.2インチ)、少なくとも約7.62mm(0.3インチ)、少なくとも約10.2mm(0.4インチ)であることができる。特定の実施形態において、直径D3および/又は直径D6は、最大限で約19.1mm(0.75インチ)(例えば、最大限で約12.7mm(0.5インチ)、最大限で約6.35mm(0.25インチ)、最大限で約2.54mm(0.1インチ)、最大限で1.27mm(0.05インチ)、最大限で0.25mm(0.01インチ)、最大限で0.13mm(0.005インチ)))、および/又は少なくとも0.03mm(0.001インチ)(例えば、少なくとも0.13mm(0.005インチ)、少なくとも0.25mm(0.01インチ)、少なくとも1.27mm(0.05インチ)、少なくとも約2.54mm(0.1インチ)、少なくとも約6.35mm(0.25インチ)、少なくとも約12.7mm(0.5インチ))であることができる。
ある実施形態において、傾斜開口は少なくとも部分的に(例えば、全体的に)膜によってふさがれるか、又は覆われることができる。一例として、図10は、傾斜開口550、および開口550をふさぐ膜566を備える電池ハウジング500を示す。シール形態の膜566は、開口550を画定するハウジング500の区画に固着される。他の例として、図11は、傾斜開口558および開口558をふさぎ、開口558を画定するハウジング570の区画に固着された膜568を備えるハウジング570を示す。図のように、膜568はシール形態である。特定の実施形態において、傾斜開口は、開口をふさぐ膜と開口を画定するハウジングとの間の接触において、比較的大きな表面積を提供することができる。この接触における比較的大きな表面積によって、膜とハウジングとの間が比較的強固に固着することが可能となる。
さらなる例として、ある実施形態において、膜は比較的大きいことが可能である。例えば、図12Aは直径D7を有するディスク形状の膜600を示す。図12Bは、内径ID1を有し、開口を含む電池ハウジング602に膜600を付加した際の膜600を示す。ある実施形態において、膜600はハウジング602内にぴったりと嵌合し得る(例えば、直径D7は内径ID1とほとんど等しくてよい)。図12Bに示すように、膜600は開口604を覆っている。特定の実施形態において、ハウジング602に対する膜600の寸法によって、膜600が開口604上の位置から比較的離れにくくさせることができる。ある実施形態において、膜600のような膜を、比較的容易に電池ハウジング(例えばハウジング602)内に配列させることができる。特定の実施形態において、他の電池構成要素(例えば、カソード)をハウジング602に付加する際、それらは膜600を押し付け、それによって膜600を所定の位置に保持するのに役立つことが可能である。ある実施形態において、膜600を加熱硬化性および/又は紫外線硬化性バインダを使用してハウジング602に接着することができる。膜600はディスク形状であるが、膜は任意の多くの異なる形状を有することができる。例えば、図13は、ワッシャ又はドーナツに似た形状であり、電池ハウジングの1つ以上の開口を覆うのに使用される膜650を示す。
他の例として、電池ハウジング中に膜を形成する特定の方法が記載されているが、ある実施形態において、1つ以上の方法を使用することができる。他の方法(例えば、ポリマーから膜を形成する方法)の例としては、パッド印刷法、ローリング法、ドロップキャスティング法、スプレー法、ブラッシング法、および鋳込法が挙げられる。例えば、特定の実施形態において、パッド印刷法には、液体ポリマー(例えば比較的粘稠な液体ポリマー)の薄層のプレートへの塗布、プレートからポリマーを取るための軟ゴムパッドの使用、および、開口上にポリマーを被覆するための開口を備える領域上へのパッドの加圧が含まれる。ある実施形態において、パッド印刷法は比較的均一な厚さを有する膜の形成をもたらすことができる。
さらなる例として、1つの膜を含む電池ハウジングが記載されているが、ある実施形態において、電池ハウジングは複数の異なる膜を含むことができる。異なるポリマー組成物から形成することができる異なる膜は、異なる形状を有し、および/又は異なる寸法(例えば、直径)を有することができる。特定の実施形態において、膜は、電池ハウジングの異なる位置にあることができる。ある実施形態において、膜の形成中、膜を異なる時間および/又は異なる方法を使用して硬化することができる(例えば、紫外線(UV)、可視光線、熱、および/又は電子ビーム照射への曝露)。
さらなる例として、ある実施形態において、電池ハウジングは、内部に金属壁および外部に熱収縮性プラスチックのような非導電性材料を備えることができる。特定の実施形態において、電池は導電性材料の層も備える(電池の内壁と電池のカソードとの間に配置される)ことが可能である。この層は、内壁の内面に沿って、カソードの周囲に沿って、又は、その両方に配置してもよい。この導電性層は、例えば、炭素質材(例えば、黒鉛)から形成させることができる。かかる材料の例としては、例えばLB1000(ティムカル(Timcal))、エクココート257(Eccocoat 257)(W.R.グレース社(W.R. Grace & Co.))、エレクトロダグ109(Electrodag 109)(アチソン・コロイド社(Acheson Colloids Co.))、エレクトロダグ112(Electrodag 112)(アチソン(Acheson))、バニーハイト5000(Varniphite 5000)(日本黒鉛社)、EB0005(アチソン(Acheson))が挙げられる。導電性層を適用する方法は、例えば、カナダ特許第1,263,697号に開示されている。
さらなる例として、ある実施形態では、カソードは、CO2吸収剤を備えることができる。二酸化炭素吸収剤類は、例えば、2005年4月1日に出願された、「電池カソード(Battery Cathodes)」という名称の米国特許出願第11/096,514号(ボーデン(Bowden)他)に記載されている。
特許出願、特許公報、および特許など、本明細書で言及してきた全ての参考文献は、それらの全体を参照として組み込む。
他の実施形態は、請求項内に記載されている。
Claims (11)
- 最大限で0.0333m2(5.16×10平方インチ)、かつ少なくとも0.013mm2(0.00002平方インチ)の第1の面積を有する開口を備えるハウジングと、
前記ハウジング中のアノードと、
前記ハウジング中のカソードと、
前記開口を覆い、少なくとも1つのポリマーを含み、かつ第2の面積を有する膜と
を含む電池であって、
前記第2の面積は、最大限で前記第1の面積の105パーセントである、電池。 - 前記膜は、最大限で0.76mm(0.03インチ)、かつ少なくとも0.0013mm(0.00005インチ)の厚さを有し、水素ガスに対して透過性がある、請求項1に記載の電池。
- 前記電池は、内部圧力を有し、前記膜は、前記内部圧力が少なくとも0.17MPa(25psi)である際に破裂するように適合させる、請求項1または2に記載の電池。
- 開口を備えるハウジングと、
前記ハウジング中のアノードと、
前記ハウジング中のカソードと、
紫外線硬化性ポリマー、熱硬化性ポリマー、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるポリマーを含む膜と
を含む電池であって、
前記膜は前記開口を覆う、電池。 - 前記ハウジングは、前記開口を備える負端子を含む、請求項4に記載の電池。
- 前記ハウジングは、前記開口を備える正端子を含む、請求項4に記載の電池。
- 開口を備えるハウジングと、
前記ハウジング中のアノードと、
前記ハウジング中のカソードと、
前記開口を覆う膜を含む通気アセンブリと
を含む電池であって、
前記通気アセンブリはディスクを備えていない、電池。 - 前記ハウジングの開口にポリマーを付与することと、
前記ポリマーを硬化させて、前記開口を覆う膜を形成することと、
前記ハウジング内にアノードを配置することと、
前記ハウジング内にカソードを配置することと
を含む、ハウジングを備える電池を作製する方法。 - 前記ポリマーは、紫外線硬化性ポリマーを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記ポリマーは、熱硬化性ポリマーを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記熱硬化性ポリマーは、オキセタン、エポキシ、およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるポリマーを含む、請求項10に記載の方法。
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