JP2012514838A - カソード活性物質用の不均一な導電性コーティング - Google Patents
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Abstract
カソード活性物質を含むカソードについて説明する。このカソード活性物質はコーティングすることができる。
Description
本発明は、電池、並びに、それに関連する構成要素及び方法に関する。
アルカリ電池のような電池は、電気エネルギー源として広く使用されている。一般に、電池は負極（アノード）及び正極（カソード）を有する。アノードは、酸化され得る活性物質（例えば、亜鉛粒子）を含有し、カソードは、還元され得る活性物質（例えば、二酸化マンガン）を含有する。アノードの活性物質は、カソードの活性物質を還元することができる。陽極の活性物質と陰極の活性物質とが直接反応するのを防止するために、電極はセパレータによって互いに電気的に分離される。
電池を電気エネルギー源として、携帯電話などのデバイス内で使用する場合、電極を電気的に接触させ、電子がデバイスを貫流するのを可能にし、それぞれ酸化反応及び還元反応を生じさせて、電力を提供する。電極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て、放電中の電池全体の電荷の均衡を維持する。
本発明は、電池、並びに、それに関連する構成要素及び方法に関する。本発明の電池は、不均一なコーティングを有するカソード活性物質を含む。不均一にコーティングされたカソード活性物質は、比較的高い含水率（例えば水分）を有することができる。驚くべきことに、これらのカソード活性物質の特徴の１つ以上はカソード活性物質の性能を、均一にコーティングされたカソード物質、及び／又は、含湿率が比較的低いカソード物質と比べて向上させることができる。カソード活性物質の合成中、水酸化アルカリをゆっくり加えると、性能の向上したカソード活性物質を更にもたらすことができる。例えば、いくつかの実施形態では、不均一にコーティングされたカソード活性物質の場合、デジタルカメラ試験において、電池性能が、完全にコーティングされた市販の物質と比べて５０％〜１１０％（例えば、６０％〜１００％、５０％〜１００％、５０％〜９０％、５０％〜７０％、又は５０％〜６０％）向上するのを観察することができる。
１つの態様では、本発明は、カソード活性物質を含むカソードを備える電池を特色とする。このカソード活性物質は、最大５０パーセントのコーティングされた表面積及び少なくとも４オームセンチメートルの低効率を有するコーティングされたオキシ水酸化ニッケルと、アノードと、セパレータと、電解質と、を含む。
別の態様では、本発明は、コバルト１重量％当たり２４オームセンチメートル〜コバルト１重量％当たり２オームセンチメートルのコバルトコーティング百分率に対する粉体抵抗率を有するオキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルを含むカソードを特色とする。
更に別の態様では、本発明は、カソード活性物質を作製する方法であって、水酸化ニッケルと硫酸コバルトと過硫酸ナトリウムとの混合物を得る工程と、水酸化ニッケルに対して最大で毎分２モルパーセントの速度で水酸化アルカリを加える工程と、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルを単離する工程と、を含む方法を特色とする。
更なる態様では、本発明は、カソード活性物質を含むカソードを備える一次電気化学セルを１度だけ放電させる工程を含む方法を特色とする。このカソード活性物質は、最大６０％のコーティングされた表面積及び少なくとも４オームセンチメートルの抵抗率を有するコーティングされたオキシ水酸化ニッケルと、アノードと、セパレータと、電解質とを含み、セルを再充電することなくセルを配置することを含む。
実施形態は、１つ以上の以下の特徴を含み得る。
いくつかの実施形態では、このコーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、少なくとも５０％のコーティングされていない表面積を有する。コーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、４パーセント〜７パーセント（例えば５パーセント〜５．７パーセント）の含湿率を有することができる。
いくつかの実施形態では、コーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、オキシ水酸化コバルトでコーティングされている。このコーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、最大で３重量パーセントのオキシ水酸化コバルトコーティングを有することができる。いくつかの実施形態では、オキシ水酸化コバルトコーティングは、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルで２．０重量パーセント〜２．５重量％のコバルト含有率を有する。
いくつかの実施形態では、カソードは更に、二酸化マンガン（例えば電解二酸化マンガン）、酸化銀、ニッケル酸銀、銀銅酸化物、過マンガン酸銀、過マンガン酸バリウム、マンガン酸バリウム、及び／又はバリウムフェライトのようなカソード活性物質を含む。
いくつかの実施形態では、コーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、１５オームセンチメートル〜４オームセンチメートルの粉体抵抗率を有する。コーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、５９％〜６９．６％の高レートの放電（すなわちデジタルカメラによるシミュレーション）効率を有することができる。オキシ水酸化コバルトでコーティングされた水酸化ニッケルを組み立てて電池にすることができる。この電池は、放電すると、１．０５Ｖにおいて少なくとも２５０〜２８０パルス、及び／又は１．０５Ｖにおいて最大で３８０パルスをもたらすことができる。この電池は単３電池であることができる。
いくつかの実施形態では、アノードはアノード活性物質を含み、カソード活性物質のアノード活性物質に対するモル比は少なくとも１である。アノードは亜鉛を含むことができる。
いくつかの実施形態では、水酸化アルカリは、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、及び／又は水酸化カリウムである。本発明の方法は更に、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルを含湿率レベル５〜５．７パーセントまで乾燥させる工程を含むことができる。
実施形態では、以下の利点の１つ以上を挙げることができる。
いくつかの実施形態では、デジタルカメラ試験において、不均一にコーティングされたＮｉＯＯＨの場合の電池性能が、完全にコーティングされた市販の物質の場合と比べて５０％〜１１０％（例えば、６０％〜１００％、５０％〜１００％、５０％〜９０％、５０％〜７０％、又は５０％〜６０％）向上するのを観察することができる。いくつかの実施形態では、デジタルカメラ試験において、本開示の不均一にコーティングされたＮｉＯＯＨの場合の電池性能が、完全にコーティングされた市販の物質の場合と比べて少なくとも５０％（例えば、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも９０％、若しくは最大で１００％）、及び／又は最大で１１０％（例えば、最大で１００％、最大で９０％、最大で７０％、若しくは最大で６０％）向上するのを観察することができる。
いくつかの実施形態では、不均一なコーティングが、電池電解液との副反応を軽減し、及び／又は、粒子の伝導度を向上させることができる。カソード活性物質の粒子上の不均一なコーティングが、粒子間の接続性を向上させることができる一方で、粒子の露出表面及び開放表面によって、放電が比較的妨害されなくなる。いくつかの実施形態では、不均一なコーティングは高レートの容量送達を向上させ、長期間にわたり高温で保管しても、この高レートの容量送達を保つことができる。
いくつかの実施形態では、不均一にコーティングされたカソード活性物質は凝集粒子を含み、２つ以上の粒子が、粒子の表面上のコーティングによって連結されるようになっている。この凝集は、粒子間の接続性を向上できると共に、高レートの容量送達を向上できる。
いくつかの実施形態では、比較的高い水分レベルによって、デジタルカメラ性能を向上させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、５〜５．７重量パーセントの含水率によって、カソード活性物質のデジタルカメラ性能を約１０〜１５パーセント向上させることができる。
いくつかの実施形態では、不均一なコーティングとカソード活性物質中の含水率の複合効果の結果、相乗効果を発生させることができ、その複合効果による性能の向上は、個々の効果による性能の向上を合わせた効果よりも大きい。
いくつかの実施形態では、本発明のカソード活性物質は、理論的容積の少なくとも５５パーセント（例えば、少なくとも５７％、少なくとも６０％、若しくは少なくとも６５％）、及び／又は最大で７０パーセント（例えば、最大で６５％、最大で６０％、最大で５７％）の高レートの放電効率を有する。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質の合成中に、水酸化アルカリ（例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム）をゆっくり加えると、向上した性能（例えばデジタルカメラ性能）を有するカソード活性物質が得られる。
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を添付図面及び以下の説明に示す。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになる。
図１を参照すると、電池又は電気化学セル１０は、カソード１２と、アノード１４と、カソード１２及びアノード１４の間のセパレータ１６と、電流コレクタ２０とを収容する円筒状ハウジング１８を有する。カソード１２は、カソード活性物質を含み、アノード１４は、アノード活性物質を含む。電池１０は、シール２２及び金属トップキャップ２４（これは、電流コレクタ２０と共に、電池のマイナス端子として機能する）も含む。カソード１２は、ハウジング１８に接触しており、電池１０の正極は、負極の反対側の電池の末端部にある。電解質は、電池１０全体に分散されている。
カソード１２は、１種以上のコーティングされたカソード活性物質と、１種以上の導電性添加物と、任意で結合剤とを含む。カソード活性物質の例としては、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）のようなニッケルを含むカソード活性物質が挙げられる。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、γ−オキシ水酸化ニッケル、並びに／又は、β−オキシ水酸化ニッケル及びγ−オキシ水酸化ニッケルの固溶体を挙げることができる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のような酸化マンガンを含む。二酸化マンガンは、電解合成のＭｎＯ２（ＥＭＤ）、化学合成のＭｎＯ２（ＣＭＤ）、又はＥＭＤとＣＭＤ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には、Ｋｅｒｒ−ＭｃＧｅｅ Ｃｏｒｐ．（例えば、Ｔｒｏｎａ Ｄ及びｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ＥＭＤの製造会社）、東ソー株式会社、Ｄｅｌｔａ Ｍａｎｇａｎｅｓｅ、Ｄｅｌｔａ ＥＭＤ Ｌｔｄ、三井化学株式会社、ＥＲＡＣＨＥＭ、ＪＭＣが挙げられる。特定の実施形態では、カソード１２は、約８０重量％〜約８８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。
カソード活性物質のその他の例としては、酸化銅（例えば、酸化銅（ＣｕＯ）、亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ））、水酸化銅（例えば、水酸化第二銅（Ｃｕ（ＯＨ）２）、水酸化第一銅（Ｃｕ（ＯＨ）））、ヨウ素酸銅（Ｃｕ（ＩＯ３）２）、ＡｇＣｕＯ２、ＬｉＣｕＯ２、Ｃｕ（ＯＨ）（ＩＯ３）、Ｃｕ２Ｈ（ＩＯ６）、銅含有金属酸化物若しくはカルコゲニド、ハロゲン化銅（例えば、ＣｕＣｌ２）、及び／又は銅マンガン酸化物（例えば、Ｃｕ（ＭｎＯ４）２）が挙げられる。酸化銅は、化学量的（例えばＣｕＯ）であることも、非化学量的（例えばＣｕＯｘ、０．５≦×≦１．５）であることができる。カソード活性物質の別の例は、Ｃｕ６ＩｎＯ８Ｃｌである。
カソード活性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を含むカソード活性物質が挙げられる。
ある実施形態においては、カソード１２は、多孔質であり得る。多孔質カソードとしては、例えば、１つ以上の上記カソード活性物質（例えば、ＥＭＤ、ＮｉＯＯＨ）を挙げることができる。
カソード活性物質は粒子の形であることができる。各粒子は、ある量の保護用表面コーティングでコーティングすることができる。このコーティングは、電池電解液との副反応を軽減するのを助けることができ、及び／又は、粒子の伝導度を向上させることができる。この保護用表面コーティングは、オキシ水酸化コバルト、四酸化三コバルト、水酸化炭酸コバルト、及び／又は水酸化コバルトを含むことができる。
従来の均一なコーティングとは対照的に、カソード活性物質の粒子上の保護用コーティングは不均一であることができる。いくつかの実施形態では、この粒子上の不均一なコーティングが粒子間の接続性を向上させる一方で、粒子の露出表面及び開放表面によって、放電が比較的妨害されなくなる。従来、粒子の表面を完全にコーティングすると、電池電解液への暴露から粒子を保護できると共に、電解液との接触による自己放電から粒子を隔離できると考えられている。具体的には、カソード活性物質は、経時的に自己防衛できると共に、例えばＮｉ（ＯＨ）２の絶縁層（この絶縁層は、カソード活性物質の寿命を延長できると共に、自己放電からカソード活性物質を保護できる）を得ることができると考えられている。しかし、驚くべきことに、不均一なコーティングはむしろ、高レートの容量送達を向上させ、長期間にわたり高温で保管しても、この高レートの容量送達を保つことができることが観察されている。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質の粒子は、不均一なコーティング中の遷移金属（例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｚｎ）の平均量を有する。粒子群の遷移金属の平均量は、その粒子群の重量ベースで最大で３重量パーセント（例えば、最大で２．５重量パーセント、最大で２重量パーセント、若しくは最大で約１重量パーセント）、及び／又は少なくとも０．５重量パーセント（例えば、少なくとも１重量パーセント、少なくとも２重量パーセント、若しくは少なくとも重量２．５パーセント）であることができる。不均一なコーティングは、比較的厚いコーティング材突出部を有する粒子上の区域を形成できる一方で、粒子上の他の区域は、比較的薄いコーティング材層を有することができるか、又は、コーティング材を実質的に有さないことができる。
いくつかの実施形態では、粒子は凝集されていて、２つ以上の粒子が粒子の表面上のコーティングによって連結されて、粒子の集合体を形成するようになっている。この粒子の凝集は、粒子間の接続性を向上させることができると共に、高レートの容量送達を向上させることができる。粒径分析器（例えばＳｙｍｐａｔｅｃ Ｇｍｂｈ製のレーザー回折粒径分析器）を用いて、粒子の凝集、及び／又は、コーティングされた粒子若しくは粒子集合体の平均サイズを測定することができる。測定中、ある量の粒子を溶液に加えて懸濁液をもたらすことができると共に、粒子濃度を調節して、約２０％のレーザー光線を粒径分析器内の検出器から遮断する。光散乱法を用いて、粒子又は粒子集合体の平均サイズ分布を割り出すことができる。
粒子は、総平均粒子表面積の最大で５０％（例えば、最大で４０パーセント、最大で３０パーセント、最大で２０パーセント、若しくは最大で１０パーセント）、及び／又は少なくとも５パーセント（例えば、少なくとも１０パーセント、少なくとも２０パーセント、少なくとも３０パーセント、若しくは少なくとも４０パーセント）の平均コーティング表面積を有することができる。いくつかの実施形態では、粒子は、少なくとも５０パーセント（例えば、少なくとも６０パーセント、少なくとも７０パーセント、少なくとも８０パーセント、若しくは少なくとも９０パーセント）、及び／又は、最大で９９パーセント（例えば、最大で９０パーセント、最大で８０パーセント、最大で７０パーセント、若しくは最大で６０パーセント）の平均露出表面積を有することができる。
いくつかの実施形態では、Ｈｉｔａｃｈｉ Ｓ−５２００ ＳＥＭ／ＳＴＥＭのような走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で、３ｋＶの印加管電圧と２０マイクロアンペアのチップ電流を用いて、所与の粒子のサイズと被覆率（％）を割り出すための粒子の画像化を行うことができる。例えば、多くの粒子をランダムに選択し、５，０００倍（例えば３，０００倍、２，０００倍、又は１，０００倍）の倍率で画像化することができる。各粒子の最大直径をデジタル定規で測定できると共に、コーティング領域の面積率（％）を割り出すことができる。例えば、測定した直径の約６０％を粒子の中心で選択して、基材粒子の形態が原因の可能性があるエッジ変動を軽減できる。続いて、なげなわツール（例えば、Ａｄｏｂｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ（登録商標）のもの）で表面堆積物の輪郭を描くことによって、表面堆積物を手動で選択でき、ソフトウェアを用いて、選択したコーティング区域の色を黒くすることができると共に、非コーティング区域の色を白くすることができ、ソフトウェアツール（例えばＲｅｉｎｄｅｅｒ ＧｒａｐｈｉｃｓのＦｏｖｅａ Ｐｒｏ）を用いて、被覆区域を総粒子面積の比率（％）として算出することができる。いくつかの実施形態では、エネルギー分散分光法によって、粒子表面のコーティング区域と非コーティング区域の組成を定めることができる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質は、最大で１５オームセンチメートル（例えば、最大で１０オームセンチメートル、最大で８オームセンチメートル、若しくは最大で４オームセンチメートル）、及び／又は、少なくとも４オームセンチメートル（例えば、少なくとも５オームセンチメートル、少なくとも８オームセンチメートル、若しくは少なくとも１０オンスセンチメートル）の粒子の抵抗率を有することができる。例えば、カソード活性物質の粒子は、１３．２〜４．７オームセンチメートルの抵抗率を有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、約２重量パーセントのコーティングのコバルト含有率を有するカソード活性物質は、約６オームセンチメートルの抵抗率を有し、約２．４パーセントの不均一なコーティング中のコバルト含有率を有するカソード活性物質は、約５オームセンチメートルの抵抗値を有する。粒子の見かけ抵抗率は、粉末を２つの電極表面（０．７０４ｃｍ２）の間で２２６８ｋｇ（５０００ｌｂｓ）の力によって圧粉することによって測定する。続いて、精密なインピーダンス計（例えばＱｕａｄｔｅｃｈ ７４００、モデルＢインピーダンス計）で、１ボルト、２．５ｋＨｚの印加ＡＣ信号を用いて、圧粉粒子全体の実抵抗率を測定する。実抵抗率にピストン形電極の面積を乗じて、２２６８ｋｇ（５０００ポンド）の負荷力における電極間の距離で除することによって、実抵抗率を見かけ抵抗率に変換する。
いくつかの実施形態では、セルの分極を放電深度と共に観察することによって、コーティングされたカソード活性物質の抵抗率を評価する。例えば、負荷をかける前のセルの電圧を、放電中に負荷をかけてすぐの電圧と比較すると、セルの純抵抗率の測定値を得ることができる。電圧の急激な降下は、オシロスコープで測定することも、放電曲線から推測することもできる。理論に束縛されるものではないが、この測定は、消費度の関数としての材料の抵抗率と高い関連性があると考えられている。いくつかの実施形態では、同様の消費度（例えば約２時間）において、不均一にコーティングされた物質群の分極は、市販の完全にコーティングされたオキシ水酸化ニッケルの約１／２〜１／３である。分極の低下（例えば電圧降下）は、電池の耐用期間を延長することができる。
いくつかの実施形態では、電池は、抵抗率の低い粒子を含むことができ、及び／又は、放電中、粒子間の抵抗率を低く保持できる。理論に束縛されるものではないが、純粋な完全に帯電したＮｉＯＯＨ粒子は、完全に放電させると、抵抗率を約５．０オームｃｍ〜４．０×１０６オームｃｍ向上させることができると考えられる。導電路を活性物質マトリックス内に保持することによって、更に効率的な放電をもたらすことができると共に、均一にコーティングされており分散されている導電性粒子の代わりに、不均一にコーティングされた粒子の導電性架橋集合体（例えば、互いに接触し合っているか、又は互いに融合された粒子）を形成させると、抵抗率の低下と活用性の向上を得ることができると考えられる。
カソード活性物質の粒子は、ある量の水（例えば水分）を更に含むことができる。従来、例えば取り扱いやすくする目的で（例えば、圧縮の可能性を低下させることによって）、カソード活性物質（例えばオキシ水酸化ニッケル）の含水率は、１又は２重量パーセント未満に保たれる。驚くべきことに、比較的高い含水率レベルによってデジタルカメラ性能を向上させることができることが観察されている。例えば、いくつかの実施形態では、５〜５．７重量パーセントの含水率によって、カソード活性物質のデジタルカメラ性能を、基準の３１９枚の写真と比べて約１０〜１５パーセント（例えば、約１０〜１４パーセント、約１２〜１５パーセント、約１４パーセント、又は約１３．７パーセント）向上させることができる。しかしながら、特定の閾値を超える水分レベルでは、電池性能が低下することがある。理論に束縛されるものではないが、このような性能の低下は、カソード中で約１：４の体積比で水（密度１ｇ／ｍＬ）がＮｉＯＯＨ（密度４．１ｇ／ｍＬ）と置き換わることが原因であると共に、この置換によって、カソード活性材料が放電需要に対応できなくなるレベルまでＮｉＯＯＨの量が低下すると考えられる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質の含水率は、少なくとも４重量パーセント（例えば、少なくとも５重量パーセント、若しくは少なくとも６重量パーセント）、及び／又は、最大で７重量パーセント（例えば、最大で６重量パーセント、若しくは最大で５重量パーセント）である。例えば、含水率は４〜７重量パーセント（例えば、５〜６重量パーセント、４〜６重量パーセント、４〜５重量パーセント、又は５〜５．７重量パーセント）であることができる。理論に束縛されるものではないが、水はイオン伝達の媒体であると共に、放電中、カソードによって消費されると考えられる。いくつかの実施形態では、完全に水和したカソードによって、放電中、電極の全表面積を関与させることができ、それによって、カソード物質の局所的需要を軽減すると共に、最大利用率をもたらすことを助けることができると考えられる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質は、不均一なコーティングと、比較的高い含水率の両方を有する。不均一なコーティングと含水率の連携の結果、相乗効果を生むことができる。相乗効果は例えばＤｅａｂａｔｅ Ｓ．，Ｆｏｕｒｇｅｏｔ，Ｆ．，Ｈｅｎｎ，Ｆ．，（１９９９）Ｉｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．５，３７１〜３８４に記載されている。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質は、理論的容積の５５〜７５パーセント（例えば、５５〜７５パーセント、５７〜７０パーセント、５９〜７０パーセント、又は５９％〜６９．６％）の高レートの放電効率を有する。いくつかの実施形態では、カソード活性物質は、理論的容積の少なくとも５５パーセント（例えば、少なくとも５７％、少なくとも６０％、又は少なくとも６５％）、及び／又は最大で７０パーセント（例えば、最大で６５％、最大で６０％、最大で５７％）の高レートの放電効率を有する。本明細書で使用する場合、高レートの放電効率（例えば利用率（％））は、放電容量（模擬デジタルカメラ試験においてアンペアアワーで測定したもの）を理論的容量で除した値として定義する。理論的容量は、電池中の純粋なオキシ水酸化ニッケルの総重量に固有電気化学当量容量（１電子＝０．２９２ａｈｒｓ／ｇにおいて、交換された電子の数をオキシ水酸化ニッケルのグラム当量（ｇ）で除した値に、ファラデー数９６４８５アンペア秒／モル又は２６．８アンペア時／モルを乗じることによって得られる）を乗じた値である。実容量は、１．０５ボルトの終止電圧に達するのに必要な時間的間隔にわたる印加電流を積分することによって算出する（デジタルカメラ模擬試験の場合）。
いくつかの実施形態では、不均一にコバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルのような不均一にコーティングされたカソード活性物質は、水酸化ニッケルのような出発物質を温水（例えば約４５℃、約４０℃、又は約３５℃）中で攪拌してから、硫酸コバルトと過硫酸ナトリウムを加えることによって作製する。第１の部分の水酸化アルカリ（例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、及び／又は水酸化リチウム）をゆっくり加えることができ、続いて、溶液の温度を（例えば約２５℃、約２０℃まで）低下させながら第２の部分をゆっくり加えることができる。水酸化アルカリを完全に加えた後、その溶液を（例えば、約５０℃、約５５℃、約６０℃、約６５℃まで）加熱することができると共に、反応の完了まで、反応混合物を（例えば、約６時間、約１２時間、約２４時間、又は約４８時間）攪拌することができる。この反応混合物は、少なくとも１モルの水酸化ニッケルを含むことができる。
いくつかの実施形態では、水酸化ニッケル１モルにつき、反応混合物は、０．９１〜０．９９モル（例えば、少なくとも０．９１モル、少なくとも０．９３モル、若しくは少なくとも０．９５モル、及び／又は、最大で０．９９モル、最大で０．９５モル、若しくは最大で０・９３モル）のペルオキソ二亜硫酸カリウム又はペルオキソ二亜硫酸ナトリウムを含む。この反応混合物は、２．１〜２．３モルの水酸化アルカリを含むことができる。この反応混合物は、０．０４〜０．０７モル（例えば、少なくとも０．４モル、若しくは少なくとも０．０５モル、及び／又は、最大で０．０７モル、若しくは最大で０．０６モル）の硫酸コバルトを含むことができる。いくつかの実施形態では、この反応混合物は、約５１モルの水を含むことができる。
いくつかの実施形態では、反応の完了後、コーティングされたオキシ水酸化ニッケルを大量（例えば４リットル、６リットル、又は８リットル）の新鮮な脱イオン水で複数回（例えば３回、４回、又は５回）洗浄する。各洗浄作業中、攪拌しながら反応槽を約５０℃まで加熱することができる。続いて、攪拌をやめて、生成物を静置することができる。自由液体を汲み出すか又は傾しゃして、濃縮懸濁液を得ることができる。１０％のＢａＣｌ２水溶液を滴下したときに清澄洗液の試料が沈殿物を発生させなくなるまで、このプロセスを繰り返すことができる。続いて、上記の濃縮懸濁液をトレイに注入することができ、高温（例えば４０℃、５０℃、６０℃、又は７０℃）のオーブン内で所望の水分レベルまで慎重に乾燥させることができる。
いくつかの実施形態では、水酸化アルカリをゆっくり加えると、性能の向上したカソード活性物質を得ることができる。例えば、第１の部分の水酸化アルカリを最大で毎分３グラム（例えば、最大で毎分２グラム、若しくは最大で毎分１グラム）、及び／又は、少なくとも毎分０．２グラム（例えば、少なくとも毎分１グラム、若しくは少なくとも毎分２グラム）の速度で加えることができる。いくつかの実施形態では、第２の部分の水酸化アルカリを最大で毎分５グラム（例えば、最速で毎分４グラム、若しくは最速で毎分３グラム）の速度で加えることができる。いくつかの実施形態では、水酸化アルカリは、遷移金属含有出発物質（例えばＮｉ（ＯＨ）２のような遷移金属水酸化物）に対して、最大で２モルパーセント（例えば、最大で１．５モルパーセント、最大で１モルパーセント、若しくは最大で０．５モルパーセント）、及び／又は、少なくとも０．２モルパーセント（例えば、少なくとも０．５モルパーセント、少なくとも１モルパーセント、若しくは少なくとも１．５モルパーセント）の比率で加えることができる。
いくつかの実施形態では、コーティングされたカソード活性物質の乾燥は、２つの異なる温度で行うことができる。理論に束縛されるものではないが、２５〜５０℃（例えば３０〜５０℃、又は３０〜４０℃）という低い方の乾燥温度では、コーティングされたカソード活性物質の表面から水が失われると考えられる。５０〜１２０℃（例えば６０〜１１０℃、６０〜１００℃、７０〜１００℃、又は８０〜１００℃）という高い方の乾燥温度では、カソード活性物質（例えばコーティングされた粒子）の内部から水が失われると考えられる。様々な総含湿率レベルで、内部水分の量を比較的一定に（例えば約１パーセント、約２パーセント、約３パーセントに）保持でき、総含湿率がカソード活性物質中で増大するにつれて、表面水分は向上することができる。カソード活性物質の含湿率は熱重量分析（ＴＧＡ）を用いて測定することができ、熱重量分析では、熱を用いて試料の含水を蒸発させながら、その試料の重量を経時的に記録する。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質は電池に組み込まれている。この電池に対してデジタルカメラ試験を行って、高レートの容量を測定することができる。電池カソードの放電容量は、例えば、デジタルカメラによって消費者による利用をシミュレートする試験を用いて電池を放電させることによって測定することができる。例えば、電池に１５００ｍＷの負荷を２秒間かけてから、６５０ｍＷの負荷を２８秒間保つことができる。このサイクルを１０回繰り返すか、又は合わせて５分間繰り返すことができ、続いて、電池を５５分間休ませる。電池の負荷電圧が最初に１．０５Ｖに達するまで、この６０分のサイクルを反復及び継続することができる。Ｍａｃｃｏｒ ２３００という電池試験システムを用いて、消費者による利用のシミュレーションを行うことができ、このシミュレーションでは、各実験的試験グループにおいて、６〜８個の単３セルを試験した。続いて、カソードの放電容量を算出する。いくつかの実施形態では、カソード活性物質を組み立てて、６．２７ｍＬの缶容量を有する単３セルにする。いくつかの実施形態では、セルは、１．０５Ｖにおいて少なくとも３８０枚のデジタルカメラ写真分（例えば、少なくとも３６０枚の写真分、少なくとも３５０枚の写真分、少なくとも３４０枚の写真分、少なくとも３２０枚の写真分、少なくとも３００枚の写真分）の放電容量を有することができる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質は更に、コーティングされていない活性物質を含むことができる。コーティングされていないカソード活性物質の例としては、上述のカソード活性物質のいずれかが挙げられる。いくつかの実施形態では、コーティングされていないカソード活性物質としては、酸化銀（Ｉ）（Ａｇ２Ｏ）、酸化銀（ＩＩ）（ＡｇＯ）、銀銅酸化物（ＡｇＣｕＯ２）、ニッケル酸銀（ＡｇＮｉＯ２）、過マンガン酸銀（ＡｇＭｎ４）、過マンガン酸バリウム（Ｂａ（ＭｎＯ４）２）、マンガン酸バリウム（ＢａＭｎＯ４）、及び／又はバリウムフェライト（ＢａＦｅＯ４）を挙げることができる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質は導電補助剤を含むことができる。導電補助剤は、カソード１２の電子伝導率を増大させることができる。導電助剤の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かにすることができる。炭素粒子は、例えば、グラファイト粒子であり得る。カソード１２に用いられるグラファイト粒子は、カソードに用いられるグラファイト粒子のいずれかにすることができる。前記粒子は、合成物質、非合成物質、又は合成物質と非合成物質とのブレンドであることができ、それらは発泡していても非発泡であってもよい。ある実施形態では、グラファイト粒子は、非合成、非膨張のグラファイト粒子である。このような実施形態においては、グラファイト粒子は、シンパテック社製ヘロス（HELOS）粒径分析器を用いて測定して、約２０ミクロン未満（例えば、約２ミクロン〜約１２ミクロン、約５ミクロン〜約９ミクロン）の平均粒径を有し得る。グラファイト粒子は、例えば、Ｂｒａｚｉｌｉａｎ Ｎａｃｉｏｎａｌ ｄｅ Ｇｒａｆｉｔｅ（Ｉｔａｐｅｃｉｒｉｃａ、ＭＧ Ｂｒａｚｉｌ（ＭＰ−０７０２Ｘ））又は日本の中越黒鉛工業所（Chuetsu Graphite Works, Ltd．）（中越グレードＷＨ−２０Ａ及びＷＨ−２０ＡＦ）から入手可能である。カソード１２は、例えば、約３重量％〜約９重量％（例えば、約４重量％〜約７重量％）の炭素粒子を含み得る。幾つかの実施形態では、カソード１２は、約４重量％〜約９重量％（例えば、約４重量％〜約６．５重量％）のグラファイト粒子を含み得る。
導電補助剤の別の例は、Ｌｕｏらの米国特許第６，８５８，３４９号、及び２００２年１１月２１日に公開された「Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃａｔｈｏｄｅ」という名称のＡｎｇｌｉｎの米国特許出願公開第２００２／０１７２８６７ Ａ１号に記載されているような炭素繊維である。いくつかの実施形態では、カソード１２は、炭素繊維を最大で約２重量％（例えば、最大で約１．５重量％、最大で約１重量％、最大で約０．７５重量％、最大で約０．５重量％、最大で約０．４５重量％、最大で約０．４重量％、最大で約０．３重量％、最大で約０．２重量％）、及び／又は少なくとも約０．１重量％（例えば、少なくとも約０．２重量％、少なくとも約０．３重量％、少なくとも約０．４重量％、少なくとも約０．４５重量％、少なくとも約０．５重量％、少なくとも約０．７５重量％、少なくとも約１重量％、少なくとも約１．５重量％）含むことができる。
ある実施形態においては、カソード１２は、約１重量％〜約１０重量％の１つ以上の総導電補助剤を含み得る。
結合剤の例としては、ポリエチレン粉末、ポリアクリルアミド、ポートランドセメント、並びにフルオロカーボン樹脂、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。ポリエチレン結合剤の例は、商標名Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ ＨＡ−１６８１（Ｈｏｅｃｈｓｔから入手可能）として販売されている。カソード１２は、例えば、約２重量％以下の結合剤（例えば、約１重量％以下の結合剤）を含んでよい。ある実施形態においては、カソード１２は、約０．１重量％〜約２重量％（例えば、約０．１重量％〜約１重量％）の結合剤を含み得る。
カソード１２は、その他の添加剤を含み得る。添加剤は、例えば米国特許第５，３４２，７１２号明細書（ミエツコウスカ（Mieczkowska）ら）に開示されている。幾つかの実施形態では、カソード１２は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含むことができる。ある実施形態においては、カソード１２は、約０．１重量％〜約２重量％（例えば、約０．２重量％〜約２重量％）のＴｉＯ２を含み得る。
カソード（例えばカソード活性物質）は例えば、２００４年１２月２日に公開された「Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｃｅｌｌ Ｗｉｔｈ Ｆｌａｔ Ｈｏｕｓｉｎｇ ａｎｄ Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｙｈｙｄｒｏｘｉｄｅ Ｃａｔｈｏｄｅ」という名称のＤｕｒｋｏｔらの米国特許出願公開第２００４／０２３７２９３ Ａ１号、２００４年１０月７日に公開された「Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｙｈｙｄｒｏｘｉｄｅ Ｃａｔｈｏｄｅ ａｎｄ Ｚｉｎｃ Ａｎｏｄｅ」という名称のＤｕｒｋｏｔらの同第２００４／０１９７６５６ Ａ１号、２００４年４月２２日に公開された「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ ａ Ｂａｔｔｅｒｙ」という名称のＢｏｗｄｅｎらの同第２００４／００７６８８１ Ａ１号、２００５年６月２３日に公開された「Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃａｔｈｏｄｅ」という名称のＥｙｌｅｍらの同第２００５／０１３６３２８ Ａ１号、２００８年１月１０日に公開された「Ｐｒｉｍａｒｙ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｂｉｓｍｕｔｈ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ」という名称のＥｙｌｅｍらの同第２００８／０００８９３７号、２００４年３月４日に公開された「Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｙｈｙｄｒｏｘｉｄｅ Ｃａｔｈｏｄｅ ａｎｄ Ｚｉｎｃ Ａｎｏｄｅ」という名称のＣｈｒｉｓｔｉａｎらの同第２００４／００４３２９２ Ａ１号、２００４年１０月１４日に公開された「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｙｈｙｄｒｏｘｉｄｅ」という名称のＣｈｒｉｓｔｉａｎらの同第２００４／０２０２９３１ Ａ１号、２００５年３月１７日に公開された「Ｐｒｉｍａｒｙ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｂｉｓｍｕｔｈ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ」という名称のＥｙｌｅｍらの同第２００５／００５８９０３ Ａ１号、２００５年３月１７日に公開された「Ｐｒｉｍａｒｙ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｂｉｓｍｕｔｈ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ」という名称のＷａｎｇらの同第２００５／００５８９０２ Ａ１号、及びＫｅｌｓｅｙらの米国特許第６，２０７，３２２号に記載されている。
カソードは、カソード材を電流コレクタ上にコーティングし、乾燥させ、次いでコーティングされ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。カソード材は、カソード活性物質を結合剤、溶媒／水、及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って調製することができる。例えば、ＮｉＯＯＨのようなカソード活性物質を炭素（例えば、グラファイト、アセチレンブラック）と組み合わせ、少量の水と混合して、カソードスラリーを形成してよい。次いで、電流コレクタを前記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。
アノード１４は、アルカリ電池のアノードに使用される標準的亜鉛系材料のいずれからも形成できる。例えば、アノード１４は、亜鉛金属粒子及び／又は亜鉛合金粒子、ゲル化剤、並びに少量の添加物（例えば、ガス発生阻害物質）を含むゲルであることができる。亜鉛合金は、亜鉛（Ｚｎ）、並びに、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、鉛（Ｐｂ）、ガリウム（Ｇａ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及びスズ（Ｓｎ）という元素のうちの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施形態では、亜鉛合金は、鉄（Ｆｅ）を含み得る。例えば、鉄は不純物として亜鉛内に存在してよい。電解質溶液の一部をアノード全体に分散させることができる。
亜鉛粒子は、ゲル化亜鉛アノード内で使用される任意の亜鉛系粒子であり得る。亜鉛系粒子は、亜鉛系材料、例えば亜鉛又は亜鉛合金にて形成することができる。亜鉛合金は通常、主として亜鉛で構成されており、並びにインジウム及び／又はビスマスを含むことができる。亜鉛系粒子の例としては、米国特許第６，２８４，４１０号、同第６，４７２，１０３号、同第６，５２１，３７８号、及び同一出願人による米国特許出願第１１／００１，６９３号（２００４年１２月１日出願）（全て参考として本明細書に組み込まれる）に記載されるものが挙げられる。アノードは、例えば約６０重量％〜約８０重量％、約６２重量％〜７５重量％、約６２重量％〜約７２重量％、又は約６７重量％〜約７１重量％の亜鉛系粒子を含んでよい。アノードは、約６８重量％未満、約６４％重量未満、約６０重量％未満、約５５重量％未満、又は約４５重量％未満の亜鉛系粒子を含むことができる。
亜鉛系粒子は、各種スパン又はエアブロープロセスにより形成することができる。亜鉛系粒子は、球状又は非球状の形状であることができる。非球状粒子は、針状（即ち、長軸方向の長さが短軸方向の長さの少なくとも２倍）又はフレーク様形状（即ち、最大直線寸法の長さの２０％以下の厚みを有する）であることができる。亜鉛系粒子表面は、滑らか又はざらざら粗い状態でありることができる。本明細書で使用する時、「亜鉛系粒子」とは、複数粒子のアグロメレーション又は凝集ではなくむしろ、亜鉛系材料の単一又は一次粒子を意味する。亜鉛系粒子の百分率は、亜鉛微粉であることができる。本明細書で使用する時、亜鉛微粉は、通常のふるい分け操作中（即ち、ふるいを手動で振盪させる）に、メッシュサイズ２００のふるい（即ち、正方形開口部の一辺が０．０７５ｍｍのふるい）を通過するのに十分小さい亜鉛系粒子を含む。メッシュサイズ２００のふるいを貫通可能な亜鉛微粉は、約１ミクロン〜７５ミクロン（例えば、約７５ミクロン）の平均粒径を有することができる。亜鉛微粉（即ち、−２００メッシュ）の百分率は、全亜鉛系粒子の約１０重量％、約２５重量％、約５０重量％、約７５重量％、約８０重量％、約９０重量％、約９５重量％、約９９重量％又は１００重量％とすることができる。亜鉛系粒子の百分率は、通常のふるい分け操作中に、メッシュサイズ３２５のふるい（即ち、正方形開口部の一辺が０．０４５ｍｍのふるい）を通過するのに十分小さい亜鉛末であることができる。３２５メッシュのふるいを貫通可能な亜鉛末は、約１ミクロン〜３５ミクロン（例えば、約３５ミクロン）の平均粒径を有することができる。亜鉛末の百分率は、全亜鉛系粒子の約１０重量％、約２５重量％、約５０重量％、約７５重量％、約８０重量％、約９０重量％、約９５重量％、約９９重量％又は１００重量％とすることができる。極少量の亜鉛微粉、例えば全亜鉛系粒子の少なくとも約５重量％、又は少なくとも約１重量％であったとしても、アノード性能には効果的であり得る。アノード内の全亜鉛系粒子は、亜鉛微粉からのみ構成されたり、亜鉛微粉を全く含まなかったり、又はより大きなサイズ（例えば、−２０〜＋２００メッシュ）の亜鉛系粒子を有する亜鉛微粉と亜鉛末（例えば、約３５重量％〜約７５重量％）との混合物で構成され得る。亜鉛系粒子の混合物は、ドレイン率必要条件の広域スペクトルにおけるアノードの速度能力に対して良好な全体的性能を提供し、並びに良好な保管特性を提供することができる。保存後、高放電率での性能を向上させるために、相当割合の亜鉛微粉及び／又は亜鉛末をアノード内に含ませることができる。
最大限の電池機能を提供する高レートアノードは、高濃度の亜鉛粒子で調合されたスラリーから構築することができる。その亜鉛粒子は、高い表面積をもたらして高レートでその容量を提供しながら、ともにくっつき合って導電性集合体を形成することもできる。これらの集合体は、亜鉛接続性の損失が比較的小さい電解質豊富なアノードデザインをもたらすことができる。微細な亜鉛は、合金（例えば亜鉛重量ベースで１００〜２００ｐｐｍのインジウム及びビスマス）、めっき（例えば亜鉛重量ベースで５０〜２００ｐｐｍのインジウム）、及び有機腐食防止剤（例えば亜鉛重量ベースで５０ｐｐｍのＲＭ５１０−ジノニルフェノール、ポリオキシエチレンリン酸エステル）と共に調合して、亜鉛が水と接触すると発生する可能性がある水素ガスの発生を制御することができる。亜鉛を電解質に懸濁させて、製造のしやすさと、完成したアノード内の孔の安定的な縦列をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、軽度に架橋された高分子量ポリアクリル酸ポリマー（例えば、電解質中に１．４〜１．６％のＢＦ Ｇｏｏｄｒｉｃｈ Ｃ９４０）は、網状組織をもたらして、重い亜鉛粒子を電池電解質中の適所に保つことができる。
ゲル化剤の例には、ポリアクリル酸、グラフトスターチ材、ポリアクリル酸の塩、ポリアクリレート、カルボキシメチルセルロース、又はこれらの組み合わせが挙げられる。ポリアクリル酸の例は、Ｃａｒｂｏｐｏｌ（商標）９４０及び９３４（Ｂ．Ｆ．Ｇｏｏｄｒｉｃｈから入手可能）、並びに、Ｐｏｌｙｇｅｌ（商標）４Ｐ（３Ｖから入手可能）であり、グラフト化デンプン材の例はＷａｔｅｒｌｏｃｋ（商標）Ａ２２１（Ｇｒａｉｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｍｕｓｃａｔｉｎｅ、Ｉｏｗａ）から入手可能）である。ポリアクリル酸の塩の例はＡｌｃｏｓｏｒｂ（商標）Ｇ１（Ｃｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから入手可能）である。アノードは、例えば０．１重量％〜約１重量％のゲル化剤を含んでよい。
ガス発生阻害剤は、亜鉛系合金に含まれるビスマス、スズ、鉛、及びインジウムなどの無機材料、又はアノードに含まれる酢酸インジウム、水酸化インジウム、硫酸インジウム、酸化ビスマス、及び水酸化バリウムなどの可溶性化合物であることができる。あるいは、ガス化抑制剤は、リン酸エステル、イオン性界面活性剤、又は非イオン性界面活性剤などの有機化合物であってもよい。イオン性界面活性剤の例は、例えば米国特許第４，７７７，１００号に開示されており、これは本明細書に参考として組み込まれる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質のアノード活性物質に対するモル比は少なくとも１（例えば、少なくとも０．５、少なくとも０．７、少なくとも０．９、若しくは少なくとも１．１）、及び／又は、最大で１．３（例えば、最大で１．４、最大で１．３、最大で１．２、若しくは最大で１．１）である。
電解質は、電池で使われる電解質のいずれかであることができる。幾つかの実施形態では、カソード１２は、約５重量％〜約８重量％（例えば、約６重量％〜約７重量％）の電解質を含み得る。電解質は、水性又は非水性であり得る。水性電解質は、アルカリ性溶液、例えば水酸化物水溶液（例えば、ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ）、又は水酸化物溶液の混合物（例えば、ＮａＯＨ／ＫＯＨ）などにすることができる。例えば、水酸化物水溶液は、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）を含み得る。幾つかの実施形態では、電解質はまた、約４重量％以下（例えば、約２重量％）の酸化亜鉛を含み得る。
電解質は、他の添加剤を含むことができる。例として、電解質は、電解質中のカソード活性物質の溶解度を低減する（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、電解質は以下のもの、すなわち、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、アルカリ金属アルミン酸塩、アルミニウム金属、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ金属炭酸塩、又はこれらの混合物の１つ以上を含むことができる。電解質添加剤は、例えば、米国特許出願公開第２００４／０１７５６１３（Ａ１）号、名称「Ｂａｔｔｅｒｙ」（Ｅｙｌｅｍら、２００４年９月９日公開）に記載されている。
ハウジング１８は、電池に通常用いられる任意のハウジングであることができる。図示されるように、ハウジング１８は円筒状ハウジングである。しかし、角柱ハウジングなどの他の形状を有するハウジングを使用することが可能である。幾つかの実施形態では、ハウジング１８は、金属又は合金、例えばニッケル、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、又はアルミニウム合金で作製することができる。ある実施形態においては、ハウジング１８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）、又はポリアミドなどの、プラスチックで作製することができる。
幾つかの実施形態では、ハウジング１８は、内側金属壁及び熱収縮性プラスチックなどの外側非導電性材料を含むことができる。任意に、導電性材料の層は、内壁とカソード１２との間に配置され得る。この層は、内壁の内面に沿って、カソード１２の周囲に沿って、又はその両方において配置されてもよい。この導電性層は、例えば、炭素質材料（例えば、グラファイト）から形成され得る。こうした材料には、例えばＬＢ１０００（Ｔｉｍｃａｌ）、Ｅｃｃｏｃｏａｔ ２５７（Ｗ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ ＆ Ｃｏ．）、Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇ １０９（Ａｃｈｅｓｏｎ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ Ｃｏ．）、Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇ １１２（Ａｃｈｅｓｏｎ）、Ｖａｒｎｉｐｈｉｔｅ ５０００（Ｎｉｐｐｏｎ）、及びＥＢ０００５（Ａｃｈｅｓｏｎ）が挙げられる。導電性層の適用方法は、例えば、カナダ特許第１，２６３，６９７号明細書に開示されている。
セパレータ１６は、電気化学セル（例えば、アルカリ電池）で使用される標準的なセパレータ材料のいずれかで形成することができる。例えば、セパレータ１６は、ポリプロピレン（例えば、不織ポリプロピレン又はミクロ孔質ポリプロピレン）、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で形成することができる。幾つかの実施形態では、セパレータ１６は、不織材料の層と組み合わされたセロファンの層を包含することができる。不織布材料としては、例えば、ポリビニルアルコール及び／又はレーヨンを挙げることができる。
シール２２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は、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、又は鋼鉄などの、金属又は金属合金で作製することができる。
幾つかの実施形態では、電池１０は、（例えば、アノード１４が亜鉛を含む場合に）アノード１４によって電池内にて発生することがある水素ガス量を低減するための水素再結合触媒を含み得る。水素再結合触媒は、例えば、米国特許第６，５００，５７６号（Ｄａｖｉｓら）及び同第３，８９３，８７０号（Ｋｏｚａｗａ）に記載されている。あるいは、更に電池１０は、米国特許第５，３００，３７１号明細書（Ｔｏｍａｎｔｓｃｈｇｅｒら）に記載されるもののような圧力活性化バルブ又は通気孔を含んで構築され得る。
本発明で提供される電池構成要素の重量比率（％）は、設計仕様に応じて、電池の組み立て前に決定する。
セル（例えば、円筒状セル）は、例えば、アノード、セパレータ、及びカソードを共に巻いて、これらをハウジング内に置くことにより、調製することができる。次に、ハウジング（アノード、カソード、及びセパレータを含有する）に、電解溶液を充填し、続いて例えば、キャップ及び円形絶縁ガスケットにて気密封止することができる。
いくつかの実施形態では、カソード活性物質を組み立てて、内部容量が６．２７ミリリットルである単３セルにする。Ｔｉｍｃａｌ ＳＦＧ−１５というグラファイトで調合した酸化防止炭素コーティングを用いて、カソードとニッケルめっき鋼製電槽との間の良好な電気接触を確立できる。カソード調合物は、オキシ水酸化ニッケルを８１．５％、グラファイトＴｉｍｃａｌ ＳＦＧ−１５を８％、７Ｎ水酸化カリウム溶液を６．０％、ポリエチレン結合剤Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ ３（Ｄｕｐｏｎｔ）を１％、オキシ水酸化ニッケルの水分を３．５％含むことができる。イオン伝導のために、セパレータを用いて電極間の疎通を制限でき、セパレータは、セロファン／不織布ラミネート、又は超高分子量ポリエチレン微多孔フィルム（例えば、ＤＳＭ Ｓｏｌｕｔｅｃｈ製のＳｏｌｕｐｏｒ３）を含むことができる。アノードは、高い電池消耗速度を保つように特別に設計することができる。例えば、アノードは、ゲル状電池電解質（６〜８．５Ｎの水酸化カリウム又は水酸化ナトリウム）中に分散させた亜鉛粉末粒子を含むことができる。亜鉛粉末は、孔寸法が４５マイクロメートルである標準的な３２５メッシュスクリーンを通ることができる亜鉛粒子を含むことができる。亜鉛粉末は、軽度に架橋された高分子量ポリアクリル酸ポリマー（例えば、電解質中に１．４〜１．６％のＢＦ Ｇｏｏｄｒｉｃｈ Ｃ９４０）中に懸濁させて、網状組織をもたらして、重い亜鉛粒子を電池電解質中の適所に保つことができる。セルに電池電解質を注ぎ足して、すべての穴が満たされると共に、放電中に材料が十分活用されることが確実になる。
電池１０は、１次電気化学セル又は２次電気化学セルであり得る。一次電池は、一度だけ放電し（例えば、使い果たされ）、その後廃棄されることを意図している。換言すれば、一次電池は、再充電することを意図していない。一次電池については、例えば、Ｄａｖｉｄ Ｌｉｎｄｅｎ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，２ｄ ｅｄ．１９９５）に記載されている。対照的に、二次電池は、何回も（例えば、５０回超、１００回超、又はそれ以上）再充電することが可能である。場合によっては、二次電池は、多くの層を有するセパレータ及び／又は比較的厚いセパレータなど、比較的頑丈なセパレータを備え得る。二次電池はまた、電池の中で生じ得る膨張などの変化に適応するように設計することもできる。二次電池は、例えば、Ｆａｌｋ ＆ Ｓａｌｋｉｎｄ、「Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．１９６９、及びＤｅＶｉｒｌｏｙらの米国特許第３４５，１２４号に記載されている。
電池１０は、様々な異なる電圧のうち任意のもの（例えば、１．５Ｖ）であることができ、及び／又は、例えば、ＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ又はＤ電池であることができる。電池１０は、円筒形であるが、いくつかの実施形態では、非円筒形にすることができる。例えば、電池は、コインセル、ボタンセル、ウエハーセル、又は長円形セル（racetrack-shaped cell）にすることができる。幾つかの実施形態では、電池は、柱状にすることができる。ある実施形態においては、電池は、強固な積層セル構成、又は可撓性のパウチ、エンベロープ、若しくはバッグセル構成を有することができる。幾つかの実施形態では、電池は、渦巻き構成、又は平面プレート構成を有することができる。電池については、例えば、米国特許第６，００１，５０４号（Ｂａｔｓｏｎら）、米国特許出願通し番号第１０／６７５，５１２号（Ｂｅｒｋｏｗｉｔｚら、２００３年９月３０日出願、名称「Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」）、及び米国特許出願公開第２００４／０２３７２９３ Ａ１号（Ｄｕｒｋｏｔら、２００４年１２月２日公開、名称「Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｃｅｌｌ Ｗｉｔｈ Ｆｌａｔ Ｈｏｕｓｉｎｇ ａｎｄ Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｙｈｙｄｒｏｘｉｄｅ Ｃａｔｈｏｄｅ」）に記載されている。
以下の実施例は、説明を意図したものであって、制限的なものではない。
実施例１−不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨ粒子の合成
１０Ｌの反応槽に８リットルの脱イオン水を加えた。ウォータージャケットを用いて、この反応槽を４０℃まで加熱した。１キログラム（１０．７９モル）のＮｉ（ＯＨ）２を反応槽に加え、反応槽を一定の速度で攪拌した。この反応混合物に１０５．２グラム（０．３７モル）のＣｏＳＯ４を加え、約１０分間混合した。この反応混合物に２３１８．４グラム（９．８２モル）の過硫酸ナトリウムを加え、約１０分間混合した。この反応混合物に８８１．２グラム（２２．６モル）の水酸化ナトリウムを表１の添加スケジュールに従ってゆっくり加えた。第１の部分の水酸化ナトリウム１２０ｇを加えた後、その反応物を２０℃まで冷却した。全量の水酸化ナトリウムを混合物に加えたら、その反応混合物を５５℃まで加熱し、反応物を２４時間混合した。
１０Ｌの反応槽に８リットルの脱イオン水を加えた。ウォータージャケットを用いて、この反応槽を４０℃まで加熱した。１キログラム（１０．７９モル）のＮｉ（ＯＨ）２を反応槽に加え、反応槽を一定の速度で攪拌した。この反応混合物に１０５．２グラム（０．３７モル）のＣｏＳＯ４を加え、約１０分間混合した。この反応混合物に２３１８．４グラム（９．８２モル）の過硫酸ナトリウムを加え、約１０分間混合した。この反応混合物に８８１．２グラム（２２．６モル）の水酸化ナトリウムを表１の添加スケジュールに従ってゆっくり加えた。第１の部分の水酸化ナトリウム１２０ｇを加えた後、その反応物を２０℃まで冷却した。全量の水酸化ナトリウムを混合物に加えたら、その反応混合物を５５℃まで加熱し、反応物を２４時間混合した。
約８リットルの新鮮な脱イオン水で４〜５回洗浄することによって、最終生成物である不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨを単離する。各洗浄作業中、攪拌しながら反応槽を５０℃まで加熱した。続いて、攪拌を止め、生成物を静置した。自由液体を慎重に汲み出すか又は傾しゃして、濃縮懸濁液を得る。１０％のＢａＣｌ２水溶液を滴下したときに清澄洗液の試料が沈殿物を発生させなくなるまで、このプロセスを繰り返す。続いて、この濃縮懸濁液をトレイに注入し、６０℃のオーブン内で３〜４．５重量％の含水率まで慎重に乾燥させる（「標準的な乾燥手順」）。
図２に示されているように、ＮａＯＨを素早く加えた場合とゆっくり加えた場合の双方のデジタルカメラのフラッシュ数と乾燥方法との相関関係が示されている。実線は、不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨであって、６０℃で約３〜５％の含湿率まで乾燥させたＮｉＯＯＨの場合のデジタルカメラ性能を示している。点線（「水を添加」）は、不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨであって、十分に乾燥させ、水を加えることによって再水和してから約３〜５重量％の含湿率レベルまで乾燥させたＮｉＯＯＨの場合を示している。図２に示されているように、再湿潤させた試料のデジタルカメラ性能は、標準的な乾燥手順を用いて乾燥させた試料よりも低かった。つまり、過剰乾燥の悪影響は、試料を再湿潤させてから、標的の含湿率まで慎重に乾燥させるだけでは覆すことはできなかった。
実施例２−カソード材の効率性
反応物質の比率が異なる以外はほぼ実施例１の手順に従って、不均一にＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨ粒子を合成した。水酸化ナトリウムを速い速度又は遅い速度のいずれかで加えた。表２を参照すると、速い添加では、水酸化ナトリウムを３つの部分に分けて、合計で２０分かけて加えた。すなわち、まず水酸化ナトリウムの４５％を加えてから１０分間置き、続いて、更に４５％を加えてから１０分間置き、続いて残りの１０％を加えた。遅い添加では、水酸化ナトリウムを表１のスケジュールに従って４時間かけて加えた。Ｓｔｄは、３〜５％の標的含湿率まで乾燥させる実施例１の標準的な乾燥方法を指す。「水を添加」は、カソード活性物質を水で再湿潤させてから約３〜５％の水分レベルまで慎重に乾燥させる実施例１に記載の再水和法を指す。
反応物質の比率が異なる以外はほぼ実施例１の手順に従って、不均一にＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨ粒子を合成した。水酸化ナトリウムを速い速度又は遅い速度のいずれかで加えた。表２を参照すると、速い添加では、水酸化ナトリウムを３つの部分に分けて、合計で２０分かけて加えた。すなわち、まず水酸化ナトリウムの４５％を加えてから１０分間置き、続いて、更に４５％を加えてから１０分間置き、続いて残りの１０％を加えた。遅い添加では、水酸化ナトリウムを表１のスケジュールに従って４時間かけて加えた。Ｓｔｄは、３〜５％の標的含湿率まで乾燥させる実施例１の標準的な乾燥方法を指す。「水を添加」は、カソード活性物質を水で再湿潤させてから約３〜５％の水分レベルまで慎重に乾燥させる実施例１に記載の再水和法を指す。
理論的容量は、電池中の純粋なオキシ水酸化ニッケルの総重量に固有電気化学当量容量（１電子＝０．２９２ａｈｒｓ／ｇにおける値）を乗じた値である。この固有電気化学当量容量は、交換された電子の数をオキシ水酸化ニッケルのグラム当量（ｇ）で除した値に、ファラデー数９６４８５アンペア秒／モル又は２６．８アンペア時／モルを乗じることによって得られる。実容量は、１．０５ボルトの終止電圧に達するのに必要な時間的間隔にわたる印加電流を積分することによって算出する（デジタルカメラ模擬試験の場合。利用率（パーセント）は、実容量を理論的容量で除することによって算出する。粒子とそれに対応する利用率（パーセント）を下記の表２に列挙する。
実施例３−コーティングされたカソード活性物質の含湿率
不均一なＣｏＯＯＨコーティングを有するＮｉＯＯＨの粒子の４つの試料の含湿率を熱重量分析によって評価した。熱重量分析器（熱重量分析器ＳＤＴ Ｑ６００）を用いて、重量損失プロファイルを作成した。５０ミリグラムの材料を量ってアルミニウムパンに入れ、１０℃／分の速度で最終試験温度の１５０℃まで加熱した。昇温中、重量損失を連続的に記録し、温度による重量損失速度のあらゆる変化を観察した。図３に示されているように、材料乾燥曲線には２つの異なる領域が観察された。第１の領域は、２５〜５０℃の温度における水損失（おそらく粒子表面からの水損失）を示し、第２の領域は、５０〜１２０℃の温度における水損失（おそらく粒子内部からの水損失）を示していた。これら２つの領域における蒸発した水の割合（％）と、試料の総含水率を表３に示す。
不均一なＣｏＯＯＨコーティングを有するＮｉＯＯＨの粒子の４つの試料の含湿率を熱重量分析によって評価した。熱重量分析器（熱重量分析器ＳＤＴ Ｑ６００）を用いて、重量損失プロファイルを作成した。５０ミリグラムの材料を量ってアルミニウムパンに入れ、１０℃／分の速度で最終試験温度の１５０℃まで加熱した。昇温中、重量損失を連続的に記録し、温度による重量損失速度のあらゆる変化を観察した。図３に示されているように、材料乾燥曲線には２つの異なる領域が観察された。第１の領域は、２５〜５０℃の温度における水損失（おそらく粒子表面からの水損失）を示し、第２の領域は、５０〜１２０℃の温度における水損失（おそらく粒子内部からの水損失）を示していた。これら２つの領域における蒸発した水の割合（％）と、試料の総含水率を表３に示す。
図４を参照すると、５〜５．７重量％の含湿率においての方が良好な性能が観察され、約３．８重量％の水分を有するカソード活性物質よりも１３．５％デジタルカメラ性能が向上した（３１９枚の写真分）。図５を参照すると、不均一にＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨを含む電池（Ａ）では、均一にＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨを含む電池（Ｂ）と比べて、実動時間の向上が観察された。
実施例４−電池の組み立てとデジタルカメラ試験
内部容積が６．２７ミリリットルの試験用単３電池を用いて実験データを生成した。Ｔｉｍｃａｌ ＳＦＧ−１５というグラファイトで調合した酸化防止炭素コーティングを用いて、カソードとニッケルめっき鋼製電槽との間の良好な電気接触を確立した。カソードの配合は、オキシ水酸化ニッケル８１．５％、Ｔｉｍｃａｌ ＳＦＧ−１５グラファイト８％、７Ｎ水酸化カリウム溶液６．０％、Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ３というポリエチレン結合剤１％、オキシ水酸化ニッケル中の水分３．５％である。６個のペレットを中空の状態で円筒形に積み重ねた物を形成させて、鋼缶の中に配置した。各ペレットの高さは７．２ｍｍ、外径は１３．３ｍｍ、内径は８．９ｍｍであった。各ペレットは、上述のカソード混合物１．７グラムから構成されていた。セパレータを用いて電極間の連通をイオン伝導に制限した。セロファン／不織布ラミネート、又は超高分子量ポリエチレン微多孔フィルムのようないくつかの異なる材料を用いた。いくつかの試験用セルでは、セパレータはＤＳＭ Ｓｏｌｕｔｅｃｈ製のＳｏｌｕｐｏｒ３である。アノードは、高い電池消耗速度を保つように特別に設計されている。アノードは、微細な亜鉛で高度に強化された標準的な電池亜鉛粒子を約７０重量％含む。この微細な亜鉛は、孔寸法が４５マイクロメートルである標準的な３２５メッシュスクリーンを通る寸法にした。微細な亜鉛は、合金（例えば亜鉛重量ベースで１００〜５００ｐｐｍのインジウム及びビスマス）、めっき（例えば亜鉛重量ベースで５０〜２００ｐｐｍのインジウム）、及び有機腐食防止剤（例えば亜鉛重量ベースで５０ｐｐｍのＲＭ５１０−ジノニルフェノール、ポリオキシエチレンリン酸エステル）と共に調合して、亜鉛が水と接触すると発生する可能性がある水素ガスの発生を制御する。亜鉛の総量は、６４重量％のレベルでゲル状電解質と組み合わせる。用いる懸濁化剤は、軽度に架橋された高分子量ポリアクリル酸ポリマーであり、例えば、ＢＦ．Ｇｏｏｄｒｉｃｈ Ｃ９４０を電解質中に１．４５重量％で用いて、重い亜鉛粒子を電池中の適所に保持する。また、セルに、３５．４％の水酸化カリウムと２％の酸化亜鉛とを含む電池電解質０．６グラムを注ぎ足して、すべての穴が満たされると共に、放電中に材料が十分活用されることが確実になる。すべての電池活性物質を組み立てたら、一体型ナイロンシールを有する蓋を用いて組み立てを完了させた。
内部容積が６．２７ミリリットルの試験用単３電池を用いて実験データを生成した。Ｔｉｍｃａｌ ＳＦＧ−１５というグラファイトで調合した酸化防止炭素コーティングを用いて、カソードとニッケルめっき鋼製電槽との間の良好な電気接触を確立した。カソードの配合は、オキシ水酸化ニッケル８１．５％、Ｔｉｍｃａｌ ＳＦＧ−１５グラファイト８％、７Ｎ水酸化カリウム溶液６．０％、Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ３というポリエチレン結合剤１％、オキシ水酸化ニッケル中の水分３．５％である。６個のペレットを中空の状態で円筒形に積み重ねた物を形成させて、鋼缶の中に配置した。各ペレットの高さは７．２ｍｍ、外径は１３．３ｍｍ、内径は８．９ｍｍであった。各ペレットは、上述のカソード混合物１．７グラムから構成されていた。セパレータを用いて電極間の連通をイオン伝導に制限した。セロファン／不織布ラミネート、又は超高分子量ポリエチレン微多孔フィルムのようないくつかの異なる材料を用いた。いくつかの試験用セルでは、セパレータはＤＳＭ Ｓｏｌｕｔｅｃｈ製のＳｏｌｕｐｏｒ３である。アノードは、高い電池消耗速度を保つように特別に設計されている。アノードは、微細な亜鉛で高度に強化された標準的な電池亜鉛粒子を約７０重量％含む。この微細な亜鉛は、孔寸法が４５マイクロメートルである標準的な３２５メッシュスクリーンを通る寸法にした。微細な亜鉛は、合金（例えば亜鉛重量ベースで１００〜５００ｐｐｍのインジウム及びビスマス）、めっき（例えば亜鉛重量ベースで５０〜２００ｐｐｍのインジウム）、及び有機腐食防止剤（例えば亜鉛重量ベースで５０ｐｐｍのＲＭ５１０−ジノニルフェノール、ポリオキシエチレンリン酸エステル）と共に調合して、亜鉛が水と接触すると発生する可能性がある水素ガスの発生を制御する。亜鉛の総量は、６４重量％のレベルでゲル状電解質と組み合わせる。用いる懸濁化剤は、軽度に架橋された高分子量ポリアクリル酸ポリマーであり、例えば、ＢＦ．Ｇｏｏｄｒｉｃｈ Ｃ９４０を電解質中に１．４５重量％で用いて、重い亜鉛粒子を電池中の適所に保持する。また、セルに、３５．４％の水酸化カリウムと２％の酸化亜鉛とを含む電池電解質０．６グラムを注ぎ足して、すべての穴が満たされると共に、放電中に材料が十分活用されることが確実になる。すべての電池活性物質を組み立てたら、一体型ナイロンシールを有する蓋を用いて組み立てを完了させた。
デジタルカメラによって消費者による利用をシミュレートする試験を用いて電池を放電させることによって、電子カソードの放電容量を測定した。この試験では、電池に１５００ｍＷの負荷を２秒間かけてから、６５０ｍＷの負荷を２８秒間保った。このサイクルを１０回繰り返すか、又は合わせて５分間繰り返してから、電池を５５分間休ませた（１サイクル６０分）。電池の負荷電圧が最初に１．０５Ｖに達するまで、この６０分のサイクルを反復及び継続した。Ｍａｃｃｏｒ ２３００という電池試験システムを用いて、消費者による利用のシミュレーションを行い、このシミュレーションでは、各実験的試験グループにおいて、６〜８個の単３セルを試験した。続いて、カソードの放電容量を算出した。
実施例５−ＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨの特性評価
反応物質の比率が異なる以外はほぼ実施例１の手順に従って、ＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨの４つの試料（Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤ）を合成した。粒子Ａは、誘導結合プラズマ質量分析によって割り出した場合のその粒子に対する平均コバルト含有率が０．５５重量パーセントである不均一なコーティングを有し、粒子Ｂは、平均コバルト含有率が１．９５重量パーセントである不均一なコーティングを有し、粒子Ｃは、平均コバルト含有率が２．３７重量パーセントである不均一なコーティングを有し、粒子Ｄは、平均コバルト含有率が３．０６重量パーセントである不均一なコーティングを有していた。用いたプラズマは、アルゴンと窒素との組み合わせから着火させた。水酸化ニッケルの試料１００ミリグラムを溶解させ、用いた器具と基準に適した濃度まで段階希釈した。試料を評価し、各試料の濃度を分析、定量化し、最終的には希釈ごとに元の試料に関連付けた。粒子を組み立てて電池にし、それらの電池に対して、実施例４の手順を用いてデジタルカメラ試験を実施した。結果を表４に列挙する。不均一にコーティングされたＮｉＯＯＨでは、完全にコーティングされた市販の材料と比べて、６３％〜１０５％の性能の向上が観察された。
反応物質の比率が異なる以外はほぼ実施例１の手順に従って、ＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨの４つの試料（Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤ）を合成した。粒子Ａは、誘導結合プラズマ質量分析によって割り出した場合のその粒子に対する平均コバルト含有率が０．５５重量パーセントである不均一なコーティングを有し、粒子Ｂは、平均コバルト含有率が１．９５重量パーセントである不均一なコーティングを有し、粒子Ｃは、平均コバルト含有率が２．３７重量パーセントである不均一なコーティングを有し、粒子Ｄは、平均コバルト含有率が３．０６重量パーセントである不均一なコーティングを有していた。用いたプラズマは、アルゴンと窒素との組み合わせから着火させた。水酸化ニッケルの試料１００ミリグラムを溶解させ、用いた器具と基準に適した濃度まで段階希釈した。試料を評価し、各試料の濃度を分析、定量化し、最終的には希釈ごとに元の試料に関連付けた。粒子を組み立てて電池にし、それらの電池に対して、実施例４の手順を用いてデジタルカメラ試験を実施した。結果を表４に列挙する。不均一にコーティングされたＮｉＯＯＨでは、完全にコーティングされた市販の材料と比べて、６３％〜１０５％の性能の向上が観察された。
電子顕微鏡を用いて、完全にコーティングされた市販のＮｉＯＯＨと、不均一にコーティングされたＮｉＯＯＨの試料Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤを画像化した。完全にコーティングされた市販のＮｉＯＯＨは図６Ａ及び６Ｂに示されている。コーティングされたＮｉＯＯＨは、概ね分散させて、均一にコーティングされていた。図７Ａ〜７Ｃに示されているように、試料Ａは、塊の集合体（図７Ａにおいて矢印で示されている）を有し、粒子は、ＣｏＯＯＨコーティングの突出部を有していた（図７Ｂ及び７Ｃ）。図８Ａ〜８Ｂを参照すると、試料Ｂは、塊の集合体（図８Ａにおいて矢印で示されている）を有し、粒子は、ＣｏＯＯＨコーティングの突出部を有していた（図８Ｂ）。図９Ａ〜９Ｂを参照すると、試料Ｃも、塊の集合体（図９Ａにおいて矢印で示されている）を有し、粒子は、ＣｏＯＯＨコーティングの突出部を有していた（図９Ｂ）。次に図１０Ａ〜１０Ｃを参照すると、試料Ｄは、図１０Ａによって示されているように、突出しているＣｏＯＯＨコーティングを有していた。Ｃｏマッピング（図１０Ｂ）によって、突出部におけるＣｏ堆積物（白色の区域）が示され、Ｎｉマッピング（図１０Ｃ）によって、Ｎｉを有する、粒子の非コーティング表面（鮮明な白色の区域）が示された。したがって、試料Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、不均一にコーティングされていた。
試料Ｂと市販の試料を６０℃で保管し、それらの試料に対してデジタルカメラ試験を実施した。図１１を参照すると、不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨは、少なくとも６日にわたって高温で保管しても、均一にコーティングされた市販の試料よりも優れた性能を保持していた。
Ｓｙｍｐａｔｅｃレーザー回折粒径分析器（Ｓｙｍｐａｔｅｃ ＣｍｂＨから入手可能）を用いて、試料Ａ、Ｂ、及びＣの粒度分布を解析した。測定中、ある量の粒子を溶液に加えて懸濁液をもたらすと共に、粒子濃度を調節して、約２０％のレーザー光線を粒径分析器内の検出器から遮断するようにした。光散乱法を用いて、粒子又は粒子集合体の平均サイズ分布を割り出した。図１２を参照すると、コバルト０重量％において、コーティングされていないＮｉＯＯＨ粒子群は、平均直径が１つの粒径分である集団を５１．９％（体積ベース）、平均直径が２つの粒径分である集団を３９．０％、平均直径が３つの粒径分である集団を９．０６％、平均直径が４つの粒径分である集団を０．０５％有していた。不均一なＣｏＯＯＨコーティングによってコバルトの比率が増えるのに従って、集団の形成によって、平均粒径が大きい粒子集団の比率が増えた。例えば、コバルト０．５５重量％においては、粒子群の１２．４７％の平均直径が３つの粒径分であり、コバルト１．９６重量％においては、粒子群の２２．７％の平均直径が３つの粒径分であり、コバルト２．３７重量％においては、粒子群の２６．６１％の平均直径が３つの粒径分であった。同様に、不均一なＣｏＯＯＨコーティングによってコバルトの比率が増えるのに従って、小粒子がより大きい集合体を形成したので、平均粒径が小さい粒子集団の比率が減った。例えば、コバルト０．５５重量％においては、粒子群の３８．８％の平均直径が１つの粒径分であり、コバルト１．９６重量％においては、粒子群の２２．５％の平均直径が１つの粒径分であり、コバルト２．３７重量％においては、粒子群の２１．５％の平均直径が１つの粒径分であった。
実施例６−不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨと均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨの分極測定
実施例４の手順に従って、均一にＣｏＯＯＨがコーティングされた市販のＮｉＯＯＨ、又は不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨを含む電池を構築した。図１３を参照すると、各消費時点おいて、負荷をかける前のセルの電圧（例えばＣ１）と放電中に負荷をかけた直後の電圧（例えばＣ２）を比較することによって、電池の分極を割り出すことができる。例として、図１３では、Ｃ１とＣ１との差異は、約３時間の消費時点における電池の分極に相当する。いずれの消費時点でも、２つの電池の分極を算出及び比較することができる。図１３を参照すると、２時間の同程度の消費において、不均一にコーティングされた材料の分極（上の曲線Ｂ、表４の試料Ｄに相当する）は、均一にＣｏＯＯＨがコーティングされた市販のＮｉＯＯＨ（下の曲線Ａ）の約１／２〜１／３であった。分極の低下によって電池の耐用期間は延長した。
実施例４の手順に従って、均一にＣｏＯＯＨがコーティングされた市販のＮｉＯＯＨ、又は不均一にＣｏＯＯＨがコーティングされたＮｉＯＯＨを含む電池を構築した。図１３を参照すると、各消費時点おいて、負荷をかける前のセルの電圧（例えばＣ１）と放電中に負荷をかけた直後の電圧（例えばＣ２）を比較することによって、電池の分極を割り出すことができる。例として、図１３では、Ｃ１とＣ１との差異は、約３時間の消費時点における電池の分極に相当する。いずれの消費時点でも、２つの電池の分極を算出及び比較することができる。図１３を参照すると、２時間の同程度の消費において、不均一にコーティングされた材料の分極（上の曲線Ｂ、表４の試料Ｄに相当する）は、均一にＣｏＯＯＨがコーティングされた市販のＮｉＯＯＨ（下の曲線Ａ）の約１／２〜１／３であった。分極の低下によって電池の耐用期間は延長した。
他の実施形態
特定の実施形態について記載したが、他の実施形態も可能である。例えば、ＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨについて説明してきたが、いくつかの実施形態では、オキシ水酸化ニッケル及び二酸化マンガンのような活性物質の混合物、又はその他のいずれかの一般的なカソード材の混合物にコーティングを塗布して、導電性の工学的集合体を形成させることもできる。
特定の実施形態について記載したが、他の実施形態も可能である。例えば、ＣｏＯＯＨでコーティングされたＮｉＯＯＨについて説明してきたが、いくつかの実施形態では、オキシ水酸化ニッケル及び二酸化マンガンのような活性物質の混合物、又はその他のいずれかの一般的なカソード材の混合物にコーティングを塗布して、導電性の工学的集合体を形成させることもできる。
特許出願、特許公報、及び特許のような、本明細書にて言及された全ての参考文献は、その全体を参照として組み込まれる。
他の実施形態は、特許項内にある。
Claims (15)
- 最大で５０パーセントコーティングされた表面積及び少なくとも４オームセンチメートルの抵抗率を有するコーティングされたオキシ水酸化ニッケルを含むカソード活性物質を含有するカソードと、
アノードと、
セパレータと、
電解質と、
を備える電池。 - 前記コーティングされたオキシ水酸化ニッケルが少なくとも５０パーセントのコーティングされていない表面積を有する、請求項１に記載の電池。
- 前記コーティングされたオキシ水酸化ニッケルが４パーセント〜７パーセントの含湿率を有する、請求項１に記載の電池。
- 前記コーティングされたオキシ水酸化ニッケルがオキシ水酸化コバルトでコーティングされ、好ましくは、前記コーティングされたオキシ水酸化ニッケルが最大で３重量パーセントのコバルト含有率を有する、請求項１に記載の電池。
- 前記コーティングされたオキシ水酸化ニッケルが５９％〜６９．６％の高レートの放電効率を有する、請求項１に記載の電池。
- 前記カソードが、二酸化マンガン、酸化銀、ニッケル酸銀、銀銅酸化物、過マンガン酸銀、過マンガン酸バリウム、マンガン酸バリウム、及びバリウムフェライトからなる群から選択されるカソード活性物質を更に含む、請求項１に記載の電池。
- 前記電池が、放電させると１．０５Ｖにおいて少なくとも２５０パルスをもたらす、請求項１に記載の電池。
- 前記アノードがアノード活性物質を含み、前記カソード活性物質の前記アノード活性物質に対するモル比が少なくとも１である、請求項１の電池。
- 前記アノードが亜鉛を含む、請求項１に記載の電池。
- コバルト１重量％当たり２４オームセンチメートル〜コバルト１重量％当たり２オームセンチメートルのコバルトコーティングに対する粉体抵抗率を有するオキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルを含むカソード。
- 前記粉体抵抗率が１５オームセンチメートル〜４オームセンチメートルである、請求項１０に記載のカソード。
- 前記オキシ水酸化コバルトコーティングが、前記オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルで２．０重量パーセント〜２．５重量％のコバルト含有率を有する、請求項１０に記載のカソード。
- カソード活性物質を作製する方法であって、
水酸化ニッケルに対して最大で毎分２モルパーセントの速度で、水酸化アルカリを、水酸化ニッケルと硫酸コバルトと過硫酸ナトリウムとの混合物に加える工程と、
前記混合物から、オキシ水酸化コバルトでコーティングされた水酸化ニッケルを単離する工程と、
を含む方法。 - 前記水酸化アルカリが、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、及び水酸化カリウムからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
- 前記オキシ水酸化コバルトでコーティングされた水酸化ニッケルを含湿率レベル５〜５．７パーセントまで乾燥させる工程を更に含む、請求項１３に記載の方法。
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