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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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