JP4294313B2 - 金属空気電池カートリッジ - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、金属空気電池に関する。
【０００２】
電池は、電気エネルギ源として通常使用されている。電池は、通常アノードと呼ばれる負の電極と、通常カソードと呼ばれる正の電極を含んでいる。アノードは酸化される活性材料を含む。カソードは還元される活性材料を含むか、消費する。アノード活性材料は、カソード活性材料を還元することができる。アノード材料とカソード材料の直接の反応を阻止するために、アノードとカソードはセパレータにより互いに電気的に分離されている。
【０００３】
電池が、デバイスの電気エネルギ源として使用されるとき、アノードとカソードは電気的に接続され、デバイスを介して電子を流し、それぞれ酸化反応と還元反応を行なわせ電力を発生させる。アノードとカソードと接触する電解質たとえば水酸化カリウムは、放電中電池全体の電荷バランスを維持するため電極間のセパレータを介して流れるイオンを含んでいる。
【０００４】
金属−空気電気化学電池において、酸素はカソードにおいて還元され、金属はアノードにおいて酸化される。酸素は、電池缶内の一以上の空気口を介して電池の外部の大気中の空気からカソードに供給される。電池の寿命を長引かすために、カソードは、使用時空気流に晒らされ、そして不使用時、空気流から隔離されることが望ましい。
【０００５】
本発明は、デバイスに使用されたとき、デバイスの電力需要に応じて良好な空気管理をなし得る金属空気電池カートリッジに関する。全般的に、デバイスがオフの時、カートリッジ内の電池を空気からシールし、デバイスがオンの時電池を空気に晒す。
【０００６】
携帯電話のような電池を必要とするデバイスにおいては、電池は連続的に使用されることはない。むしろ電池は、動作の“オフ”状態と“オン”状態の間の電池のサイクルに間歇的に使用される。オフ状態の間電池から電流は流れなく、且つオン状態の時最大の電流が取り出される。またある種の電話においては非最大電流が流れる“待機”状態を有している。
【０００７】
これらのデバイスが、オンでない期間中、電池に入る空気の量を制限または限定することが望ましい。空気に過剰に晒すと、電池内の材料が早期に劣化することとなる。このことは電池性能を貧弱にし、電池寿命を短くさせる。
【０００８】
一つの観点においては、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられた、第１の開口を有する電池と、前記ケーシングに移動自在に係合する摺動体であって、前記電池の第１の開口と位置合わせ可能な第２の開口を含む摺動体とを備え、前記摺動体は、その第２の開口が前記電池の第１の開口と重なり合う第１の位置と、前記摺動体の第２の開口が前記電池の第１の開口と重なり合わない第２の位置と、前記摺動体の第２の開口が前記電池の第１の開口と一部重なり合う第３の位置との間で移動自在であることを特徴とする金属空気電池カートリッジ。
【０００９】
実施の形態は、一つ以上の次の特徴を有している。
【００１０】
ケーシングは、溝を画定し、摺動体は溝と移動自在に係合できる。
【００１１】
摺動体は、更に少なくとも一つのラッチを含み、それは摺動体をケーシングに予定の係合位置に保持する。ラッチは、摺動体に一体にモールドされる。
【００１２】
更にカートリッジは、摺動体を移動させるのに適した補助電源を含む。補助電源は、第二の電池である。
【００１３】
ケーシングは、平形形状(prismatic)たとえば長方形平形や円形平形をしている。
【００１４】
電池は、長方形断面をしている。電池は金属空気電池、たとえば二酸化マンガンを含むカソードと、亜鉛を含むアノードを備えている電池である。
【００１５】
他の観点においては、本発明は、開口と、酸素含有環境へ晒す度合いを制御するために、開口上を可変の位置に相対的に摺動できるように配置された空気制御部材を含むことに特徴づけられる。
【００１６】
他の観点においては、本発明は、平行に平面配置された一対の開口を含む金属空気電池システムを有する電気化学電源に特徴づけられる。開口は、酸素含有環境へ晒すのを制御する各種配置に関して配設される。
【００１７】
電池カートリッジは、金属空気電池に入っていく空気の流れを管理するための、単純且つ機能的なシステムを提供する。カートリッジは、異なるデバイスに適合するような各種の形状をしており、カートリッジは廉価で製造できる。カートリッジの動作は単純である。いくつかの実施の形態においては、カートリッジの動作は、ユーザにとってわかりやすいものである。
【００１８】
平形（prismatic）電池は、一般的に長方形形状をしている。たとえば平形電池は、２個の平行の長方形状面を持つ比較的平坦であり、携帯電話の使用に適している。より概略的に言えば、平形電池は、平行な面をなす２つの多面体面を有し、且つたとえば平行四辺形として他の面を有する多面体として形成される。たとえば多角形面が長方形であれば、電池は長方形の平形である。多角形面が円であれば、電池は円形平形の形状となる。平形電池は、たとえば携帯電話や電池カートリッジに効率的に便利に一緒に積み重ねることができる。
【００１９】
本発明の他の特徴、目的、利点は詳細な説明並び図面、及び請求の範囲から明瞭にされる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１−３を参照すると、長方形の平形カートリッジ２０は、ケーシング３０，摺動体４０，およびケーシング３０内の内側に配設された３個の電池５０を備えている。ケーシング３０は、長方形の周囲に延びる壁３５を有する長方形形状をしている。壁３５の幅および長さに沿って伸びる壁部分には、摺動体４０を受け入れる溝６０を形成している。以下記載するように、ケーシング３０は、更に摺動体４０により画定された突起１００を受け入れるため溝６０内に３組のノッチ（図示せず）を画定している。各組のノッチは、たとえば電話の異なる状態に対応する所定の位置に形成される。
【００２１】
摺動体４０は、溝６０に摺動的に入り込む長方形状をしているので、ケーシング３０と合致しカートリッジ２０を形成する。摺動体４０は、更にカートリッジ２０に空気を流すように複数個の摺動開口７０を画定している。図２と図４Ａ−Ｂを参照すると、摺動体４０はまた、摺動体４０の両側に形成された複数個のラッチ機構９０を画定する。各ラッチ機構９０は、摺動体４０に画定された突起１００と空所１０５を含んでいる。摺動体４０が溝６０に入り込んだとき、突起１００は摺動体４０から突出することができ、且つケーシング３０に画定されたノッチと係合し、デバイス（図４Ａ）の動作と異なる状態に対応する異なる予定の位置に摺動体４０を保持する。摺動体４０が、ノッチから突起１００を離脱するように摺動したとき、たとえば動作の一つの状態から他の状態に摺動体４０を動かすとき、突起１００は、摺動体４０に向け空所１０５内に偏位し、摺動体４０を溝６０（図４Ｂ）内に移動させる。
【００２２】
電池５０は、ケーシング３０内に合致する形状の平形金属空気電池である。摺動体４０上の摺動開口７０に類似して、電池５０はまた、電池５０に空気が入るように複数個の電池開口８０を画定している。一般的に摺動開口７０および電池開口８０は、摺動体４０と電池５０の上にそれぞれパターン化され、電池５０の最適且つ一様な特性を提供できる。
【００２３】
動作を説明すると、電池８０に入る空気流の量は、ラッチ９０が一組のノッチと係合するまで、摺動体４０を溝６０内に摺動することにより管理できる。各組のノッチに依存して、ラッチ９０が係合するときには、摺動開口７０および電池開口８０は、完全に位置がずれている（重なり合いはない）、部分的に位置合わせされている（一部が重なり合う）、または完全に位置合わせされている（すべてが重なり合う）のいずれかである。
【００２４】
図５Ａを参照すると、デバイスが“オフ”状態の時、摺動開口７０および電池開口８０は、全く重なり合いがない。ケーシング３０と摺動体４０は、電池開口８０を周囲から堅固に且つ充分にシールする。電池８０に入る空気流は、電池８０のサービス寿命を高めるために制限され、たとえば電池８０の自己放電を阻止し、且つ空気に余分に晒すことによる電池材料の劣化を最小限にする。
【００２５】
図５Ｂを参照すると、デバイスが“待機”状態の時、摺動開口７０および電池開口８０は、部分的に重なり合っている。電池８０に入り込む空気流は、待機状態中にデバイスが要求する電力を満たすために十分な量の空気が電池５０に入り込むように調整されている。図５Ｃを参照すると、デバイスが“オン”または“通話”状態の時、摺動開口７０および電池開口８０は、完全に重なり合っている。この状態においては、電池５０が最大電流レベルで動作するように充分な空気が電池５０に入り込む。
【００２６】
ユーザがデバイスの使用において望む状態に対応して、デバイスのユーザが摺動体４０を手動により移動させることができる。たとえば摺動体４０は、電話の外部スイッチに接続できるので、ユーザは電話の電力の需要に応じて摺動体４０を手動で動かすことができる。また摺動体４０は、たとえば電話のカバープレートに移動自在に接続できる。カバープレートが閉じたとき、突起１００がオフ状態に対応するノッチと係合するように、摺動体４０が移動する。カバープレートが開いたとき、突起１００がオン状態に対応するノッチと係合するように、摺動体４０が移動する。
【００２７】
他の実施の形態を示す図６を参照すると、カートリッジ２０は、摺動体４０を自動的に動かすために補助電源１１０を備えており、一貫しかつ透過的な（seamless and transparent）ユーザインタフェースを提供している。更に電池５０はデバイスの起動時初期電圧降下を生ずるので、補助電源１１０は、電池５０が使用待機状態の間、電圧遅延を低減するために使用される。補助電源１１０、たとえばリチウム／酸化マンガン電池は、溝６０内に摺動体４０が移動できるように、モータ１１２とリンク１１４を介してデバイスとインタフェース接続される。モータは、たとえば電話の動作状態に応じてデバイスから送られた信号によって作動される。摺動体４０の特有の移動は、電池カートリッジ２０が使用される電話の型に依存する。たとえば摺動体４０は、ユーザが“オン”ボタンを押したとき、オフ状態から待機状態に移動できる。摺動体４０は、電話の呼び出しがあったとき、または数値パッドを押すことによりダイヤルを開始したとき、待機状態から通話状態に移動できる。たとえば摺動体４０は、ユーザが“終了”ボタンを押したとき、通話状態から待機状態またはオフ状態に移動できる。このように摺動体４０は、電池５０から電話の電力需要に応じて自動的に移動するとともに、電池５０の寿命を延ばすことができる。
【００２８】
ケーシング３０と摺動体４０は、デバイスに使用するため適切ないかなる材料からでも形成される。たとえばケーシング３０と摺動体４０は、各種の周知の技術を用いる非導電性材料、たとえば射出成形できるたとえばアクリロニトリック−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）の様な強靱な熱可塑性材料から作ることができる。従って、ノッチとラッチ９０は、たとえば射出成形中、ケーシング３０と摺動体４０は、それぞれ一体に成形され得る。ケーシング３０と摺動体４０はまた、たとえば電気的に非導電性被覆を有する軽量の金属から形成される。カートリッジ２０の特定寸法は、カートリッジ２０の用途に応じ、たとえば電話の電池室の寸法に依存する。
【００２９】
図７を参照すると、電池５０は、長方形または正方形断面で、カートリッジ２０に電池５０が配設できるような寸法を有する平形の金属空気電池である。平形カソード管２１０は、たとえば活性材料のカソード被覆混合物で被覆された金属メッシュスクリーンである集電体から形成される。混合物は、バインダ、カーボン粒子および、たとえばマンガン化合物のような過酸化物を還元するための触媒を具備している。有用な触媒は、たとえば硝酸マンガンを加熱し、または過マンガン酸カリを還元することにより製造できる、たとえばＭｎ２Ｏ３，Ｍｎ３Ｏ４，およびＭｎＯ２のように酸化マンガンを含んでいる。好ましいバインダは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を含んでいる。カソード被覆混合物が、硬化した後、カソード組立体は、カソード構造体から残余の揮発物を除去するため加熱される。
【００３０】
電池開口８０に面する管２１０の外側は、ＰＴＦＥバリヤ膜２２０で覆われている。膜２２０は、電池５０内に一定の湿度レベルを維持するのに役立つ。膜２２０は、電池から電解質を漏洩しないように、且つ電池内にＣＯ２が漏入しないようにしている。
【００３１】
セパレータ２６０は、カソード管２１０内に装入される。セパレータ２６０は多孔質、電気絶縁ポリマ、たとえばポリプロピレンで、電解質をカソードに接触させる。
【００３２】
空気プレナム(plenum)即ち空気充満空間２５０の寸法は、電池パック１０の用途やカソードの特性の関数で決まる。たとえば電池パック１０からどの程度の電流が望まれるか、および電池５０のカソードがどの程度の低い酸素濃度で正しく動作し得るかが、空気充満空間２５０の設計に影響する。一般的に、パック１０の用途及び/又はカソードの特性が決定された後、空気充満空間２５０は、第一の電池開口から、第一の電池開口と第一の電池開口に隣接する電池開口から等距離であるカソード２１０の外面上の点に流れる空気が滑らかに減少するように設計されている。この設計により、一定の電池性能のために、一定の空気の流れを持つカソード２１０を提供できる。
【００３３】
特に空気充満空間２５０は、一次元定常状態系に適用できるフィックの第一の法則(Fick's Law First Law）（Ｊｒ＝−Ｄ∂Ｃ／∂ｒ）における近似方法で設計される。図８に電池パック１０の一部分を示すが、ここでｂは空気充満空間２５０の高さ（たとえば約１ｃｍ未満、より好ましくは約０．１ｃｍ未満たとえば０．０８ｃｍ）、ｗは開口から開口の間隔（中心から中心での測定、たとえば約０．１ｃｍから約１ｃｍ，たとえば約０．２ｃｍ）、そしてＬは空気充満空間２５０の長さ（たとえば約１．５ｃｍ）である。空気充満空間２５０内の酸素の質量輸送は、一般的に次のように特徴づけられる。
（材料の集積量）＝［Ｏ２の発生量＋Ｏ２のインフラックス］−［Ｏ２のアウトフラックス＋Ｏ２の消費量］ （１）
金属空気電池においては、酸素は発生しない。
【００３４】
フィックの第一の法則を適用すると、式（１）は次のようになる。
【数１】
ここで
Ｊｘ ＝ｘ方向の酸素の拡散フラックス；
∂Ｊｘ／∂ｘ＝制御容積を横切るフラックスの変化率；
△ｘ ＝制御容積の厚さ；
Ｉtotal ＝特定面積に流れる電流量、たとえば３００ｍＡ／ｃｍ２； ｎ ＝酸素還元に関与する電子の数（４）；
Ｆ ＝ファラディ定数（９６，４８５クーロン／mol）；
∂Ｃ／∂ｔ ＝超過時間の制御容積における材料の集積速度。
【００３５】
代数学を用いて、式（２）は式（３）に、次いで式（４）に変形できる。
【数２】
ここで、∂Ｃ／∂ｔ＝時間内で２点間の集積の差。
【００３６】
式（５）に示すように、空気充満空間の酸素の集積は、定常状態の成分（Ｃｓ（ｘ））と過渡成分（Ｃ１（ｘ，ｔ））の和である。
Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ１（ｘ，ｔ）＋Ｃｓ（ｘ） （５）
【００３７】
しかしながらここで近似法を用いると、単に定常状態成分のみ考えればよい。
従って式（４）は、次のようになる。
【数３】
ここでＤは拡散係数。
【００３８】
理想的なガス法則を用いて、式（６）は式（７）に変形される。
【数４】
ここでＰ＝圧力；Ｒ＝普遍的なガス常数；Ｔ＝温度である。
【００３９】
式（７）を２度積分すると式（８）を得る。
【数５】
定義として Ｐｘ＝０＝ＰI （１０）
Ｐｘ＝Ｌ＝Ｐ０ （１１）
ここでＰI＝大気圧、たとえば０．２１気圧Ｏ２；且つＰ０＝最低圧力、たとえば約０．２１気圧未満、たとえば約０．１５気圧未満、約０．１気圧未満、且つ約０．０５気圧未満である。
【００４０】
Ｃ１とＣ２ について解くと次式が得られる。
【数６】
【００４１】
式（１０）−（１３）を式（８）に戻して代入すると次式が得られる。
【数７】
【００４２】
式（１４）は、空気充満空間２５０を設計するために使用される。一般的に
与えられたプレナム即ち空気充満空間の設計においては、プレナムの高さ（ｂ）と圧力（Ｐ）を除いて、式（１４）のすべての変数は一定に保たれる。ある変数の値は一定に保たれ、たとえばＰ０ は経験的に選ばれる。他の変数たとえばプレナムの長さ（Ｌ）や所望の電流値（Ｉtotal）は、電池パック１０の実際の用途たとえばパック１０が使用されるデバイスの寸法制限、またはカソードの性能によりにより規定され且つ制限される。
【００４３】
式（１４）は次いで異なるプレナム高さ（ｂ）を用いて、式が圧力（Ｐ）の分布を生みまたは、たとえば大気圧（たとえば標準温度と圧力（ＳＴＰ）においてＯ２の約０．２１気圧）から最低の圧力へ多項式の関数のように傾斜を下るように滑らかに減少する形状を描くまで、繰り返される。経験的に決定される最低の圧力は、良好な電池特性を得るように選定される。好ましくは、最低圧（Ｐ０）は、Ｏ２の約０から約０．２１気圧、たとえば約０．１気圧である。
【００４４】
電池５０を組み立てるため、バリヤ部材２２０に巻き付けられ且つセパレータ２６０を含むカソード管２１０は、電池開口８０を有する平形缶２３０に配設される。カソードをシールするため、缶２３０は、導電性ホットメルト２４０、たとえばカーボン、グラファイト、またはニッケルを装填されたポリアミドを含んでいる。カソード集電体は、缶２３０の底部と電気的に接続すべきである。電気的接続はカソード集電体を缶の底部に直接物理的に接触することによりなされ、たとえば集電体を缶の底部に溶接することにより達成できる。または導電性タブを、集電体と缶の底部の両方に取り付けることもできる。カソード管２１０と缶２３０はその間に一体となって空気プレナム２５０を形成する。
【００４５】
カソード管２１０が装入された後、セパレータ２６０とカソード管２１０とによって形成される内部空洞は、次いでアノードゲル２７０で充填される。
【００４６】
アノードゲル２７０は、亜鉛と電解質の混合物を含んでいる。亜鉛と電解質の混合物は、電池からの電解質の漏洩を阻止し、アノード内に亜鉛の粒子を懸濁するのに役立つ。
【００４７】
亜鉛材料は、鉛、インジウム、アルミニウムまたはビスマスと合金化された亜鉛粉末である。たとえば亜鉛は、約４００から６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）の鉛、約４００から６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）のインジウム、また約５０から９０ｐｐｍ（例えば７０ｐｐｍ）のアルミニウムで合金化される。亜鉛材料は、鉛、インジウムとアルミニウム、鉛とインジウム、または鉛とビスマスを含んでいることが好ましい。更に亜鉛は、他の金属添加物の無い鉛を含んでいる。亜鉛材料は、空気吹きつけ(air blown)や脱水亜鉛(spun zinc)であっても良い。適切な亜鉛粒子は、例えば1998年9月18日米国出願されたU.S.S.N.09/156,915号、1997年8月1日米国出願されたU.S.S.N.08/905,254号、及び1998年7月15日米国出願されたU.S.S.N.09/115,867号に記載されており、全体が参考例として、本明細書中に組み入れられる。
【００４８】
亜鉛粒子は、球形や非球形であり得る。例えば、亜鉛粒子は、針状形（縦横比が少なくとも２）をしている。亜鉛材料は、主として６０メッシュと３２５メッシュの間の寸法を有する粒子を含んでいる。例えば、亜鉛材料は、次の粒子寸法分布をしている。
６０メッシュスクリーン上に０−３重量％；
１００メッシュスクリーン上に４０−６０重量％；
２００メッシュスクリーン上に３０−５０重量％；
３２５メッシュスクリーン上に０−３重量％；
パン（ｐａｎ）上に０−０．５重量％
【００４９】
適切な亜鉛材料は、ベルギーのオバーペルト(Overpelt)社から売り出されている商品名ユニオン・ミニエル（Union Miniere）、米国のデュラセル社（Duracell）、米国のノランダ社（Noranda）、ドイツのグリロ社(Grillo)、又は日本の東邦亜鉛会社から市販されている亜鉛を含む。
【００５０】
ゲル化剤は、ポリアクリラート吸収剤である。ポリアクリラート吸収剤は、米国特許第4,541,871号（本明細書では参考例として挙げる）に記載されている方法で測定して、ゲル化剤のグラム当たり約３０グラム未満の塩分を含んだ吸収性外皮（envelope）を備えている。アノードゲルは、アノード混合物の中に乾燥亜鉛として重量比で１％未満のゲル化剤を含んでいる。好ましくは、ゲル化剤含量は、重量比で約０．２から０．８％、より好ましくは約０．３から０．６重量％、且つ最も好ましくは約０．３３重量％である。ポリアクリラート吸収剤は、懸濁重合により生成されたポリアクリル酸ナトリウムである。適切なポリアクリル酸ナトリウムは、約１０５から１８０ミクロンの平均粒子寸法で、約７．５のｐＨである。適切なゲル化剤は、例えば米国特許第4,541,871号、米国特許第4,590,227号,米国特許第4,507,438号に記載されている。
【００５１】
ある実施の形態では、アノードゲルは非イオン界面活性剤を含んでいる。界面活性剤は、亜鉛面に、例えば非イオンアルキル燐酸塩または非イオンアリル燐酸塩（例えばローム・アンド・ハース（Rohm & Haas）社の商品名ＲＡ６００又はＲＭ５１０）が被覆された非イオン燐酸塩界面活性剤である。アノードゲルは、亜鉛材料の表面に被覆された界面活性剤の約２０から１００ｐｐｍのものを含んでいる。界面活性剤は、ガス発生の抑止剤としても働く。
【００５２】
電解質は、水酸化カリウムの水性溶液である。電解質は、約３０から４０％、好ましくは３５から４０％の水酸化カリウムを含んでいる。又電解質は、約１から２％の酸化亜鉛を含んでいる。
【００５３】
アノードゲル２７０が缶２３０に配設された後、予め組み立てられた頂部組立体２８０が、缶２３０の頂部に配設される。頂部組立体２８０は、シール３００，集電体２９０，集電体２９０に溶接された端部蓋３０５を含んでいる。集電体２９０は、例えば真鍮のような適切な金属からなる。シール３００は、たとえばナイロンからなる。追加的にバイワックス社（BiWax Corp.)の非導電性ホットメルトがシール３００とカソード管２１０の間に配設され、電解質とアノード材料の漏洩を最小にする。缶２３０の上部外周（即ちリップ）は、缶２３０の頂部で頂部組立体２８０をシールするため、予め組み立てられた頂部組立体２８０が据え込み加工される（swaged)。
【００５４】
保管中、電池５０は、電池の空気出入り口８０を覆う取り外し自在のシートで覆われている。例えば酸素不透過性で、水素透過性シートであるシートは、電池の内外間の空気の流れを制限している。ユーザは使用に先立ち電池からシートを引きはがし、空気からの酸素を電池内に入り込ませる。また電池はシールされた金属バック゛に保管される。ユーザは使用前にそのバッグから電池を取り出す。
【００５５】
金属−空気電池及びその製造方法の他の実施の形態は、例えば1999年8月13日米国出願されたU.S.S.N.09/374,277号、1999年8月13日米国出願されたU.S.S.N.09/374,278号、1999年10月13日米国出願されたU.S.S.N.09/416,799号,1999年10月26日米国出願されたU.S.S.N.09/427,371号、2000年1月31日米国出願されたU.S.S.N.09/494,586号に記載されており、全体が参考例として、本明細書中に組み入れられる。
【００５６】
本発明は他の実施の形態でも実施できる。例えばカートリッジ２０は、ラッチ９０やノッチを有さなくとも良い。カートリッジ２０は、長方形状に限定されず、図９に示すように、たとえば円形平形電池４００、その例としてボタン電池およびウェハー電池、のような他の形状でも実施できる。したがって電池５０は、カートリッジ２０に合致する他の形状にも形成できる。電池５０はまた、たとえば３個の別々の電池を横並びにした大きさを持つ一つのユニットとして形成できる。溝６０はケーシング３０と一体に形成されるというよりむしろ、ケーシング３０に熱かしめ（heat staked）または溶着される摺動保持フレームの一部として形成される。更に前述のデバイスは電話であるが、カートリッジ２０が他の電子デバイス、たとえば、携帯用無線電話機、ラジオ、コンピュータおよび小型電卓のようなデバイスにも使用できる。これらのデバイスは、動作について待機状態は要求されないので、カートリッジ２０は、電池開口８０と摺動開口７０が適切な配置となるように構成すべきである。電池開口８０と摺動開口７０について他の構成も可能である。たとえば電池開口８０と摺動開口７０は、スロットまたは摺動体４０や電池５０にそれぞれ延びる一つの開口であっても良い。
【００５７】
図１０には、電池カートリッジ２０の他の実施の形態が示されている。ケーシング３０と摺動体４０は、一般的に前述したとおりである。電池５０に一般的に類似する電池５００は、三角形の平形、たとえば三角形断面を有する細長い構造をしている。電池開口（図示せず）およびカソード５２０を有する缶５１０は、その間に空気プレナム５３０を画定する三角形の平形管として形成されている。
アノード２７０、バリヤ膜（図示せず）、セパレータ（図示せず）は前述したように缶５１０内に装入されている。ある実施の形態では、ケーシング３０及び/又は摺動体４０は、電池５００を所定位置に納めるためのＶ字形溝５４０を備えている。溝５４０はシーラント（sealant）を含んでいる。
【００５８】
電池５００は、一般的には電池５０について上述したようにして形成される。
電池５００は缶５１０上に２回のみの折りたたみで形成されるので、一つのみのシームが生成される。角度をオフセットすることにより、電池５００は、カートリッジ２０内に効果的に詰め込まれ、したがって電池は比較的大きな表面積を有する。
【００５９】
本明細書で述べたすべての刊行物や特許は、各刊行物または特許参考として組み込まれることを特別に且つ個々に示しているならば、本明細書では同じ範囲で参考として組み込まれる。
【００６０】
他の実施の形態は、請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電池カートリッジの一実施の形態の斜視図である。
【図２】 電池カートリッジの一実施の形態の上面図である。
【図３】 電池カートリッジの一実施の形態の断面図である。
【図４Ａ】 本発明の一実施の形態の引き延ばされた位置にあるラッチの平面図である。
【図４Ｂ】 本発明の一実施の形態の引き戻された位置にあるラッチの平面図である。
【図５Ａ】 完全に重なり合っていない摺動開口と電池開口の概略図である。
【図５Ｂ】 部分的に重なり合っている摺動開口と電池開口の概略図である。
【図５Ｃ】 完全に重なり合っている摺動開口と電池開口の概略図である。
【図６】 補助電源を持つ電池カートリッジの実施の形態の概略図である。
【図７】 電池の実施の形態の縦断面図である。
【図８】 電池カートリッジの実施の形態の概略図である。
【図９】 電池のカートリッジの実施の形態の斜視図である。
【図１０】 電池カートリッジの実施の形態の概略斜視図である。
本発明は、金属空気電池に関する。
【０００２】
電池は、電気エネルギ源として通常使用されている。電池は、通常アノードと呼ばれる負の電極と、通常カソードと呼ばれる正の電極を含んでいる。アノードは酸化される活性材料を含む。カソードは還元される活性材料を含むか、消費する。アノード活性材料は、カソード活性材料を還元することができる。アノード材料とカソード材料の直接の反応を阻止するために、アノードとカソードはセパレータにより互いに電気的に分離されている。
【０００３】
電池が、デバイスの電気エネルギ源として使用されるとき、アノードとカソードは電気的に接続され、デバイスを介して電子を流し、それぞれ酸化反応と還元反応を行なわせ電力を発生させる。アノードとカソードと接触する電解質たとえば水酸化カリウムは、放電中電池全体の電荷バランスを維持するため電極間のセパレータを介して流れるイオンを含んでいる。
【０００４】
金属−空気電気化学電池において、酸素はカソードにおいて還元され、金属はアノードにおいて酸化される。酸素は、電池缶内の一以上の空気口を介して電池の外部の大気中の空気からカソードに供給される。電池の寿命を長引かすために、カソードは、使用時空気流に晒らされ、そして不使用時、空気流から隔離されることが望ましい。
【０００５】
本発明は、デバイスに使用されたとき、デバイスの電力需要に応じて良好な空気管理をなし得る金属空気電池カートリッジに関する。全般的に、デバイスがオフの時、カートリッジ内の電池を空気からシールし、デバイスがオンの時電池を空気に晒す。
【０００６】
携帯電話のような電池を必要とするデバイスにおいては、電池は連続的に使用されることはない。むしろ電池は、動作の“オフ”状態と“オン”状態の間の電池のサイクルに間歇的に使用される。オフ状態の間電池から電流は流れなく、且つオン状態の時最大の電流が取り出される。またある種の電話においては非最大電流が流れる“待機”状態を有している。
【０００７】
これらのデバイスが、オンでない期間中、電池に入る空気の量を制限または限定することが望ましい。空気に過剰に晒すと、電池内の材料が早期に劣化することとなる。このことは電池性能を貧弱にし、電池寿命を短くさせる。
【０００８】
一つの観点においては、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられた、第１の開口を有する電池と、前記ケーシングに移動自在に係合する摺動体であって、前記電池の第１の開口と位置合わせ可能な第２の開口を含む摺動体とを備え、前記摺動体は、その第２の開口が前記電池の第１の開口と重なり合う第１の位置と、前記摺動体の第２の開口が前記電池の第１の開口と重なり合わない第２の位置と、前記摺動体の第２の開口が前記電池の第１の開口と一部重なり合う第３の位置との間で移動自在であることを特徴とする金属空気電池カートリッジ。
【０００９】
実施の形態は、一つ以上の次の特徴を有している。
【００１０】
ケーシングは、溝を画定し、摺動体は溝と移動自在に係合できる。
【００１１】
摺動体は、更に少なくとも一つのラッチを含み、それは摺動体をケーシングに予定の係合位置に保持する。ラッチは、摺動体に一体にモールドされる。
【００１２】
更にカートリッジは、摺動体を移動させるのに適した補助電源を含む。補助電源は、第二の電池である。
【００１３】
ケーシングは、平形形状(prismatic)たとえば長方形平形や円形平形をしている。
【００１４】
電池は、長方形断面をしている。電池は金属空気電池、たとえば二酸化マンガンを含むカソードと、亜鉛を含むアノードを備えている電池である。
【００１５】
他の観点においては、本発明は、開口と、酸素含有環境へ晒す度合いを制御するために、開口上を可変の位置に相対的に摺動できるように配置された空気制御部材を含むことに特徴づけられる。
【００１６】
他の観点においては、本発明は、平行に平面配置された一対の開口を含む金属空気電池システムを有する電気化学電源に特徴づけられる。開口は、酸素含有環境へ晒すのを制御する各種配置に関して配設される。
【００１７】
電池カートリッジは、金属空気電池に入っていく空気の流れを管理するための、単純且つ機能的なシステムを提供する。カートリッジは、異なるデバイスに適合するような各種の形状をしており、カートリッジは廉価で製造できる。カートリッジの動作は単純である。いくつかの実施の形態においては、カートリッジの動作は、ユーザにとってわかりやすいものである。
【００１８】
平形（prismatic）電池は、一般的に長方形形状をしている。たとえば平形電池は、２個の平行の長方形状面を持つ比較的平坦であり、携帯電話の使用に適している。より概略的に言えば、平形電池は、平行な面をなす２つの多面体面を有し、且つたとえば平行四辺形として他の面を有する多面体として形成される。たとえば多角形面が長方形であれば、電池は長方形の平形である。多角形面が円であれば、電池は円形平形の形状となる。平形電池は、たとえば携帯電話や電池カートリッジに効率的に便利に一緒に積み重ねることができる。
【００１９】
本発明の他の特徴、目的、利点は詳細な説明並び図面、及び請求の範囲から明瞭にされる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１−３を参照すると、長方形の平形カートリッジ２０は、ケーシング３０，摺動体４０，およびケーシング３０内の内側に配設された３個の電池５０を備えている。ケーシング３０は、長方形の周囲に延びる壁３５を有する長方形形状をしている。壁３５の幅および長さに沿って伸びる壁部分には、摺動体４０を受け入れる溝６０を形成している。以下記載するように、ケーシング３０は、更に摺動体４０により画定された突起１００を受け入れるため溝６０内に３組のノッチ（図示せず）を画定している。各組のノッチは、たとえば電話の異なる状態に対応する所定の位置に形成される。
【００２１】
摺動体４０は、溝６０に摺動的に入り込む長方形状をしているので、ケーシング３０と合致しカートリッジ２０を形成する。摺動体４０は、更にカートリッジ２０に空気を流すように複数個の摺動開口７０を画定している。図２と図４Ａ−Ｂを参照すると、摺動体４０はまた、摺動体４０の両側に形成された複数個のラッチ機構９０を画定する。各ラッチ機構９０は、摺動体４０に画定された突起１００と空所１０５を含んでいる。摺動体４０が溝６０に入り込んだとき、突起１００は摺動体４０から突出することができ、且つケーシング３０に画定されたノッチと係合し、デバイス（図４Ａ）の動作と異なる状態に対応する異なる予定の位置に摺動体４０を保持する。摺動体４０が、ノッチから突起１００を離脱するように摺動したとき、たとえば動作の一つの状態から他の状態に摺動体４０を動かすとき、突起１００は、摺動体４０に向け空所１０５内に偏位し、摺動体４０を溝６０（図４Ｂ）内に移動させる。
【００２２】
電池５０は、ケーシング３０内に合致する形状の平形金属空気電池である。摺動体４０上の摺動開口７０に類似して、電池５０はまた、電池５０に空気が入るように複数個の電池開口８０を画定している。一般的に摺動開口７０および電池開口８０は、摺動体４０と電池５０の上にそれぞれパターン化され、電池５０の最適且つ一様な特性を提供できる。
【００２３】
動作を説明すると、電池８０に入る空気流の量は、ラッチ９０が一組のノッチと係合するまで、摺動体４０を溝６０内に摺動することにより管理できる。各組のノッチに依存して、ラッチ９０が係合するときには、摺動開口７０および電池開口８０は、完全に位置がずれている（重なり合いはない）、部分的に位置合わせされている（一部が重なり合う）、または完全に位置合わせされている（すべてが重なり合う）のいずれかである。
【００２４】
図５Ａを参照すると、デバイスが“オフ”状態の時、摺動開口７０および電池開口８０は、全く重なり合いがない。ケーシング３０と摺動体４０は、電池開口８０を周囲から堅固に且つ充分にシールする。電池８０に入る空気流は、電池８０のサービス寿命を高めるために制限され、たとえば電池８０の自己放電を阻止し、且つ空気に余分に晒すことによる電池材料の劣化を最小限にする。
【００２５】
図５Ｂを参照すると、デバイスが“待機”状態の時、摺動開口７０および電池開口８０は、部分的に重なり合っている。電池８０に入り込む空気流は、待機状態中にデバイスが要求する電力を満たすために十分な量の空気が電池５０に入り込むように調整されている。図５Ｃを参照すると、デバイスが“オン”または“通話”状態の時、摺動開口７０および電池開口８０は、完全に重なり合っている。この状態においては、電池５０が最大電流レベルで動作するように充分な空気が電池５０に入り込む。
【００２６】
ユーザがデバイスの使用において望む状態に対応して、デバイスのユーザが摺動体４０を手動により移動させることができる。たとえば摺動体４０は、電話の外部スイッチに接続できるので、ユーザは電話の電力の需要に応じて摺動体４０を手動で動かすことができる。また摺動体４０は、たとえば電話のカバープレートに移動自在に接続できる。カバープレートが閉じたとき、突起１００がオフ状態に対応するノッチと係合するように、摺動体４０が移動する。カバープレートが開いたとき、突起１００がオン状態に対応するノッチと係合するように、摺動体４０が移動する。
【００２７】
他の実施の形態を示す図６を参照すると、カートリッジ２０は、摺動体４０を自動的に動かすために補助電源１１０を備えており、一貫しかつ透過的な（seamless and transparent）ユーザインタフェースを提供している。更に電池５０はデバイスの起動時初期電圧降下を生ずるので、補助電源１１０は、電池５０が使用待機状態の間、電圧遅延を低減するために使用される。補助電源１１０、たとえばリチウム／酸化マンガン電池は、溝６０内に摺動体４０が移動できるように、モータ１１２とリンク１１４を介してデバイスとインタフェース接続される。モータは、たとえば電話の動作状態に応じてデバイスから送られた信号によって作動される。摺動体４０の特有の移動は、電池カートリッジ２０が使用される電話の型に依存する。たとえば摺動体４０は、ユーザが“オン”ボタンを押したとき、オフ状態から待機状態に移動できる。摺動体４０は、電話の呼び出しがあったとき、または数値パッドを押すことによりダイヤルを開始したとき、待機状態から通話状態に移動できる。たとえば摺動体４０は、ユーザが“終了”ボタンを押したとき、通話状態から待機状態またはオフ状態に移動できる。このように摺動体４０は、電池５０から電話の電力需要に応じて自動的に移動するとともに、電池５０の寿命を延ばすことができる。
【００２８】
ケーシング３０と摺動体４０は、デバイスに使用するため適切ないかなる材料からでも形成される。たとえばケーシング３０と摺動体４０は、各種の周知の技術を用いる非導電性材料、たとえば射出成形できるたとえばアクリロニトリック−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）の様な強靱な熱可塑性材料から作ることができる。従って、ノッチとラッチ９０は、たとえば射出成形中、ケーシング３０と摺動体４０は、それぞれ一体に成形され得る。ケーシング３０と摺動体４０はまた、たとえば電気的に非導電性被覆を有する軽量の金属から形成される。カートリッジ２０の特定寸法は、カートリッジ２０の用途に応じ、たとえば電話の電池室の寸法に依存する。
【００２９】
図７を参照すると、電池５０は、長方形または正方形断面で、カートリッジ２０に電池５０が配設できるような寸法を有する平形の金属空気電池である。平形カソード管２１０は、たとえば活性材料のカソード被覆混合物で被覆された金属メッシュスクリーンである集電体から形成される。混合物は、バインダ、カーボン粒子および、たとえばマンガン化合物のような過酸化物を還元するための触媒を具備している。有用な触媒は、たとえば硝酸マンガンを加熱し、または過マンガン酸カリを還元することにより製造できる、たとえばＭｎ２Ｏ３，Ｍｎ３Ｏ４，およびＭｎＯ２のように酸化マンガンを含んでいる。好ましいバインダは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を含んでいる。カソード被覆混合物が、硬化した後、カソード組立体は、カソード構造体から残余の揮発物を除去するため加熱される。
【００３０】
電池開口８０に面する管２１０の外側は、ＰＴＦＥバリヤ膜２２０で覆われている。膜２２０は、電池５０内に一定の湿度レベルを維持するのに役立つ。膜２２０は、電池から電解質を漏洩しないように、且つ電池内にＣＯ２が漏入しないようにしている。
【００３１】
セパレータ２６０は、カソード管２１０内に装入される。セパレータ２６０は多孔質、電気絶縁ポリマ、たとえばポリプロピレンで、電解質をカソードに接触させる。
【００３２】
空気プレナム(plenum)即ち空気充満空間２５０の寸法は、電池パック１０の用途やカソードの特性の関数で決まる。たとえば電池パック１０からどの程度の電流が望まれるか、および電池５０のカソードがどの程度の低い酸素濃度で正しく動作し得るかが、空気充満空間２５０の設計に影響する。一般的に、パック１０の用途及び/又はカソードの特性が決定された後、空気充満空間２５０は、第一の電池開口から、第一の電池開口と第一の電池開口に隣接する電池開口から等距離であるカソード２１０の外面上の点に流れる空気が滑らかに減少するように設計されている。この設計により、一定の電池性能のために、一定の空気の流れを持つカソード２１０を提供できる。
【００３３】
特に空気充満空間２５０は、一次元定常状態系に適用できるフィックの第一の法則(Fick's Law First Law）（Ｊｒ＝−Ｄ∂Ｃ／∂ｒ）における近似方法で設計される。図８に電池パック１０の一部分を示すが、ここでｂは空気充満空間２５０の高さ（たとえば約１ｃｍ未満、より好ましくは約０．１ｃｍ未満たとえば０．０８ｃｍ）、ｗは開口から開口の間隔（中心から中心での測定、たとえば約０．１ｃｍから約１ｃｍ，たとえば約０．２ｃｍ）、そしてＬは空気充満空間２５０の長さ（たとえば約１．５ｃｍ）である。空気充満空間２５０内の酸素の質量輸送は、一般的に次のように特徴づけられる。
（材料の集積量）＝［Ｏ２の発生量＋Ｏ２のインフラックス］−［Ｏ２のアウトフラックス＋Ｏ２の消費量］ （１）
金属空気電池においては、酸素は発生しない。
【００３４】
フィックの第一の法則を適用すると、式（１）は次のようになる。
【数１】
Ｊｘ ＝ｘ方向の酸素の拡散フラックス；
∂Ｊｘ／∂ｘ＝制御容積を横切るフラックスの変化率；
△ｘ ＝制御容積の厚さ；
Ｉtotal ＝特定面積に流れる電流量、たとえば３００ｍＡ／ｃｍ２； ｎ ＝酸素還元に関与する電子の数（４）；
Ｆ ＝ファラディ定数（９６，４８５クーロン／mol）；
∂Ｃ／∂ｔ ＝超過時間の制御容積における材料の集積速度。
【００３５】
代数学を用いて、式（２）は式（３）に、次いで式（４）に変形できる。
【数２】
【００３６】
式（５）に示すように、空気充満空間の酸素の集積は、定常状態の成分（Ｃｓ（ｘ））と過渡成分（Ｃ１（ｘ，ｔ））の和である。
Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ１（ｘ，ｔ）＋Ｃｓ（ｘ） （５）
【００３７】
しかしながらここで近似法を用いると、単に定常状態成分のみ考えればよい。
従って式（４）は、次のようになる。
【数３】
【００３８】
理想的なガス法則を用いて、式（６）は式（７）に変形される。
【数４】
【００３９】
式（７）を２度積分すると式（８）を得る。
【数５】
Ｐｘ＝Ｌ＝Ｐ０ （１１）
ここでＰI＝大気圧、たとえば０．２１気圧Ｏ２；且つＰ０＝最低圧力、たとえば約０．２１気圧未満、たとえば約０．１５気圧未満、約０．１気圧未満、且つ約０．０５気圧未満である。
【００４０】
Ｃ１とＣ２ について解くと次式が得られる。
【数６】
式（１０）−（１３）を式（８）に戻して代入すると次式が得られる。
【数７】
式（１４）は、空気充満空間２５０を設計するために使用される。一般的に
与えられたプレナム即ち空気充満空間の設計においては、プレナムの高さ（ｂ）と圧力（Ｐ）を除いて、式（１４）のすべての変数は一定に保たれる。ある変数の値は一定に保たれ、たとえばＰ０ は経験的に選ばれる。他の変数たとえばプレナムの長さ（Ｌ）や所望の電流値（Ｉtotal）は、電池パック１０の実際の用途たとえばパック１０が使用されるデバイスの寸法制限、またはカソードの性能によりにより規定され且つ制限される。
【００４３】
式（１４）は次いで異なるプレナム高さ（ｂ）を用いて、式が圧力（Ｐ）の分布を生みまたは、たとえば大気圧（たとえば標準温度と圧力（ＳＴＰ）においてＯ２の約０．２１気圧）から最低の圧力へ多項式の関数のように傾斜を下るように滑らかに減少する形状を描くまで、繰り返される。経験的に決定される最低の圧力は、良好な電池特性を得るように選定される。好ましくは、最低圧（Ｐ０）は、Ｏ２の約０から約０．２１気圧、たとえば約０．１気圧である。
【００４４】
電池５０を組み立てるため、バリヤ部材２２０に巻き付けられ且つセパレータ２６０を含むカソード管２１０は、電池開口８０を有する平形缶２３０に配設される。カソードをシールするため、缶２３０は、導電性ホットメルト２４０、たとえばカーボン、グラファイト、またはニッケルを装填されたポリアミドを含んでいる。カソード集電体は、缶２３０の底部と電気的に接続すべきである。電気的接続はカソード集電体を缶の底部に直接物理的に接触することによりなされ、たとえば集電体を缶の底部に溶接することにより達成できる。または導電性タブを、集電体と缶の底部の両方に取り付けることもできる。カソード管２１０と缶２３０はその間に一体となって空気プレナム２５０を形成する。
【００４５】
カソード管２１０が装入された後、セパレータ２６０とカソード管２１０とによって形成される内部空洞は、次いでアノードゲル２７０で充填される。
【００４６】
アノードゲル２７０は、亜鉛と電解質の混合物を含んでいる。亜鉛と電解質の混合物は、電池からの電解質の漏洩を阻止し、アノード内に亜鉛の粒子を懸濁するのに役立つ。
【００４７】
亜鉛材料は、鉛、インジウム、アルミニウムまたはビスマスと合金化された亜鉛粉末である。たとえば亜鉛は、約４００から６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）の鉛、約４００から６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）のインジウム、また約５０から９０ｐｐｍ（例えば７０ｐｐｍ）のアルミニウムで合金化される。亜鉛材料は、鉛、インジウムとアルミニウム、鉛とインジウム、または鉛とビスマスを含んでいることが好ましい。更に亜鉛は、他の金属添加物の無い鉛を含んでいる。亜鉛材料は、空気吹きつけ(air blown)や脱水亜鉛(spun zinc)であっても良い。適切な亜鉛粒子は、例えば1998年9月18日米国出願されたU.S.S.N.09/156,915号、1997年8月1日米国出願されたU.S.S.N.08/905,254号、及び1998年7月15日米国出願されたU.S.S.N.09/115,867号に記載されており、全体が参考例として、本明細書中に組み入れられる。
【００４８】
亜鉛粒子は、球形や非球形であり得る。例えば、亜鉛粒子は、針状形（縦横比が少なくとも２）をしている。亜鉛材料は、主として６０メッシュと３２５メッシュの間の寸法を有する粒子を含んでいる。例えば、亜鉛材料は、次の粒子寸法分布をしている。
６０メッシュスクリーン上に０−３重量％；
１００メッシュスクリーン上に４０−６０重量％；
２００メッシュスクリーン上に３０−５０重量％；
３２５メッシュスクリーン上に０−３重量％；
パン（ｐａｎ）上に０−０．５重量％
【００４９】
適切な亜鉛材料は、ベルギーのオバーペルト(Overpelt)社から売り出されている商品名ユニオン・ミニエル（Union Miniere）、米国のデュラセル社（Duracell）、米国のノランダ社（Noranda）、ドイツのグリロ社(Grillo)、又は日本の東邦亜鉛会社から市販されている亜鉛を含む。
【００５０】
ゲル化剤は、ポリアクリラート吸収剤である。ポリアクリラート吸収剤は、米国特許第4,541,871号（本明細書では参考例として挙げる）に記載されている方法で測定して、ゲル化剤のグラム当たり約３０グラム未満の塩分を含んだ吸収性外皮（envelope）を備えている。アノードゲルは、アノード混合物の中に乾燥亜鉛として重量比で１％未満のゲル化剤を含んでいる。好ましくは、ゲル化剤含量は、重量比で約０．２から０．８％、より好ましくは約０．３から０．６重量％、且つ最も好ましくは約０．３３重量％である。ポリアクリラート吸収剤は、懸濁重合により生成されたポリアクリル酸ナトリウムである。適切なポリアクリル酸ナトリウムは、約１０５から１８０ミクロンの平均粒子寸法で、約７．５のｐＨである。適切なゲル化剤は、例えば米国特許第4,541,871号、米国特許第4,590,227号,米国特許第4,507,438号に記載されている。
【００５１】
ある実施の形態では、アノードゲルは非イオン界面活性剤を含んでいる。界面活性剤は、亜鉛面に、例えば非イオンアルキル燐酸塩または非イオンアリル燐酸塩（例えばローム・アンド・ハース（Rohm & Haas）社の商品名ＲＡ６００又はＲＭ５１０）が被覆された非イオン燐酸塩界面活性剤である。アノードゲルは、亜鉛材料の表面に被覆された界面活性剤の約２０から１００ｐｐｍのものを含んでいる。界面活性剤は、ガス発生の抑止剤としても働く。
【００５２】
電解質は、水酸化カリウムの水性溶液である。電解質は、約３０から４０％、好ましくは３５から４０％の水酸化カリウムを含んでいる。又電解質は、約１から２％の酸化亜鉛を含んでいる。
【００５３】
アノードゲル２７０が缶２３０に配設された後、予め組み立てられた頂部組立体２８０が、缶２３０の頂部に配設される。頂部組立体２８０は、シール３００，集電体２９０，集電体２９０に溶接された端部蓋３０５を含んでいる。集電体２９０は、例えば真鍮のような適切な金属からなる。シール３００は、たとえばナイロンからなる。追加的にバイワックス社（BiWax Corp.)の非導電性ホットメルトがシール３００とカソード管２１０の間に配設され、電解質とアノード材料の漏洩を最小にする。缶２３０の上部外周（即ちリップ）は、缶２３０の頂部で頂部組立体２８０をシールするため、予め組み立てられた頂部組立体２８０が据え込み加工される（swaged)。
【００５４】
保管中、電池５０は、電池の空気出入り口８０を覆う取り外し自在のシートで覆われている。例えば酸素不透過性で、水素透過性シートであるシートは、電池の内外間の空気の流れを制限している。ユーザは使用に先立ち電池からシートを引きはがし、空気からの酸素を電池内に入り込ませる。また電池はシールされた金属バック゛に保管される。ユーザは使用前にそのバッグから電池を取り出す。
【００５５】
金属−空気電池及びその製造方法の他の実施の形態は、例えば1999年8月13日米国出願されたU.S.S.N.09/374,277号、1999年8月13日米国出願されたU.S.S.N.09/374,278号、1999年10月13日米国出願されたU.S.S.N.09/416,799号,1999年10月26日米国出願されたU.S.S.N.09/427,371号、2000年1月31日米国出願されたU.S.S.N.09/494,586号に記載されており、全体が参考例として、本明細書中に組み入れられる。
【００５６】
本発明は他の実施の形態でも実施できる。例えばカートリッジ２０は、ラッチ９０やノッチを有さなくとも良い。カートリッジ２０は、長方形状に限定されず、図９に示すように、たとえば円形平形電池４００、その例としてボタン電池およびウェハー電池、のような他の形状でも実施できる。したがって電池５０は、カートリッジ２０に合致する他の形状にも形成できる。電池５０はまた、たとえば３個の別々の電池を横並びにした大きさを持つ一つのユニットとして形成できる。溝６０はケーシング３０と一体に形成されるというよりむしろ、ケーシング３０に熱かしめ（heat staked）または溶着される摺動保持フレームの一部として形成される。更に前述のデバイスは電話であるが、カートリッジ２０が他の電子デバイス、たとえば、携帯用無線電話機、ラジオ、コンピュータおよび小型電卓のようなデバイスにも使用できる。これらのデバイスは、動作について待機状態は要求されないので、カートリッジ２０は、電池開口８０と摺動開口７０が適切な配置となるように構成すべきである。電池開口８０と摺動開口７０について他の構成も可能である。たとえば電池開口８０と摺動開口７０は、スロットまたは摺動体４０や電池５０にそれぞれ延びる一つの開口であっても良い。
【００５７】
図１０には、電池カートリッジ２０の他の実施の形態が示されている。ケーシング３０と摺動体４０は、一般的に前述したとおりである。電池５０に一般的に類似する電池５００は、三角形の平形、たとえば三角形断面を有する細長い構造をしている。電池開口（図示せず）およびカソード５２０を有する缶５１０は、その間に空気プレナム５３０を画定する三角形の平形管として形成されている。
アノード２７０、バリヤ膜（図示せず）、セパレータ（図示せず）は前述したように缶５１０内に装入されている。ある実施の形態では、ケーシング３０及び/又は摺動体４０は、電池５００を所定位置に納めるためのＶ字形溝５４０を備えている。溝５４０はシーラント（sealant）を含んでいる。
【００５８】
電池５００は、一般的には電池５０について上述したようにして形成される。
電池５００は缶５１０上に２回のみの折りたたみで形成されるので、一つのみのシームが生成される。角度をオフセットすることにより、電池５００は、カートリッジ２０内に効果的に詰め込まれ、したがって電池は比較的大きな表面積を有する。
【００５９】
本明細書で述べたすべての刊行物や特許は、各刊行物または特許参考として組み込まれることを特別に且つ個々に示しているならば、本明細書では同じ範囲で参考として組み込まれる。
【００６０】
他の実施の形態は、請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電池カートリッジの一実施の形態の斜視図である。
【図２】 電池カートリッジの一実施の形態の上面図である。
【図３】 電池カートリッジの一実施の形態の断面図である。
【図４Ａ】 本発明の一実施の形態の引き延ばされた位置にあるラッチの平面図である。
【図４Ｂ】 本発明の一実施の形態の引き戻された位置にあるラッチの平面図である。
【図５Ａ】 完全に重なり合っていない摺動開口と電池開口の概略図である。
【図５Ｂ】 部分的に重なり合っている摺動開口と電池開口の概略図である。
【図５Ｃ】 完全に重なり合っている摺動開口と電池開口の概略図である。
【図６】 補助電源を持つ電池カートリッジの実施の形態の概略図である。
【図７】 電池の実施の形態の縦断面図である。
【図８】 電池カートリッジの実施の形態の概略図である。
【図９】 電池のカートリッジの実施の形態の斜視図である。
【図１０】 電池カートリッジの実施の形態の概略斜視図である。
Claims (12)
- ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられた、第１の開口を有する電池と、
前記ケーシングに移動自在に係合する摺動体であって、前記電池の第１の開口と位置合わせ可能な第２の開口を含む摺動体とを備え、
前記摺動体は、その第２の開口が前記電池の第１の開口と重なり合う第１の位置と、前記摺動体の第２の開口が前記電池の第１の開口と重なり合わない第２の位置と、前記摺動体の第２の開口が前記電池の第１の開口と一部重なり合う第３の位置との間で移動自在であることを特徴とする金属空気電池カートリッジ。 - 前記ケーシングには溝が形成され、前記摺動体は前記溝内を移動自在に係合することを特徴とする請求項１に記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記摺動体は、少なくとも一つのラッチをさらに有し、該ラッチはケーシングと予定の係合位置で前記摺動体を保持することを特徴とする請求項１または２に記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記ラッチは前記摺動体に一体にモールドされることを特徴とする請求項３に記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記摺動体を移動させるための補助電源を更に備え、前記補助電源は、第二の電池であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記ケーシングは、平板形（prismatic)であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記ケーシングは、長方形状平板形であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の記金属空気電池カートリッジ。
- 前記ケーシングは、円形状平板形であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記電池は、長方形断面を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記電池は、三角形断面を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記金属空気電池は、二酸化マンガンを含むカソードを備えることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の金属空気電池カートリッジ。
- 前記金属空気電池は、亜鉛を含むアノードを有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の金属空気電池カートリッジ。
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