JP4342610B2 - バッテリーの状態テスター - Google Patents
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Description
電池の充電の状態を視覚的に指示するための種々の装置を含む一次電池が開示されている。既知の指示体は、バッテリー内部の物質と反応する化学的指示体と、バッテリーの外部に配置されている化学的指示体と、電極内に埋め込まれて放電中に見えるようになる素子と、電池の端子間に接続されるようになっている抵抗素子に熱接触している熱変色物質とを含むが、それらに限定されるものではない。それらの指示体の多くのものの問題はそれの指示の時期が、バッテリーの外部または内部の指示体の構造形状に左右されることである。したがって、製造中に本質的に起きる自然の変動のために、放電中にバッテリーごとに指示が行われる時期が不定になる。
電気化学電池の状態を判定するための市販されているテスターは通常は薄膜感熱型である。この種のテスターは、導電素子に熱接触する熱変色物質を含む。そのようなテスターは帯状で市販されている。そのような帯状テスターは電池の内部または電池ラベルに一体にされない。テスターを使用するためにはそれを試験する電池の端子端末に付着しなければならない。そのようなテスターの例およびテスターの応用の例が米国特許第4723656号および第5188231号に開示されている。それらのテスターはバッテリーの有用寿命中のバッテリーの間欠試験には良く動作する。それらのテスターは、視覚的指示体が熱変色物質であるために、バッテリーに恒常的に取りつけることがより困難である。指示体の適正な動作を妨害する熱伝達を阻止するために、指示体をバッテリーケースから熱絶縁するように注意を払わなければならない。また、試験中は導電素子が直列接続されて、バッテリーから電流を流す。したがって、作動できる接触装置が存在しないと、テスターの電気接点をバッテリー端子に恒常的に取り付けることはできず、さもなければバッテリーはテスターを通じて早期に放電させられる。
他の種類のバッテリーテスターは、米国特許第5250905号および第5396177号に開示されているような、自分自身の起電力(e.m.f.)を有する電気化学的テスターである。指示体電池は、放電中の主電池の開回路電圧(OCV)とほぼ同じOCVを持つように設計されている。その場合には、指示体電池は主電池に直接並列接続できる。そのようなテスターの利点は、試験されるバッテリーに恒常的に取りつけられて、作動できる接触装置を必要としないことである。この種のテスターは、金属の薄膜が電気化学的にはぎ取られて、すなわち、除去されて、異なる色の背景を見せる程度まで、バッテリーの放電度の視覚的指示を行う。
電気量装置が、それに組合わせることができる電子装置を流れる電荷の電気量についての情報を得ることができる。通った電荷の量を視覚的に指示するために水銀柱の長さの電気化学的変化を用いる電気量装置の例が米国特許第3045178号および第3343083号に開示されている。電気量装置はそれ自身の起電力を持たず、実際には電解槽である。
本発明は図面を参照してより良く理解されるであろう。
図1は試験される主電池への、指示体電池部分の電圧が主電池の電圧より低い、本発明の状態指示体(テスター組立体)の接続を示す回路図である。
図1Aは試験される主電池への、指示体電池部分の電圧が主電池の電圧より高い、本発明の状態指示体組立体の接続を示す回路図である。
図2は図1に示す状態指示体組立体の一部切り離し斜視図である。
図2Aは部分横断面で拡大して示す、状態指示体組立体が恒常的に接続されているバッテリーを示す。
以下の説明のために、測定される電気化学電池すなわちバッテリーのことを「主電池」と呼び、表示を行う電気化学電池のことを「指示体電池」と呼ぶことにする。
本発明は、主電池すなわちバッテリーに電気的に接続されて、それの状態を視覚的に表示する状態指示体テスターに向けられている。状態指示体はアノードと、カソードと、前記アノードとカソードとの少なくとも一部に接触する電解質とを含む薄膜電気化学電池である指示体電池を含む。指示体電池は材料が異なるアノードとカソードを有し、それの起電力(e.m.f.)は有限で、通常は100ミリボルトより高い、たとえば、約100ミリボルトと1.5ボルトの間である。本発明では、起電力(e.m.f.)が有限である補助電池が指示体電池に直列に接続されて指示体電池と主電池との間の開回路電圧の差を補償するならば、指示体電池の開回路電圧を主電池の開回路電圧より高くしたり、または低くしたりするように指示体電池を設計できることが決定されている。すなわち、補助電池のアノードとカソードの一方が、指示体電池のアノードとカソードの一方に電気的に接続される。補助電池の残りの電極と指示体電池の残りの電極が主電池端子に並列に電気的に接続される。主電池の放電中は、指示体電池の可視電極内で反応が起き、それの離れた領域へ続く。試験されている主電池の放電中は、指示体電池と補助電池を有する状態指示体の主電池の開回路電圧に類似する、主電池の開回路電圧の約(プラスマイナス)300ミリボルト以内であることが好ましい。
図1に示す回路構成では、状態指示体10は指示体電池20と補助電池25を有する。指示体電池20と補助電池25はそれ自体の起電力(e.m.f.)を持つ電気化学電池である。図1に示す回路構成では、指示体電池20の開回路電圧(OCV)は主電池30の開回路電圧より低い。この場合には、補助電池のアノード77は指示体電池のカソード43に電気的に接続され、補助電池のカソード83は主電池のカソード145に接続され、指示体電池のアノード47は主電池のアノード115に接続される。(補助電池25のアノードまたは指示体電池20のアノードは酸化されている、すなわち、電子を放出している、電極として定義される。また、主電池30と、指示体電池20と、補助電池25とのおのおのには内部抵抗があることを理解すべきである。)図1に示す回路構成では、指示体電池20の開回路電圧は補助電池25の開回路電圧に加え合わされるようになって、状態指示体10の組合わされた開回路電圧が全体として、すなわち、補助電池25のカソード83と状態指示体電池20のアノード47との間の電圧が主電池30の開回路電圧とほぼ同じであるようにする。指示体電池20の容量は主電池20の容量よりはるかに小さく、指示体電池20と補助電池25との組合わされた内部抵抗値は主電池30のそれよりはるかに高い。状態指示体組立体10の内部抵抗が非常に高いために、指示体電池20を主電池よりはるかに緩やかに放電させることができる。これが求められる理由は、指示体電池20の容量が主電池と比較してはるかに小さいためである。主電池30の放電中は、補助電池のアノードまたはカソードの一方の消耗率が主電池のアノードまたはカソードの一方の消耗率とほぼ同じであるように、主電池を流れる電流、iM、と指示体電池を流れる電流、iT、との比を一定にできる。したがって、主電池30の充電状態を反映させるために、指示体電池の電極の一方の消耗率を示す視覚的表示を使用できる。
図1Aに示す、回路構成では、状態指示体10は指示体電池20と補助電池25を有する。図1Aに示す回路構成では、指示体電池20の開回路電圧(OCV)は主電池30の開回路電圧より高い。補助電池のカソードが指示体電池のカソードに電気的に接続される場合には、補助電池のアノード77は主電池のカソード145に接続され、指示体電池のアノード47は主電池のアノード115に接続される。そのような構成では、補助電池25の開回路電圧は指示体電池20の開回路電圧を減少させて、状態指示体10全体としての開回路電圧、すなわち、補助電池25のアノード77と状態指示体電池20のアノード47との間の開回路電圧は、主電池30の開回路電圧とほぼ同じであるようにする。この場合には、指示体電池20のカソード43を補助電池25のカソード83に接続し、指示体電池20のアノード47を主電池30のアノード115に接続し、補助電池25のアノード77を主電池30のカソード145に接続することによって同じ効果を達成することもできる。
指示体電池20と補助電池25を有する状態指示体10を、図1の回路図と一致する構成で図2に示す。たとえば、状態指示体10を主電池10のラベルに一体にすることにより、通常のアルカリ電池などの、主電池10に状態指示体を恒常的に接続できる(図2A)。状態指示体10の両端の開回路電圧の放電輪郭が主電池30の開回路電圧の放電輪郭とほぼ同じであるから、主電池を流れる電流と補助電池を流れる電流との比はほぼ一定の値にとどまる。これは主電池に加えられる負荷とは無関係にできる。したがって、主電池の放電中の任意の時刻には、指示体電池20または補助電池25の制御するアノードまたはカソードの一方の消耗率は、主電池10の制御するアノードまたはカソードの一方の消耗率とほぼ同じである。(主電池30または指示体電池20のいずれかのアノード活性物質またはカソード活性物質の量が過剰であれば、2つの電池の間の消耗率の比較を、活性物質を過剰に含んでいない電極を用いて行うべきである。過剰でない電極のことをここでは制御する電極と呼ぶことにする。)
通常、主電池の制御する電極の消耗率を反映するために指示体電池20のアノードの消耗率(除去)を使用できる。これを用いて主電池の状態(充電状態)の連続視覚的指示を行うことができる。指示体電池20の活性物質の残留率は、主電池の寿命中の任意の時に視覚的に見分けることができる。たとえば、指示体アノード47が消耗されているとすると、そのアノードを視覚的に見分けることができ、そのアノードの次に配置されているグラフ尺度(graphics scale)が主電池30に残っている百分率電荷と、主電池を交換することが必要かどうかとの少なくとも一方を指示できる。
状態指示体10は、たとえば、図1の回路図に示すように、試験されている主電池30と並列に接続できる。図1に、負端子115と正端子145を有する主電池30を概略的に示す。使用時には、主電池30が負荷38に接続されて放電すると、電流iL=iM+iTであるように、電流iLが負荷38を流れ、電流iTが状態指示体10を流れる。図1の回路構成では、主電池が、正常な動作中の内部抵抗値が0.1オームである、従来のAA型アルカリ電池であるとすると、指示体電池20と補助電池25との組合わされた内部抵抗値が、主電池30の内部抵抗値の少なくとも約104倍、より一般的には104倍と106倍との間である。指示体電池20と補助電池25とのおのおのの内部抵抗値を変化することにより、またはそれら2つの電池に直列に抵抗を付加することにより、状態指示体10の全抵抗値を調整できることを理解すべきである。
好適な実施形態では、状態指示体10(テスター組立体)は図2に示すように指示体電池20を有する。この指示体電池は、図1の回路構成に対応するやり方で、補助電池25に直列に電気的に接続される。状態指示体10(テスター)の厚さは100ミル(2.5mm)より薄く、好ましくは2ミルと100ミル(0.05mmと0.4mm)の間である。補助電池25は超小型の薄い電源で、指示体電池20を少なくとも部分的に駆動する。主電池30は一次バッテリーまたは二次バッテリーにできるが、通常は従来のアルカリ電池にできる。状態指示体10は、たとえば、それをラベルの内面に取り付けることにより、主電池10のラベルと一体にできる。指示体電池20は、異なる物質で構成されて、電解質に接触するアノード47とカソード43を含む。指示体電池20と補助電池25は、負荷38とは無関係に、主電池30の放電に比例して直線的に放電する。たとえば、主電池30の放電中は指示体電池20の制御するアノードまたはカソードの放電率が主電池30の制御するアノードまたはカソードの放電率とほぼ同じであるように、指示体電池20を較正できる。極めて大きい電流または極めて小さい電流で、すなわち、正常な使用から極めて逸脱して、主電池30を使用するために、指示体電池20のこの放電は主電池の放電率の関数である。もっともこれはそれの一次関数ではない。
指示体電池20(図2)は、カソード物質43とアノード物質47を含む超小型電気化学電池である。カソード物質43とアノード物質47は相互に離隔することが望ましく、かつ同じ平面内に置くことができる。カソード43とアノード47は異なる電気化学的に活性な物質であることが望ましく、かつ電解質に接触して有限の起電力を持つ電池を構成することが望ましい。カソード43とアノード47は基板42、43にそれぞれ付着された薄い被覆である。カソード43とアノード47に使用する物質は周囲の大気内で反応せず、または腐食されないことが望ましい。図2に示す実施形態では、好適なカソード物質はラムダMnO2とすることができ。好適なアノード物質は銀とすることができる。アノード基板48は導電性であることが好ましく、かつ炭素であることが好ましい。カソード基板42は導電性である。(アノード基板48に非導電性物質を使用することが可能であるが、導電性基板が好ましく、ここで説明することにする。)導電性アノード基板48を用いて金属の電気的に絶縁された島が基板上に現れることを阻止し、アノード47が一端から他端まで電気化学的に取り去られる(除去される)。その他の要求は、アノード基板48の色をアノード47の色に対して高いコントラストを成す色にして、アノード47の除去を非常に見分けやすい視覚的指示を与えるようにすることである。カソード43とアノード47の相互間および下側の導電性基板の好適な構成を図2に示す。間隔44がカソード43をアノード47から分離し、かつ、図2に最も良く見えるように、下側の導電性基板42を48から分離する。また、導電性基板42と48の下に絶縁物質の膜35を設けることができる。
導電性基板42(図2)は上のカソード物質の縁部43(b)を超えて延長して、延長させられた基板部分42(a)を形成できる。同様に、導電性基板48は上のアノード物質の縁部47(b)を超えて延長して、延長させられた基板部分48(a)を形成できる。延長させられた部分42(a)と48(a)との表面に接着剤を塗布して、導電性基板42と48との周辺の周囲に接着剤境界55を形成する。接着剤境界55はカソード43とアノード47の上に窓スペース53を形成する。透明な電解質の層45がカソード43とアノード47を覆うように層45が窓スペース53内に付着される。延長させられた基板部分48(a)の端部48(b)が電池20のアノード側から突き出る。同様に、延長させられた基板部分42(a)の端部42(b)が電池20のカソード側から突き出る。アルミニウム箔65の一片が、それとアノード基板端部48(b)との間に置かれた導電性接着剤62を用いてアノード基板端部48(b)に取り付けられる。箔65は基板48からバッテリー負端子115(図2A)まで電流を流す。カソード基板端部42(b)の1番上の表面が導電性接着剤61で被覆される。窓53の上に透明な障壁膜52が付着される。その膜の縁部が接着剤境界55に接触する。したがって、障壁膜52は電解質45を被覆して緊密に封止する保護膜である。障壁膜52は接着剤境界55により所定場所に保持される。指示体電池20は、絶縁膜35の下の状態指示体の下側に付着されている感圧接着剤32により主電池30のケースに固定できる。
補助電池25(図1)は薄くて平らなパワー電池であることが望ましい。補助電池25の厚さは100ミル(2.5mm)より薄く、好ましくは約2ミルと約100ミル(0.05mmと2.5mm)の間であり、より好ましくは約2ミルと約15ミル(0.05mmと0.4mm)の間である。補助電池25はアノード活性物質の被覆77と、カソード活性物質の被覆83と、それの間の電解質層73とを含む。アノード活性物質77は導電性基板76に被覆すなわち重ねることができる。アノード活性物質77は電解質73が充てんされている分離体72に接触する。導電性基板81に被覆すなわち重ねることができるカソード活性物質83も、分離体72に含まれている電解質73に接触する。アノード活性物質77とカソード活性物質83は炭素が被覆されたアルミニウムまたは金属箔とすることができる。導電性接着剤92を、導電性基板81の露出されている表面に接触させて、補助電池25の下側に付着することができる。補助電池25のアノードタブ77(a)が指示体電池20のカソード基板タブ42(b)に接触するように、アノードタブ77(a)を取り付けることにより、補助電池25は指示体電池20に電気的に接続される(図2)。指示体電池20のカソード42への補助アノード活性物質77のこの電気的接続は、図1の回路図と一致する。主電池、通常は普通のアルカリ電池、への接続を図2Aを参照して説明する。補助カソード活性物質83を主電池ハウジングに図2Aに示すように接続する導電性接着剤92(図2)を介して、補助カソード活性物質83は主電池30の正端子145に電気的に接続されるようになる。導電性接着剤62が主電池の負端部キャップ110(図2A)に接触するように、箔タブ65が押されて端部キャップ110に永久に接触させられる。そのような接続により指示体電池20のアノード47が主電池30の負端子に電気的に接触させられる。
状態指示体10を主電池のフィルムラベル58の内面に図2Aに示すように一体にできる。ラベル58は、塩化ポリビニルまたはポリプロピレンなどの熱収縮膜にすることが望ましい。指示体電池20と補助電池25を構成する各被覆を順次印刷または順次重ねることにより、状態指示体10をラベルの一方の側に形成できる。耐熱感熱接着剤の層をラベルの内面に付着でき、状態指示体が一体にされているラベルを主電池10のハウジングの周囲に巻き付けることによって、主電池10に取り付けることができる。その後で、ラベルの縁部を熱収縮させるために十分加熱することにより、ラベルの端部を上肩部152と下肩部154との上に通常のやり方で熱収縮させることができる。
動作時には、主電池30が放電すると、指示体アノード活性物質47が放電する(クリヤする)。アノード活性物質47は、アノード活性層のうちカソード層43に最も近い部分から、すなわち、端部47(a)から徐々に消滅する。このために視覚的に見分けることができる燃料計効果が得られる。主電池30の寿命中の任意の時に電池20に残っている指示体アノードの量を透明な電解質45を通じて容易に見ることができる。これにより、指示体電池20に残っているアノード47の量を窓53を通じて視覚的に検査することにより、主電池の放電度を容易に検査できる。アノード47が十分に消耗されて主電池30を取り替えなければならないときを指示することを容易にするために、較正したグラフィックス尺度を指示体アノード47の近くに設けることができる。
状態指示体10を製造するために下記の材料を使用できる。指示体電池アノード47は、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着によりアノード基板48の上に付着された銀被覆(厚さが500オングストロームと1000オングストロームの間)で構成できる。指示体電池アノード基板48とカソード基板42は炭素充填ポリエチレン材料(3MからのVelstat)で構成できる。Materials Inc.(CMI)。あるいは、アノード基板48は、Allied Signal Co.からのACLARフィルム(ポリクロロトリフルオロエチレン)、または酸化すずインジウム(ITO)などの導電性膜を被覆したICI AmericasからのKALODEXフィルム(ポリエチレン・ナフタレート)などの絶縁プラスチックフィルムで構成できる。あるいは、アノード基板48は絶縁材料で構成できる。アノード基板48の厚さは約0.5ミルと1ミルの間が望ましい。
指示体電池カソード43は、たとえば、V2O5またはラムダMnO2などのカソード活性物質を含むカソード混合物で構成できる。V2O5またはラムダMnO2物質を含むカソード混合物は、そのような物質に、たとえば、炭素、黒鉛、または金属粉末などの導電性粒子を混合することにより製造できる。カソード混合物には結合剤と、ポリふっ化ビニリデンおよび1−メチル−2−ピロリジノン(1−methyl−2−pyrrolidinone)などの溶剤を更に混合して被覆可能なインキを構成できる。その後でこのインキを0,2〜2ミル厚の湿った膜としてカソード基板42の上に被覆し、乾燥させてカソードを構成できる。
指示体電池電解質45(図2)は、銀トリフルオロメタンスルフォニルイミド(AgTFSI)と、3−メチルスルフォラン(3−methylsulfolane)溶液に溶解されているリチウム・トリフルオロメタンスルフォニルイミド(LiTFSI)とを混合したもので構成した電解質溶液をまず形成し、その後でその溶液をポリふっ化ビニリデンでゲル化して構成できる。電解質45は、電解質溶液8重量部にポリふっ化ビニリデン3重量部を混合することにより製造される。この混合物を140℃の温度で希望の厚さ、好ましくは約1ミルと約4ミル(0.025mmと0.10mm)の間、に押し出して、指示体電池アノード47とカソード43との上に付着する。
指示体接着剤フレーム55(図2)を広範囲の感圧接着剤から選択できる。望ましい接着剤は、EXXON Co.からButyl 065ゴム接着剤として入手できる、ポリイソブチレン/イソプレン共重合体接着剤などの、ブチルゴムをベースにした通常の接着剤である。接着剤フレーム55の厚さは約1ミルと約2.5ミル(0.025mmと0.0625mm)の間が望ましい。指示体透明障壁52は、厚さが約0.6ミルと約1ミル(0.015mmと0.025mm)の間のACLAR(ポリクロロトリフルオロエチレン)フィルム(Allied Signal Co.)、またはKarodexフィルム(ポチエチレン・ナフタレート)で構成できることが望ましい。導電性接着剤62は、商品名ARCLAD導電性転写接着剤(transfer adhesive)の下にAdhesive Research Co.から入手できる接着剤などの、炭素充填導電性接着剤であることが望ましい。接着剤膜の厚さは約0.5ミル(0.012mm)であることが望ましい。箔裏打ち65は約0.25ミルと約0.5ミル(0.006mmと0.012mm)の間の厚さのアルミニウム箔であることが望ましい。
補助電池25で使用する材料は指示体電池の開回路電圧に依存する。状態指示体組立体10全体としての全開回路電圧が、放電させられる主電池の全開回路電圧と同じであるように、補助電池25の材料が選択される。補助電池25には水性電解質または有機電解質を使用できる。水性電解質を使用したとすると、典型的な補助電池はその導電性基板81を導電性炭素充填ポリ(酢酸ビニル)/ポリ(塩化ビニル)重合体フィルム(Rexham Graohics導電性プラスチックフィルムno.2664−01)で構成できる。上記のように、導電層81はアルミニウム箔の層82に重ねられる。導電性ポリマーフィルムの厚さは1ミル(0.025mm)であることが望ましく、アルミニウム箔の厚さは約0.25ミルと約0.5ミル(0.006mmと0.012mm)の間であることが望ましい。補助電池カソード83は電解質の二酸化マンガン(EMD)X%と、黒鉛(90−X)%と、塩化ポリビニル結合剤10%とを含む印刷した被覆で構成することが望ましい。EMDと黒鉛との混合物3重量部を、水性0.75%Carbopol940(S.F.Goodrich Co.)交差結合したアクリル酸共重合体7重量部中に分散させ、その混合物のpHをKOHで10まで調整し、その後で、HALOFLEX320(相ci Americas-u.s.Resins Division)PVCラテックスを、最終の乾燥したカソード物質10wt.%を含むのに十分な量加えることにより、カソード活性層83を製造できる。その後でこの混合物を湿った膜(厚さ0.2ないし0.5ミル)として、炭素充填重合体層81に被覆し、次に空気乾燥して乾燥したカソード活性層83を形成する。
補助電池分離体72は、ZnOを加えてpH4に調整した水性ZnCl約24ないし32重量%で構成された電解質溶液73を約2〜8マイクロリットル含む、厚さが約1ミル(0.025mm)のニトロセルローズまたはセロファンのo多孔性膜とすることができる。アノード77の外縁部とカソード83との間にシール86が設けられて補助電池を一緒に保持し、汚染物質が電池内部に入ることを阻止する。シール85は酢酸ポリビニル/塩化ポリビニルの熱封止可能なフィルムで適当に形成できる。あるいは、Exxon Co.からのButyl 065ゴムなどのブチルゴム感圧接着剤で構成できる。シール85の厚さは約1ミルと2ミル(0.025mmと0.05mm)の間にすると有利である。
ポリ(酢酸ビニル)/ポリ(塩化ビニル)重合体フィルム(Rexham Graohics導電性プラスチックフィルムno.2664−01)で構成された基板76に補助電池アノード物質77を被覆できる。アノード物質77とは反対側の基板76の表面上のアルミニウム箔の層(図示せず)に基板76を重ねることができる。導電性共重合体フィルムの厚さは約1ミル(0.025mm)であることが望ましく、アルミニウム箔の厚さは約0.25ミルと約0.5ミル(0.006mmと約0.012mm)の間が望ましい。補助電池アノード層77は90%アノード粉末、(たとえば、必要な電圧に応じて亜鉛粉末またはその他の金属粉末)90%と、スチレン−ブタジエン共重合体(SBR)結合剤10%とで構成された被覆とすることができる。アノード層77は、Zn粉末(粒子寸法が5ないし7ミクロン)6.5重量部を水性1.25%Carbopol 940交差結合したアクリル酸共重合体ゲル(KOHでpHを12に調整してある)中にまず分散して製造する。その後で、スチレン−ブタジエン・ゴムラテックス(Rohm & Hass Co.からのGOVENE 5550ラテックス)を、最終的な乾燥フィルム中の亜鉛9部当りスチレン−ブタジエン・ゴム1重量部を生ずるために十分な量だけ加える。その後で、この混合物を湿った膜(0.5ミルないし1.5ミルの厚さ)として炭素充填重合体層76の上に被覆し、その後で空気乾燥する。
補助電池接触接着剤61と92を種々の導電性接着剤から選択できる。適当な接着剤61または92は,Adhesives Research Co.からARCLADとして入手できる導電性炭素充填転写接着剤とすることができる。そのような接着剤は、アルミニウム箔層82の上に約0.5ミル(0.012mm)の厚さに塗布して接着剤層92を形成できる。同じ接着剤組成を約0.5ミル(0.012mm)の厚さに塗布して、指示体カソード基板端部42(b)上に接着剤層61を形成できる。
指示体裏打ち接着剤32を広範囲の感圧接着剤から選択できる。望ましい接着剤32は、Exxon Co.からのButyl 065ゴムなどのブチルゴム感圧接着剤である。
下記は図2を参照して説明したテスターの動作例である。
例1
好適な実施形態(図2)で説明した種類の動作状態指示体組立体10を製作し、種々の負荷を通じて放電させた通常のZn/MnO2(1.5ボルト)アルカリ電池の充電の状態を指示するために使用した。
図2を参照して説明した指示体電池20を以下の部品で製造した。導電性炭素充填基板48(3MからのVelstat炭素充填ポリエチレン)上に600オングストロームの銀をスパッタ付着することにより指示体電池アノード47を製造した。アノードの面積は約0.86in(2.2cm)×0,2in(0.52cm)である。V2O5と黒鉛が70:30(重量比)のカソード混合物をまず製造することによって指示体電池カソード43を製造した。その後で、このV2O5と黒鉛との混合物3gmに0.4gのフッ化ポリビニリデン(PVDF)と、4.5gの1−メチル−2−プロリジノンとを混合してインキを製造した。このインキを基板42(Velstat炭素充填ポリエチレン)上に塗布し、空気中で150℃で1時間乾燥して1ミル厚さのカソード被覆を形成した。カソードの面積は約0,2in(0.52cm)×0,2in(0.52cm)である。内部スペースが長さ約0.7in.幅約0.30inの、2.5ミル(0.06mm)厚のブチルゴム感圧接着剤窓の内部に約0.05in(0.13cm)の間隙でカソードはアノードから分離される。溶剤中の0.5MのLiTFSI(リチウムトリフルオロメタンスルホニルイミド)と0.003MのAgTFSI(銀トリフルオロメタンスルホニルイミド)で構成され、好適な実施形態について前記したようにして製造した、長さ約0.61in.幅約0.2inの、2ミル厚の透明な電解質によりアノードとカソードは接触させられる。長さ約1in.幅約0.60inの、1ミル厚のKOLODEXポリ(エチレン・ナフタレート)の透明な障壁膜52を用いて指示体を封止する。完成した指示体の厚さは約6ミルと約7ミル(0.15mmと0.18mm)の間である。
図2を参照して説明した種類の補助電池25を以下の部品で製造した。電解質二酸化マンガン(EMD)を含む二酸化マンガン層を、前記Rexham Graphics no.2664−01導電性炭素充填プラスチックフィルムで構成された導電性基板83上に被覆することにより、補助電池過疎83を製作する。二酸化マンガン被覆を、EMD68%と黒鉛17%を含む乾燥組成の05ミル厚の湿った膜として付着する。
前の説明で述べたRexham Graphics no.2664−01導電性炭素充填プラスチック基板上に亜鉛被覆を付着することにより、補助電池アノード77を製造する。乾燥亜鉛アノードの厚さは約1ミルで、面積が約0,070in2(0.45cm2)であって、過疎の容量の数倍の容量となる。pH4(28%のZnCl2)の電解質を約6×10-6リットル含む1ミル厚のセロファン膜を用いて分離体72を製造する。シール85は、補助電池を封止するために用いる、2ミル厚のブチルゴム感圧接着剤(ExxonからのButyl rubber 065接着剤)である。完成した補助電池の厚さは約8ミルであって、1KHzで測定した交流抵抗値は約2kオームであった。
指示体電池と補助電池は互いに直列接続されて、図2に示すような状態指示体組立体10を形成する。完成した状態指示体10の厚さは、この例では、約6ミルと約8ミル(0.15mmと0.2mm)の間である。状態指示体10は、新しいZn/MnO2(1.5ボルト)単2アルカリ電池の端子に、前記したように、ARCLAD0.5ミル厚導電性接着剤(61と92)を用いて図1と図2Aに示すように並列接続される。指示体電池20は正の起電力(e.m.f.)を持つ。状態指示体組立体10の開回路電圧は全体として、放電させられている主電池のそれとほぼ同じである。
単2電池は1オーム、4オーム、36オームまたは75オームの負荷抵抗を通じて連続的または断続的に、1.5ボルトから0.8ボルトまで放電させられる。指示体電池20を流れる電流は約(0.5〜2)×10-4ampsである。あらゆる場合に、指示体アノードは計器のようにして除かれて、下側の黒い導電性アノード基板48を視覚的に出現させる。除去はカソードに最も近い端部47aから始まり、カソードの他端部まへ向かって進む。除去の量は単2電池の放電度に比例相関する。したがって、このテスターは主電池の実効充電状態指示体として機能する。
この例で説明した特定の状態指示体組立体を用いて、約1オームと約1000オームの間の負荷抵抗値で通常動作できる通常のZn/MnO2アルカリ電池の状態を試験できるから有利である。しかし、本発明の応用はアルカリ電池に限定することを意図するものではなく、それよりもむしろ任意の乾電池の状態を試験するために効果的に使用できる。
例2
指示体電池20は、V2O5カソード混合物を、ラムダMnO2を含んでいる異なるカソード混合物で置き換えられたことを除き、例1で説明したのと同じやり方で製造される。LiMn2O4と黒鉛との混合物(70:30重量比)3gと、ポリビニリデン・フルオライド(PVDF)0.4gと、n−メチルピロリジン(NMP)0.45gと混合することによりカソードインキをまず製造する。このカソードインキを基板423(VELSTAT物質)上に塗布し、空気中において150℃で1時間乾燥させる。乾燥したインキに含まれているLiMn2O4は、基板上の乾燥したインキを0.03MのH2SO4内で30分間浸出することによりラムダMnO2に転化させる。酸浸出の後で、カソードを水洗いし、空気中で1時間乾燥する。指示体電池20は、Pbアノードを使用することを除き、例1で説明したのと同じやり方で製造する。Pbアノードは、Pb粉末をZnの代わりに用いることを除き、Znアノードと同じやり方で製造できる。使用する電解質はPbCl2で飽和されたpH4の28%ZnCl4である。したがって、製造した補助電池の開回路電圧(OCV)は約1.05ボルトである。
指示体電池と補助電池は例2におけるのと同様に互いに直列接続されて、新しいZn/MnO2(1.5ボルト)単2アルカリ電池に接続される状態指示体組立体10を構成する。この状態指示体組立体10の開回路電圧は単2電池のそれとほぼ同じである。単2電池の放電中は、状態指示体は例1のそれと同様に挙動する。あらゆる場合に、指示体アノードは計器のようにして無くなって下側の黒い導電性基板48を視覚的に出現させる。除去はカソードに最も近い端部47(a)から始まり、アノードの他端部へ向かって進む。除去の量は単2電池の放電度に比例して相関する。したがって、組立体10は主電池の実効充電状態指示体として機能する。
特定の実施形態および特定の製造材料について本発明を説明したが、本発明の概念から逸脱することなしに他の実施形態および他の材料が可能であることが分かるであろう。したがって、本発明はここで説明した特定の実施形態に限定することを意図するものではなく、むしろ発明の範囲は請求の範囲およびそれに均等なものにより定めるものである。
Claims (10)
- バッテリーと、そのバッテリーの充電の状態を決定するためのバッテリー状態指示体組立体と、による状態表示器付バッテリーであって、前記バッテリーはケースと、負端子と、正端子とを備え、前記状態指示体組立体は前記バッテリーに取り付けられるラベルに一体にされ、前記指示体組立体は指示体電池を備え、その指示体電池はアノードと、カソードと、電解質とを含み、その電解質は指示体電池の前記アノードと前記カソードとの少なくとも一部に電気的に接触し、前記指示体電池はそれ自身の起電力(e.m.f.)を持ち、指示体電池の前記アノードとカソードの一方の少なくとも一部が見えることができ、前記状態指示体組立体は電力発生電気化学的電池である補助電池を更に備え、その補助電池はアノードと、カソードと、電解質とを含み、その電解質は前記補助電池のアノードとカソードとの少なくとも一部に電気的に接触し、補助電池のアノードとカソードの一方は指示体電池のアノードとカソードの一方に電気的に接続され、補助電池の残りの電極と指示体電池の残りの電極とはバッテリーの端子に並列に接続されると共に、前記指示体電池及び前記補助電池の合計の開回路電圧が前記バッテリーの開回路電圧と同じである、状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲1記載の状態表示器付バッテリーであって、電池状態指示体組立体の厚さが約2ミルと約100ミル(0.05mmと2.5mm)の間である状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲1記載の状態表示器付バッテリーであって、指示体電池のアノードとカソードは異なる電気化学的に活性な物質である状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲1記載の状態表示器付バッテリーであって、指示体電池のアノードがどの部分も電解質電池カソードのどの部分とも重なり合わないように、指示体電池のアノードとカソードは横に離隔される状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲1記載の状態表示器付バッテリーであって、前記指示体電池のアノードは銀を含む状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲5記載の状態表示器付バッテリーであって、前記指示体電池のカソードは
V2O5を含む状態表示器付バッテリー。 - 請求の範囲5記載の状態表示器付バッテリーであって、前記指示体電池のカソードはラムダMnO2を含む状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲5記載の状態表示器付バッテリーであって、指示体電池電解質はリチウム・トリフルオロメタンスルフォニルイミドおよび銀トリフルオロメタンスルフォニルイミドを含む状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲1記載の状態表示器付バッテリーであって、補助電池のアノードは亜鉛を含み、補助電池のカソードは二酸化マンガンを含む状態表示器付バッテリー。
- 請求の範囲1記載の状態表示器付バッテリーであって、補助電池のアノードは鉛を含み、補助電池のカソードは二酸化マンガンを含む状態表示器付バッテリー。
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