JP2010507211A - 電気化学電池用のエンドキャップ封止体 - Google Patents

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Abstract

アルカリ電池などの電気化学電池のためのエンドキャップ封止組立体（１４）が開示される。エンドキャップ組立体（１４）は、金属支持ディスク（４０）と、その下にある絶縁封止ディスク（２０）と、金属支持ディスク（４０）の上にある金属エンドキャップ（６０）とを備える。エンドキャップ（６０）及び金属支持ディスク（４０）の縁部は、絶縁封止ディスク（２０）の圧着された縁部によって捕捉される。支持ディスク（４０）は下方延在壁部を有し、その下方延在壁部は、それを貫通する少なくとも１つの開口部（４８）を備える。絶縁ディスク（２０）は、好ましくはポリエーテルウレタン材料で構成され、支持ディスク（４０）の下方延在壁部の内側表面の下にありかつその内側表面と接触する破裂可能な膜（２３）を形成する、傾斜した下方延在壁部を有してもよい。破裂可能な膜（２３）の一部分は、支持ディスク（４０）の下方延在壁部内の開口部（４８）の下にありかつその開口部（４８）と接触する。破裂可能な膜（２３）は、前記開口部（４８）を突き抜け、電池内のガス圧力が所定のレベルを超えると破裂する。

Description

本発明は、電気化学電池、特にアルカリ電池を封止するためのエンドキャップ組立体に関する。本発明は、電池の内部から外界にガスを流出させる、エンドキャップ組立体内の破裂可能な装置に関する。本発明は、ポリエーテルウレタン材料からなる破裂可能な装置に関する。
アルカリ電池などの従来の電気化学電池は、開放端部とエンドキャップ組立体とを有する円筒形のハウジングで形成されており、エンドキャップ組立体は、ハウジングを封止するためにその開放端部に挿入される。従来のアルカリ電池は、典型的には、亜鉛を含むアノードと、二酸化マンガンを含むカソードと、水酸化カリウム水溶液を含むアルカリ電解質と、を含んでいる。電池の内容物が供給された後、電池は、エンドキャップ組立体の上にハウジング縁部を圧着することによって閉じられ、電池に密封がもたらされる。エンドキャップ組立体は、電池端子として機能する露出したエンドキャップと、電池ハウジングの開放端部を封止する、典型的にはプラスチックの絶縁プラグとを備える。様々な電気化学電池、特にアルカリ電池の設計に伴う問題は、ある程度、つまり通常は、電池の有効容量が完全に消耗するに近い程度を超えて電池が放電し続ける時、電池がガスを発生する傾向があるということである。
電気化学電池、特にアルカリ電池は、破裂可能な隔膜又は破裂可能な膜をエンドキャップ組立体内に有する破裂可能なガス抜き機構を備えることが可能である。破裂可能な隔膜又は膜は、例えば米国特許第３，６１７，３８６号に記載されているように、プラスチック絶縁部材内に形成されていてもよい。そのような隔膜は、電池内のガス圧力が所定のレベルを超えると破裂するように設計される。エンドキャップ組立体は、隔膜又は膜が破裂した時にガスが流出するためのガス抜き孔を備えていてもよい。米国特許第３，６１７，３８６号において開示されているエンドキャップ組立体は、溝付きの破裂可能な封止隔膜、及び、エンドキャップと封止隔膜との間の別個の金属接触ディスクを開示している。参考文献において開示されているエンドキャップ組立体は、半径方向の圧縮力に耐えるようには設計されておらず、また、電池が温暖な気候及び寒冷な気候における極限にさらされた時に、漏電する傾向にある。
密封をもたらす目的で、最新の先行技術では、エンドキャッププレートと絶縁部材との間に挿入された金属支持ディスクを有するエンドキャップ組立体が開示されている。この別個の金属支持ディスクは、電池ハウジングの縁部がエンドキャップ組立体の上に圧着されると、半径方向に圧縮されることが可能になる。絶縁プラグは、典型的には、電池の中央から電池ハウジングに向かって延び、金属支持ディスクを電池ハウジングから電気的に絶縁するプラスチック絶縁ディスクの形態にある。金属支持ディスクは、米国特許第５，７５９，７１３号又は第５，０８０，９８５号に示されているような、高度な回旋状の表面を有していてもよく、これによって、エンドキャップ組立体は、電池のハウジング縁部がエンドキャップ組立体の周りに圧着される間の高度な半径方向の圧縮力に耐えることができる。この結果、エンドキャップ組立体の周りが常に機械的に密封されることになる。
先行技術では、エンドキャップ組立体内に含められた絶縁ディスク内の薄肉の領域として一体に形成された、破裂可能なガス抜き膜が開示されている。そのようなガス抜き膜は、通常、例えば米国特許第５，５８９，２９３号に示されているように、電池の縦軸線に垂直な平面に位置するように配向される。米国特許第４，２２７，７０１号において、破裂可能な膜は、電池の縦軸線に対して傾斜した絶縁ディスクのアーム内に配置された環状の「スリット又は溝」で形成されている。絶縁ディスクは、その絶縁ディスクを貫通する細長い集電体に摺動可能に装着される。電池内のガス圧力が高まると、絶縁ディスクの中央部分が、電池のエンドキャップに向かって上向きに摺動し、それによって、薄肉の膜は「溝」を刻み、ついには破裂する。米国特許第６，１２７，０６２号及び第６，８８７，６１４ Ｂ２には、絶縁封止ディスク、及び、その内部に一体に形成された、傾斜した破裂可能な膜が開示されている。封止ディスク内の破裂可能な膜の部分は、その上にある金属支持ディスク内の開口部と接触する。電池内のガス圧力が上昇すると、膜は、金属支持ディスク内の開口部を貫通して破裂し、それによって、外部環境に進むガスの圧力を解放する。
米国特許第６，８８７，６１４号において、破裂可能な膜は、その上にある金属支持ディスク内の孔と接触している。米国特許第６，８８７，６１４号において、膜の下側にアンダーカット溝がある。その溝は、電池の縦軸線を包囲している。その溝は、薄肉の膜の部分を底部に形成しており、この膜の部分は、電池の内部ガス圧力が所定のレベルに達すると、上にある金属支持ディスク内の孔を貫通して破裂する。米国特許第６，８８７，６１４号に示されている設計においては、露出したエンドキャップを電池ハウジングから分離する絶縁ワッシャがある。そのような設計は、更なる構成要素、つまり、エンドキャップ組立体に挿入される必要のある絶縁ワッシャが必要となるという欠点を有している。エンドキャップの縁部は、電池ハウジングの肩部の上に位置し、ワッシャによってハウジングから分離される。これによって、エンドキャップの不正開封が可能となり、つまり、エンドキャップが電池から容易に取り出され、より容易に電池の内容物に触れられる可能性がある。
破裂可能な膜は、米国特許第４，５３７，８４１号、米国特許第５，５８９，２９３号、及び米国特許第６，０４２，９６７号に示されているように、絶縁封止ディスク内の薄肉材料の１つ以上の「島」の形態をなすことができる。或いは、破裂可能な膜は、米国特許第５，０８０，９８５号及び米国特許第６，９９１，８７２号に示されているように、電池の縦軸線を包囲する薄肉の部分の形態をなすことができる。破裂可能な膜を形成する、その包囲する薄肉の部分は、米国特許第４，２３７，２０３号及び米国特許第６，９９１，８７２号に示されているように、絶縁ディスク内のスリット又は溝の形態をなすことができる。また、破裂可能な膜は、米国特許出願公報ＵＳ ２００２／０１２７４７０ Ａ１に示されているように、金属支持ディスクと絶縁ディスクとの間に挟まれ、それら内部の開口部に面する別個の高分子フィルムであってもよい。米国特許第３，３１４，８２４号に示されているように、先細の又は他の突出する部材が、膜の破裂を支援するために、破裂可能な膜の上に向けられ得る。電池内のガス圧力が過剰になると、膜は、先細の部材との接触の際に膨張し破裂し、それによって、電池内のガスは、上にある端子エンドキャップ内の開口部を通じて外界に流出できる。
米国特許第５，０８０，９８５号及び第５，７５９，７１３号に示されているような回旋状の表面を典型的には備える別個の金属支持ディスクが、エンドキャップ組立体内に含められてきた。金属支持ディスクは、可塑性絶縁封止体を支持し、また、ハウジングの縁部をエンドキャップ組立体の周りに圧着する間にエンドキャップ組立体に加えられ得る、半径方向の高い圧縮力に耐える。電池内のガス圧力が、高レベル、例えば６８９．４×１０４Ｐａ（１０００ｐｓｉｇ）を超える高レベルになった場合でも、半径方向の高い圧縮力により、エンドキャップ組立体及び電池ハウジングの周囲縁部に沿った封止が維持され得るようになる。
米国特許第４，５３７，８４１号において、円柱状のアルカリ電池の開放端部を閉じるためのプラスチック絶縁封止プラグ又はディスクが示されている。その絶縁封止体の上に、金属支持ディスクがある。プラスチック絶縁封止体は、中央ハブを有しており、ハブから電池のケーシング壁へと半径方向に延びるラジアルアームと一体に形成されている。「島」タイプの破裂可能な膜が、絶縁封止体のその半径方向に延びるアーム内で一体に形成されている。「島」型の破裂可能な膜は、絶縁封止体の半径方向に延びるアームの一部分を型押しするか又は圧縮することで、小さな円形の薄肉の島部分を形成することによって形成され、この島部分は、電池内のガス圧力が所定のレベルに達すると破裂するように設計される。この参考文献において示されている島型の破裂可能な膜は、絶縁封止体の半径方向に延びるアームと同じ高さにあり、つまり、電池の中心縦軸線に垂直な平面に置かれている。薄肉の破裂可能な膜の上表面（電池の開放端部に面する）は、半径方向に延びる絶縁アームの上表面とほぼ同じ高さにある。この設計は、効果的ではあるが、破裂可能な膜と金属支持ディスクとの間に得られる空間を、小さなものに制限する。電池が、火炎にさらされるなど、意図的に過酷な条件にさらされると、結果として、電池内部の温度及びガス発生が非常に急速に高まることがある。そのような極限状況下では、膜が軟化するため、膜が破裂せずに「膨らむ」ことがあり、膜と金属支持ディスクとの間の空間が小さなものとなる可能性がある。
ガス発生抑制剤の改善、特に複数のガス発生抑制剤の使用を鑑みて、現在のアルカリ電池は、過去よりも幾分か低い圧力でガス抜きするように設計されることがある。つまり、アルカリ電池内のガス抜き機構に対する設計上の作動圧力を低下させる傾向がある。設計上のガス抜き作動圧力の低下により、設計に難題が課せられる。「島」タイプの破裂可能な膜が、ガス抜き機構を始動させるために使用される場合、射出成形などの従来の成形技法を使用して、そのような膜をいかに薄く成形し得るかに関して、実際的な限界が存在する。また、電池のサイズに応じて、そのような膜に利用可能な表面積に制限がある。また、ナイロン６６などの従来の材料が、プラスチック絶縁封止プラグに用いられる場合、そのような材料から薄肉の破裂可能な膜の部分を、低い圧力閾値での破裂を達成するのに必要な非常に薄い厚さに成形するのがより困難となる。そのような材料の極限引張強さが高いため、薄い膜厚が必要となる。
米国特許第３，６１７，３８６号 米国特許第５，７５９，７１３号 米国特許第５，０８０，９８５号 米国特許第５，５８９，２９３号 米国特許第４，２２７，７０１号 米国特許第６，１２７，０６２号 米国特許第６，８８７，６１４ Ｂ２ 米国特許第６，８８７，６１４号 米国特許第４，５３７，８４１号 米国特許第６，０４２，９６７号 米国特許第６，９９１，８７２号 米国特許第４，２３７，２０３号 米国特許出願公報ＵＳ ２００２／０１２７４７０ Ａ１ 米国特許第３，３１４，８２４号
したがって、電池が温暖な気候と寒冷な気候の双方における極限にさらされ得る場合にも、電池を密封し、漏れに抵抗するエンドキャップ組立体を有することが望ましい。
電池が過酷な条件にさらされた時にも、適切に作動し機能する、信頼性のある破裂可能なガス抜き機構を、エンドキャップ組立体内に有することが望ましい。
エンドキャップ組立体は、不正開封防止をなし得る、つまり、容易にエンドキャップ組立体から取り出される可能性がないことが望ましい。
破裂可能なガス抜き機構が容易に製造されかつ信頼性を有し、その結果、特定の予め定められた圧力レベルでガス抜きが生じることが望ましい。
本発明は、電池用の円筒形ハウジング（ケーシング）の開放端部に挿入されたエンドキャップ組立体を備える電気化学電池、例えばアルカリ電池に関する。一態様において、金属支持ディスクを上にして電池を垂直な位置から見ると、エンドキャップ組立体は、金属支持ディスクと、その金属支持ディスクの下にある絶縁封止プラグ（絶縁封止ディスク）とを備えている。また、エンドキャップ組立体は、金属支持ディスクの上に配置された端子エンドキャップを備えている。
金属支持ディスクは、好ましくは、回旋状の表面とその表面を貫通する少なくとも１つのガス抜き開口部とを有する、単一の金属構造のディスクで形成されている。エンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から電池を見ると、絶縁封止ディスクは回旋状の表面を有しており、その表面の一部分は、金属支持ディスク内のガス抜き開口部の下にある。前記開口部の下にある前記絶縁封止ディスクの部分は、好ましくは電池内部に面するその内側表面上に溝を有している。その溝は、開放端部とその反対側の閉鎖底部とを有しており、溝の底部は、薄肉の破裂可能な膜を形成している。破裂可能な膜は、金属支持ディスク内の開口部と接触している。電池内のガス圧力が上昇すると、前記破裂可能な膜は、前記開口部を突き抜けて破裂し、それによって前記開口部を通じて直接周囲環境にガスを放出する。
絶縁封止ディスクは、下方延在壁部を有するプラスチック材料を含んでおり、その下方延在壁部は、電池の中心縦軸線から９０度未満の角度で傾斜し、前記縦軸線とは平行でない。エンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から電池を見ると、前記絶縁ディスクの下方延在壁部は、絶縁ディスクの表面上の高点から、電池内部により近い、絶縁ディスクの表面上の低点に向かって下方に延びている。金属支持ディスクもまた、電池の中心縦軸線から９０度未満の角度で傾斜した下方延在壁部を有している。エンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から電池を見ると、金属支持ディスクの下方延在壁部は、その表面上の高点から下方に延びている。破裂可能な膜が接触する金属支持部材の前記下方延在壁部内に、少なくとも１つの開口部がある。好ましくは、絶縁封止ディスクの下方延在壁部は、電池の中心縦軸線から約３５度と８０度との間の角度で傾斜し得る。上にある金属支持ディスクの下方延在壁部は、絶縁封止ディスクの下方延在壁部と望ましくは同じ角度、好ましくは電池の中心縦軸線から約３５度と８０度の間の角度で傾斜している。これによって、絶縁封止ディスクの下方延在壁部の破裂可能な膜の部分は、金属支持ディスクの下方延在壁部内の開口部に接触し、その開口部と面一にある。絶縁封止ディスクの下方延在壁部は、前記金属支持ディスクの、上にある下方延在壁部に対して面一に又はほぼ面一にある。
破裂可能な膜の部分を形成する絶縁封止ディスクの下方延在壁部の内側表面上の溝は、好ましくは、絶縁ディスクの中心を包囲するように作られている。そのような包囲する破裂可能な膜の、少なくとも金属支持ディスク内の前記開口部に接触する部分は、電池の圧力が所定のレベルに上昇すると破裂する。破裂可能な膜は、ナイロン製であってもポリプロピレン製であってもよい。しかしながら、絶縁封止ディスクに好ましい別の材料は、ポリエーテルウレタン材料、特にポリテトラメチレンエーテルウレタン材料であると判断された。そのようなポリエーテルウレタンは、エラストマー特性を有する熱可塑性材料である。ポリエーテルウレタンは、耐アルカリ性がありかつ高度な耐久性がある。本発明のエンドキャップ組立体では、金属支持ディスクの下方傾斜アームの向きが傾いているため、ガス抜き開口部をより大きくすることができる。破裂可能な膜内のアンダーカット溝により、破裂位置、つまり溝の底部において、膜がより薄肉となる。次いで、これによって、設計上の破裂圧力を減じ、それに伴って電池ハウジングの壁の厚さを薄く、例えば約０．１０ｍｍ（４ミル）と０．３０ｍｍ（１２ミル）との間にすることができ、それによって、アノード及びカソードの活物質に利用可能な電池内容積が増加する。例えば、本発明のエンドキャップ組立体により、電池のハウジングの壁厚を、ＡＡ及びＡＡＡサイズの電池に対しては０．１０ｍｍ（４ミル）と０．２０ｍｍ（８ミル）との間に、Ｃ及びＤサイズの電池に対しては約０．２５ｍｍ（１０ミル）と０．３０ｍｍ（１２ミル）との間にすることができる。
アルカリ電池用の絶縁封止ディスクは、アルカリ性環境において耐久性がありかつ耐食性があるナイロン又はポリプロピレンなどの射出成形塑性材料であってもよい。しかしながら、ポリエーテルウレタン材料で絶縁封止ディスクを形成することが有利であると判断された。ダウ・ケミカル社（Dow Chemical Co.）からＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３シリーズとして入手可能なポリエーテルウレタン材料は、アルカリ電池の封止ディスクに好ましいポリエーテルウレタン材料のシリーズであるべきである。ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３シリーズは、テトラメチレンエーテルの反復セグメントを備えるポリエーテルウレタンであり、したがってポリテトラメチレンエーテルウレタン材料である。そのようなポリエーテルウレタンは、ポリテトラメチレングリコールとジイソシアネートとの反応生成物として形成され得ることで、ポリテトラメチレンエーテルウレタン材料を形成する。材料の軟度又は硬度は、グリコール反応物中のポリテトラメチレンエーテルの反復単位の数によって制御されてもよい。絶縁封止ディスクに好ましいポリエーテルウレタンは、ダウ・ケミカル社（Dow Chemical Company）からＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥの商標標記で入手可能である。ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥポリエーテルウレタンは、ポリテトラメチレンエーテルウレタン材料であり、３４．５ＭＰａ（５０００ｐｓｉ）の極限引張強さ及び６００％の極限伸び率を有する。ポリエーテルウレタン類の材料は、ナイロンと同様に、アルカリに対して耐化学性がある。しかしながら、ポリエーテルウレタンは、ゴム状弾性を有する熱可塑性材料（ゴム弾性熱可塑性樹脂）であり、一方で、ナイロンは、本質的にはゴム状弾性を有さない熱可塑性樹脂である。したがって、ポリエーテルウレタン材料はゴム様であり、ナイロンよりも柔軟である。
ポリエーテルウレタン材料の極限引張強さＳは、ナイロン６６の極限引張強さよりも低い。つまり、所与の低圧、例えばＡＡサイズのアルカリ電池に対して約３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉｇ）と６．８９ＭＰａ（１０００ｐｓｉｇ）との間で破裂するように設計されたポリエーテルウレタンの膜は、目標破裂圧力を達成するために、ナイロンと同程度の薄い膜厚を必要としない。このことは１つの利点であるが、それは、例えば約０．１０ｍｍ以下のレベルの、低レベルの膜の厚さでは、膜を成形することがより困難となるからである。また、絶縁封止ディスク用のポリエーテルウレタン材料の極限引張強さＳがより低くなることは、破裂可能な膜の所与の目標破裂圧力、及び膜の所与の厚さに対し、金属支持ディスク内の接触するガス抜き開口部の寸法が、より小さくされ得ることを意味する。これによって、金属支持ディスクの構造的一体性を大きく損なうことなく、第２のガス抜き開口部を金属支持ディスクの構造内に含めることが可能となる。金属支持ディスク内の第２のガス抜き開口部が存在することで、金属支持ディスク内の第１のガス抜き開口部が詰まった場合にも、電池内部から適切にガス抜きされることが更に確実となる。また、ポリエーテルウレタン材料は、高温多湿状態にさらされた時、ナイロン６６と比べて吸収する水分がより少ない。これもまた、絶縁封止プラグ（絶縁封止ディスク２０）が、ナイロン６６ではなくポリエーテルウレタン材料で形成されている場合、外部環境から電池内部に水が侵入する可能性がより低いことを意味する。
絶縁封止ディスクの周囲縁部は、ハウジングの内側表面の一部分と接触する。ポリエーテルウレタン材料の構造を絶縁封止ディスクに用いることのもう一つの重要な利点は、ハウジング（ケーシング）の縁部が、絶縁封止ディスクの上に圧着された後、絶縁封止ディスクの周囲縁部が、それが接触するハウジング表面に緊密に適合した状態に保たれることである。これは、ポリエーテルウレタン材料の柔軟性又はゴム状弾性及び軟質性の結果である。絶縁封止ディスクの縁部とハウジングの縁部との間の、そのような均一な表面間の適合性は、時間が経過しても持続する。これによって、絶縁封止ディスクとハウジング表面との間の、漏れのない表面間封止を確実にする目的で、別個の封止塗膜（例えば、アスファルト又はポリアミドの封止塗膜）を封止ディスクの周囲縁部とハウジングの内側表面との間に施す必要がなくなる。当然ながら、このことは、絶縁封止ディスクの周囲縁部とハウジングとの間の封止保護のレベルを高めるために、そのような封止塗膜を加えることを除外するものではない。例えば、一部のポリエーテルウレタンは、好ましいＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥよりも硬質に作られてもよく、そのような別個の封止塗膜を絶縁封止ディスクとハウジングとの間に施すことは、そのようなより硬質なポリエーテルウレタン材料の使用と相まって、より有益となることがある。ポリエーテルウレタン材料は、その内部の薄肉の部分又は破裂可能な膜の部分の構成にかかわらず、アルカリ電池用の絶縁封止プラグ又は絶縁封止ディスクを成形するのに有利に使用され得る。
金属支持ディスクは、好ましくは、中央に配置された開口部を有する実質的に平坦な中央部分を有している。好ましくは、直径方向に対向する一対の同じ寸法の開口部が、金属支持ディスクの下方延在壁部に配置される。電池の活性成分が挿入された後、エンドキャップ組立体が、電池のハウジングの開放端部に挿入される。金属支持ディスクの周囲縁部とその上にあるエンドキャップの周囲縁部は、絶縁封止ディスクの周囲縁部内にある。次いで、ハウジングのその開放端部における縁部が、絶縁封止ディスクの周囲縁部の上に圧着される。次に、絶縁封止ディスクの縁部が、金属支持ディスクの周囲縁部と上にあるエンドキャップの周囲縁部との双方の上に同時に圧着され、エンドキャップと金属支持ディスクが、絶縁封止ディスクの上の定位置に安定に固定される。したがって、絶縁封止ディスク、金属支持ディスク、及びその上にあるエンドキャップは、ハウジングの開放端部内で固定され、それによって電池ハウジングが閉鎖される。驚くべきことに、絶縁封止ディスクの周囲縁部が、金属支持ディスクの縁部とエンドキャップの縁部の双方の上に緊密に圧着され、双方の縁部をその内部に保持するようにするために、十分な圧着力が圧着の間に加えられなければならないが、絶縁ディスクの下方延在壁部は、上にある金属支持ディスクの下方延在壁部と面一に又はほぼ面一にある状態に維持される。つまり、絶縁封止ディスクの下方延在壁部が、その上にある金属支持ディスクの下方延在壁部に対して面一に又はほぼ面一にあるのを、圧着力が妨害することがない。
本発明のエンドキャップ組立体は、細長いアノード集電体を有し、そのアノード集電体は、エンドキャップの下側表面に直接溶接されることができるように金属支持ディスク内の中央開口部を突き抜ける頭部を有している。アノード集電体の頭部は、好ましくは、直接エンドキャップの下側に電気抵抗溶接によって溶接される。エンドキャップ組立体の構成要素の溶接は、その他には不要である。電池組立体のいかなる箇所にもレーザー溶接が用いられる必要はなく、したがって、電池の組み立てプロセスがより効率的となる。
金属支持ディスク内の開口部に接触する破裂可能な膜の向き、及び、破裂可能な膜の部分を形成するための、絶縁封止体内の好ましいアンダーカット溝の使用に関して、本発明のエンドキャップ組立体と、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，８８７，６１４号 Ｂ２（デュプレイ（Duprey））に示されている設計のエンドキャップ組立体には、いくつかの共通する特徴がある。しかしながら、本発明のエンドキャップ組立体は、デュプレイ（Duprey）の特許に優る改善を表している。本発明のエンドキャップ組立体において、デュプレイ（Duprey）の特許の図３に示されているような、またその特許の９列、３６〜５１行に記載されているような、エンドキャップと電池のハウジングの肩部との間における絶縁ワッシャの使用は排除されている。これによって、改善されたエンドキャップ組立体は、より少数の構成要素を有している。代わりに、本発明においては、絶縁封止ディスクの周囲縁部は、エンドキャップの縁部とその下にある金属支持ディスクの縁部の上に圧着され、金属支持ディスクとエンドキャップの双方を電池ハウジング内の定位置に緊密に固定した状態に維持する。これによって、エンドキャップは不正開封防止がなされ、つまり、エンドキャップの縁部が絶縁ワッシャによってハウジングから分離されるため、エンドキャップは、その縁部を電池から取り出すことによって容易に取り外されることがなくなる。また、本発明のエンドキャップ組立体は、デュプレイ（Duprey）の特許における図３のように、まずアノード集電体を金属支持ディスクの下側に溶接し、次いでその金属支持ディスクをエンドキャップに溶接する必要のないものとなっている。本発明のエンドキャップ組立体において、アノード集電体の頭部は、直接エンドキャップに溶接される。金属支持ディスクと他のいかなる構成要素との間にも溶接は不要であり、したがって、電池の組み立てが単純化される。
本発明は、図面を参照すれば更に理解されよう。
本発明のエンドキャップ組立体の絵画的な破断図。 電池の底面部分の立断面図。 本発明のエンドキャップ組立体の構成要素を示す分解図。 絶縁封止ディスクの上面斜視図。 金属支持ディスクの上面斜視図。 エンドキャップの上面斜視図。
本発明のエンドキャップ組立体１４の好ましい構造が、図１に示されている。本発明のエンドキャップ組立体１４は、開放端部１５とその反対側の閉鎖端部とを有する円筒形ハウジング７０を備える電気化学電池に特に応用性を有しており、ここで、エンドキャップ組立体１４は前記開放端部１５に挿入されて、電池を封止する。エンドキャップ組立体１４は、標準的なＡＡＡ（４４×９ｍｍ）、ＡＡ（４９×１２ｍｍ）、Ｃ（４９×２５ｍｍ）、及びＤ（５８×３２ｍｍ）サイズの円筒形アルカリ電池に特に応用可能である。エンドキャップ組立体１４は、ＡＡＡ及びＡＡサイズの電池など、より小さなサイズのアルカリ電池に特に有用であるが、Ｃ及びＤサイズの電池においても同様に、有利に使用されてもよい。電池１０（図１及び１Ａ）などのアルカリ電池は、望ましくは、亜鉛粒子を含んだアノード１４０と、ＭｎＯ２を含んだカソード１２０とを有し、それらの間に、電解質浸透性のあるセパレータ１３０を備えている。アノード１４０及びカソード１２０は、典型的には、水酸化カリウム水溶液電解質を含んでいる。アノード１４０は、亜鉛粒子を含んでいてもよく、カソード１２０は、オキシ水酸化ニッケルを含んでいてもよく、また、アノード及びカソードは、水酸化カリウム水溶液電解質が含まれていてもよい。
本発明のエンドキャップ組立体１４は、金属支持ディスク４０と、その下にある絶縁封止ディスク２０と、封止ディスク２０の中央開口部２４を突き抜けてアノード１４０と接触する集電体８０とを備えている。金属製の別個の端子エンドキャップ６０が、図１及び図２に示すように、金属支持ディスク４０の上に積み重ねられている。カソード１２０、セパレータ１３０、及びアノード１４０がハウジング７０の内部に挿入された後、エンドキャップ組立体１４がハウジングの開放端部１５の内部に挿入される。ハウジング７０の周囲縁部７２が、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の上に圧着される。次いで、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８が、エンドキャップ６０の周囲縁部６６と金属支持ディスク４０の縁部４９との双方の上に圧着される。圧着プロセスにおいて、半径方向の力が加えられて、端部キャップ６０の縁部６６が絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８に食い込むようになることが可能である。また、金属支持ディスク４０の縁部４９が、絶縁封止ディスク２０の縁部２８に食い込むことが可能である。
金属支持ディスク４０（図１及び４）は、好ましくは、中央に配置された開口部４１をその内部に備える、実質的に平坦な中央部分４３を有している。金属支持ディスク４０は、好ましくは、回旋状の表面を有する単一の金属構造のディスクで形成されている。金属支持ディスク４０の一部分は、下方傾斜壁部４５を有しており、その下方傾斜壁部４５を貫通する少なくとも１つのガス抜き開口部４８がある。金属支持体４０は、ニッケルメッキ付きの冷間圧延鋼、ステンレス鋼、又は低炭素鋼など、良好な機械的強度及び耐食性を有する導電性金属で構成されている。金属支持ディスク４０は、好ましくは、約０．５０ｍｍの厚さの回旋状の表面を有する炭素鋼でできている。好ましくは、図４に最良に示されるように、直径方向に対向する同じ寸法の一対のガス抜き開口部４８が、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５に配置されている。エンドキャップ組立体１４を上にして垂直な位置から電池を見ると、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、前記支持ディスク４０の壁部４５上の高点４５ａから前記壁部４５上の低点４５ｂへと、電池内部に向かって下方に延びている。支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、下向きの傾斜の方向において直線状であることが好ましいが、電池の外側から見てわずかに凸状の表面輪郭（外向きの隆起）を有することもできる。下方延在表面４５は、周囲縁部４９で終端している。
エンドキャップ組立体１４を上にして垂直な位置から電池を見ると、絶縁封止ディスク２０（図１及び３）は、下方延在壁部２６を有する回旋状の表面を有しており、その表面の一部分は、金属支持ディスク４０内の開口部４８の下に重なりかつその開口部４８と接触している。エンドキャップ組立体１４を上にして垂直な位置から電池を見ると、封止ディスク２０の壁部２６は、その表面上の高点２６ａからその表面上の低点２６ｂへと下方に延びている。絶縁ディスク２０の表面２６は、下向きの傾斜方向において直線状である（即ち、内にも外にも隆起しない）のが好ましいが、電池の外側から見てわずかに凸状の表面輪郭を有していてもよい。下向きに延びる表面２６は、上向きに延びる周囲縁部２８で終端している。
下向きに延びる表面２６の、金属支持ディスク４０（図１）の前記開口部４８の下にある部分は、その内側表面上に、電池内部に面するアンダーカット溝２１０を有している。溝２１０は、開放端部と、その反対側の閉鎖底部とを有している。溝の底部は、薄肉の破裂可能な膜２３を形成する。破裂可能な膜２３は、金属支持ディスク４０の開口部４８と接触する。電池内のガス圧力が上昇すると、前記破裂可能な膜２３は、前記開口部４８を突き抜け、破裂し、それによって、膜２３の上の頭部空間１８、つまり膜２３とその上にあるエンドキャップ６０との間の空間にガスを解放する。ガスは次いで、エンドキャップ６０（図１及び５）内のガス抜き開口部６５を通じて外部環境に進む。好ましくは、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６は、組み立ての間、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５の内側表面に対して面一にある。驚くべきことに、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８が金属支持ディスクの縁部４９とエンドキャップの縁部６６の双方の上に緊密に圧着されるようにするために、十分な力が圧着の間に加えられなければならないが、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６は、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５と面一に又はほぼ面一に維持される。つまり、圧着力は、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６が、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５に対して実質的に面一になることを解除することがない。圧着力は、下方延在壁部２６と４５との間に平均して約０．５０ｍｍを超える空間を生じることがなく、典型的には、圧着力は、下方延在壁部２６と４５との間に平均して約０．３５ｍｍを超える空間を生じることがない。圧着力は、典型的には、下方延在壁部２６と４５との間に平均して約０．１ｍｍと約０．５ｍｍの間の空間を生じることがある。
溝２１０は、好ましくは、図１及び３に最良に示されるように、下方延在壁部２６の内側部２２０に沿って円周方向に広がっている。溝２１０は、好ましくは絶縁封止ディスク２０（図１）の下方延在壁部２６の内側部（下側）に沿って広がる薄肉の部分２３を形成している。包囲する溝２１０（図１）は、薄肉の部分、つまり包囲する膜２３を溝２１０の底部に形成している。薄肉の部分２３は、図１に示されるように、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５に面しかつ好ましくは接触する破裂可能な膜を形成している。１つ以上の開口部４８が、金属支持ディスク４０（図１及び４）の下方延在壁部４５に存在し得る。好ましくは、図４に示すように、２つの開口部が、下方延在壁部４５の表面に存在する。２つの開口部４８が用いられる場合、それらは、ほぼ同じ寸法のものであるのが望ましく、また下方延在壁部４５上にそれぞれ直径方向に対向して配置される（図４）。包囲する薄肉の膜２３の、ガス抜き開口部４８のすぐ下で広がる部分は、破裂可能な部分を形成する。電池内のガスが所定レベルに増すと、膜２３の、開口部４８のすぐ下の部分は、開口部の内部へと伸張し、ついには、電池内のガスを解放する張力下で破裂する。電池の内部圧力は、上にあるエンドキャップのガス抜き開口部６５を通じて外界へとガスが流出すると、直ちに減じられる。
アンダーカット溝２１０の深さを規定する対向する溝の壁部２１２ａ及び２１２ｂは、特定の形状の曲線をなす必要はない。しかしながら、製造を容易にする観点から、溝の壁部２１２ａ及び２１２ｂは、垂直に向けられることが可能であり、また、溝２１０の口部が溝の底部（破裂可能な膜部分２３）よりも幅広となるように傾斜していてもよい。膜は好ましくは、剪断ではなく引張で破裂するように意図されているので、２１２ａの角度は、膜２３の破裂性の要因とはならない。壁部２１２ａ及び２１２ｂは、好都合にも、溝２１０の底部において破裂可能な膜２３に対して直角をなすことができ、また、図１に示されているように、破裂可能な膜２３と鈍角を形成することができる。或いは、溝の壁部２１２ａ及び２１２ｂは、平坦な又は湾曲した表面で形成され。望ましくは、壁部２１２ａ及び２１２ｂは各々、望ましくは約１２０度と１３５度との間の、破裂可能な膜２３との鈍角を形成する平坦な表面を形成し、したがって、溝２１０の開放端部は、膜２３を形成する溝の底部よりもわずかに幅広となる。そのような好ましい実施形態により、包囲する溝２１０は、図１に示すような台形の形状が与えられる。そのような外形は、射出成形による製造を容易にする観点から望ましく、また膜２３の破裂性に影響を及ぼすことがない。
下方延在壁部２６及びその内部の破裂可能な膜部分２３は、望ましくは、図１に示すように、電池の中心縦軸線１９０から鋭角（９０°未満の角度）で傾斜している。そのような外形において、下方延在壁部２６及びその内部の膜部分２３は、電池の中心縦軸線と平行ではない。好ましくは、下方延在壁部２６は、中心縦軸線１９０から約３５度と８０度の間の鋭角で傾斜している（図１）。同様に、支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、好ましくは、封止ディスク２０の下方延在壁部２６と同じ鋭角で、つまり中心軸線１９０から約３５度と８０度の間で傾斜している。したがって、支持ディスク４０が封止ディスク２０の上に置かれると、支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、封止ディスク２０の下方延在壁部２６と接触しかつ面一になり、破裂可能な膜２３が開口部４８と接触する。上に示したように、エンドキャップ縁部６６と金属支持縁部４９との双方の上に同時に封止縁部２８を圧着させるために、より大きな圧着力が必要となるにもかかわらず、金属支持ディスクの下方延在壁部４５が、封止ディスクの下方延在壁部２６に対して面一に（又はほぼ面一に）あることが維持されると判断された。金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５が傾斜して向きをなすことで、支持ディスク４０の所与の全高に対して、より大きな直径の開口部４８を下方延在壁部４５に作ることが可能となる。このことにより、所与の薄い厚さの膜２３が、より低い閾値圧力で破裂することが可能となり、それによって、電池ハウジング７０の壁厚を減じることが可能となる。ハウジング７０の壁厚が減じられると、アノード及びカソード活物質に利用可能な電池の内容積が増加し、それによって電池の容量が増加する。
破裂可能な膜を封止体内に形成する溝がない場合、つまり、下方に傾斜する壁部２６の、開口部４８に接触する部分全体が、均一で一定の厚さであり、破裂可能な膜を形成している場合、近似を適用するために、所望の破裂圧力ＰＲと、ガス抜き開口部４８の半径「Ｒ」と、結果として得られる一定な厚さの膜の厚さ「ｔ」との間の以下の関係が決定されている。ここで、「Ｓ」は、破裂可能な材料の極限引張強さである。破裂可能な膜を形成する溝が存在する場合でも、以下の公式は、破裂圧力を決定する上で役立つ。
Ｐｒ＝ｔ／Ｒ×Ｓ （Ｉ）
絶縁封止ディスク２０は、プラスチック絶縁材料の単一構造で形成されていてもよい。図１に示すエンドキャップ組立体１４の実施形態において、封止ディスク２０内の破裂可能な膜２３は、金属支持ディスク４０内の開口部４８に接触している。絶縁封止ディスク２０は、耐久性及び耐食性のあるナイロンを射出成形することによって成形されてもよい。しかしながら、ポリエーテルウレタン材料で絶縁封止ディスク２０を形成することが有利であると判断された。好ましいポリエーテルウレタン材料は、ダウ・ケミカル社（Dow Chemical Co.）によるＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３シリーズのポリエーテルウレタンから選択されてもよい。ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３シリーズのポリエーテルウレタンは、ゴム状弾性を呈する熱可塑性材料である。ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３シリーズのポリエーテルウレタンは、一般に、ナイロン６６の極限引張強さよりも低い極限引張強さ（ＡＳＴＭ Ｄ４１２試験）、及び、ナイロン６６よりもはるかに高い、２００％を超える、典型的には３００％を超える極限伸び率（ＡＳＴＭ Ｄ４１２試験）を有する。（ナイロン６６は、約９０％の極限伸び率を有する。）そのようなＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ材料は熱可塑性であり（熱にさらされると軟化するが、冷却されると元の状態に戻る）、それでいながらゴム状弾性をも呈する。つまり、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ材料は「ゴム弾性熱可塑性材料」である。対照的に、ナイロンは熱可塑性材料であるが、ゴム状弾性は呈していない。したがって、「ゴム弾性熱可塑性材料」という用語は、本明細書で使用する時、約２００％を超える極限伸び率をも有し、それによって熱可塑性材料にゴム状弾性をも付与する熱可塑性高分子材料を意味するものとする。
絶縁封止ディスク２０に好ましいポリエーテルウレタンは、ダウ・ケミカル社（Dow Chemical Company）からＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥの商標標記で入手可能である。（８０ＡＥは、ＡＳＴＭショアＡ硬度計における８０ショアを表す。Ｅは、医療グレードの認定標記である。）ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥポリエーテルウレタンは、３４．５ＭＰａ（５０００ｐｓｉ）の極限引張強さ及び６００％の極限伸び率を有する。絶縁封止ディスク２０に有利に使用され得る別のポリエーテルウレタンが、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−６５Ｄの商標標記で入手可能である。（６５Ｄは、ＡＳＴＭショアＤ硬度計における６５ショアを表す。）ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−６５Ｄは、３９．６ＭＰａ（５７５０ｐｓｉ）の極限引張強さ及び３６０％の極限伸び率を有する。しかしながら、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥ材料は、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−６５Ｄ材料よりも幾分か軟質であり、したがって、封止ディスク２０の構成材料としてより好ましい。ポリエーテルウレタン材料は、ナイロンと同様に、アルカリに対して耐化学性がある。しかしながら、ポリエーテルウレタンは、ゴム状弾性を有する熱可塑性材料であるが、一方で、ナイロンは、本質的にはゴム状弾性を有さない熱可塑性材料である。ポリエーテルウレタン材料はゴム様であり、ナイロンよりも柔軟である。例えば、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥは、６００％の極限伸び率を有しているのに対し、ナイロン６６は、９０％の極限伸び率を有している。したがって、比較すると、ナイロンは硬質な熱可塑性樹脂である。
上に示したように、ポリエーテルウレタン材料の極限引張強さＳは、ナイロンの極限引張強さよりも低い。例えば、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥポリエーテルウレタンは、３４．５ＭＰａ（５０００ｐｓｉ）の極限引張強さを有するのに対し、ナイロン６６は、約４８．２６ＭＰａ（７０００ｐｓｉ）と７５．８３ＭＰａ（１１０００ｐｓｉ）との間の極限引張強さを有する。つまり、所与の低圧、例えばＡＡサイズのアルカリ電池に対し約３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉｇ）と６．８９ＭＰａ（１０００ｐｓｉｇ）との間で破裂するように設計された、ポリエーテルウレタンの破裂可能な膜は、そのような破裂圧力を達成するために、ナイロンと同程度の薄い膜厚を必要としない。この結果、ナイロンと比較して、ポリエーテルウレタンの破裂可能な膜を成形することが有利となるが、これは、例えば０．１ｍｍ以下のレベルの非常に薄い厚さの破裂可能な膜を成形することが、より困難となるからである。
また、絶縁封止ディスク２０用のポリエーテルウレタン材料の極限引張強さＳがより低いことは、膜２３の所与の目標破裂圧力Ｐｒ、及び膜２３の所与の厚さｔに対し、金属支持ディスク４０内の接触するガス抜き開口部４８の半径Ｒが、より小さくされ得ることを意味する（上記の式Ｉを参照）。これにより、第２のガス抜き開口部４８を金属支持ディスク４０の構造内に、例えば金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５内に含めることが可能となる。第２のガス抜き開口部が存在することで、電池内部のガスが適切にガス抜きされることが、更に確実となる。つまり、第１のガス抜き開口部４８が詰まった場合、膜２３は、それにもかかわらず、金属支持ディスク４０の傾斜壁部４５内に配置された別の（第２の）ガス抜き開口部４８に対して破裂する。絶縁封止ディスクがポリエーテルウレタン材料で構成されている場合、金属支持ディスク４０内のより小さなガス抜き開口部４８を用いることができるので、この結果、金属支持ディスク４０は、同じ数の、但しより大きな寸法のガス抜き開口部を有する同じ金属支持ディスクと比較して、より強固なものとなる。
また、ポリエーテルウレタン材料は、高温多湿状態にさらされた時、ナイロン６６と比べて吸収する水分がより少ない。これもまた、封止ディスク２０が、ナイロン６６ではなくポリエーテルウレタン材料で形成されている時、外部環境から電池内部に水分が侵入する可能性がより低いことを意味する。ナイロン、又はポリプロピレンなどの他の耐アルカリ性熱可塑性樹脂が絶縁封止ディスク２０に使用される場合、アスファルト又はポリアミドコーティングなどの封止塗膜が、封止ディスクの周囲縁部２８ａとハウジング７０の内側表面との間に、又はアノード集電体８０と絶縁封止ディスク２０のハブ２２との間に、しばしば施される。
ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥなどのポリエーテルウレタンを絶縁封止ディスク２０に用いることのもう一つの重要な利点は、それによって、封止ディスク２０の周囲縁部２８ａとケーシング７０の内側表面との間に別個の封止塗膜を施す必要がなくなることである。また、アノード集電体８０と絶縁封止ディスク２０のハブ２２との間に、封止材料のコーティングを施す必要もなくなる。
ダウ・ケミカル社（Dow Chemical Co.）からＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３シリーズとして入手可能なポリエーテルウレタン材料は、アルカリ電池の封止ディスク２０に対するポリエーテルウレタン材料の好ましいシリーズであると判断された。上述したように、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥは、アルカリ電池の絶縁封止ディスク２０に対し、このシリーズの中でより好ましい材料であると判断された。ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３シリーズは、テトラメチレンエーテルの反復セグメントを含んだポリエーテルウレタンであり、したがってポリテトラメチレンエーテルウレタンである。
そのようなポリテトラメチレンエーテルウレタンは、以下の通り、テトラメチレングリコールとジイソシアネートの反応生成物として形成され得る。
Figure 2010507211
ポリテトラメチレンエーテルウレタンの軟化度又は硬度は、ポリエーテルセグメントにおけるテトラメチレンの反復単位数「ｍ」を変化させることによって制御されてもよい。ジイソシアネートは、例えば米国特許第４，３９４，４９１号に示されているように、芳香族、脂肪族、又は脂環式から選択された基「Ｒ」を有していてもよい。このポリマーの分子量は、有用な物理的特性を有するように十分に高いものである。ポリエーテルウレタン（ＩＩ）の分子量は、ポリテトラメチレンセグメントの数ｍと、反復単位の総数ｎとの関数である。上記の反応ＩＩにおいて用いることが可能な一般的な芳香族ジイソシアネートは、トルエンジイソシアネートである。用いることが可能なもう一つの芳香族ジイソシアネートは、ナフタレン−１，５ジイソシアネートである。上記の反応において用いることが可能な一般的な脂肪族ジイソシアネートは、ヘキサメチレンジイソシアネートである。上記の反応において用いられ得る一般的な脂環式ジイソシアネートは、シクロヘキサン−１，４ジイソシアネートである。
ポリウレタン生成物におけるポリエーテルの反復セグメントは、好ましくは、上記の反応ＩＩに示すように、テトラメチレングリコールを反応物質としてジイソシアネートと共に用いることで形成されるテトラメチレンエーテルを含んでいる。他のグリコールが反応物質として使用されてもよく、したがって、他のタイプのエーテル反復単位が、つまりテトラメチレンエーテル以外の単位がポリウレタン生成物にもたらされる。例えば、上記の反応において使用されるグリコールは、エチレングリコール、１，３−プロピレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，４−ブチレングリコール、１，３−ブチレングリコール、１，２−ブチレングリコール、１，５−ペンタンジオール、ヘキサンジオール、１，７−ヘプタンジオール、グリセロール、及び１，１，１−トリメチロールプロパンから選択されてもよい。また、ポリウレタン生成物におけるポリエーテルの反復セグメントは、ポリアルキレンポリエーテルポリオールから形成されてもよい。そのようなポリオールは、テトラヒドロフラン及びアルキレンオキシドテトラヒドロフランコポリマー、エピクロロヒドリンなどのエピハロヒドリン、並びにスチレンオキシドなどのアリールアルキレンオキシドなどの他の出発物質から調製されてもよい。ポリエーテルウレタン生成物を形成するために反応物質としてジイソシアネートと共に使用されてもよい他のポリオールが、米国特許第４，３９４，４９１号に示されている。
ポリエーテルウレタンの封止ディスクを用いたアルカリ電池での電池のガス抜き破裂試験及び漏れ試験
ポリエーテルウレタン材料で成形された絶縁封止ディスク２０を用いることの有効性は、以下の試験で実証される。同一のＡＡサイズの亜鉛／ＭｎＯ２アルカリ電池を、図２に示すようなエンドキャップ組立体１４の構成で、図１に示すように製作した。したがって、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８ａは、ハウジング７０の内側表面の一部分と接触した。図２及び図３に最良に示される封止ディスク２０を、ダウ・ケミカル社（Dow Chemical Co.）によるポリテトラメチレンエーテルウレタンである、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥの商標標記で入手可能なポリエーテルウレタン材料で成形した。図１に示すように、円周方向の溝２１０が存在し、この溝２１０は、封止ディスクの下方延在壁部２６内に破裂可能な膜２３を形成していた。溝２１０の幅は約０．５ｍｍであった。溝２１０の底部にある破裂可能な膜２３は、約０．１５ｍｍの厚さを有していた。図１に示すように、直径方向に対向する２つのガス抜き開口部４８が、金属支持ディスク４０内に存在した。漏れ試験では、双方のガス抜き開口部４８は、約１．８ｍｍの直径を有していた。
膜の破裂試験では、厚さ約０．１５ｍｍの同じ破裂可能な膜２３を、幅約０．５ｍｍの円周方向の溝２１０と共に使用した。また、直径方向に対向する同じ寸法のガス抜き開口部４８が存在した。しかし、いくつかの電池においては、ガス抜き開口部の直径は、直径１．０ｍｍであり、他の電池は、共に直径０．９ｍｍのガス抜き開口部４８を有し、また他の電池は、共に直径０．８ｍｍの開口部を有していた。
絶縁封止ディスクの周囲縁部２８ａとそれに接触するケーシング７０の周囲縁部７２との間の領域に、いかなるタイプの封止塗膜も施されていなかった。また、アノード集電体８０と絶縁封止ディスク２０のハブ２２との間の領域に、いかなる種類の封止塗膜も施されていなかった。電池内のガス圧力が上昇した時の膜２３の適切な破裂について、電池を試験にかけた。
別の試験においては、新品のＡＡ電池を漏れ試験にかけた。ＡＡ電池を、まず１２サイクルの温度応力試験（ＴＳＴ）にかけた。次いで、漏れについて電池を検査した。１２サイクルの温度試験が完了した後、同じ電池を次いで１２週間の環境試験にかけ、次いで再び漏れについて検査した。
破裂ガス抜き圧力
ＡＡの亜鉛／ＭｎＯ２アルカリ電池の群を、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥ材料で形成された上述の破裂膜２３が良好に破裂するかについて試験した。破裂可能な膜２３は、約０．１５ｍｍの厚さを有していた。円周方向の溝２１０の幅は、約０．５ｍｍであった。直径方向に対向する同じ寸法の２つのガス抜き開口部４８が、金属支持ディスク４０に存在した。第１の群の電池において、ガス抜き開口部４８の直径は１．０ｍｍであり、第２の群の電池において、双方のガス抜き開口部４８は０．９ｍｍの直径を有し、第３の群の電池において、双方のガス抜き開口部４８は０．８ｍｍの直径を有していた。電池を酷使条件にさらし、それによって電池内のガス圧力を増加させた。ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ膜２３が破裂し、それによってガスがガス抜き開口部４８を通じて流出されるまで、電池内のガス圧力を増加させた。ガスは次いで、エンドキャップ６０内の開口部６５を通じて外界へと進んだ。電池内のガス圧力が、直径１．０のガス抜き開口部で約８．０７ＭＰａ（１１７０ｐｓｉ）の平均値、０．９ｍｍのガス抜き開口部で約７．８９ＭＰａ（１１４５ｐｓｉ）の平均値、直径０．８のガス抜き開口部で約９．１０ＭＰａ（１３２０ｐｓｉ）の平均値に達した時に、膜２３は良好に破裂した。電池を分解した。ガス抜き開口部４８と接触していた膜２３の部分が、ガス抜き開口部を詰まらせることなく完全に破裂し、したがってガスが電池内部からガス抜き開口部４８を通じて流出したことを、検査により確認した。
１２サイクルの温度応力試験（ＴＳＴ）
ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ２１０３−８０ＡＥ材料で成形された封止ディスク２０を有する新品のＡＡ電池（図１）を、１２サイクルの温度応力試験にかけた。周囲縁部２８ａとハウジング７０の内側表面との間に、別個の封止塗膜は施さなかった。また、絶縁封止ディスク２０のハブ２２とアノード集電体８０との間に、封止塗膜は施さなかった。この試験の各サイクルに対する手順は、組み立てたＡＡ電池を、強制循環された熱空気によって７１℃に維持されたオーブン内での１時間にわたる加熱にさらすことを伴うものであった。次いで、電池をオーブンから取り出し、直接、フリーザー内に置いた。電池をフリーザー内に−２９℃で１時間にわたって放置した。電池をフリーザーから取り出し、テーブルの上に置き、テーブルの上で１時間にわたって周囲温度（２１℃）に維持した。これで１サイクルが完了した。次いで、電池を７１℃のオーブンに１時間にわたって再び置き、新たなサイクルを開始した。このようにして電池を１２サイクルにかけた。１２サイクルの試験手順が完了してから、漏れについて電池を検査した。
試験した７つのＡＡ電池のうち、漏れはいずれの電池にも観察されなかった。
１２週間の環境試験
上記の１２サイクルの温度応力試験（ＴＳＴ）に引き続き、同じ電池を、次いで、更なる試験、つまり１２週間の環境試験にかけた。電池を１２サイクルの温度応力試験にかけた後、同じ電池を、次いで、約２１℃の開放環境空気に１週間の持続時間にわたって放置した。次いで、漏れについて電池を検査した。
試験した７つのＡＡ電池のうち、漏れはいずれの電池にも観察されなかった。これらの結果により、封止ディスクの構成材料としてのポリエーテルウレタン材料の有効性が示される。特に、上で示したように、いかなる種類の封止塗膜も、封止ディスク２０とケーシング７０との間、又はアノード集電体８０と封止ディスクのハブ２２との間の領域に施さなかったことから、これらの結果は印象的なものである。ポリエーテルウレタン材料（ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥ）の非常に効果的な封止特性は、組み合わさって存在するこの材料の多数の特性に起因している。まず、この材料は、アルカリ電解質による腐食に耐性がある。この材料は、ナイロン又はポリプロピレンとは異なり、ゴム状弾性を有している。ポリエーテルウレタンの絶縁封止ディスク２０のゴム状弾性により、絶縁封止ディスク２０及びエンドキャップの縁部の上にハウジングのケーシング縁部７２を圧着した際、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８ａとハウジング７０の縁部７２との間の、永続的な共形の表面間適合が可能となる。つまり、ポリエーテルウレタン（ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥ）材料は、ゴム状弾性を有し、かつ比較的軟質な生目を有するので、絶縁封止ディスクの縁部２８ａとケーシングの縁部７２との間の表面間の接触及び適合は、ケーシングの縁部７２が封止ディスクの縁部２８ａの上に圧着されると、緩くなることも弱くなることもない。したがって、電池が、上記の２つの連続する漏れ試験にかけられても、アルカリ電解質が、絶縁封止ディスクとケーシングとの間の領域に侵入する可能性はない。
この点で、より硬質であり、したがってケーシングの縁部７２との緊密で均一な接触からやがて分離する傾向のより高い通常のナイロン又はポリプロピレンで形成されたアルカリ電池の封止ディスクをしのぐ利点を、ポリエーテルウレタンの封止ディスクのゴム状弾性が有しているのは明らかである。上記の試験で実証されたような、ポリエーテルウレタン（ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥ）で形成された絶縁封止ディスク２０のゴム状弾性の結果、絶縁封止ディスクの縁部２８ａとケーシングの縁部７２との間の、緊密で共形の表面間の密着が、これら２つの表面間に別個の封止塗膜が施されていない場合でも維持される。これは、当然ながら、そのような別個の封止塗膜を漏れに対する更なる保護に使用することを除外するものではない。例えば、アスファルトの封止塗膜若しくはポリアミドコーティング又は他の封止塗膜が、それでもやはり、封止ディスクの縁部２８ａとケーシングの縁部７２との間に、漏れに対する更なる保護のために施されてもよい。そのような封止塗膜は、ＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥと同程度に軟質でかつエラストマーではないＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−６５Ｄなどの他のグレードのポリエーテルウレタン材料が用いられる時、有益となることがある。
本明細書で述べられているポリエーテルウレタン材料は、図１、２、及び３に示すような絶縁封止ディスク２０の特定の実施形態に、一例として用いられてきた。この絶縁封止ディスク２０は、円周方向の溝２１０を有しており、この溝の底部に残る材料の薄肉の領域が、破裂可能な膜２３を形成している。例えば米国特許第４，２３７，２０３号及び米国特許第６，９９１，８７２号に示されているように、破裂可能な膜を絶縁ディスク内のスリット又は溝の形で形成する薄肉の部分を含んだアルカリ電池の絶縁封止ディスクの他の構成が、当該技術分野において開示されている。絶縁ディスク内のそのような薄肉の部分又は破裂可能な膜は、電池内のガス圧力が所定のレベルに高まると破裂するように設計される。米国特許第３，３１４，８２４号に示されているように、先細の又は他の突出する部材が、破裂可能な膜の上に向けられ、膜の破裂を支援することができる。破裂可能な膜は、米国特許第４，５３７，８４１号、米国特許第５，５８９，２９３号、及び米国特許第６，０４２，９６７号に示されているように、絶縁ディスク内の薄い材料の１つ以上の「島」の形態をなすことができる。
アルカリ電池の絶縁ディスク内部の破裂可能な膜の部分が、溝付き若しくはスリット付きの構成のものであるか、又は「島」タイプの構成のものであるかにかかわらず、本明細書で説明されているポリエーテルウレタン材料は、アルカリ電池の絶縁ディスクを成形又は形成するために使用され得る。したがって、ポリエーテルウレタン材料が、特定のアルカリ電池の絶縁封止ディスクの構成への利用、又は、破裂可能な膜をその内部に形成される薄肉の部分に対する、特定の形状若しくは構成への利用に限定されることは意図されていない。例えば、ハウジングの表面７０及び封止ディスクは、円柱形ではなく長方形又は楕円形の構成のものであってもよく、また、角柱又は立方体の形状のものであってもよい。絶縁封止ディスク２０内の破裂可能な膜２３を形成する溝２１０及びその下にある薄肉の部分は、島のタイプであってもよく、また、環状であるか又は分割されていてもよい。封止ディスク２０内の分割された（不連続な）溝及びその下にある薄肉の部分２３が用いられる場合、それらは、形状において、直線状であっても、円弧状であっても、曲線状であってもよい。本明細書で説明されているポリエーテルウレタン材料は、アルカリ電池用の絶縁封止ディスクを成形又は形成するために、そのディスク又は破裂可能な膜を形成するそのディスクの内部の薄肉の部分の形状若しくは構成にかかわらず、好都合に使用され得る。このポリエーテルウレタン材料はまた、他の電池のタイプ、例えばリチウム又はリチウム合金のアノードを有する電池用の絶縁封止ディスクを形成する上でも、おそらくは有用となり得る。そのような電池は、有機電解質中に溶解されたリチウム塩を含む非水溶液系電解質を用いる。そのような非水溶液電池の封止ディスクに対するポリエーテルウレタン材料の有用性の程度は、ポリエーテルウレタン材料と電解質との間の相溶性が確保されるように、実験によって決定される。
図１及び図３に最良に示されているように、絶縁ディスク２０は、中心に開口部２４を有する中央ボス又はハブ２２を有している。ボス２２は、ディスク２０のうちの最も厚くかつ最も重量のある部分を形成している。エンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から電池を見ると、ボス２２の周囲縁部は、下方延在壁部２６において終端しており、この下方延在壁部２６は、前記壁部２６上の高点２６ａから前記壁部２６上の低点２６ｂへと下方に延びている（図１及び３）。同様に、支持ディスク４０の中央部分４３の周囲縁部は、下方延在壁部４５において終端しており、この下方延在壁部４５は、前記壁部４５上の高点４５ａから前記壁部４５上の低点４５ｂへと下方に延びている（図１及び４）。
また、上述の絶縁封止ディスク２０の構成により、破裂可能な膜２３がエンドキャップ６０に、より近接して配置される。つまり、活性物質用に利用可能な電池内の内部空間が増加する。絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６上の破裂可能な膜２３の位置により、ガス及び他の内部成分は、膜２３が破裂した後、電池内部から金属支持ディスク内の開口部４８を通じ、次いでエンドキャップ６０内の開口部６５を通じて直接外界へと、妨げられることなく進むことが可能となる。電池内部から外界へのガスのそのような進行は、電池が他の電池又は給電されている装置に接続されている時にも妨げられることがない。
複数のガス発生抑制剤の使用により、電池のガス発生を減じることは可能であった。開口部４８の半径を大きくし、一定の厚さの膜の厚さを可能な限り薄くすることが望ましい。これによって、所望により、電池内で高まったガスの、より低い閾値圧力Ｐで、膜を破裂させることが可能となる。したがって、所与の電池のサイズに対し、達成可能な最大の開口部半径及び最小の膜厚によって決まる爆発圧力に、実際的な下限が存在する。破裂可能な膜を形成するアンダーカット溝２１０を加えることで、溝の深さ及び幅など、爆発圧力をより低いレベルへと操作するための更なる変数が得られる。
エンドキャップ組立体１４において、破裂可能な膜の幅（つまり、溝２１０の底部の幅）と破裂可能な膜２３の厚さとの比は、典型的には、約２．５：１と１２．５：１との間である。エンドキャップ組立体１４のこの設計では、ＡＡＡサイズの電池とＤサイズの電池との間の電池の一般的な電池サイズに対し、典型的には約１．８ｍｍと１０ｍｍ（円の直径）との間の大きさの開口部４８を金属支持ディスク４０の下方傾斜壁部４５に備えることができる。
以下の膜２３のより低レベルな破裂圧力が、本発明のエンドキャップ組立体１４に関して望ましい。ＡＡＡのアルカリ電池に対し、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約６．２１ＭＰａ（９００ｐｓｉｇ）から１２．４１ＭＰａＧ（１８００ｐｓｉｇ）の間である。ＡＡのアルカリ電池に対し、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉｇ）から１０．３４ＭＰａＧ（１５００ｐｓｉｇ）の間である。Ｃサイズのアルカリ電池に対し、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約２．０７ＭＰａ（３００ｐｓｉｇ）と３．７９ＭＰａＧ（５５０ｐｓｉｇ）との間である。Ｄサイズのアルカリ電池に対し、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉｇ）と２．７６ＭＰａＧ（４００ｐｓｉｇ）との間である。そのような破裂圧力の範囲は、非限定的な例として意図されたものである。本発明のエンドキャップ組立体１４は、より高い、そしてまた、より低い破裂圧力でも同様に用いられ得るため、エンドキャップ組立体１４が、これらの破裂圧力の範囲に限定されるようには意図されていないことが理解されよう。
所与の電池サイズ対する上に示した破裂圧力の範囲では、ニッケルメッキ鋼のハウジング７０は通常、ＡＡ及びＡＡＡに対しては望ましくは約０．１５ｍｍ（０．００６インチ）と０．３０ｍｍ（０．０１２インチ）との間、好ましくは約０．１５ｍｍ（０．００６インチ）と０．２０ｍｍ（０．００８インチ）との間の、また、Ｃ及びＤに対しては約０．２０ｍｍ（０．０１０インチ）と０．３０ｍｍ（０．０１２インチ）との間の薄い壁厚を有することができる。ハウジング７０の壁厚はより薄いことが望ましいが、これは、その結果として、電池の内容積が増加し、より多くのアノード及びカソード材料を使用することができ、それによって電池の容量が増加するからである。エンドキャップ組立体１４は、所与の電池のサイズに対して上述の破裂圧力を達成することができ、また、エンドキャップ６０が「不正開封防止」をなすという更なる機能を有する。つまり、エンドキャップ６０の縁部６６は、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の下に圧着されるので、エンドキャップ組立体から容易には取り出されない。したがって、本発明のエンドキャップ組立体１４の設計においては、電池の内容物も同様に、非常に堅牢となり、悪意による不正開封に対して十分に保護される。加えて、本発明のエンドキャップ組立体１４において、アノード集電体用の釘８０の頭部８７は、エンドキャップ６０の下側に直接溶接される。これは、単純な電気抵抗溶接によって達成され得る。本発明のエンドキャップ組立体１４においては、他のいかなる電池構成要素の溶接の必要もなく、またレーザー溶接の必要もなく、したがって電池の構造が単純化される。
より大きなサイズの開口部４８を、本明細書で説明されているエンドキャップ組立体の状況において使用できるようにする目的で、このことは、破裂可能な膜２３を備える絶縁封止壁部２６を、傾斜させて、つまり縦軸線に非平行に向けることによって、最良に達成されると判断された。好ましくは、封止壁部２６及びそれに接触する金属支持表面４５は、縦中心軸線１９０から好ましくは約３５度と８０度との間の角度で下方に傾斜している。これによって、開口部４８を形成するための、利用可能な表面積がより大きくなる。
電池の爆発圧力を低下させることへの要求との調和において、このことは、アンダーカット溝２１０を封止ディスク３０の下方傾斜壁部２６の内側表面上に形成することによって達成され得ると判断された。そのようなアンダーカット溝２１０は、例えば、封止ディスク２０を形成する時の射出成形の間に、封止ディスク２０の中心を包囲して形成され得る。
非限定的な例として、ＡＡサイズのアルカリ電池を用いる好ましい実施形態において、破裂可能な膜２３は、電池内のガスが、約３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉｇ）と１０．３４ＭＰａ（１５００ｐｓｉｇ）との間のレベルに高まった時に破裂するように設計されることができる。金属支持ディスク４０内の開口部４８の下にある破裂可能な膜の部分２３は、有利には、ポリエーテルウレタン材料、例えば上述のようなダウ・ケミカル社（Dow Chemical Co.）によるＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥで形成される。或いは、破裂可能な膜２３は、ナイロン、好ましくはナイロン６６又はナイロン６１２で形成されてもよいが、ポリプロピレンなどの他の材料で形成され得る。（ナイロン６６は、ナイロン６１２よりも費用効果的であり、この点において好ましい。）溝２１０は、約０．０８ｍｍと１ｍｍとの間、望ましくは約０．０８ｍｍと０．８ｍｍとの間の幅を有することができる。溝２１０は、好ましくは、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６の内側表面２２０の周りで円周方向に広がっている。円周方向の溝２１０のある区分は、金属支持ディスク４０内の開口部４８のすぐ下に広がっている。或いは、溝２１０は、包囲される必要はないが、個々の溝が開口部４８のすぐ下にカットされ、それらの間の壁部２６の内側表面の各部分が滑らかでかつカットされずに残るように形成され得る。ＡＡＡサイズの電池とＤサイズの電池との間の電池の一般的な電池サイズに対し、開口部４８は、約２．５ｍｍ２と７８．５ｍｍ２との間の面積に対応する約１．８ｍｍと１０ｍｍとの間、典型的には、約３．１ｍｍ２と６３．６ｍｍ２との間の面積に対応する２ｍｍと９ｍｍとの間（円の直径）の直径を有する円形形状のものであり得る。開口部４８が、長方形又は楕円形などの他の形状のものであり得ることは理解されるべきである。また、開口部４８は、矩形若しくは多角形形状、又は真っ直ぐな表面と湾曲した表面との組み合わせを含んだ不規則な形状のものであり得る。また、そのような長方形若しくは多角形形状、又は他の不規則な形状の有効径は、望ましくは約−２ｍｍと９ｍｍとの間である。そのような形状の有効径は、かかる任意の開口部を横切る最小距離として定義されることができる。
目標破裂圧力が、ＡＡ電池に対して約３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉｇ）から１０．３４ＭＰａ（１５００ｐｓｉｇ）の間、又は、ＡＡＡサイズの電池に対して約６．２１ＭＰａ（９００ｐｓｉｇ）から１２．４１ＭＰａ（１８００ｐｓｉｇ）の間である場合、溝の幅（溝の底部における膜２３の幅）と破裂可能な膜２３の厚さとの比は、望ましくは約２．５：１と１２．５：１との間である。この範囲の比に従って、溝の底部における溝の幅は、望ましくは約０．１ｍｍと１ｍｍとの間、好ましくは約０．４ｍｍと０．７ｍｍとの間であり、破裂可能な膜２３の厚さは、約０．０８ｍｍと０．２５ｍｍとの間、望ましくは約０．１０ｍｍと０．２０ｍｍとの間である。開口部４８は、約２．５ｍｍ２と１６ｍｍ２との間の面積に対応する、典型的には約１．８ｍｍと４．５ｍｍとの間の直径を有することができる。
Ｃ及びＤのアルカリ電池が用いられる場合、破裂可能な膜２３は、望ましくは、より低い圧力で破裂するように設計される。例えば、Ｃサイズの電池に対し、目標破裂圧力は、約２．０７ＭＰａ（３００ｐｓｉｇ）と３．７９ＭＰａ（５５０ｐｓｉｇ）との間であってもよい。Ｄサイズの電池に対しては、目標破裂圧力は、約１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉｇ）と２．７６ＭＰａ（４００ｐｓｉｇ）との間であってもよい。望ましくは約２．５：１と１２．５：１との間である、溝の幅（溝の底部における膜２３の幅）と破裂可能な膜２３の厚さとの同じ比もまた適用可能である。
一般に、電池のサイズにかかわらず、破裂可能な膜２３の厚さと膜２３に直接接触する下方延在封止壁部２６の厚さとの比を、１：２以下、望ましくは約１：２と１：１０との間、より典型的には約１：２と１：５との間となるように維持することが望ましい。そのような実施形態において、破裂可能な膜２３の厚さは、望ましくは約０．０８ｍｍと０．２５ｍｍとの間、好ましくは約０．１ｍｍと０．２ｍｍとの間である。膜２３がそれを貫通して破裂する開口部４８は、望ましくは、約１．８ｍｍと１０ｍｍとの間の直径を有している。
組み立てにおいて、アノード１４０、カソード１２０、及びセパレータ１３０が電池のハウジング７０の内部に挿入された後、エンドキャップ組立体１４がハウジングの開放端部１４の内部に挿入される。金属支持ディスク４０は、まず、封止ディスク２０のボス２２の上表面４３が金属支持ディスク４０の中央開口部４１へと侵入するように、絶縁封止ディスク２０に押し付けることが可能である。絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６は、上にある金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５の内側表面に対して面一にある。金属支持ディスク４０を内部に含んだ絶縁封止ディスク２０は、次いで、ハウジング７０の開放端部１５に挿入されることが可能になる。絶縁封止体の周囲縁部２８の下部分は、電池ハウジングの側壁７４内の円周方向のビード７３上に載置されている。集電体用の釘８０の頭部８７は、好ましくは電気抵抗溶接によって、エンドキャップ６０の下側に溶接される。
次いで、集電体８０は、金属支持ディスク４０内の開口部４１を通じ、次いでその下の絶縁封止ディスク２０内の中央開口部２４を通じて挿入されて、ついには、集電体の先端部８４がアノード１４０の材料内に侵入する。取り付けられたエンドキャップ６０の下側は、金属支持ディスク４０の開口部４１を囲む平坦な上表面４３に載置されるようになる。金属支持ディスク４０の縁部４９と、その上にあるエンドキャップ６０の縁部６６の双方は、図１に示すように、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の内側にある。次いで、ハウジング７０の縁部７２が、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の上に圧着される。次に、絶縁封止ディスクの縁部２８が、金属支持ディスク４０の縁部４９とエンドキャップ６０の縁部６６の双方の上に圧着され、エンドキャップ６０とその下にある金属支持ディスク４０が、絶縁封止ディスク２０の上の定位置に安定して固定される。したがって、絶縁封止ディスク２０、金属支持ディスク４０、及びその上にあるエンドキャップ６０は、ハウジングの開放端部１５内で固定され、それによって電池のハウジングが閉鎖される。エンドキャップ６０の周囲縁部６６が絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８に嵌合することを確実にするため、及び金属支持ディスクの縁部４９が半径方向に圧縮され、それによって密封の達成の助力を確実にするため、半径方向の圧縮力が、圧着の間にハウジング７０に加えられてもよい。エンドキャップ６０の縁部６６は、手で触れることができず、したがって、エンドキャップ６０は、不正開封防止をなすと見なされ、つまり、電池組立体から容易に取り外される可能性がない。
封止ディスク２０の別の実施形態において、ディスクの構成は、ディスクが形成された後に、熱ジグを用いて又は用いずに、ダイ又はナイフエッジで封止ディスク２０の下方延在壁部２６の下側２２０に打抜き又は型押しすることによって、溝２１０が形成されることができるという点を除いて、図１及び図３に示すものと同じであることができる。そのような実施形態において、封止ディスク２０は、まず、均一な厚さの、つまり溝２１０のない下方延在壁部２６を得るように成形することによって形成され得る。次いで、環状の刃先を有するダイが、封止ディスクの下方延在壁部２６の下側表面２２０に当てられることができる。環状又は円弧状の切り込みを形成する、幅１ｍｍ未満、望ましくは約０．０８ｍｍと１ｍｍとの間、好ましくは０．０８ｍｍと０．８ｍｍとの間の溝２１０が、このようにして、封止ディスク２０の下方延在壁部２６の下側表面２２０に作ら得る。溝２１０は、破裂可能な膜２３を溝の底部に形成する。溝２１０によって形成された破裂可能な膜２３は、封止ディスクの下方延在壁部２２０の表面に、弱い領域を形成する。溝２１０は、打抜きダイ、例えば、下方延在壁部２６の下側に押し付けられる隆起縁部（刃先）を有するダイを使用することによって作られ得る。このようにして溝２１０が作られることにより、溝２１０の底部の膜２３は、溝２１０が下方延在壁部２６の内部に成形される場合よりも薄く形成されることが可能となる。打抜きダイによって形成された溝２１０は、したがって、幅が非常に狭くかつ厚さが非常に薄い破裂可能な膜２３となり得る。溝の切り込み２１０（図１）によって形成された膜２３は、切り込みの深さを調節し、次いでこれによって所望の厚さの破裂可能な膜２３を切り込みの底部に形成することによって、所望の目標圧力で破裂するように設計され得る。
溝の切り込み２１０によって形成された膜２３は、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５の下側に接触する。膜２３の一部分は、図１に示した実施形態に関連して説明した方式と同じ方式で、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５内の１つ又は複数の開口部４８の下にあり得る。溝の切り込み２１０（図１及び３）は、連続的な閉じた円の形状でなくてもよいが、好ましくは、開口部４８の下にある溝２１０の部分が、開口部４８の全幅にわたって連続的となるように十分に長い円弧状の区分であり得ることが理解されよう。つまり、溝２１０は、開口部４８の上にない下方延在壁部２６の部分２２０（図１）まで延びていなくてもよい。
特定の実施形態において、非限定的な例として、電池のサイズにかかわりなく、封止ディスク２０は、ポリエーテルウレタン、例えばＰＥＬＬＥＴＨＡＮＥ ２１０３−８０ＡＥ、又はナイロン６６製であることができ、溝の切り込み２１０は、典型的には約０．０８ｍｍと１．０ｍｍとの間、好ましくは約０．０８ｍｍと０．８ｍｍとの間の幅を有することができる。溝の切り込みの底部に形成された膜２３は、膜２３の厚さと溝２１０に近接する下方延在壁部２６の厚さとの比が、約１：１０と１：２との間、好ましくは約１：５と１：２との間となるような厚さを有することができる。そのような実施形態において、破裂可能な膜２３の厚さは、典型的には約０．０８ｍｍと０．２５ｍｍとの間、望ましくは約０．１ｍｍと０．２ｍｍとの間である。
ポリエーテルウレタン又はナイロン６６は、絶縁ディスク２０及びそれと一体の破裂可能な膜の部分２３に好ましい材料であるが、他の材料、好ましくは耐アルカリ性があり耐久性のある、ポリスルホン、ポリプロピレン、又はタルク充填ポリプロピレンなどの塑性材料もまた好適であることも理解されるべきである。膜２３の厚さと開口部４８の寸法の組み合わせは、用いられる材料の極限引張強さ、及び破裂が意図されるガス圧力のレベルに応じて調節されてもよい。開口部４８を１つのみ、そしてそれに対応する１つの破裂可能な膜２３を用いることが適切であると判断された。しかしながら、金属支持ディスク４０内の下方延在壁部４５は、その下にある１つ又は複数の破裂可能な膜の部分２３と接触する、同等の寸法の複数の開口部を設けることも可能である。好ましくは、金属表面４５内の、直径方向に対向する２つの開口部４８を、図４に示すように用いることができる。これによって、膜が破裂し、ガス抜きが所望のガス圧力で生じることが、更に確実となる。
電池のサイズにかかわりなく用いられ得る、アルカリ電池１０用のアノード１４０、カソード１２０、及びセパレータ１３０の代表的な化学的組成を以下に説明する。以下の化学的塑性は、本発明のエンドキャップ組立体１４を有する電池において使用するための代表的な基本的組成であり、したがって、限定することを意図するものではない。
上述の実施形態において、代表的なカソード１２０は、二酸化マンガン、黒鉛、及びアルカリ水溶液電解質を含むことができ、アノード１４０は、亜鉛及びアルカリ水溶液電解質を含むことができる。水溶液電解質は、従来の、ＫＯＨと、酸化亜鉛と、ゲル化剤の混合物を含んでいる。アノード材料１４０は、無水銀（水銀無添加）の亜鉛合金粉末を含有するゲル化混合物の形態であり得る。つまり、この電池は、電池の全重量の約５０重量百万分率未満、好ましくは電池の全重量の２０重量百万分率未満の水銀の全含有量を有することができる。この電池はまた、好ましくは、いかなる添加量の鉛をも含有せず、したがって本質的に無鉛であり、つまり、鉛の全含有量は、アノードの全金属含有量の３０ｐｐｍ未満、望ましくは１５ｐｐｍ未満である。そのような混合物は、典型的には、水酸化カリウム水溶液電解質、ゲル化剤（例えば、Ｂ．Ｆ．グッドリッチ社（B.F. Goodrich）からカーボポールＣ９４０の商標名で入手可能なアクリル酸コポリマー）、界面活性剤（例えば、ローヌプーラン社からＧＡＦＡＣ ＲＡ６００の商標名で入手可能な有機リン酸エステル系の界面活性剤）を含有することができる。そのような混合物は、単に説明のための例として与えられたものであり、本発明を限定することを意図したものではない。亜鉛アノードのための他の代表的なゲル化剤が、米国特許第４，５６３，４０４号において開示されている。
カソード１１０は、望ましくは、
８７〜９３重量％の電解二酸化マンガン（例えば、カーマギー社（Kerr-McGee）によるＴｒｏｎａ Ｄ）、２〜６重量％（合計）の黒鉛、約３０〜４０重量％の濃度のＫＯＨを有する５〜７重量％の７〜１０ＮのＫＯＨ水溶液、及び、０．１重量％〜０．５重量％の光学用ポリエチレン結合剤という組成を有することができる。電解二酸化マンガンは、典型的には約１μｍと１００μｍとの間、望ましくは約２０μｍと６０μｍとの間の平均粒度を有している。黒鉛は、典型的には、天然黒鉛又は膨張黒鉛又はそれらの混合物の形態にある。黒鉛はまた、黒鉛状炭素ナノ繊維を単独で又は天然黒鉛若しくは膨張黒鉛と混合して含むこともできる。そのようなカソード混合物は、説明を意図したものであり、本発明を限定することを意図したものではない。
アノード材料１５０は、６２重量％〜６９重量％の亜鉛合金粉末（２００〜５００ｐｐｍのインジウムを合金及びメッキ付き材料として含有する９９．９重量％の亜鉛）と、３８重量％のＫＯＨ及び約２重量％のＺｎＯを含むＫＯＨ水溶液と、Ｂ．Ｆ．グッドリッチ社（B.F. Goodrich）から「カーボポールＣ９４０」の商標名で市販されている架橋アクリル酸ポリマーゲル化剤（例えば、０．５重量％〜２重量％）と、グレインプロセッシング社（Grain Processing Co.）から「Ｗａｔｅｒｌｏｃｋ Ａ−２２１」の商標名で市販されている、デンプンのバックボーンにグラフトされた加水分解ポリアクリロニトリル（０．０１重量％と０．５重量％との間）と、ローヌプーラン社（Rhone-Poulenc）から「ＲＭ−５１０」の商標名で市販されているジノニルフェノールリン酸エステル界面活性剤とを含んでいる。亜鉛合金の平均粒度は、望ましくは約３０μｍと３５０μｍとの間である。アノードにおける亜鉛の嵩密度（アノード空隙率）は、アノード１立方センチメートル当たり約１．７５ｇと２．２ｇとの間である。アノード内の電解水溶液の容量％は、好ましくは、アノードの約６９．２容量％と７５．５容量％との間である。電池は、ＭｎＯ２のｍＡ−ｈｒ容量（ＭｎＯ２１グラム当たり３０８ｍＡ−ｈｒを基準とする）を亜鉛合金のｍＡ−ｈｒ容量（亜鉛合金１グラム当たり８２０ｍＡ−ｈｒを基準とする）で除算したものが約１となるように、従来の方式で平衡化され得る。
セパレータ１３０は、セルロース系材料からなる従来のイオン多孔質セパレータであり得る。セパレータは、セルロース系繊維又はポリビニルアルコール系繊維の不織布材料の内層と、セロハンの外層とを有していてもよい。そのような材料は、単に説明のためのものであり、本発明を制限することを意図したものではない。ガス発生の抑制を助けるために、集電体８０は、黄銅、好ましくはスズメッキ付き又はインジウムメッキ付きの黄銅である。
本発明について、特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明の構想内で変型が可能であることは理解されるべきである。したがって、本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されることを意図されないが、本発明の範疇は、特許請求の範囲及びその等価物によって定義される。

Claims (10)

  1. 開放端部と、対抗する閉鎖端部と、それらの間の側壁部とを有するハウジングと、前記ハウジングの前記開放端部に挿入されて前記開放端部を閉じる絶縁封止プラグとを備える電気化学電池であって、正極端子と、負極端子と、アルカリ水溶液電解質とを有し、前記絶縁封止プラグが、ポリエーテルウレタン材料を含む電気化学電池。
  2. 前記絶縁封止プラグが、ポリテトラメチレンエーテルウレタン材料を含む、請求項１に記載の電池。
  3. 前記絶縁封止プラグが、その絶縁封止プラグを貫通する細長い導電性の集電体を有し、前記集電体が、電池端子と電気的に接触している、請求項１に記載の電池。
  4. 前記ハウジングが、前記電池の内部に面する表面を有し、前記絶縁封止プラグが、前記ハウジングの表面の一部分に接触する周囲縁部を備え、封止塗膜が、前記封止プラグの前記周囲縁部と前記ハウジングの表面との間に施されていない、請求項７に記載の電池。
  5. 前記ポリエーテルウレタンがゴム弾性熱可塑性材料である、請求項１に記載の電池。
  6. 前記ゴム弾性熱可塑性材料が、約２００％を超える極限伸び率を有する、請求項５に記載の電池。
  7. 前記ポリエーテルウレタン材料が、ナイロン６６の極限引張強さ未満の極限引張強さ、及び２００％を超える極限伸び率を有する、請求項１に記載の電池。
  8. 前記絶縁封止プラグが、ポリテトラメチレンエーテルウレタン材料を含む、請求項１に記載の電池。
  9. 前記ポリテトラメチレンエーテルウレタン材料が、ポリテトラメチレングリコールとジイソシアネートとの反応生成物から形成される、請求項８に記載の電池。
  10. 前記絶縁封止プラグが、一体に形成された薄肉の部分を内部に備え、前記薄肉の部分が、電池内のガス圧力が上昇すると破裂する破裂可能な膜を形成し、前記破裂可能な膜が、ポリエーテルウレタン材料を含む、請求項１に記載の電池。
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