JP2010528445A - 携帯電話バッテリーに採用可能な空気亜鉛電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、空気亜鉛電池の製造方法及びその方法に従って製造された空気亜鉛電池に関する。空気亜鉛電池は、電池の封止体として機能するカップと、電池の正極として機能し、カップの上部に貼着されるフィルムであって、第１表面は疎水性であり、カップと接する第２表面はイオン透過性を有するフィルムと、電池の負極として機能する亜鉛ゲルであって、カップと封止体との間に充填される亜鉛ゲルと、を備える。空気亜鉛電池の製造方法は、中央部が下方に凹陥された形状であり、電池の封止体として機能するカップを用意するステップと、電池の正極として機能するフィルムをカップ上に貼着するステップと、カップとフィルムとの間の空間に電池の負極として機能する亜鉛ゲルを充填するステップと、を含む。
Description
本発明は、空気亜鉛電池の製造方法及びその方法に従って製造された空気亜鉛電池に係り、例えば、携帯電話バッテリーなどに採用可能な直方体形状の空気亜鉛電池に関する。
従来、電気機器への電力供給手段として電池が汎用されていた。従来には、電池として、マンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池、空気亜鉛（zinc-air）電池などの１次電池と、ニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル水素（Ｎｉ−Ｈ）電池、リチウムイオン電池などの２次電池が使用された。これらの中で、空気亜鉛電池は、１．４Ｖの相対的に高い電圧を提供し、エネルギー密度が高く、しかも、放電容量が大きいというメリットを有する。また、電池の放電が完了するまでほとんど一定の放電特性を示して、重金属を含有するためその使用が忌避されている水銀電池に代えうる乾電池であると考えられている。
図１は、従来のボタン型空気亜鉛電池の断面図である。図１を参照すると、従来のボタン型空気亜鉛電池は、正極としての膜１０と負極としての亜鉛ゲル１６を備え、膜１０と亜鉛ゲル１６との間にはセパレーター１２が挟み込まれている。そして、膜１０と亜鉛ゲル１６はそれぞれ導電性の正極缶１８と負極缶２０内に収納されて電池を構成する。
膜１０は水分子を含んでいる透過性の膜であって、空気中の酸素と接触して水酸化イオン（ＯＨ-）を発生させる。この反応は、下記の化学式により表わされる。
上記の反応において、電子は正極缶１８を介して供給される。膜の材質としては、通常 、炭素を多用するが、所要電圧又は応用分野に応じて適切な材料を使用することができる。
このように、 正極における反応に酸素が必要とされるため、正極は空気と接触可能な経路を有していなければならず、これにより、正極缶１８の下部には空気孔１４が形成される。空気孔１４は電池を使用しないときには封止されて正極における反応を抑制する。
上述した化学反応により発生された水酸化イオンは、セパレーター１２を介して負極としての亜鉛ゲル１６に伝達される。セパレーター１２は、水酸化イオンに対しては透過性を有する一方、亜鉛ゲル１６が漏れることを防ぐと共に、亜鉛ゲル１６と膜１０を絶縁する機能を有する。
亜鉛ゲル１６は亜鉛粉末を主として含み、添加剤と電解質が混合される。通常、電解質としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液が使用される。水酸化イオンが亜鉛ゲル１６内に伝達されると、亜鉛粉末が水酸化イオンと反応して酸化される。この反応は、下記の化学式により表わされる。
この反応によって負極において電子が発生し、発生された電子は負極缶２０を介して伝達される。このような化学反応により、理論的には最大１．６５Ｖの電圧が発生可能である。
このような空気亜鉛電池は、電圧、エネルギー密度、放電容量、放電特性などの側面から有利な性質を有しているが、従来の空気亜鉛電池の使用分野は補聴器、カメラなど特殊の分野に制限されており、特に、負極において発生された電子を正極に伝達するための正極缶１８及び負極缶２０による封止が必須であるため、ボタン型の電池として販売されるだけであり、移動式端末又は携帯電話のバッテリーなどに採用可能な形態、好ましくは、直方体形状には製造されなかった。
従って、上記のような有利な性質を有している空気亜鉛電池を携帯電話バッテリーなどに採用可能な形状に製造する方法が望まれる。すなわち、正極と負極との間の電子伝達に必須的であるとはいえ、従来の空気亜鉛電池をボタン型にしか製造することができなかった問題である正極缶１８と負極缶２０による封止をなくす方法の開発が望まれる。
本発明は上述した問題を解消するためになされたものであり、その目的は、空気亜鉛電池において、封止体として機能するカップの上に正極として機能するフィルムを積層して前記カップとフィルムとの間に負極として機能する亜鉛ゲルを充填することにより、空気亜鉛電池の封止を効率よく行うと共に、電子移動路として端子を利用することにより、空気亜鉛電池の製造に際して正極缶１８と負極缶２０による封止を排除して、結果的に空気亜鉛電池を携帯電話バッテリーなどに採用可能な形状に製造する方法及びその方法により製造された空気亜鉛電池を提供するところにある。
上述した目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、 電池の封止体として機能するカップと、電池の正極として機能し、カップの上部に貼着されるフィルムであって、第１表面は疎水性であり、カップと接する第２表面はイオン透過性を有するフィルムと、電池の負極として機能する亜鉛ゲルであって、カップと封止体との間に充填される亜鉛ゲルと、を備える空気亜鉛電池が提供される。
好ましくは、空気亜鉛電池は、亜鉛ゲルから電池の外部に引き出されて、亜鉛ゲルにおける化学反応により発生される電子を輸送する負極端子と、正極として機能するフィルムにおいて化学反応が起こるように外部からフィルムに電子を供給する正極端子と、をさらに備えることができる。
ここで、フィルムの第１表面は疎水性のテフロン（登録商標）膜であり、第２表面はイオン透過性を有するポリプロピレンであることが好ましい。
また、カップはポリプロピレン材質であることが好ましい。
一方、フィルムは金属網目を含む多層構造であり、正極端子は、フィルムの一方の端において金属網目の上端に位置する層が除去されて金属網目が露出された部分であることができる。
また、好ましくは、負極端子は、Ｓ字状又はＣ字状に折り曲げられた形状である。
上述した目的を達成するために、本発明の他の実施形態によれば、中央部が下方に凹陥された形状であり、電池の封止体として機能するカップを用意するステップと、電池の正極として機能するフィルムであって、第１表面は疎水性であり、第２表面はイオン透過性であるフィルムを、第２表面がカップと接するようにしてカップ上に貼着するステップと、カップとフィルムとの間の空間に電池の負極として機能する亜鉛ゲルを充填するステップと、を含む空気亜鉛電池の製造方法が提供される。
好ましくは、空気亜鉛電池の製造方法は、亜鉛ゲルにおいて発生する電子を輸送するための負極端子を亜鉛ゲルに挿入して電池の外部に引き出すステップと、フィルムに電子を供給するための正極端子を形成するステップと、をさらに含む。
好ましくは、正極端子を形成するステップは、フィルムの一方の端において金属網目の上端に位置する層を除去して金属網目が露出されるようにするステップを含む。
貼着するステップは、熱融着、超音波融着又は接着剤による接着により行われることが好ましい。
フィルムを包囲可能な形状にカップの周縁部を折り曲げて、フィルムがカップの周縁部に陥入されるようにするステップをさらに含むことができる 。
ここで、好ましくは、カップはフィルムの第２表面と同じ材質である。
また、好ましくは、空気亜鉛電池の製造方法は、負極端子をＳ字状又はＣ字状に折り曲げるステップをさらに含む
本発明によれば、空気亜鉛電池を、所望の形状、例えば、携帯電話バッテリーに採用可能な直方体形状に形成することができる。
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態を詳述する。
図２は、本発明の一実施形態による空気亜鉛電池の断面図である。空気亜鉛電池は、封止体として機能するカップ２２と、カップ２２の上部に融着又は接着され、化学式１の反応を引き起こす空気正極として機能するフィルム２０と、カップ２２とフィルム２０との間に充填されて化学式２の反応を引き起こす負極としての亜鉛ゲル２６とを備える。
カップ２２は、中央部が下方に凹陥された形状又は長方形の皿状であり、カップ２２の凹陥の度合いはカップ２２とフィルム２０との間に充填される亜鉛ゲル２６の量を考慮して適切に調節することができる。
また、空気亜鉛電池は、亜鉛ゲル２６から電池の外部に引き出される負極端子２４、及びフィルム２０から延びる正極端子２５を備える。フィルム２０は、図２及び図５に示すように、正極端子２５を形成可能な形状に製造され、正極端子２５についての説明は後述する。負極端子２４は、化学式２の反応により発生する電子を亜鉛ゲル２６が充填されている部分から電池の外部に輸送し、正極端子はフィルム２０において化学式１の反応が起こるように電子を電池の外部からフィルム２０に輸送する。空気亜鉛電池において、通常、亜鉛ゲル２６は、カップ２２とフィルム２０との間の空間に完全にに充填されることはできないが、この理由から、負極端子２４は、流動性を有する亜鉛ゲル２６と接しなくなる可能性がある。このため、空気亜鉛電池の内部に挿入された負極端子２４をＳ字状又はＣ字状に折り曲げて流動性を有する亜鉛ゲル２６がいかなる状態にあるかとは無関係に常に亜鉛ゲル２６と接触できるようにすることが好ましい。
本発明に係る空気亜鉛電池において、正極として機能するフィルム２０としては、図４に示すフィルムが使用される。正極フィルムは、亜鉛ゲル３００とその他の要素を分離するセパレーター３５０と、空気中の酸素と反応して化学式１の反応を引き起こす触媒層３３０及び金属網目３２０と、二酸化炭素の吸収を防止して電池寿命を延ばすために配置される疎水性膜３１０と、を備える。触媒層３３０とセパレーター３５０は、接着剤３４０により接着される。一般的に、セパレーター３５０としては、イオン透過性を有する材質、例えば、ポリプロピレン材質を使用し、疎水性膜３１０としては、テフロン（登録商標）材質を使用する。なお、触媒層３３０は、主として炭素材質である。
図４に示すフィルムにおいて、疎水性膜３１０は不活性特性を有するために他の物質との接合が極めて困難であるのに対し、セパレーター３５０は接合し易いという特性を有する。このため、このような特性を用いて、図２に示すように、カップ２２の上にフィルム２０のセパレーター３５０を接触させて接着効果を増大させることができ、接着方法としては、熱融着、超音波融着又は接着方式が利用可能である。このようなカップ２２としては、セパレーター３５０と同じ物質、すなわち、ポリプロピレンが使用可能であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、プラスチック、樹脂などセパレーター３５０の材質を考慮して封止に適した高分子物質を使用することができる。
また、図４に示すフィルムにおいて、金属網目３２０は導電性物質であって、フィルム２０において起こる化学反応により生成された電子の移動経路になりうる。このため、図２及び図４に示すように、正極端子２５が形成できるように適切な形状に製造されたフィルム２０の一方の端において疎水性膜３１０を除去して金属網目３２０が露出できるようにして、露出された金属網目３２０を正極端子２５として活用することができる。
一方、空気亜鉛電池は、カップ２２及び上部に形成されるフィルム２０を包囲するケース（図示せず）をさらに備えることができ、この場合、ケースには空気の流通のための開口が形成されてフィルム２０が空気と接触して化学式１の化学反応を引き起こすようにする必要がある。また、ケースは、負極端子２４及び正極端子２５が外部に引き出されるように形成される必要がある。
次に、図３に基づき、本発明の他の実施形態による空気亜鉛電池を説明する。この空気亜鉛電池においては、カップ２２の周縁部が広く製造されてフィルム２０を包囲できるように形成され、このような構成により、カップ２２とフィルムとの間の接着力が一層向上する。図３に示す空気亜鉛電池において、上述したカップ２２の形状を除く全ての構成は、図２に基づいて説明した本発明の一実施形態と実質的に同様であるため、これについての説明は省く。また、図３には、カップ２２がフィルム２０を包囲する形状しか図示されていないが、逆に、フィルム２０の面積をカップ２２の平面積よりも大きくしてフィルム２０の周縁部を折り曲げてカップ２２を包囲するような方式も採用可能である。
上述したように、本発明に係る空気亜鉛電池は、中央部が下方に凹陥された直方体状の皿状のカップ２２の上部にフィルム２０が積層されるだけで、空気亜鉛電池の完全な封止を達成することができて、封止をより効率よくしかも容易に達成することができる。従来の空気亜鉛電池は、封止し難さにより特定の形状にしか製造できなかったものの、本発明はこのような封止し難さを解消することにより、所望の形状の空気亜鉛電池を製造可能にする。
一方、本発明に係る空気亜鉛電池は、正極及び負極における化学反応に求められる電子移動路として負極端子２４及び正極端子２５を利用することにより、従来より空気亜鉛電池において電子移動路として使用されてきた正極缶１８及び負極缶２０の使用を排除して電池の全体的な形状を携帯電話バッテリーに採用可能な直方体の形状にすることができる。
次に、図２に基づき、本発明の一実施形態による空気亜鉛電池の製造方法を説明する。先ず、空気亜鉛電池の封止体として機能するカップ２２を用意する。カップ２２の形状は、中央部が凹陥された形状であっても、長方形の皿状であってもよい。このとき、カップ２２の下方に凹陥された部分には電池の負極として機能する亜鉛ゲル２６が充填されるため、充填される亜鉛ゲル２６の量を考慮してカップ２２を形成する。
その後、カップ２２の下方に凹陥された部分に電池の負極として機能する亜鉛ゲル２６を充填する。亜鉛ゲル２６の量は、カップ２２の上にフィルム２０を貼着したときにできる空間を完全に埋めない程度に調節する。
次に、亜鉛ゲル２６に負極端子２４を挿入し、カップ２２の上にフィルム２０を貼着する。このとき、フィルム２０の疎水性膜（３１０、図４）が上側、セパレーター３５０が下側、すなわち、カップ２２と接する部分にくるようにし、負極端子２４がカップ２２とフィルム２０との接触部分を介して亜鉛ゲル２６から外部に引き出されるようにする。また、上述したように、負極端子２４が流動性の亜鉛ゲル２６と接さなくなる可能性を排除するために、負極端子２４をＳ字状又はＣ字状に折り曲げることが好ましい。これらのカップ２２とフィルム２０のセパレーター３５０とを接合する方式として、熱融着、超音波融着又は接着剤による接着方式が利用可能である。カップ２２の材質は、フィルム２０内において下側に位置するセパレーター３５０と同じ材質であってもよいが、これに限定されるものではなく、接合されるセパレーター３５０の材質を考慮して、接合し易い物質が選択されることが好ましく、ポリプロピレンなどの高分子物質を選択すると、熱又は超音波融着により封止効果を一層増大することができる。
具体的に、熱融着は、ヒーターを用いてカップ２２を加熱することにより接着を行うような方式である。また、超音波による融着は、適切な形状の治具を製造してカップ２２及びフィルム２０を固定し、超音波融着装備により融着を行うような方式である。一方、接着剤による接着方式は、カップ２２の周縁部、すなわち、フィルム２０と接合される部分に接着剤を塗り付けた後、フィルム２０を貼着するような方式であり、接着剤の代わりに接着テープを使用することもできる。
カップ２２とフィルム２０との接合に際しては、上記に列挙した方法の他にも様々な接合方法が利用可能であり、当業者が公知の接合方法を容易に選択して本発明に採用することができるであろう。
一方、図３に示すように、空気亜鉛電池の製造に際して、カップ２２の周縁部が広く製造された場合には、その周縁部を折り曲げてフィルム２０が凹陥できるようにする工程がさらに行われてもよい。この工程をさらに行うことにより、フィルム２０とカップ２２との間の接合力を一層増強することができる。また、図３には、カップ２２がフィルム２０を包囲するような方式しか示されていないが、逆に、フィルム２０の面積をカップ２２の平面積よりも大きく形成してフィルム２０の周縁部を折り曲げてカップ２２を包囲するような方式も採用可能である。
このように、本発明に係る空気亜鉛電池の製造に際しては、中央部が下方に凹陥された長方形皿状のカップ２２の上部にフィルム２０を積層するだけで容易に電池の完全な封止を達成することができて、封止し難さに起因して特定の形状にしか電池を製造できなかった従来の技術の問題を解消して所望の形状の空気亜鉛電池を製造可能にする。
次に、フィルム２０における化学反応のために電子を供給するための正極端子２５を形成する。正極端子２５は正極端子として使用されるフィルム２０の一方の端において疎水性膜３１０を引き剥がして金属網目３２０を露出させることにより形成される。負極端子２４及び正極端子２５は、後続して形成される空気亜鉛電池のケース（図示せず）の外部に引き出されうる。
このように、正極及び負極における化学反応に求められる電子移動路として負極端子２４及び正極端子２５を利用することにより、正極缶１８及び負極缶２０の使用を排除することができ、これにより、空気亜鉛電池の所望の形状、具体的には、携帯電話バッテリーに採用可能な直方体形状に形成することができる。
以上、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは単なる例示に過ぎず、本発明はこれに制限されない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく説明された実施形態を変更又は変形することができ、このような変更又は変形も本発明の範囲に属する。例えば、この明細書においては、直方体形状の空気亜鉛電池及び電池の製造方法について明示したが、電池の形状はこれに限定されず、当業者であれば、本発明を利用して所望の形状の電池を容易に製造することができるであろう。なお、この明細書において説明した各構成要素の材質は当業者が公知の様々な材質から容易に選択して代替することができる。また、当業者は、この明細書において説明された構成要素のうち一部を性能の劣化なしに省略したり、性能を改善するために構成要素を追加したりすることができる。加えて、当業者は、工程環境や装備によってこの明細書において説明した方法段階の順序を変更することもできる。よって、本発明の範囲は説明された実施形態ではなく、特許請求の範囲及びその等価物により決定されるべきである。
Claims (14)
- 電池の封止体として機能するカップと、
電池の正極として機能し、前記カップの上部に貼着されるフィルムであって、第１表面は疎水性であり、前記カップと接する第２表面はイオン透過性を有するフィルムと、
電池の負極として機能する亜鉛ゲルであって、前記カップと封止体との間に充填される亜鉛ゲルと、
を備える、空気亜鉛電池。 - 前記亜鉛ゲルから電池の外部に引き出されて、前記亜鉛ゲルにおける化学反応により発生される電子を輸送する負極端子と、
正極として機能する前記フィルムにおいて化学反応が起こるように外部から前記フィルムに電子を供給する正極端子と、
をさらに備える、請求項１に記載の空気亜鉛電池。 - 前記第１表面はテフロン（登録商標）材質であり、前記第２表面はポリプロピレン材質である、請求項１に記載の空気亜鉛電池。
- 前記カップはポリプロピレン材質である、請求項１に記載の空気亜鉛電池。
- 前記カップは前記フィルムの第２表面と同じ材質である、請求項１に記載の空気亜鉛電池。
- 前記フィルムは金属網目を含む多層構造であり、
前記正極端子は、前記フィルムの一方の端において前記金属網目の上端に位置する層が除去されて前記金属網目が露出された部分である、請求項２に記載の空気亜鉛電池。 - 前記負極端子は、Ｓ字状又はＣ字状に折り曲げられた形状を有する、請求項１に記載の空気亜鉛電池。
- 中央部が下方に凹陥された形状であり、電池の封止体として機能するカップを用意するステップと、
電池の正極として機能するフィルムであって、第１表面は疎水性であり、第２表面はイオン透過性であるフィルムを、前記第２表面が前記カップと接するようにして前記カップ上に貼着するステップと、
前記カップと前記フィルムとの間の空間に電池の負極として機能する亜鉛ゲルを充填するステップと、
を含む、空気亜鉛電池の製造方法。 - 前記亜鉛ゲルにおいて発生する電子を輸送するための負極端子を亜鉛ゲルに挿入して電池の外部に引き出すステップと、
前記フィルムに電子を供給するための正極端子を形成するステップと、
をさらに含む、請求項８に記載の空気亜鉛電池の製造方法。 - 前記フィルムは金属網目を含む多層構造であり、
前記正極端子を形成するステップは、前記フィルムの一方の端において前記金属網目の上端に位置する層を引き剥がして前記金属網目が露出されるようにするステップを含む、請求項９に記載の空気亜鉛電池の製造方法。 - 前記貼着するステップは、熱融着、超音波融着又は接着剤による接着により行われる、請求項８に記載の空気亜鉛電池の製造方法。
- 前記フィルムを包囲可能な形状に前記カップの周縁部を折り曲げて、前記フィルムがカップの周縁部に陥入されるようにするステップをさらに含む、請求項８に記載の空気亜鉛電池の製造方法。
- 前記カップは前記フィルムの第２表面と同じ材質である、請求項８に記載の空気亜鉛電池の製造方法。
- 前記負極端子をＳ字状又はＣ字状に折り曲げるステップをさらに含む、請求項８に記載の空気亜鉛電池の製造方法。
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