JP2015530707A - 増加した界面積を有するアルカリ電池 - Google Patents

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Abstract

下端部及び上端部を有するハウジングと、ハウジング内に配置された電極アセンブリと、を備える、アルカリ電池。この電極アセンブリは、単一の第１電極と、単一の第２電極と、これらの間にあるセパレータと、電解質と、を備える。第１電極は、中空外側本体と、外側本体の内部に位置付けられた、少なくとも１つの内側本体と、を備え、外側本体及び少なくとも１つの内側本体はハウジングの内部で接合されて、本質的に均一の電極特性を有する、単一の実質的に均質の構造を形成する。第２電極は、外側本体と少なくとも１つの内側本体との間に少なくとも部分的に配置され、外側本体及び少なくとも１つの内側本体から電気的に絶縁された中間体を備える。

Description

本発明は、増加したアノード−カソード界面積を形成する、単一アノード及び単一カソードを有するアルカリ電池に関する。
従来の円筒形アルカリ亜鉛−二酸化マンガン電池（「アルカリ電池」とも呼ばれる）、例えば、単３電池、単４電池、及び単１電池などは、単一アノード及び単一カソードを収容する、従来のボビン構造を使用する。かかる従来のアルカリ電池の出力特性は、通常、アノードとカソードとの間に存在する限定的な界面積及び非常に厚い電極（アノード及びカソードの両方）のために限定される。アノード−カソード界面積の増加は、電池の出力特性を高めるであろう。
アノードとカソードとの間でより高い界面積を得るために多極電極を使用する電池構造は既知であり、かかる設計は、より薄い電極も使用し得る。例えば、ある既知の設計は、単一カソードと組み合わせた複数のアノード又は単一アノードと組み合わせた複数のカソードを使用する。あるいは、どちらの種類についても複数の電極を組み合わせて使用することもできる。
しかし、多極電極を使用する、かかる既知の設計は、複数の別個のアノード及び／又はカソード構体を電気的に相互接続し、同一電極種／極性の様々な部分の間に並列電気接続、すなわち、アノード−アノード接続及びカソード−カソード接続を本質的に生じさせて、エネルギーの放電及び伝達を同時に実行可能にする必要性により複雑化する。
例えば、米国特許第５，８６９，２０５号は、カソードなど第１電極と、アソードなど複数の第２電極と、を有する電気化学電池を目的とする。カソード内に複数のキャビティが形成され、集電器がアノードを電気的に接続する。米国特許第７，３４１，８０３号は、改善された高率かつ高性能の放電容量を有するアルカリ電池を目的とし、この電池は、追加のアノード又はカソードを有する。
国際公開第２００４／０９５６０６ Ａ２号は、電池のハウジング内に配置された、少なくとも１つのプリフォームペレットを有し、ある材料から形成された外側電極部を含んで、幾何学的にペレットを固形に形成する、電池を目的とする。このペレットは、セパレータによって封入された内側電極を含み、外側電極部の材料内に埋め込まれる。国際公開第２００５／０２２６７１ Ａ１号は、セパレータによって封入された内側電極を備え、折り畳み構造の薄い断面を有し、内側電極は、その外側範囲が、ハウジングの内面によって画定された輪郭に概して適合するように形成される、円筒形アルカリ電池など電池を目的とする。
上記の試みの一部においては、電極界面積を増加することができ、アノード電極及びカソード電極の両方の有効厚さを、通常の円筒形アルカリ電池の有効厚さに対して減少させることができると見られる。しかし、これらの方法では、複雑かつ高価な製造プロセスが必要となり得る。複雑さ及び費用は、複数のアソード及び複数のカソードを電気的に相互接続する必要性、非対称の非同心円形状をもたらす必要性、及び電池内部で相互接続手段を絶縁させる必要性によって生じる。
米国特許第５，８６９，２０５号 米国特許第７，３４１，８０３号 国際公開第２００４／０９５６０６ Ａ２号 国際公開第２００５／０２２６７１ Ａ１号
したがって、増加した電極界面積を有し、したがって、優れた高率性能を提供するが、電池内で複数のアノードとカソードとの相互接続を必要としない電池に対する必要性が存在する。
本発明は、増加した電極界面積、したがって、低減した有効電極厚さに基づいた優れた高率性能を備えるが、複数のアノードとカソードとの相互接続を必要としない設計を有する、電池設計を提供する。本発明は、下端部及び上端部を有するハウジングと、ハウジング内に配置された電極アセンブリと、を備える、アルカリ電池を目的とする。電極アセンブリは、単一の第１電極と、単一の第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置されたセパレータと、電解質と、を備える。第１電極は、中空外側本体と、外側本体の内部に位置付けられた、少なくとも１つの内側本体と、を備える。外側本体及び少なくとも１つの内側本体は、ハウジングの内部で構造的に接合されて、その内部に、本質的に均一の電極特性、例えば、電気伝導性などを有する、単一の実質的に均質の構造を形成する。第２電極は、外側本体と少なくとも１つの内側本体との間に少なくとも部分的に配置された、中間体を備える。中間体は、外側本体及び少なくとも１つの内側本体から電気的に絶縁されている。
本明細書は、本発明をなすとみなされる主題を具体的に指摘しかつ明確に主張する特許請求の範囲を結論とするが、本発明は、添付の図面と関連してなされる以下の説明により、更に理解されると考えられる。
第１電極と、第２電極と、を備える、本発明の電池の実施形態の概略断面図であり、第１電極が、第１電極集電器として機能する電池のハウジングと接触する電池の構造を示す。 本発明の電池の別の実施形態の概略断面図であり、第１電極及び第２電極の相対位置が、図１の実施形態の相対位置と逆転している。 図２に示される実施形態の変形の概略断面図である。 本発明の電池の実施形態の概略断面図であり、第１電極は、缶によって形成された電池のハウジングに接触し、第２電極は、その内部に２つの空間を有し、それぞれ第１電極の一部（内側本体）によって占められている。 線５−５に沿って切断された、図４に示される実施形態の概略断面図である。 図４及び５に示される設計の変形の概略断面図であり、第１電極の３つの内側本体は、第２電極の空間の内部に、外側本体の長手方向軸に対して鋭角に配置されている。 線７−７に沿って切断された、図６に示される実施形態の概略断面図である。 本発明の電池の別の実施形態の概略断面図であり、第２電極は、概して円錐を含む形状を有する。 電池の実施形態の概略断面図であり、第２電極は、概して凹状の外側を有する円錐を含む形状を有する。
本発明の電池１０は、ハウジング２０を備える。ハウジング２０は、少なくとも部分的に、例えば、缶によって形成されてよい。電池は、２つの相互に対向する端部である第１端部、すなわち下端部１１、及び第２端部、すなわち上端部１２を有する。当業者は、「上」及び「下」、「上に」及び「下に」などの用語は、本明細書の複数の図に示されるように電池を説明する慣習的な相対用語であることを容易に理解するであろう。使用する際、電池１０は別の方向に配向されてよい。
ハウジング２０は、アルカリ一次電池において通常使用される、任意の従来の種類であってよく、任意の好適な材料、例えば、ニッケルめっきした冷間圧延鋼又はプラスチックなどで作製されてよい。上端部１２に隣接するものとして図に示される封止部７０は、例えば、ポリアミド（ナイロン）で作製されてよい。ハウジング２０は、従来の円筒形状を有してよいか、任意の他の好適な非円筒形状、例えば、角柱状を有してよい。ハウジング２０の内壁は、電極に対して低電気接触抵抗を有する金属、例えば、カーボンなどで加工されてよい。ハウジング２０の内壁は、例えば、ニッケル、コバルトでめっきされてよいか、カーボン含有塗料で塗られてよい。
ハウジング２０の内部に配置された電極アセンブリは、単一の第１電極３０と、単一の第２電極４０と、を備える。現在の文脈における用語「単一の」は、固体、半固体、又は液体にかかわらず、電極が、１本又は複数本のワイヤなどによって相互に接続された２つ又は複数の別個の電極とは対照的に、単一の実質的に均質の構造を備えることを示す。この単一の実質的に均質の構造は、単一本体の全体として形成されるか、２つ以上の個々の構成要素から組み立てられるかのいずれかであってよい。後者の場合、個々の構成要素が組み立てられて、その本体全体で本質的に均一の電極特性、例えば、電気伝導性／抵抗などを有する、単一の実質的に均質の電極を形成する。
第１電極３０及び第２電極４０の一方は、正電荷を有し、他方は、負電荷を有する。電極３０、４０は、電極３０と電極４０との間に配置されたセパレータ５０によって互いから電気的に絶縁されている。電池１０では、任意の好適なセパレータ、例えば、従来のアルカリ電池型セパレータなどを使用してよい。セパレータ５０としては、例えば、少なくとも１つの不織布材料層と組み合わされたセロハン層が挙げられ得る。単３型電池では、例えば、セパレータ５０は、０．３０ｍｍ未満、具体的には０．２０ｍｍ未満、及びより具体的には０．１０ｍｍ未満の湿潤厚さと、０．１０ｍｍ未満、具体的には０．０７ｍｍ未満、及びより具体的には０．０６ｍｍ未満の乾燥厚さと、を有してよい。セパレータ５０の取り付けには、任意の従来の方法を使用してよい。
第１電極３０は、実質的に中空外側本体３１と、外側本体３１の内側に位置付けられた、少なくとも１つの内側本体３２と、を備える。外側本体３１及び少なくとも１つの内側本体３２は、ハウジング２０の内部で接合されて、本質的に均一の電極特性、例えば、電気伝導性などを全体にわたって有する、単一の実質的に均質の構造を形成する。したがって、第１電極３０の部分を相互接続するためのワイヤ又は同様の手段は不要であり、使用されない。
当業者は、用語「中空」、「空」、「均質」、「固体」などは、本発明の電極に適用されるとき、記載した要素間の相対的な構造差異をそのようなものとして、電池内部の電解質、１つ以上の電極に挿入された集電器、又は他方の電極の内部に配置された一方の電極にかかわらず説明するために本明細書で使用されることを容易に理解するであろう。換言すれば、これらの用語は、（例えば、内部に存在するという理由で）記載の要素に関連し得る他の要素から切り離して、要素の構造を説明する。したがって、挿入された集電器を有する、別の面で均質の電極は、本明細書において「均質」と記載されてよい。同様に、内部に電解質及び／又は別の電極の一部を有する、カップ状電極は、本明細書において「中空」と記載されてよい。更に、電極内部の空隙又は空洞は、かかる空隙が、組み立てられた電池１０において別の電極の一部によって占められたとしても、本明細書において「空間」と記載されてよい。
いくつかの実施形態において、第１電極３０は、垂直の、実質的に円筒の壁３１ａ（図１）を含む、カップ状の、本質的に円筒形の、又は管状の本体３１と、少なくとも第１（下）ディスク３３（厚さ「Ｄ」を有する）と、を備える。ディスク３３は、実質的に壁３１ａに垂直に配置され、後者と相互連結する。用語「垂直」、「水平」、「上」、及び「下」などは、本明細書の図に示されるように、電池１０の複数の要素を参照して本明細書において使用される、慣習的な説明用語である。垂直壁は、電池１０の長手方向軸９９及び電池のハウジング２０の壁に実質的に平行であってよい。
図１〜３の実施形態において、第１電極３０の内側本体３２は、外側中空本体３１の内部、かつその同軸上に位置付けられる、本質的に均質の円筒によって形成される。内側本体３２は、内側本体３２と壁３１ａとを相互連結して、本質的に均一の電極特性、例えば、電気伝導性などを有する第１電極３０の単一の実質的に均質の構造を形成する、第１ディスク３３と接触し、これに従属する。換言すれば、外側中空本体３１及び内側本体３２は、電池１０の下端部１１に隣接して配置された、少なくとも第１端部ディスク３３によって接合されて、単一の第１電極構造を形成する。
第２電極４０は、第１電極３０の外側本体３１と少なくとも１つの内側本体３２との間に少なくとも部分的に配置された中間体４１を備える。第２電極４０の中間体４１は、第１電極３０の外側本体３１及び少なくとも１つの内側本体３２から電気的に絶縁されている。
図１〜３の例示の実施形態において、端部ディスク３３は、セパレータ５０と共に、電池の下端部１１の内表面から第２電極４０を分離する。これらの実施形態において、ハウジング２０、外側本体３１、少なくとも１つの内側本体３２、及び中間体４１のそれぞれは、円筒壁を備える形状を有し、ハウジング２０、外側本体３１、少なくとも１つの内側本体３２、及び中間体４１は同軸上にある。すなわち、これらすべては、共通の長手方向軸９９を有する、つまり軸方向に揃っている。
従来の集電器３５は、第１電極３０の内側本体３２に挿入され得る。集電器３５は、鋸歯状（図１）であって、第１電極３０の材料と接触する表面を増加させてよい。集電器３５は、図１に示されるように、例えば、スポット溶接によって、又は任意の他の好適な既知の技法によって、電池１０の下端部１１に電気的に接続されてよい。集電器３５は、金属、例えば、鋼、又は任意の他の好適な材料で作製されてよい。これは、ニッケル、コバルト、又は集電器３５と第１電極３０との間で低電気接触抵抗を示す別の好適な材料によって、所望によりめっきされてよく、追加的に、又はあるいは、カーボン含有塗料でコーティングされてよい。
当業者は容易に理解するであろうように、第１電極３０及び第２電極４０の一方は、正極（カソード）であり、他方は負極（アノード）である。例えば、いわゆる「従来の」電池構造を示す図１の実施形態において、第１電極３０は、ハウジング２０の内面と接触する正極であり、一方、第２電極４０は、ハウジング２０から電気的に絶縁された負極である。この実施形態において、ハウジング２０は、正極集電器として機能する。第２電極４０は、これに挿入された１つ以上の集電器４５を有してよい。これらの集電器４５は、上端部１２まで延在して、例えば、封止部７０によってハウジング２０から絶縁される封止部アセンブリ６０を含む、上端キャップに電気的に接続されてよい。
例として、図１に示される電池は、以下の方法で組み立てられてよい。好適な円筒状ダイ（図示なし）の内部に第１電極集電器３５を配置する。ダイを第１電極材料で充填し、第１電極集電器３５を囲む。第１電極材料が集電器３５に付着するように、集電器３５の周囲でこの材料を圧縮する。これを複数回繰り返して、内部に第１電極集電器３５が埋め込まれた、第１電極材料の円筒を構築できる。内部に第１電極集電器３５が埋め込まれた、圧縮第１電極材料で作製された円筒、すなわち、第１電極３０の内側本体３２を備える、結果として得られた第１電極サブアセンブリは、ダイから取り外し、取っておくことができる。
第１電極３０の中空外側本体３１は、ハウジングの壁に隣接して、ハウジング２０の内部で形成してよい。例えば、第１電極材料で構成される一連のリングをハウジング２０に挿入して、その中で押し付けてよい。ハウジング２０内でこれらのリングを更に圧縮して、中空外側本体３１を形成し、リング／本体３１とハウジング２０との電気的接触を向上させることができる。当事者は理解するであろうように、リングはやや大きめに押し付けてよく、先細の挿入ダイを使用することによって、ハウジング２０に締まりばめされてよい。
内部に第１電極集電器３５が組み込まれた、第１電極３０の内側本体３２は、次いで、内側本体３２と外側本体３１との間に管状の空間が形成されるように、中空外側本体３１を内部に有するハウジング２０内に配置してよい。第１電極集電器３５が組み込まれた内側本体３２をハウジング２０と同軸上に位置付け、電池１０の下端部１１にスポット溶接して、ハウジング２０の内部に内側本体３２を固定し、第１電極集電器３５とハウジング２０との間に電気接点を作製してよい。
中空外側本体３１と内側本体３２との間に形成された環状空間から第１電極材料の追加部分を流し込み、上から強く押し付けて、第１端部ディスク３３を形成し、中空外側本体３１と内側本体３１との間を埋め、その結果、第１電極３０の単一の均質本体を形成してよい。中空外側本体３１と内側本体３２との間に形成された第１電極３０の残りの環状空間は、第２電極４０の中間体を受容するように構造化し、構成する。
あるいは、又は加えて、第１電極３０は、単一工程で実行し得るか、多工程プロセスを含み得る、押出成形を使用して形成してよい。例えば、中央集電器３５は、ハウジング２０に任意の第１電極材料を配置する前に、電池の長手方向軸９９に沿って、この同軸上に位置付け、定位置に溶接してよい。次いで、例えば、粒状としてなどの第１電極材料の固定重量又は体積を計量して、ハウジング２０に投入してよい。ハウジング２０は、雌型ダイ内で支持されてよく、一方、押出パンチを配合物の中に押下げて、１回の操作で第１電極３０を形成する。第１電極パンチでの好適な先細形状は、第１電極３０を損なうことなく引き込むことができるものであってよい。
次いで、第１電極３０の中空外側本体３１と内側本体３２との間に形成された環状空間は、例えば、液体が塗布されたセパレータ又は従来の不織布若しくはセロハンセパレータの形態の任意の好適なセパレータ５０で裏打ちしてよい。次に、中空外側本体３１と内側本体３２との間に形成された空間を、第２電極材料で充填して、第２電極４０を形成してよい。あるいは、例えば、亜鉛など粒子材料の圧縮成形体を予備成形し、外側本体３１と内側本体３２との間に形成されたセパレータで裏打ちされた空間に配置してよい。ある実施形態において、例えば、粒子状の第２電極材料の圧縮円筒をセパレータ５０で巻くか、コーティングし、次いで、第１電極３０の中空外側本体３１と内側本体３２との間に形成された空間に挿入してよい。
次いで、電池１０に電解質を分注して、例えば、ピペットで移して、その内部にあるすべての構成要素を湿潤させてよい。電池１０では、任意の好適な電解質を使用してよい。例えば、電解質は、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムなど水酸化アルカリの水溶液を含んでよい。電解質はまた、塩化亜鉛、塩化アンモニウム、過塩素酸マグネシウム、臭化マグネシウム、又はそれらの組み合わせなどの塩類電解質の水溶液であることもできる。
次いで、封止部７０を含むキャップアセンブリ６０を取り付けてよい。これは、１つ以上の第２電極集電器４５（図１）を取り付けることを含んでよい。当業者が認めるであろうように、これらの集電器４５は、例えば、好適な低ガス発生金属、りん青銅、錫めっき黄銅などで作製されてよい。集電器４５は、第２電極４０に部分的に浸すか、別の方法で第２電極４０と接触させる。
単一の第１電極（例えば、カソード）と、単一の第２電極（例えば、アノード）と、を含む、組み立てられた電池１０は、それらの間に、増加した界面積を呈する。加えて、電池１０は、従来のように構築されたアルカリ電池よりも有効厚さが薄い電極を有すると言うことができる。現在の文脈における用語「有効厚さが薄い」は、電極の物理総厚は従来の電池のそれと同じであるか、同様であり得るが、これらの電極の両側から同時に放電する能力は、従来の電極に対して、これらの「電気化学的」厚さを効率的に最小化することを意味する。加えて、第２電極４０は、電池１０の下端部に配置された少なくとも第１端部ディスク３３と並べられた、第３側部から放電することができる。
本明細書に記載されるように、第１電極３０又は第２電極４０のいずれかはカソードであってよく、第２電極４０又は第１電極３０のいずれかはアノードであってよい。図１において、例えば、第１電極３０がカソードを構成し得、第２電極４０がアノードを構成し得る場合、図２及び３において、例えば、カソード及びアノードの相対位置は、図１に示される相対位置に対して逆転していると言うことができる。図２及び３の実施形態において、第１電極３０は、外側中空本体３１と、内側本体３２と、を備える、アノードを構成してよく、第２電極４０は、アノードの外側中空本体３１と内側本体３２との間に配置された中間中空本体４１を備える、カソードを構成してよい。
第１電極がアノードを構成する実施形態において、例えば、鋼で作製されたハウジング２０は、プラスチックで裏打ちされて、深刻な水素ガスの発生をもたらし得る、亜鉛アノードと鋼との直接接触を回避させてよい。プラスチックは、自立式の成形インサートを含んでよい。あるいは、ハウジング２０の壁は、プラスチックでコーティングされてよい。第１電極集電器３５（図２及び３においては、負集電器）は、アノードスラリーに挿入された、従来の青銅くぎ又は黄銅くぎを備えてよい。カソードは、例えば、所望によりカーボンコーティングを施された鋼又はニッケルめっき鋼など金属グリッド４９に押し付けられ、中空円筒に形成された、従来のカソードブレンドを含んでよい。絶縁ワイヤ８０は、カソード金属グリッド４９に取り付けられて、最終的に鋼ハウジング２０に接続できるようにしてよい。
図２及び３の例示の実施形態において、ハウジング２０は、アノード亜鉛スラリーで充填されてよい。中間体４１を備える第２電極４０は、セパレータ５０（液体が塗布された、又は従来の不織布若しくはセロハン）で囲まれていてよく、完全に浸るようにアノードスラリーに挿入され、電池１０の上端部１２に隣接してカソードの最上部の上に配置されたスラリーのブリッジを残し、第１電極３０の内側本体３２（図２において、アノード中央円筒を備える）を外側中空本体３１に接続させる。カソード円筒は、ハウジング２０の底部まで完全には押し込まれられず、ハウジングの底部の内面から距離Ｄにおいて浮遊できて、アノードスラリーの別のブリッジが、電池１０の下端部に隣接するカソードの下に留まることができるようにし、また、内側本体３２を外側中空本体３１に接続させる。組み立てられた電池１０において、カソードの最上部の上に配置されたアノードスラリーのブリッジは、第１端部ディスク３３を形成し、カソードの下に配置されたアノードスラリーのブリッジは、厚さＤ２を有する、第２端部ディスク３４を形成する。
カソードグリッド４９に取り付けられた絶縁ワイヤ８０は、封止部アセンブリ６０を通り抜けてよく、次いで、電池１０の上に配置され、クリンプされてよい。第１電極集電器３５（従来の青銅材料又は黄銅材料を含み得る）は、アノードの中央部分に挿入され、これを電池の負端子に接続してよい。集電器グリッド４９に接続された絶縁ワイヤ８０はまた、正電荷を有するハウジング２０に接続されてよい（例えば、スポット溶接されてよい）。鋼ハウジング２０内で一体成形された接続は、正端子を形成する。
図３の実施形態において、ハウジング２０はプラスチックで作製されてよい。両方向への透湿を回避するため、プラスチックは、外面を金属化されてよい。この実施形態における正電荷を有する絶縁導線は、ハウジング２０とは別個のアセンブリを備え得る、正端子に直接接続される。接続ワイヤ８０は、電池のラベルの下に位置付けられた、薄い金属製フラットリボンの形態を取ってよい。プラスチックハウジングは、鋼ハウジングと比較して、製造費用が低いという利点を有する。しかしながら、プラスチックは、鋼のような剛性及び強度のいずれも有さないので、より厚いプラスチックのハウジング壁が必要となり得る。したがって、電池の使用可能内部体積が減少する。
図４〜５及び６〜７の実施形態において、第１電極３０は、中空外側本体３１と、外側本体３１の内部に位置付けられた複数の内側本体３２と、を備える。図４及び５の例示の実施形態において、第１電極３０は、２つの内側本体３２を備え、図６及び７の例示の実施形態において、第１電極３０は３つの内側本体３２を備える。どちらの実施形態においても、内側本体３２は、第１電極３０の外側本体３１と同軸上にはない。すなわち、これらの実施形態において、内側本体３２は、外側本体３１の長手方向軸９９（及び電池１０）に対してある角度をなして位置付けられる。図４及び５の実施形態において、内側本体３２は、実質的に電池１０及び外側本体３２の共通長手方向軸９９に垂直である。図６及び７の実施形態において、内側本体３２は、電池１０の長手方向軸９９に対して鋭角に位置付けられる。上記の実施形態において、第１電極３０の外側本体３１及び内側本体３２は、ハウジング２０の内部で接合されて、その全体で本質的に均一の電極特性、例えば、電気伝導性を有する、第１電極３０の単一の実質的に均質の構造体を形成する。
図４〜５及び６〜７の上記の例示の実施形態において、第２電極４０の中間体４１は、その中に少なくとも１つの空隙又は空間を有する。この少なくとも１つの空隙又は空間は、内側本体３２によって少なくとも部分的に占められる。図４及び５の実施形態において、中間体４１は、その中に２つの空間を有し、それぞれ少なくとも部分的に内側本体３２によって占められる。図６及び７の実施形態において、第２電極４０の中間体４１は、その中に３つの空間を有し、それぞれ少なくとも部分的に内側本体３２によって占められる。換言すれば、第１電極３０の内側本体３２のそれぞれは、第２電極４０の中間体４１に形成された、対応する空間又は空隙内に少なくとも部分的に配置される。
本発明では、外側本体３１、内側本体３２、及び中間体４１の少なくとも一部が、円筒、角柱（図示なし）、多面体（図示なし）、トーラス（図示なし）、錐体（図示なし）、円錐（円錐台又は円錐様形状を含む）、球体（半球又は部分球形状を含む）（図示なし）、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される形状を有する実施形態が想到される。
図８の例示の実施形態において、例えば、第２電極４０の内側本体４１は円錐を備える。図９は、第２電極４０の内側本体４１が湾曲した、凹状側面を有する「円錐」を備える円錐様形状を有する、電池１０の別の例示の実施形態を示す。第２電極４０が凸状側面を有する「円錐」を備える円錐様形状を有する、電池１０の別の実施形態（図示なし）も想到される。
電池１０の上記の実施形態のすべては、増加した界面積を提供する。したがって、上記の実施形態のすべてにおいて、より高い出力特性が期待される。上記の実施形態のすべては、本発明の範囲内である。
本発明の電池１０では、任意の既知アノードを使用できる。アノードは、アノード活性物質、ゲル化剤、及びガス発生防止剤などの微量の添加剤で形成されることができる。アノード活性物質の例としては、亜鉛が挙げられる。アノード材料は、従来の亜鉛スラリー、又は固体亜鉛、例えば、微粒子亜鉛で形成され、従来の亜鉛スラリーの比表面積と同様に高比表面積を有するものなどを含んでよい。アノードは、電子的に絶縁性であるが、イオン電導性であるセパレータによってカソードから電気的に絶縁されていてよい。好ましくは、カソードにおいて増加した活性物質と平衡させるために、アノード活性物質は微粒子サイズ、例えば約１７５マイクロメートル未満の平均粒子サイズを有する亜鉛を含む。アルカリ電池中におけるこの種の亜鉛の使用は、例えば米国特許第６，５２１，３７８号に記載され、この開示を参照として本明細書に組み込む。亜鉛含有量もまた、電池の変形程度に影響を及ぼす傾向があり、含有量が高いほどアノードを大きく膨張させる傾向にある。アノードの製造に使用される亜鉛スラリー中の亜鉛含有量は、約６４％〜約６９％、及びより具体的には約６６％〜６８％であってよい。ゲル化剤の例としては、ポリアクリル酸、グラフト化デンプン材料、ポリアクリル酸の塩、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースの塩（例えば、カルボキシメチルセルロースナトリウム）又はこれらの組み合わせを挙げることができる。ガス発生防止材としては、例えば、ビスマス、錫、又はインジウムなどの無機物が挙げられ得る。あるいは、ガス発生防止剤としては、例えば、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を挙げることができる。
集電器及び亜鉛活性物質の支持体として機能するアノード金属グリッド及び箔としては、例えば、黄銅、青銅、ケイ素青銅、りん青銅、銅又は銀など任意の低ガス発生金属又は合金が挙げられ得、例えば、錫、インジウム、銀、銅、鉛、又はカドミウムでコーティングされるか、めっきされて、更にガス発生を低減させてよい。
本発明の電池１０では、任意の既知のカソード物質を使用できる。カソード物質は、「硬質」（ＭｎＯ２、黒鉛、ＫＯＨ、Ｈ２Ｏ、任意の結合剤、及び少量の添加剤）又は「軟質」（ＭｎＯ２、カーボンブラック、黒鉛化カーボンブラック、ＫＯＨ、Ｈ２Ｏ、任意の黒鉛、結合剤、及び少量の添加剤）であってよい。ＭｎＯ２は、ＥＭＤ（電解二酸化マンガン）又はＣＭＤ（化学二酸化マンガン）又はブレンドであってよい。黒鉛は、天然、合成、膨張、又は非膨張であってよい。カーボンブラックは、従来のカーボンブラック（アセチレンブラック、ランプブラック、チャンネルブラック）又は黒鉛化カーボンブラックであってよい。カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー又は他の導電補助剤（金属フレーク、ファイバー、粉末）は、黒鉛及びカーボンと共に、又はこれらの代わりに使用されてよい。
集電器及びカソードブレンドの支持体として機能するカソード金属グリッド及び箔は、鉄、鋼、ニッケルめっき鋼（ＮＰＳ）、ニッケル、ニッケル合金で構成されてよく、ニッケル、コバルト、金、又はこれらの金属の合金でめっきされてよく、カーボン含有導電性塗料でコーティングされてもよい。
カソード材料は、圧縮ペレットの形態で提供されてもよい。最適に加工するために、一般にはカソードが約２．５％〜約５％、及びより具体的には約２．８％〜約４．６％の範囲の水分レベルを有することがより好ましい。また、カソードの製造可能性とエネルギー密度と一体性との良好なバランスを得るために、約２２％〜約３０％の気孔率を有するカソードを有することも一般に有益である。
カソードで使用され得る結合剤の例としては、ポリエチレン、ポリアクリル酸、又はＰＶＤＦ若しくはＰＴＦＥなどのフルオロカーボン樹脂が挙げられる。ポリエチレン結合剤の一例は、商標名ＣＯＡＴＨＹＬＥＮＥ ＨＡ−１６８１としてＨｏｅｃｈｓｔ又はＤｕＰｏｎｔから入手可能である。他の添加剤の例は、例えば、米国特許第５，６９８，３１５号、同第５，９１９，５９８号、及び同第５，９９７，７７５、並びに米国特許出願第１０／７６５，５６９号に記載されている。
本発明者らは、本明細書に記載の増加した界面積を有する本発明の電池は、等価パラメータを有する従来のボビン型設計の同等の電池よりも改善された性能を提供すると考える。模擬放電性能試験は、電池性能を予測するために、特定の放電条件下で発生する物質移行、アノード及びカソードの反応速度など主要現象をモデル化する第１原理数学モデルに基づくことができる。模擬放電性能試験の放電手順は、電池が０．９Ｖのカットオフ電圧に達するまで、特定の電池設計に２５０ｍＡの定電流放電を加えるシミュレーションを行うことからなる。模擬電池がカットオフ電圧に達するまでの総時間数、つまり実行時間を報告する。
増加した界面積を有する電極を備える単３電池（図１に概略的に示される）のパラメータが、模擬放電性能試験モデルへの入力用に選択される。模擬電池はアノードを有し、水性電解質中に４．３４ｇの亜鉛（Ｚｎ）を含む。模擬電池は、３．８２ｇの水性電解質（水中に３３重量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）及び２重量％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む）を含む。模擬電池は、１０．１ｇの量の電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）及び０．４６ｇの黒鉛を含む、カソードを有する。カソードは２６％の気孔率を有する。模擬電池は、不活性かつ多孔性であるセパレータも含む。模擬電池は、不活性かつ電子導電性である集電器も含む。
模擬放電性能試験は、上記の電池パラメータを使用した模擬実行である。図１に示される設計の増加した界面積の電池は、１０．７時間の模擬放電性能をもたらし得る。これは、ボビン電池のアノード区画内の中心に配置された集電器くぎと共に、活性物質の量、電極処方、及びセパレータなど界面積の増加した電池の等価パラメータを有する従来のボビン設計の単３電池の模擬性能と比較したとき、約１１％の向上である。
本明細書に開示されているすべての寸法及び値は、列挙した正確な数値に厳密に制限されるものとして理解すべきではない。むしろ、別段の指定のない限り、かかる寸法及び／又は値のそれぞれは、列挙した寸法／値及びその寸法／値の近辺の機能的に同等の範囲の両方を意味することを意図している。例えば、本明細書において、「０．３０ｍｍ」、「０．２０ｍｍ」、及び「０．１０ｍｍ」として開示された寸法は、それぞれ「約０．３０ｍｍ」、「約０．２０ｍｍ」、及び「約０．１０ｍｍ」を意味することを意図する。
本発明の特定の実施形態が例示され記載されてきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の様々な変更及び修正を実施できることが、当業者には自明であろう。したがって、添付の請求項は、本発明の範囲内にある、かかるすべての変更及び修正を含むことを意図する。

Claims (15)

  1. 下端部及び上端部を有するハウジングと、前記ハウジング内に配置された電極アセンブリと、を備えるアルカリ電池であって、前記電極アセンブリが、単一の第１電極と、単一の第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたセパレータと、電解質と、を備え、
    前記第１電極が、中空外側本体と、前記外側本体の内部に位置付けられた少なくとも１つの内側本体と、を備え、前記外側本体及び前記少なくとも１つの内側本体が前記ハウジングの内部で接合されて、本質的に均一の電極特性を有する、単一の実質的に均質の構造を形成し、
    前記第２電極が、前記外側本体と前記少なくとも１つの内側本体との間に少なくとも部分的に配置され、前記外側本体及び前記少なくとも１つの内側本体から電気的に絶縁された中間体を備える、アルカリ電池。
  2. 前記少なくとも１つの内側本体が、前記外側本体と同軸上に位置付けられるか、または、前記外側本体の長手方向軸に対してある角度をなして位置付けられる、請求項１に記載のアルカリ電池。
  3. 前記中間体が、その中に少なくとも１つの空間を有し、前記少なくとも１つの空間が前記少なくとも１つの内側本体によって少なくとも部分的に占められる、請求項１又は２に記載のアルカリ電池。
  4. 前記中間体が、前記外側本体及び前記少なくとも１つの内側本体の少なくとも１つと同軸上にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  5. 前記外側本体、前記少なくとも１つの内側本体、及び前記中間体の少なくとも１つが、円筒、角柱、多面体、トーラス、錐体、円錐、球体、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される形状を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  6. 前記ハウジング、前記外側本体、前記少なくとも１つの内側本体、及び前記中間体のそれぞれが、円筒を含む形状を有し、前記ハウジング、前記外側本体、前記少なくとも１つの内側本体、及び前記中間体が、共通長手方向軸を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  7. 前記第１電極が、前記電池の前記下端部に隣接して配置され、前記外側中空本体と前記少なくとも１つの内側本体とを一体的に相互連結して、前記単一の実質的に均質の構造を形成する、少なくとも１つの第１端部ディスクを備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  8. 前記第１電極が、前記電池の前記上端部に隣接して配置され、前記外側中空本体と前記少なくとも１つの内側本体とを一体的に相互連結して、前記単一の実質的に均質の構造を形成する、第２端部ディスクを更に備える、請求項７に記載のアルカリ電池。
  9. 前記電池が、前記少なくとも１つの内側本体の内部に配置され、前記ハウジングの前記上端部及び前記下端部の１つに前記第１電極を電気的に接続する、少なくとも１つの第１集電器を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  10. 前記電池が、前記ハウジング又は前記ハウジングの前記上端部及び前記下端部の１つのいずれかに前記第２電極を電気的に接続する、少なくとも１つの第２集電器を含む、請求項９に記載のアルカリ電池。
  11. 前記第１集電器及び前記第２集電器の少なくとも１つが、鋼、青銅、及びこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  12. 前記第１集電器、前記第２集電器、及び前記ハウジングの少なくとも１つが、低電気接触抵抗を有する材料でめっきされ、前記低電気接触抵抗を有する材料が、ニッケル、コバルト、カーボン含有塗料、及びこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  13. 前記第１電極が正極（カソード）であり、前記第２電極が負極（アノード）である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  14. 前記第１電極が負極（アノード）であり、前記第２電極が正極（カソード）である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
  15. 前記第１電極から前記ハウジングの内面を絶縁するために、前記ハウジングが、プラスチックで裏打ちされた金属で少なくとも部分的に作製されているか、または、金属化プラスチックで作製されている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のアルカリ電池。
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