JP2971581B2 - デュアル空気電極電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般的には電気化学電池に関し、より特定的
にはラップされたアノード（anode）およびトラップさ
れた電解液を持つデュアル空気電極の金属−空気電池に
関する。

発明の背景 金属−空気電池は、パソコンのようなポータブルな電
子機器の電力供給に、好ましい手段として認められてい
る。金属−空気電池による電力供給は、この電池は、ほ
かのタイプの電気化学電池の比較して相対的に高出力で
軽量のため、消費者に好まれるものである。金属−空気
電池は、金属または金属組成物のような、より重い材料
よりむしろ周囲の空気からの酸素を、電気化学反応の反
応物質として利用するものである。

金属−空気電池は、水溶性電解液の金属アノードと分
離された空気透過性のカソード（cathode）を、１つま
たはそれ以上使用する。電池の作動の間、亜鉛−空気電
池では、周囲の空気からの酸素はカソードで水酸化イオ
ンに変換され、亜鉛はアノードで酸化されで水酸化イオ
ンと反応して、水と電子が放出され、電気エネルギーを
発生する。

近年、金属−空気電池の充電技術が進歩し、金属−空
気電池が充電でき、繰り返し放電で使えるようになって
いる。電子的に充電可能な金属−空気電池は、電圧を電
池のアノードとカソードの間に加え、逆の電気化学反応
により充電される。酸素は空気透過性のカソードを通し
て空気中に放出され、水素が電池から放出する。

金属−空気電池は、コンピュータのようなデバイスの
ための充分な量の電力出力を得るために、積層の電池パ
ックにすることもできる。金属−空気電池の電力供給の
例としては、ベンツ等による米国特許第5,354,625号
が、一般的に見いだされ、名称は“Metal−Air Power
Supply And Air Manager System,And Metal−Ai
r Cell For Use Therein"でありその開示内容は本
発明に参照して組み込まれている。

金属−空気電池の電力出力をより増加しようとする試
みで、さまざまな結果が出ている。電池の電力出力を増
加すると、電池は通常は、より多くの電流消費で稼動し
ようとする。しかしながらこのような高負荷は、システ
ムの総エネルギー密度をかなり減少し、多大な発熱をも
たらし、この両方のため、効率および電池の寿命を低下
する。

エネルギー密度と発熱の問題は、空気カソードをアノ
ードのどちらか側へ配置させること、すなわちデュアル
空気電極電池により電力の増加に対して克服できること
が示唆されている。（本発明では、厳密に「デュアルカ
ソード」電池よりむしろ「デュアル空気電極」電池と記
述する。なぜならば充電時にはカソードとアノードの機
能が逆転するからである。）このような電極のデザイン
はカソード材料の利用可能な表面積を増し、システム全
体のインピーダンスを減らすことになる。

しかしながら、既知のデュアル空気電極デザインは、
余分な自己放電を起こさない電池をいかに開発するか、
およびいかに効率よく電解液を電池に充填するか、のよ
うないくつかの問題点を有する。そのほかの問題として
は、限界容量の維持、電解液の漏洩、過剰な水の蒸散に
よるロスがある。

それゆえ、効率および寿命の低下のない金属−空気電
源の電力出力の増加に対するニーズがある。これらの目
標は、あらゆるタイプのポータブルな電子装置を利用す
る幅広い消費者のための、軽量でより安価な電池として
完成されなければならない。

発明の要約 一般的に行って、本発明はデュアル空気電極の金属−
空気電池で、カソード上部マスク壁と、カソード下部マ
スク壁および複数の側壁を含むケーシング；少なくとも
上部および下部側が分離材料で被覆された金属アノー
ド；空気カソード上部がカソードマスク壁上部とアノー
ドの上部の上にある分離材料との間に配置されているこ
と；カソードの下部がカソードマスク壁下部とアノード
の下部側の上にある分離材料との間に配置しているこ
と；気体排出部がケーシングの側壁の１つまたはそれ以
上に配置していること；および液状の電解液が分離材料
によって十分にトラップされていること、を規定する。
分離材料は１層またはそれ以上の層の吸収性繊維状ウエ
ブおよび１層またはそれ以上の層の微孔性膜からなって
おり、その膜は湿潤時には、気体不透過性で液透過性の
ものである。

本発明の特別な実施形態としては、複数の円錐形開口
部に規定された２つのマスク壁を持つプラスチック電池
を使用することを含んでいる。ケーシングの中の配置の
順番は、吸収性おむつ材料層、第１の空気カソード、吸
水性繊維状ウエブの層で構成した分離層、湿潤時に気体
不透過性で液透過性となる微孔性膜層、第２の分離層、
第２のカソード、第２の吸収性おむつ材料層である。電
池のケーシングの最表層は、電池内で生成した気体の分
散のため気体排出部で包まれている。

このような実施形態は従来の技術より十分優れた利点
を持っている。まず、第２のカソードがカソードの利用
できる表面積を非常に増大し、単１カソードの電池に比
べて十分に大きい電力出力を導く。電池のエネルギー密
度は第２のカソードの増加重量が電池の稼動電圧の増加
によって相殺されるため、実際に増加する さらに、アノード袋は電池の容量を維持する間、電池
の自己放電を効果的に制限する。アノードを、気体不透
過性で液透過性である微孔性膜により被覆することで、
周囲の空気からの酸素は、接触するためにアノード袋を
通過し、アノードを放電する前に溶解段階を経なければ
ならず、電池中へ素早く入り込む。この溶解段階は比較
的遅い反応なので、自己放電は非常に減少する。

アノード袋はまた、ケーシングにわたって酸化亜鉛が
拡散することを防ぐことにより電池の容量と寿命を維持
する。アノードで生成した酸化亜鉛は電解液中に溶解
し、電池ケーシング内を移動する。電池の容量は、酸化
亜鉛が電流集電子との電気的接触を失うことで消費す
る。微孔性膜でアノードを被覆することにより、酸化亜
鉛は、それが膜を通過できないため電流集電子との密接
な接触を維持する。

同様に、微孔性膜はまた、金属アノード上に樹状突起
が成長すること、それはもしカソードと接触したら電池
中で短絡を起こす、を防ぐ。規定した容積でアノードの
酸化亜鉛の被覆を保つことにより、樹状突起は成長でき
ず、カソードとの接触もできない。

アノード袋材料および分離層材料の組み合わせはま
た、電池の自由配向を与える。自由配向は、電解液がア
ノードとカソードを隣接する吸収性繊維状ウエブ中に効
率的にトラップされることにより実現する。既知の電池
は一般に電解液であふれているため、電解液が重力の影
響で移動する。本発明の電池は、分離材料を経由してア
ノードおよびカソードの間に配置する電解液を保持また
は「トラップ」するため、どの方向を向いていても稼動
できる。

これらの特徴は、従来技術を充分に超えた利点と共に
斬新な金属−空気電池に統合される。本発明のそのほか
の特徴は電池の電解液での効果的な充填、効果的な空気
取入れ口による水の蒸発の最小化、電池漏洩の最小化ま
たは皆無化である。これらの特徴は、電池の効率と寿命
を損なうことのない金属−空気電池を提供する。

かくして本発明の目標はデュアル空気電極電池を提供
することにある。本発明のほかの目標、特徴、利点は本
発明の好ましい実施形態の、図面および特許請求の範囲
を合わせた、以降の詳細な記述により明らかにされる。

図面の簡単な説明 図１はデュアル空気電極電池の平面図； 図２はデュアル空気電極電池の平面図； 図３はデュアル空気電極電池の底面図で通気キャップ
を示す； 図４はデュアル空気電極電池の底面図で通気キャップ
なしの側壁を示す； 図５はデュアル空気電極電池の要素の拡大図； 図６はデュアル空気電極電池の断面図； 図７は電池ケーシング内側の平面図； 図８は図７の８−８の線から取った電池の側面断面
図； 図９は通気キャップの平面図； 図10は図９の10−10の線から取得した通気キャップの
側面断面図； 図11は図９の10−10の線から取得した通気キャップの
側面断面図で通気要素の内部のキャップを示す； 図12はアノードの平面図； 図13はアノード集電子の平面図； 図14はアノードおよびアノード集電子の側面図； 図15はアノード袋のアッセンブリの最初の段階におけ
る、繊維状ウエブ材料の上に配置したアノードアッセン
ブリの平面図； 図16は、繊維状ウエブ材料層によるアノードアッセン
ブリの周囲を示している側面図； 図17は、繊維状ウエブ材料層で被覆したアノードアッ
センブリを示している平面図； 図18は、アノードアッセンブリ周囲の繊維状ウエブ材
料層の接合を示している側面図； 図19は、微孔性膜上に配置している、繊維状ウエブ材
料層とのアノードアッセンブリを示している平面図； 図20は、微孔性膜による繊維状ウエブ材料層とのアノ
ードアッセンブリの周囲を示している側面図； 図21は、完成したアノード袋アンセンブリ品を示して
いる平面図； 図22は、スリット付きのカソード分離膜の平面図； 図23は、カソード支持フレームの漏洩タブによるカソ
ードタブの分離を示している側面断面図； 図24はカソード支持フレームの漏洩タブの別の実施形
態の１例； 発明の詳細な説明 各視点から見た、要素的なものを数字等で指摘した図
面を参照すると、図１乃至図６はデュアル空気電極電池
10の好ましい実施形態を示している。デュアル空気電極
電池10の大きな要素は、電池ケーシング20、１またはそ
れ以上の上部の通気キャップ30、アノード袋アッセンブ
リ40、第１のまたは上部の空気カソード50、第２のまた
は下部の空気カソード60、第１のまたは上部の分離層7
0、第２のまたは下部の分離層80を含む。電池ケーシン
グ20は一定の電解液水溶液90で満たされている。

電池ケーシング20は多片構造で、第１のまたは上部の
カソードマスク壁21、第２のまたは下部のカソードマス
ク壁22、および多数の側壁23からなっている。ケーシン
グ20は、いかなる軽量材料を使用することもできるが、
ポリプロピレンのような軽量プラスチックから成形する
ことが好ましい。電池ケーシング20の各要素はホットメ
ルトまたはほかのシール方法で互いにシールされる。ケ
ーシング20は、電池の大きさは部分的に意図する用途に
依存するが、幅約6.81cm（2.68インチ）、長さ約12.0cm
（4.71インチ）、深さ約1.55cm（0.61インチ）が好まし
い。この電池10の実施形態は家電品の電池パック（図示
せず）の用途を意図している。

図１、図７および図８に示したように、それぞれのカ
ソードマスク壁21、22は大気に向けた外部表面24と反対
の内部表面25を持つ。カソードマスク壁21、22は多数の
円錐形開口部26を持つ。上述したケーシング20の中に、
好ましくは53個の開口部26を有するが、それ以上または
それ以下の開口部が、カソードマスク壁21、22のそれぞ
れに均等に間隔がおかれる。円錐形の開口部26のそれぞ
れはその頂点28にオリフィス27を外部表面24上に有し、
マスク壁21、22の内部表面25上にベース29を有する。

好ましくは、オリフィス27は約0.119cm（0.047イン
チ）の直径であり、ベース29の直径は約0.635cm（0.25
インチ）である。このようなマスクの形態は、カソード
50、60の利用可能な表面積の約0.9％と比べて、マスク
壁21、22の外部表面上のオリフィス27の総合した広い面
積をもたらす。総カソード表面積に対し受け入れ可能な
オリフィス27のサイズの範囲は約0.1％以上、５％以下
である。オリフィス27の受入可能な直径は該直径とベー
ス29の直径の比が1:1またはそれ以上とすることができ
る。

ケーシング20の側壁23は、通気および電解液90で電池
を満たすために１つまたはそれ以上の開口部31を持つ。
開口部31は通気キャップ30で覆われ封じられる。通気キ
ャップ30は図９乃至図11に示されている。ケーシング20
と同様に、通気キャップ30もポリプロピレンのような軽
量プラスチックでできていることが好ましい。キャップ
30は開口部31を覆い封ずる大きさで、長さが約4.90cm
（1.93インチ）、幅が約1.22cm（0.48インチ）である。

それぞれの通気キャップ30は１つまたはそれ以上の気
体通気孔32をその中心に有する。気体通気孔32は直径約
0.05cm（0.02インチ）で、通気キャップ30の内側にある
小さい凹み33で取り囲まれている。凹み33は一般に円形
で約0.437cm（0.172インチ）の直径と約0.0305cm（0.01
2インチ）の深さである。凹み33は、超音波溶着または
ほかの接着手段を経て第２の通気シール34で満たされ
る。第２の通気34は疎水性であることが好ましく、Celg
ard4599の商標名で販売されているポリプロピレン膜の
ような気体透過性の膜が好ましい。

凹み33は、次に四角形状の気体収集領域35に取り囲ま
れ、また通気キャップ30を持つ。気体収集領域35は、約
3.81cm（1.5インチ）の長さと約0.462cm（0.182イン
チ）の幅を持つ気体収集または気体拡散する膜36で満た
される。気体収集膜36は接着剤やそのほかの接着方法に
より気体収集領域35に付けられる。気体収集膜36は、De
xter7487の商標名で販売されているようなポリ酢酸ビニ
ル材料あるいは、Porexの商標名で販売されているポリ
エチレン材料が好ましい。

次に気体収集領域35および気体収集膜36は、接着剤ま
たはそのほかの接着方法で通気キャップ30に付けられた
一次通気シール37で被覆される。一次通気シール37は微
孔性のテフロンフィルムが好ましく、長さ約4.57cm（1.
8インチ）で幅約0.889cm（0.35インチ）である。気体収
集領域での同様な通気構造は、多数の疎水性で気体透過
性の膜を持つもので、Pediciniの米国特許第5,362,577
号、名称“Diffusion Vent for ａ Rechargeable M
etal−air Cell"に記述されており、その開示内容は本
発明に参照して組み込まれている。

最後に、通気支持フレーム38が挿入され、接着剤また
はそのほかの接着方法で通気キャップ30に付けられる。
通気支持フレーム38は気体収集膜36およびそのほかの通
気キャップ要素をそこに保持する。通気支持フレーム38
はケーシング20および通気キャップ30と同じ材質であっ
て、ポリプロピレンのような軽量プラスチックから作ら
れている。

図５を参照すると、電池10はそれ自身がサンドイッチ
状に組み立てられたケーシング20の一連の積層要素から
なっている。カソードマスク壁21、22の内部表面25は吸
収性おむつ（diaper）材料100の層で覆われている。こ
の吸収性おむつ材料100は好ましくはポリアクリル酢酸
の層が好ましい。吸収性おむつ材料100は接着剤110また
はそのほかの接着方法で付けられる。吸収性おむつ材料
100はマスク壁21、22から漏れ出すどの電解液90をも吸
収する。吸収性おむつ材料100はまた側面からマスク壁2
1、22を通して流入し、カソード50、60へ移動する周囲
の空気の横方向の拡散を補助する。

第１のカソード50は、その後、第１のカソードマスク
壁21の内部表面25上の吸収性おむつ材料100に対して位
置決めされ、一方第２のカソード60は第２のカソードマ
スク壁22の内側表面25上の吸収性おむつ材料100に対し
て位置決めされる。マスク壁21、22はおむつ材料層100
およびカソード50、60を受けるためにへこまされる。カ
ソード50、60は、いかなる多孔質のシートタイプのもの
であってもよい。そのようなカソードは典型的には、気
体透過性で液体不透過性の防湿層を直接接着された活性
層を含む。そのようなカソードの１例としては、シェパ
ード Jrらによる米国特許第5,306,579号、名称は“Bif
unctional Metal−Air Electrode"または米国特許第
4,354,958号、第4,444,852号、第4,518,705号、第4,61
5,954号、第4,927,514号に記載されており、その開示内
容は本発明に参照して組み込まれている。これらのカソ
ード50、60は、カーボンブラック粒子とポリテトラフル
オロエチレン（テフロン）のような疎水性ポリマーの混
合物を含み、吸収性おむつ材料100に隣接した空気側5
1、および電解液90と接する反対側に触媒化された活性
炭粒子とテフロンの粒子を含む電解液側52からなる。

カソード50、60のそれぞれはさらに、ケーシング20の
外部へ延ばし、電池10のためのマイナス端子を供給する
カソードタブ53からなっている。ケーシング20の側壁23
は１つまたはそれ以上の、タブ53の配置を適合させる凹
み57を持つ。

カソード50、60は吸収性おむつ材100およびカソード
マスク壁21、22に隣接する場所に接着剤110またはその
ほかの接着方法によって保たれる。カソード50、60はさ
らに、カソード支持フレーム54によりそれぞれのマスク
壁21、22に隣接する位置に保たれる。図５および図６に
示したように、カソード支持フレーム54はカソード50、
60の上に配置され、カソード50、60のそれぞれの周囲を
支持するためにそれぞれのカソードマスク壁21、22の凹
みに配置される。支持フレーム54は接着剤110またはそ
のほかの接着方法により保持される。カソード支持フレ
ーム54は約11.9cm（4.7インチ）の長さ、約6.78cm（2.6
7インチ）の幅、約0.419cm（0.165インチ）の深さで、
マスク壁21、22の形状に合うよう輪郭をとられる。カソ
ード支持フレーム54は電池10の構造的な強度を提供し、
電解液90がそれぞれのカソード50、60の端の周りに浸入
しないようおよび電池10の外部へ漏洩しないように確保
する。

カソード50、60のそれぞれの電解液側52はその後、分
離層70、80でおおわれる。第１のカソード50は第１の分
離層70でおおわれ、第２のカソード60は第２の分離層80
でおおわれる。分離層70、80のそれぞれは吸収性繊維状
ウエブ層71および、湿潤時に気体不透過性で液透過性の
微孔性膜層72からなる。好ましい吸収性繊維状ウエブ71
はグレード名TR1113HでHollingsworth＆Voseによって販
売されているナイロン製で、一方好ましい微孔性膜72は
Celgard5511の商標名で販売されているようなポリプロ
ピレン製である。微孔性膜72はまた、膜72の中央部に１
つまたはそれ以上のスリット73を含んでいてもよい。
「スリット」という用語を用いているが、開口部は素材
料中のタブや細長い穴のような、いかなる形状でもよ
い。分離層70、80はカソード50、60および支持フレーム
54のそれぞれに接着剤110またはそのほかの接着方法で
付けられる。

最後に、アノード袋アッセンブリ40は第１の分離層70
と第２の分離層80の間に配置される。アノード袋40はア
ノード集電スクリーン42を取り囲んだ２つのシート状ア
ノード41からなっている。シート状アノード41のそれぞ
れはアノード集電スクリーン42に超音波溶着で溶着され
ている。アノード41は亜鉛または亜鉛合金のシートが好
ましく、穴あき状でもまたは延伸されていてもよい。ア
ノードの41のそれぞれの厚みは約0.508mm（0.02イン
チ）である。アノードスクリーン42は約0.0762mm（0.00
3インチ）の厚みの延伸された銀のスクリーンが好まし
い。アノード集電スクリーン42は、アノードタブ43中に
延ばされ、ケーシング20の外部へ連続していて電池10の
プラス端子を提供する。カソードタブ53と同様にケーシ
ング20の側壁23は、タブ43の配置を提供するアノード凹
み48を持つ。

アノード41は２層の分離袋またはアノード袋44で被覆
されている。分離袋44は、グレード名TR1113GとしてHol
lingsworth＆Voseにより販売されている、ナイロンのよ
うな吸収性繊維状ウエブ材料の層および、湿潤時に気体
不透過性で液透過性の、商標名Celgard5511として販売
されている微孔性膜46からなっている。分離袋44の素材
料は、分離袋44の吸収性繊維状ウエブ45が分離層70、80
の繊維状ウエブ71の半分の厚みである点を除いて、第１
および第２の分離層70、80と同じである。

図15乃至図18に示したように、アノード41は吸収性繊
維状ウエブ材料45上に配置され、織物材料45はアノード
41に折り重ねられている。織物材料45の側端はその後、
接着剤110またはそのほかの接着方法で一緒にシールさ
れている。アノード41および吸収性繊維状ウエブ45はそ
の後、微孔性膜層46の上に配置される。接着剤110が吸
収性繊維状ウエブ45に、位置を保つために塗られ、微孔
性膜46がアノード41および吸収性繊維状ウエブ45に折り
重ねられる。微孔性膜46は、アノード41および吸収性繊
維状ウエブ45に少しオーバーラップして、微孔性膜46の
側端がヒートシールすることができて、つなぎ目49を形
成する。余分な微孔性膜材料46は切り取られ、捨てられ
る。１つまたはそれ以上の小さな袋の開口部47は、つな
ぎ目49のシールされていない部分の約1.524cm（0.6イン
チ）のアノードアッセンブリ袋40の１端を離すことがで
き、電解液90が吸収性繊維状ウエブ45に進入できる。こ
のように、微孔性膜46が充分にシールされたアノード袋
40を形成してアノード42および繊維状ウエブ45を取り囲
む。

アノードアッセンブリ袋40が配置された後、ケーシン
グ20のそれぞれのマスク壁21、22に隣接した側壁23が、
電池10を取り囲むため互いにヒートシールされる。通気
キャップ30の１つもまた、ホットメルト法によってケー
シング20にシールされる。液状の電解液90がその後、ケ
ーシング20の反対側の開口部31に注がれる。電解液90
は、微孔性膜46、72が少ししか電解液90を吸収しないの
に反して、繊維状ウエブ45、71に充分に吸収される。ト
ラップされた空気泡が電池10内部から取り除くのに充分
な時間が経過してから、ほかの通気キャップ30をそこへ
シールする。

電解液90は、周期表第１族金属水酸化物を含む水溶液
であればどれでもよい。例としては、LiOH、NaOH、KO
H、CsOHまたは、Cheikyの米国特許第4,957,826号に開示
されているようなもので、その開示内容は本発明に参照
して組み込まれている。約55グラムの電解液90が電池10
に充填するため使われる。

電池ケーシング20の外への電解液90の漏れを防ぐた
め、それぞれのカソードタブ53を分離すると便利である
ことが見いだされた。電解液90は、カソードタブ53の金
属と金属の接触に沿って電池10から弾き飛ぶことがあ
る。この金属と金属の接触を防ぐため、漏れタブ56をカ
ソード支持フレーム54へ包含させてもよい。

図23および24に示したように、カソード50、60は、そ
れぞれのカソードマスク壁21、22とそれぞれのカソード
支持フレームの間に配置されている。マスク壁21、22の
端を越えて支持フレーム54を伸張することにより、１つ
またはそれ以上のこれらの漏れタブ56はそれぞれのカソ
ードタブ53の間に配置され、それで金属と金属の接触を
防ぐ。漏れタブ56はカソード支持構造54の水平もしくは
垂直の延伸のどちらでもよく、それでそれぞれの支持フ
レーム54と結合されたとき、漏れタブ56はタブ53の間に
押し込まれる。代わりに、漏れタブ56構造と似たものを
カソードタブ53およびアノードタブ43を分離するために
用いることもでき、同様にタブ53、43のセットの両方
を、電池10と同じ側のケーシング20へ出すことができ
る。

電池10の稼働中、空気は開口部26を通してカソードマ
スク壁21、22に入り、カソード50、60の空気側51へ侵入
する。カソード50、60では、周囲の空気からの酸素が電
解反応を始め、その結果、電池10から電流を生成する。
アノード41とカソード50、60の間のイオンの移動は、分
離層70、80およびアノード袋44に吸収されている電解液
90を通して行われる。湿潤状態では、イオンは微孔性膜
46、72や繊維状ウエブ45、71を通過することができる。

マスク壁21、22の開口部26の、大きさ、数、形状が露
出されたカソード50、60への空気の量を制御する。開口
部26の円錐形はカソード50、60の効率的で最大の利用を
もたらし、電池の使用寿命を延ばす。円錐形開口部26
の、それぞれのやや小さいサイズのオリフィス27は、炭
酸気体の吸入の制限および水の蒸発の制限を助長し、一
方ベース29の大きな面積は、おむつ材料100およびカソ
ード50、60の表面への、周囲の空気のよい側面分布を助
長する。この周囲の空気の側面支払は、分離された空気
の充満の必要性を排除し、それで電池10の高さまたは幅
を減少する結果となる。さらに、マスク壁21、22の円錐
形開口部26の採用は、プラスチック材料へのスムースな
移行ができ、より安易な製造を提供する。

一方、理想的な遮蔽面開口部は、穴として少ないパー
センテージの開口部を持ち、それは「ミクロン」レベル
であり、水の蒸発による少々のロスがあるとはいえ、カ
ソード50、60への均一な電流の流れをもたらすように間
隔をあける。この構成は電池10の湿度の維持の間の充分
な空気吸入を提供する。ベース29の間のマスク壁21、22
の表面が、吸収性おむつ100およびカソード50、60の面
をおおうけれども、酸素が急速に開口部26から側面およ
び吸収性おむつ100およびカソード50、60それ自身のカ
ソードアッセンブリ要素を通して拡散することを見いだ
した。開口部26のオリフィス27からカソード50、60の表
面域への好ましい開口スペースの範囲は、0.1から５％
で、充分な空気吸入を提供する。もし開口部26のサイズ
がこの範囲より少ないと、適切な電流生成のためのカソ
ード50、60へ充分な酸素が到達しないし、カソード50、
60を通して酸素の点拡散が起こり得る。他方、もし開口
部26のサイズがこの範囲より大きいと、カソード50、60
は過剰な水分の移動および電池の早期破損の可能性を招
く。

一旦電池10の稼動が開始すると、アノードの微孔性膜
46は、アノード集電子42との密接な接触でのアノード41
で生成された亜鉛および酸化亜鉛を保持しようとする。
一旦電解液90に溶解すると、酸化亜鉛は、電池10内を重
力により下方へ流れようとする。しかしながら、一旦酸
化亜鉛アノード集電子42との接触を失うと電池10の容量
が浪費され、電池10の寿命を縮める。この酸化亜鉛の分
散は、酸化亜鉛が膜46を通過できないため、微孔性膜被
覆46により大きく防止される。酸化亜鉛は電流フィール
ドに維持され、電池10の容量は浪費されない。

さらに、電池10の容量は、デュアルカソード50、60の
形態により維持される。なぜならばアノード41のどちら
かの側にカソード50、60があり、亜鉛または酸化亜鉛は
一般に全時間帯で電流フィールドに留まるからである。

アノードの微孔性膜46はまた、金属アノード41上に樹
状突起（図示せず）が成長するのを防ぐ。これらの樹状
突起は従来技術の電池ではアノード41からカソード50、
60の方向へ成長する。樹状突起とカソード50、60のいか
なる接触も電池10内で短絡を起こす。微孔性膜46は、ア
ノード41との密接な接触でアノード41にて生成する酸化
亜鉛を維持することにより、樹状突起の成長を妨げる。
酸化亜鉛は微孔性膜46を通過することができず、カソー
ド50、60に接触できない。

分離層70、80内の微孔性膜72もまた、アノード層46中
のいかなる欠陥の場合でもバックアップ層として働くの
で樹状突起の成長を防止することを助ける。さらに、ス
リット73は、電解液90で電池10が最初に充填されたとき
の気体泡を逃がすため、分離層70、80の微孔性膜72の中
心に存在している。カソード50、60に隣接する膜72の下
にトラップされた気体は、カソード50、60にわたって電
流密度の不均一を起こし、またアノード41の面の不活性
も起こす。これは電池10の容量ロスおよび最終的には電
池10の破損をもたらす。樹状突起は、アノード41とカソ
ード50、60の端の近くに成長しようとする傾向があるた
め、膜72の中心のスリット73の配置が、樹状突起形成の
防護壁を維持する間、気体泡を逃がす。

アノード袋アッセンブリ40の微孔性膜46、72および第
１と第２の分離層70、80はまた、電池10の自己放電を大
きく排除する。酸素は通気キャップ30を通して電池10へ
漏出する。保管の間と同じく、充電反応の１部のよう
な、電池10内での水素気体の発生のため、通気キャップ
30が効率的な電池10に必要である。しかしながら、周囲
の空気によるアノード41への接近はアノード41の放電を
起こす。この放電は微孔性膜46でアノード41を被覆する
ことにより、充分に排除される。湿潤時に微孔性膜46は
大きく気体不透過性のため、周囲の空気からの酸素は、
膜46を通過して溶解段階を通り抜けねばならない。溶解
段階は比較的遅いプロセスなので電池10の自己放電は大
きく排除される。

アノード袋アッセンブリ40の吸収性繊維状ウエブ45、
71および第１と第２の分離層70、80の使用は、電池10の
自由配向をもたらす。電解液90は繊維状吸収性織物45、
71に充分に吸収されており、微孔性膜46、72に沿って、
アノード41およびカソード50、60の間のすべてを充分に
満たしている。吸収性繊維状ウエブ45、71は電解液90の
ほとんど全部を吸収しているので電池ケーシング90の自
由に流れる電解液90はもしあるとしても少ない。電解液
90は吸収性織物45、71中に充分にトラップされているの
で、電池はどの方向を向いても稼動できる。アノード袋
アッセンブリ40の微孔性膜46、72および第１と第２の分
離層70、80は吸収性層45、71の間で弾き飛ぶ分離材料と
して働くので、電解液90のような液体を移動させるが、
しかし気体を大きく不透過にする。また吸収性繊維状ウ
エブ45、71中に電解液90がトラップされていることで、
電池10からの漏洩の機会を少なくしている。

ケーシング20の通気キャップ30は、充電および保管の
間に生成する電池20からの水素およびそのほかの気体を
通気する手段を提供する。通気キャップ30は１つまたは
それ以上の気体通気孔32を持ち、それは大気からの余分
な炭酸気体の吸入を防ぎ、また電池10からの余分な水の
ロスを防ぐのに充分な小ささである。通気キャップ30は
また、１つまたはそれ以上の気体透過性で疎水性の膜3
4、37に定義される気体収集領域35を持つ。膜34、37
は、大気中へ通気される前に気体収集領域で、電池10内
で発生した水素およびそのほかの気体が収集される間、
ケーシング20内の湿度を維持する。

それ故、本発明は電力出力を大きく増加するばかりで
なく、その電力をより効率的な手段で生成する金属−空
気電池を提供する。デュアルカソード50、60形態の使用
は電池10の稼動に重要な便宜をもたらす。電池10は単カ
ソード電池の電力の倍の電力を生成する。すなわち1.5W
に対して3W以上である。さらに、電池10は、単カソード
電池の140−190WH/Kgのエネルギー密度と比較して約150
−230WH/Kgのエネルギー密度を持つ。デュアルカソード
電池10は与えられた消費電力では単極電池より高い電圧
で稼動し、それ故大きいエネルギー密度を持つ。

電池10の寿命もまた、電池の自己放電の防止、容量の
維持、樹状突起成長の防止で大きく延ばされている。さ
らに、電解液トラップシステムの使用は、水浸しのシス
テムに対して、電池10がどの方向を向いていても稼動で
きることを提供する。斬新でユニークな組み合わせのこ
れらの利点は、金属−空気電池の設計と稼動に重大な改
良をもたらす。

ここで使われた「上部」または「下部」の用語は、参
照の便宜上、相対的な構成を定義したものであり、電池
10全体でのどの特定な方向をも必要としないことに留意
されたい。

前述したものは、本発明の好ましい実施形態にのみ関
わっており、多くの変更が、次のクレームによって定義
される範囲を超えない限り、可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティボルト、 ウィリアム チャールズ アメリカ合衆国 30073 ジョージア州 パウダー スプリングス ラスティー ラン エス．ダブリュー． 3288 (72)発明者 ターナー、 クリス アンソニー アメリカ合衆国 30341 ジョージア州 チャンブリー ハーツ ミル ロード 1845 (72)発明者 ティンカー、 ローレンス アンドリュ ー アメリカ合衆国 30188 ジョージア州 ウッドストック ハンターズ グレン ドライブ 1106 (56)参考文献 特開 平２−288164（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−30466（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−104268（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭48−2107（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 12/06 - 12/08

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部カソードマスク壁、下部カソードマス
   ク壁および複数の側壁を含むケーシングと、 前記ケーシング内に配置した上部側および下部側を含む
   金属アノードと、 少なくとも前記上部および下部側上で分離材料によって
   覆われている前記金属アノードと、 前記上部カソードマスク壁と前記アノードの前記上部側
   に接する前記分離材料との間に配置されている上部空気
   カソードと、 前記下部カソードマスク壁と前記アノードの前記下部側
   に接する前記分離材料との間に配置された下部空気カソ
   ードと、 前記ケーシングの前記複数の前記側壁のうちの１つまた
   はそれ以上に接して配置された気体通気孔と、 前記分離材料によって実質的にトラップされた電解液と
   を具備することを特徴とするデュアル空気電極金属−空
   気電池。
2. 【請求項２】前記分離材料が、前記金属アノードを取り
   囲む吸収性繊維状ウエブの１つまたはそれ以上の層、お
   よび、湿潤時には気体不透過性および液体透過性を有し
   前記吸収性繊維状ウエブと前記金属アノードの周りを取
   り囲み実質的にシールされた袋を形成する微孔性膜の１
   つまたはそれ以上の層を具備することを特徴とする請求
   項１記載のデュアル空気電極金属−空気電池。
3. 【請求項３】前記上部空気カソードと前記アノードの前
   記上部側に接する前記分離材料との間に配置された上部
   分離層と、 前記下部空気カソードと前記アノードの前記下部側に接
   する前記分離材料との間に配置された下部分離層とをさ
   らに具備することを特徴とする請求項１記載のデュアル
   空気電極金属−空気電池。
4. 【請求項４】前記電池が亜鉛−空気電池であることを特
   徴とする請求項１記載のデュアル空気電極金属−空気電
   池。
5. 【請求項５】前記トラップされた電解液が前記電池の配
   向に依存しない動作を提供することを特徴とする請求項
   １記載のデュアル空気電極金属−空気電池。
6. 【請求項６】前記電池が、150乃至230ワット時／キログ
   ラムのエネルギー密度を有することを特徴とする請求項
   １記載のデュアル空気電極金属−空気電池。
7. 【請求項７】前記マスク壁が複数の円錐形の開口部の輪
   郭を定めることを特徴とする請求項１記載のデュアル空
   気電極金属−空気電池。
8. 【請求項８】前記上部カソードマスク壁と前記上部カソ
   ードとの間および前記下部カソードマスク壁と前記下部
   カソードとの間に配置された吸収性おむつ材料の層をさ
   らに具備することを特徴とする請求項１記載のデュアル
   空気電極金属−空気電池。
9. 【請求項９】前記空気通気孔が、該空気通気孔内にある
   少なくとも１つの気体出口穴の輪郭を定め、前記気体出
   口穴が、大気からの過度の二酸化炭素の取り入れを防止
   しなおかつ前記電池からの過度の水の損失を防止するに
   充分小さいことを特徴とする請求項１記載のデュアル空
   気電極金属−空気電池。
10. 【請求項１０】前記分離材料が、前記アノードからの亜
    鉛または酸化亜鉛の分散を防止する微孔性膜の層を具備
    することを特徴とする請求項１記載のデュアル空気電極
    金属−空気電池。
11. 【請求項１１】前記分離材料が、前記アノード上での樹
    状突起の成長を防止する微孔性膜の層を具備することを
    特徴とする請求項１記載のデュアル空気電極金属−空気
    電池。
12. 【請求項１２】前記分離材料が、湿潤時には気相状態の
    酸素が前記アノードと接触することを防止するように気
    体不透過性および液体透過性を有する微孔性膜の層を具
    備することを特徴とする請求項１記載のデュアル空気電
    極金属−空気電池。
13. 【請求項１３】前記分離材料が電解液で充填された吸収
    性材料の層を具備することを特徴とする請求項１記載の
    デュアル空気電極金属−空気電池。
14. 【請求項１４】前記カソードから前記ケーシング外部へ
    伸張するカソードタブと、 前記電解液が前記カソードタブに沿って前記電池の外に
    飛散することを防止するために前記カソードと前記カソ
    ードタブ間に配置され伸張した漏れタブを備えた１つま
    たはそれ以上のカソード支持フレームとをさらに具備す
    ることを特徴とする請求項１記載のデュアル空気電極金
    属−空気電池。
15. 【請求項１５】前記第１および第２の分離層の各々が、
    電解液で充填された吸収性材料の層を有することを特徴
    とする請求項３記載のデュアル空気電極金属−空気電
    池。
16. 【請求項１６】前記第１および第２の分離層の各々が、
    樹状突起が前記カソードと接触することを防止するため
    の微孔性膜の層を有することを特徴とする請求項３記載
    のデュアル空気電極金属−空気電池。
17. 【請求項１７】前記第１および第２の分離層の各々が、
    気相状態にある酸素が前記アノードと接触することを防
    止するための気体不透過性の液体透過性材料の層からな
    ることを特徴とする請求項３記載のデュアル空気電極金
    属−空気電池。
18. 【請求項１８】前記開口部の前記開口面積が前記カソー
    ドの表面積の約0.1％から５％の間であることを特徴と
    する請求項７記載のデュアル空気電極金属−空気電池。
19. 【請求項１９】前記気体出口穴を覆う気体透過性および
    疎水性を有する膜と、 前記気体通気孔の内部側に輪郭を定められた気体収集領
    域と、 前記気体収集領域を充填する気体拡散材料と、 前記気体拡散材料を覆う第２の気体透過性および疎水性
    を有する膜とをさらに具備することを特徴とする請求項
    ９記載のデュアル空気電極金属−空気電池。
20. 【請求項２０】前記第１および第２の分離層の前記微孔
    性膜が、前記電池が前記電解液で充填されている状態に
    おいて、前記第１および第２の空気カソードに隣接する
    気体の漏出を可能とする１つまたはそれ以上のスリット
    を内部に具備することを特徴とする請求項16記載のデュ
    アル空気電極金属−空気電池。