JP4421896B2 - 通気集電装置及びシール組立体を備える電気化学電池 - Google Patents

Description

本発明は一般に、電気化学電池（すなわちバッテリ）、更に具体的には、過度な圧力に曝された場合に電池容器の開口末端をシールし、かつガスを通気するために圧力を軽減する集電装置及びシール組立体に関する。

一般に、従来のアルカリ電気化学電池は、典型的には活性材料として二酸化マンガンを含む、カソードと呼ばれる正電極を有する円筒形のスチール缶を含む。電気化学電池はまた、典型的には活性材料として亜鉛粉末を含む、アノードと呼ばれる負電極を含む。ボビンタイプの電池では、カソードは一般にスチール缶の内側表面に接して形成され、アノードは缶のほぼ中央に配置される。セパレータがアノードとカソードの間に配置され、アルカリ電解液溶液が、アノード、カソード、及びセパレータと同時に接触する。導電性の集電装置が、アノードの活性材料に挿入され、負電極の外側端子への電気経路を形成する。環状の高分子性（例えばナイロン）のシールが、スチール缶の開口末端を閉鎖して、缶のシール容積内に活性電気化学材料をシールする。内側カバーはシール材を半径方向で支持する。集電装置、内側カバー、及びシール材は一般に、一体的に組み立てられて集電子及びシール組立体を形成する。

円筒形アルカリ電池は、通常、集電子及びシール組立体をスチール缶の開口末端に置き、缶の上側末端をシールの外側周縁全体にわたり内方に圧着してシール材を圧縮することによりシール密閉される。しかしながら、電気化学電池は、一般に、亜鉛のような電気化学的活性材料を用いるが、これは、蓄電中、及び場合によっては使用中又は使用後だけでなく、特にバッテリの逆接続のような酷使される放電状態にされた場合に水素ガスを発生する。缶がシール密閉された場合、シールされた缶内の高圧ガスが過度に蓄積されることにより、圧着密封が強制的に開放され、電池及び／又は電池が使用されている装置に損傷を与える原因となる可能性がある。

電池内で過度に圧力が蓄積される可能性を排除するための１つの方法として、使用中の電池容積内から過度に加圧されたガスを定期的に放出する再シール可能なバルブシステムを用いてきた。しかしながら、加圧ガスを継続して定期的に放出させることにより、幾つかの状況においては塩又は他の粒子状物質を含有する電解液溶液の放出を許してしまい、これは再シール可能なバルブを詰まらせる恐れがあると共に、こうしたシステムは一般に、コストのかかる構成要素の追加を必要とする。内部圧力の過度の蓄積を防止するための別の方法は、シールされた隔膜を用いることを含み、過度の圧力を受けると隔膜自体のパンク又は破裂のいずれかによって吹き出すようにされる。内部圧力が予め定められた量に達すると、シールされた隔膜に穴を開けるために、突起状部材のようなパンク機構を用いることができる。

過度に圧縮されたガスを通気するための別の方法は、電池のシール空間容積内に過度な圧力蓄積が生じると破裂するようになるシール材に形成された通気穴の使用を含んでいた。実施例として、米国特許第５，６６７，９１２号は、電池の中心縦軸の回転の周りにシール隔膜内に軸対称的に形成された薄い部分を備えたシールを有する集電装置組立体を開示している。シール材の薄い部分は、内部圧力が予め定められた圧力閾値を越える場合にせん断されるようになっており、これにより圧力軽減通気通路が形成される。
上述の従来の方法は、市販の電池の高圧ガスを通気するのに役立っているが、これらの方法の多くは多大な容積量を費やす複雑なシール設計を伴う。一般に、集電子及びシール組立体の容積が大きくなると、電気化学的活性材料に利用可能な内部容積が小さくなり、よって電池のサービス性能特性を制限する。更に、幾つかの従来の通気シールは提示される漏れ性能が不十分である。更に、シール材の薄い部分を射出成形することが困難であることに起因して、通気圧力は、一般に、従来の破裂タイプの通気シールでは制限される。従って、予め定められた圧力で加圧ガスを効果的に通気し、より低い通気圧力を達成可能であり、且つ改善された漏れ性能を示す単純化された低背型の集電子及びシール組立体を有する電気化学電池の提供が望まれる。

米国特許第５，６６７，９１２号公報 米国特許出願第０９／３００，４１３号公報

本発明は、電気化学電池の容器の開口末端をシールし、加圧ガスの制御された通気を提供するための製造が容易で低背型の集電子及びシール組立体により、電気化学電池の保護的防御措置を向上させる。この利点及び他の利点を達成するために、及び本明細書に具体化され説明された本発明の目的に従って、本発明の１つの態様は、電気化学電池の容器の開口末端をシールするための、シール部材と集電装置を備える集電子及びシール組立体を提供する。シール部材は、容器の開口末端に配置されて、容器の開口末端にシール密閉を形成するように適合されている。シール部材は、開口を有し、集電装置のシャフトは該開口を貫通して延びる。集電装置は、シール部材がシール位置にあるときに、集電装置のシャフトをシール係合するように開口内に締まり嵌めされる。シール部材と集電装置のうちの少なくとも一方が、加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、予め定められた圧力に曝されると、シール部材と集電装置のうちの他方に対して通気位置まで軸方向に移動できる。本発明の別の態様は、このような集電子及びシール組立体を備える電気化学電池である。

本発明の１つの実施形態は、加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、電池内で予め定められた圧力を受けると、シール位置から通気位置までシール部材の開口内で集電装置が軸方向に移動できる電気化学電池である。電池は、集電装置を外側のカバーに結合する導電性コネクタ（例えばコイルバネ或いはボール形ディスク）を有する事ができ、これはシール部材に向かって集電装置をバイアスする。電池から加圧ガスを通気した後で、集電装置とシール組立体は互いに再度シール係合することが可能である。

本発明の別の実施形態は、加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように電池内で予め定められた圧力を受けると、シール位置から通気位置まで集電装置のシャフトに沿ってシール部材が軸方向に移動可能である電気化学電池である。集電装置は、第１の直径と、第１の直径より小さい第２の直径を有し、圧力軽減通路を形成するために第１の直径から第２の直径までシャフトに沿って移動可能であるシール部材を備えることができる。第１の直径は、シール位置にシール材を保持するための拡大直径ステップとすることができ、拡大直径ステップを越えて通気位置までシャフトに沿って移動可能であるシール部材の中心ハブを備えることができる。集電子は、圧力軽減通路を形成するための、集電子に形成された１つ又はそれ以上の溝を有することができる。シール部材はまた、通気位置にある場合に集電装置とシール部材の再シールを防止するために上側表面に通気経路を含むことができる。

本発明を添付の図面を参照して更に説明する。
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態による集電子及びシール組立体３０を有する円筒形アルカリ電気化学電池１０が示されている。電気化学電池１０は、閉じた底部末端１４、開口した頂部末端１６、及び底部末端と頂部末端の間に延びる円筒形の側壁を有する円筒形スチール缶１２を含む。缶１２の閉じた底部末端１４は、底部末端に溶接されるか或いは別の方法で取り付けられ、プレート状スチールで形成された正電極のカバーを有し、該カバーには電池１０の正電極接点端子を形成する中心部分に突出した正極突起１８を備える。スチール缶１２の開いた頂部末端１６には、集電子及びシール組立体３０、好ましくはプレートスチールで形成される外側負極カバー５０が組み付けられ、このカバーは電池１０の負電極接点端子を形成する。スチール缶１２の両端部を除いて、金属被覆されたプラスチックフィルムラベル２０がスチール缶１２の外表面の周りに形成される。フィルムラベル２０は、正電極カバーの周囲縁部を覆って形成され、負極カバー５０の周囲縁部を部分的に覆うよう延びることができる。

本明細書でカソードとも呼ばれる正電極２２は、スチール缶１２の内側表面の周りに形成される。１つの実施例によれば、カソード２２は、二酸化マンガン、黒鉛、水酸化カリウム溶液、及び添加剤の混合物から形成される。電池内のどのような固体粒子の流動も防止する不織布で形成されるのが好ましいセパレータ２４が、カソード２２の内側表面の周りに配置される。本明細書ではアノード２６とも呼ばれる負電極２６が、電解液と共にセパレータ２４の内側で集電装置３２と接触して配置される。電解液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含有するアルカリ電解液を含むことができる。１つの実施例によれば、アノード２６は亜鉛粉末、ゲル化剤、及び添加剤から形成される。カソード２２及びアノード２６に用いられる二酸化マンガン及び亜鉛は、それぞれ、電気化学的活性材料である。従って、カソード２２は電池の正電極として構成され、アノード２６は電池の負電極として構成される。

集電装置３２は、電池１０の負電極接点端子を形成する外側負極カバー５０と接する。集電装置３２は一般に、細長い円筒形シャフト３４と、下側端部にある切頭円錐形先端部３５と、上側端部にある拡大頭部３６とを有する釘形に構成される。細長い軸３４は、アノード２６と接して配置され、この実施形態では、ほぼ均一の直径を有する。集電装置３２は、圧縮可能なコイル状導電性コネクタ３８を介して外側負極端子５０に接続されている。コイル状のコネクタ３８は、外側負極カバー５０の底部表面及び／又は集電装置３２の拡大頭部３６の上側表面に溶接することができ、或いは、圧力接触によってここに接触させて保持することもできる。集電装置３２とコネクタ３８は、外側負極カバー５０で負極性を供給する電流経路として機能する。

環状ポリマーシール材４０は、スチール缶１２に含まれる電気化学的活性電池材料の漏れを防止するために、スチール缶１２の開口末端に配置される。ポリマーシール材４０は、ナイロンのような合成熱可塑性樹脂を含むことができる。シール材４０の別の材料は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ．，Ｃｏから入手可能なＮｏｒｙｌ（登録商標）Ｅｘｔｅｎｄのようなポリプロピレン、及びシール材４０に適していると認められる他の材料を含むことができる。

シール材４０は、集電装置３２を受けるための中心開口（すなわち穴）を定める内側直立円筒形壁４４を備える中心ハブ４２を有する。ハブ４２は、一般に、集電装置３２に対して圧縮されている直立壁４４を含むシール材４０の中心部分として定義される。集電装置３２の拡大頭部３６は一般に、ハブの開口より大きなサイズにされ、従って、シール材４０は、集電装置３２に対して圧縮されて、ハブ開口を定める内側直立壁４４との締まり嵌め係合を形成する。中心ハブ４２の直立壁４４は、シールされた（通気されない）位置にある場合に集電装置３２の拡大頭部３６をシール係合するように構成されている。中心ハブ４２はまた、集電装置３２の上方向への移動に更に抗するために、拡大頭部３６の上側周辺表面全体に形成された図１に示される上側縁部４３を有する。好ましくは硬質の金属から作られる内側カバー４６は、剛性を高め、環状シール材４０の半径方向の圧縮を支持するために設けられ、これによりシール効率が向上する。内側カバー４６は、中心ハブ４２の外側の直立壁と、シール材４０の外側周辺部分４５の直立壁とに接するように構成されている。大きなサイズにされた集電装置３２と、内側カバー４６とは、集電装置３２に対してシール材４０を圧縮するのに使用されるが、圧縮リングのような他の圧縮技術を集電装置３２とシール材４０間をシールされた締まり嵌めにより係合するために用いることができる。シール材４０、内側カバー４６、及び外側負極カバー５０は、缶１２の開口末端１６に低背型の閉鎖を提供する。更に、外側負極カバー５０はまた、周囲外気に電池１０のシールされていない容積部分を露出する働きをする１つ又はそれ以上の通気開口５２を含む。通気開口５２は、集電子及びシール組立体３０の通気時に電池１０内部から外気へ放出される圧力蓄積を通気するよう機能する。

集電装置３２、環状シール材４０、及び内側カバー４６は、共に、一体的に組み立てられてスチール缶１２の開口末端１６に単体として挿入することができる集電子及びシール組立体３０を形成する。集電子及びシール組立体３０の組み付けと缶１２の開口末端１６の閉鎖は、フレアーの開口又は缶１２の内壁上に半径方向に内方に形成されたビードを有することができる環状ポリマーシール材４０を缶１２の開口末端１６に配置する段階と、缶１２の上側末端をシール材４０の外側周辺４５全体にわたり内方に圧着して、内側カバー４６に対してシール材４０を圧縮する段階とを含む。また、外側負極カバー５０は環状ポリマーシール材４０によってスチール缶１２から電気的に絶縁されていることを理解すべきである。

本発明によると、集電装置及びシール組立体３０は、缶１２の開口末端１６をシール密閉し、外側負極端子５０に電流経路を提供し、更に過度の圧力差に曝された場合に圧力軽減機構として機能する。集電子及びシール組立体３０は、組立体３０が予め定められた圧力差に曝された場合に、電池１０のシール活性容積内から加圧ガスを放出するよう設計されている。圧力差は、シール材４０の下の内圧とシール材４０の上の大気圧との差である。加圧ガスの通気は、一般に、集電装置３２と環状ポリマーシール材４０の間の相対的軸方向（すなわち集電装置３２の縦軸に平行な）移動によって達成される。内部容積から放出された加圧ガスは、外側負極カバー５０に設けられた開口５２を介して電池１０から放出される。

第１の実施形態によれば、図１に示されるようにシールされた（通気されない）位置では、集電装置３２は環状シール材４０と締まり嵌めで且つシール係合される。シール係合は、集電子３２の頭部３６とシール材４０のハブ４２を形成している直立壁との間に形成される。一般にシール材４０の底部表面より下にあるシール容積内で酷使状態中に生じるように圧力が増大した場合、内部圧力は、集電装置３２に対して集電装置３２を上方に且つ環状シール材４０とのシール係合を解除して付勢するようにする力を加える。内部のシール容積を外気圧と比較した圧力差が、予め定められた圧力閾値を越える場合、集電装置３２はシール材４０のハブ４２とのシール係合から強制的に外されて、図２に示すような通気位置まで移動する。強制的な係合解除により、ハブ４２の上側折り畳み末端４３が上方に曲げられ、集電子頭部３６の上方移動が可能となる。これが起こる場合、集電装置３２は、所定位置に実質的に固定保持されるシール材４０のハブ４２全体に対して上方に押し上げられる。シール材４０のハブ４２は、一般に集電装置３２の動きに比べてわずかの距離しか上方に移動しない点は理解すべきであり、従って実質的に固定されていると見なされる。通気位置では、圧力軽減通路４８が、シールハブ４２と集電装置３２の間に形成され、電池１０の内部容積内からの加圧ガスの放出を可能にする。更に、集電装置３２がシール位置から通気位置まで移動する場合、コイル状導電性コネクタ３８が集電装置の頭部３６の上側表面と外側負極端子５０の底部表面との間で圧縮される。圧縮されると、コイル状導電性コネクタ３８は、反対向きのスプリングバイアス力を下方に加えることができ、その結果、圧力差が低下圧力閾値まで低下すると、集電子の頭部３６がシールハブ４２にシール係合するように集電装置３２を下方にバイアスすることができる。内部圧力が再シール後に増大した場合には、集電装置３２が再び上方に押し上げられ、圧力軽減通路４８を開いて更に加圧ガス通気するようになる。

集電子及びシール組立体３０´の一部として、別の構成の集電装置３２´を有する電気化学電池１０´が、図３及び図４に示される。集電装置３２´は、最上末端まで延びるメインシャフト３４を含み、これは上述のような拡大頭部がない。代わりに、集電装置３２´は、最上末端に向かって上方に延びる複数の縦方向の溝（すなわちチャネル）６２を含む。シール材４０のハブを形成する内側直立壁は溝６２の長さより高くないほうが好ましい。集電装置３２´は、複数の溝６２が図３に示されるようにシール材４０の下に位置するようにシール位置に位置付けられる。集電装置３２´は、シール材４０のハブ４２にある開口を形成する内側直立壁と締まり嵌めで且つシール係合される。通気動作中、集電装置３２´は、上述されたような所定位置に実質的に固定保持されたシール材４０のハブ４２全体に対して上方に押し上げられる。十分な内部圧力が集電装置３２´を上方に押し上げる場合、縦方向の溝６２は、図４に示されるようなシール材４０のハブを形成する内側直立壁の周りに圧力軽減通路を形成する。複数の溝６２が示されているが、１つ又はそれ以上のいずれの溝もこの実施形態によって用いることができることを理解すべきである。

図５から図７を参照すると、集電装置３２と外側負極カバー５０の間に電流経路が形成される別の構成の導電性コネクタ３８´を有することを除いては、図１の電池１０と同様の第３の実施形態による電気化学電池１０´´が示されている。スチールのような導電性材料で作られたボール形ディスクとして一般に構成された導電性コネクタ３８´が図７に示されている。特に図５を参照すると、上側外側周辺リムが外側負極カバー５０の底部表面に係合すると共に、底部ドームが集電装置の頭部３６の上側表面に接している。導電性コネクタ３８´は、シールされた（通気されない）位置にあるときに、環状シール材４０とのシール係合を維持するように集電装置３２に下向きのバイアス力を付与するのが好ましい。シールされた内部圧力が大気圧に対して予め定められた圧力に達すると、集電装置３２は、図６に示されるように通気位置まで移動し、この間は、導電性コネクタ３８´が垂直方向に圧縮されて圧力軽減通路４８の形成が可能になる。内部圧力がより低い圧力まで下がると、導電性コネクタ３８´は、第１の実施形態に関して上述したように、シール材４０とのシール係合位置に集電装置３２を押し戻すことができる。

本発明の第４の実施形態による集電子及びシール組立体１３０を有する電気化学電池１１０が図８から図１０に示されている。電気化学電池１１０は、第１及び第２の実施形態に関して上述されたように、スチール缶１２、ラベル２０、カソード２２、セパレータ２４、及びアノード２６を含む。第４の実施形態によれば、電気化学電池１１０は、缶１２の開口末端１６をシール密閉し、外側負極カバー１５０に電流経路を提供し、更に加圧ガスを通気するための圧力軽減機構を提供する集電子及びシール組立体１３０を含む。集電子及びシール組立体１３０は、環状ポリマーシール材１４０と集電装置１３２を含む。第４の実施形態の集電装置及びシール組立体１３０は、上述の第１、第２、及び第３の実施形態の集電子及びシール組立体で使用されるような内側カバーを必要としない。

集電装置１３２は、下側円筒形シャフト１３４、拡大直径ステップ部１３９、縮小直径円筒形シャフト１３７、及び上側末端の拡大頭部１３６を含む。集電装置１３２の下側シャフト１３４は、アノード２６の中に延びて接触する。縮小直径シャフト１３７は、拡大直径ステップ部１３９と拡大頭部１３６の間に位置され、下側シャフト１３４の直径より小さな直径を有するのが好ましい。拡大頭部１３６の上側表面は、外側負極カバー１５０に溶接されるか、又は圧接させることができる。

環状シール材１４０は、集電装置１３２を受けるための中心開口を定める内側直立壁１４４を有する中心ハブ１４２を含む。シール材１４０の外側周囲部分１４５は缶１２に対してシール密閉を形成し、スチール缶１２と外側負極カバー１５０の間に絶縁分離を形成する。缶１２の開口末端１６、シール材１４０、及び外側カバー１５０がシール材１４０を圧縮するように圧着されて、シール密閉を形成する点を認識されたい。集電装置１３２は、シール材１４０の内側直立壁１４４によって形成された開口内に締まり嵌めされる。シール材１４０の内側直立壁１４４は集電装置１３２に対して圧縮され、図８に示されるようなシールされた（通気されない）位置にある場合に集電装置１３２とシール係合する。

図９を参照すると、通気位置にある集電子及びシール組立体１３０を備える電気化学電池１１０が示されている。電気化学電池１１０のシール容積内の内部圧力が外気圧に対して予め定められた圧力閾値を越える場合に、シール材１４０の中心ハブ１４２が、シール材１４０に加えられた圧力差により上方に押し上げられる。この圧力差が圧力閾値を越える場合、ハブ１４２は、拡大直径ステップ部１３９を越えてステップ１３９の上の位置まで押し上げられ、シール材１４０と集電装置１３２の間に圧力軽減通路１４８を形成する。これが生じると、ハブ１４２全体が、実質的に所定位置に固定保持されている集電装置１３２に対して上方に押し上げられる。集電装置１３２はわずかの距離だけ上方に移動するが、シール材１４０のハブ１４２全体の移動に比べると比較的小さな距離である点を認識されたい。縮小直径部分１３７を設けることによって、縮小直径部分１３７とシール材１４０の間の再シールを許さない圧力軽減通路１４８が形成される。外側カバー１５０は、電池１１０内から外気へ放出された圧力蓄積を通気するための１つ又はそれ以上の通気開口１５２を含む。

圧力差がより低い圧力まで低下すると、シール材１４０のハブ１４２は図１０に示されるように拡大直径ステップ部１３９の上側にあるシール係合位置に下向きに摺動して（引き込まれて）戻ることができる。シール材１４０の中心ハブ１４２は、拡大直径ステップ部１３９の上側表面の形状に実質的に一致する直立壁１４４の下側部分に設けられた表面形成くぼみ（べベル）１４１を有する。下向きに引き込まれると、シール材１４０は、ガス及び他の材料の更なる排出を防ぐために集電装置１３２を再びシール係合することができる。圧力差が増大すると、加圧ガスの付加的な通気が発生する点は認識されたい。

特に図１１を参照すると、上側表面に形成された複数のチャネル１６０を有する環状ポリマーシール材１４０が示されている。シール材１４０の上側表面にあるチャネル１６０のような１つ又はそれ以上のスタンドオフ部材を用いることによって、通気位置にある場合にチャネル１６０が通気経路を形成して集電装置１３２とのシール材１４０の再シールを防ぐ点を認識されたい。また、チャネルに代わるものとして、リブ或いは他の表面突起といった他のスタンドオフ部材を、通気中の再シールを防ぐためにシール材１４０の上側表面又は集電装置１３０の表面のいずれかに設けることもできる。再シール防止組立体の実施例は、１９９９年４月２７日出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌ Ｈａｖｉｎｇ Ｌｏｗ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｓｅａｌ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｗｉｔｈ Ａｎｔｉ−Ｒｅｓｅａｌｉｎｇ Ｖｅｎｔ」と題された米国特許出願第０９／３００，４１３号に開示されており、本特許は引用により本明細書に組み込まれる。

図１２及び図１３を参照すると、本発明の第５の実施形態による集電子及びシール組立体１３０´を有する電気化学電池１１０´が示されている。電気化学電池１１０は同様に上述のようなスチール缶１２、ラベル２０、カソード２２、セパレータ２４、アノード２６、及び他の構成部分を含む。第５の実施形態の集電子及びシール組立体１３０´は、下側シャフト１３４を有する集電装置１３２´、拡大直径ステップ部１３９、及び拡大頭部１３６に向かって上方に拡大直径ステップ部１３９から延びる複数の縦方向の溝（すなわちチャネル）１６２を含む。集電装置１３２´は同様に外側負極カバー１５０に接続される。複数の溝１６２は、制御された動作で電池１１０´の内部容積から加圧ガスを放出させるための圧力軽減通路１４８を形成する。図１２に示される通気されない位置で、シール材１４０のハブ１４２は、直立壁１４４と、集電装置１３２´のシャフト１３４及びステップ部１３９の各々との間にシール係合を形成する。集電装置１３２´のシャフト１３４は、シール材１４０のハブ１４２の内側壁によって形成された開口内に締まり嵌めされる。電池１１０´のシール容積内の内部圧力が予め定められた圧力閾値を越えて増大する場合、図１３に示されるようにシール容積内から高圧のガスを放出させるために１つ又はそれ以上の圧力軽減通路１４８が溝１６２を貫通して形成されるまで、中心ハブ１４２は、集電装置１３２´に沿って上方に摺動する。上述のように集電装置１３２´がシール材１４０のハブ１４２全体の移動に比べて実質的に固定保持されている点を認識されたい。圧力軽減通路として機能する複数の溝１６２を設けることによって、ガスの低圧力放出を制御することがこの実施形態によって実現できる。

シール部材１４０は、ニューヨーク、セルカーク所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＮｏｒｙｌ（登録商標）Ｅｘｔｅｎｄのようなポリマー材料から作られる。Ｎｏｒｙｌ（登録商標）Ｅｘｔｅｎｄは、ポリマー補強材として機能する、ポリエチレンを含有するポリプロピレンマトリックスである。Ｎｏｒｙｌ（登録商標）Ｅｘｔｅｎｄは、低湿度吸収であり、ＫＯＨ存在中では加水分解することはなく、更に応力緩和が極めて小さい。これらの特性は本発明のシール設計を実現可能なものにするが、本発明のシール材１４０としてナイロンのような材料を使用するためには、支持材を用いることが必要となる。これは、釘状の通気穴の設計によるシール材への応力（フープ方向）と相まって、ＫＯＨの存在でのナイロンに亀裂が生じることに起因するものである。

Ｎｏｒｙｌ（登録商標）Ｅｘｔｅｎｄは、亀裂に耐えるシール材１４０にとって、特に中心ハブに好ましい材料であるとが、他のシール材料も使用可能である点を認識されたい。例えば、シール部材４０及び１４０は、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅＮｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．Ｉｎｃから市販されているＺｙｔｅｌ（登録商標）１０１Ｆのようなナイロンを含むことができる。シール部材４０及び１４０は、従来の射出成形工程を使って一体成形することができる。更に、シール部材４０及び１４０の底部表面は、電解液の存在に起因するシール部材の化学的劣化を防ぐためにアスファルトの層（図示せず）又は他の適切な材料でコーティングすることができる。

本明細書で説明された種々の実施形態は、集電子とシール材間の相対的な軸方向の移動によって実現される圧力軽減通路を備えるが、他の通気通路を備えてもよいことを認識されたい。例えば、シール材と集電子の間の相対的な移動は、シールハブが開口を開けるように設計でき、これにより開けられた開口を通じて圧力軽減通路を更に生成することができる。

従って本発明は、特に電池が酷使された状態にある場合に、電気化学電池の開口末端をシールし、高圧ガスを通気するように制御された通気動作を実現するための集電子及びシール組立体を有利に提供する。本発明の集電子及びシール組立体は各々、使用中のバッテリ構成要素に利用可能なより大きな容積をもたらす、低背型の組立体における単純化されたシール材設計を提供する。本発明のシール材は、従来の薄い部分が通気隔膜として必要とされないので、成形が容易である。更に、シールハブ内径、シールハブ外径、及び拡大直径ステップ部より下の釘状部直径に対して釘状ステップ部の直径を調整することにより、広い範囲の通気圧力が実現できる。通気の速度は、本出願の集電子及びシール組立体を用いて容易に調整できる。一般に、電池内の加圧ガスは、爪状の通気部分とシール材の間の直径差がより大きくなり、更にシール材の頂部の通気チャネルの断面積が大きくなる程、より速く排出されるようになる。同様に、直径の隙間を小さくするか、或いは通気チャネルを小さくする程、より少ない放出噴霧を作るためにより遅く通気するようにシール材を設計できる。通気しない位置まで収縮して戻ることのできるようにシール材を形成することによって、シール材が通気した後の電解液の漏れを低減又は防止することが実現できる。更に、本発明の集電子及びシール組立体が従来のシール組立体より少ない部品及び少ない容積を用いる点は認識されたい。

本明細書では集電子及びシール組立体について円筒形のボビンタイプの電気化学電池に関して説明してきたが、本発明の概念は、ゼリーロール形電池、角柱形電池、多数のアノードと多数の集電装置を用いる電池、及び缶及び集電装置が負電極と正電極に電気的に各々接続されている電池を含む、種々の他の電池構成にも同様に適用可能である点は理解されたい。更に、本明細書に説明された集電子及びシール組立体が、種々の異なる缶の密閉を使ったスチール缶に対してシール密閉できる点は認識されたい。

本発明の実施者及び当業者には、開示された概念の精神から逸脱することなく種々の修正及び改良が本発明になされ得ることを理解されたい。

シールされた（通気されない）位置で示された、本発明の第１の実施形態による集電子及びシール組立体を有する電気化学電池の切り欠き図である。 通気位置で示された、集電子及びシール組立体を備える図１の電気化学電池の切り欠き図である。 シールされた（通気されない）位置で示された、本発明の第２の実施形態による集電子及びシール組立体を有する電気化学電池の部分切り欠き図である。 通気位置で示された集電子及びシール組立体を備える図３の電気化学電池の部分切り欠き図である。 シールされた（通気されない）位置で示された、本発明の第３の実施形態による集電子及びシール組立体を有する電気化学電池の部分切り欠き図である。 通気された位置で示された集電子及びシール組立体を備える図５の電気化学電池の部分切り欠き図である。 図５の実施形態に示された集電子コネクタの斜視立面図である。 シールされた（通気されない）位置で示された、本発明の第４の実施形態による集電子及びシール組立体を有する電気化学電池の部分切り欠き図である。 通気位置で示された集電子及びシール組立体を備える図８の電気化学電池の部分切り欠き図である。 通気位置から部分的に引き込まれた集電子及びシール組立体を備える図８の電気化学電池の部分切り欠き図である。 図８の実施形態に示された環状シール部材の斜視立面図である。 シールされた（通気されない）位置で示された、本発明の第５の実施形態による集電子及びシール組立体を有する電気化学電池の部分切り欠き図である。 通気位置で示された集電子及びシール組立体を備える図１２の電気化学電池の部分切り欠き図である。

符号の説明

１１０ 電気化学電池
１２ 缶
１６ 開口末端
１３０ 集電子及びシール組立体
１３４ 下側円筒形シャフト
１３６ 拡大頭部
１３７ 縮小直径円筒形シャフト
１３９ 拡大直径ステップ部
１４０ 環状ポリマーシール材

Claims (6)

1. 電気化学電池容器の開口末端をシールするための集電子及びシール組立体であって、
   前記容器の開口末端に配置されてシール密閉を形成するよう適合された、開口が形成されたシール部材と、
   前記シール部材は中心ハブの内壁によって画成される開口を有しており、
   前記シール部材の前記開口を貫通して延びるシャフトを有する集電装置と、
   を備え、前記集電装置は、シール位置にあるときに前記シール部材の中心ハブの内壁が前記集電装置のシャフトにシール係合するように前記開口内に締まり嵌めされ、前記シール部材と前記集電装置の少なくとも一方が、前記シール部材の中心ハブの内部壁と前記集電装置の間に加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、予め定められた圧力に曝されると、シール係合から通気位置まで前記シール部材と前記集電装置の他方に対して軸方向に移動可能であり、
   前記集電装置は、加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、前記電池内で予め定められた圧力を受けると、前記シール位置から前記通気位置まで前記シール部材の開口内で軸方向に移動可能であり、
   前記シール部材は単一部材で形成されていることを特徴とする電気化学電池。
2. 電気化学電池容器の開口末端をシールするための集電子及びシール組立体であって、
   前記容器の開口末端に配置されてシール密閉を形成するよう適合された、開口が形成されたシール部材と、
   前記シール部材は中心ハブの内壁によって画成される開口を有しており、
   前記シール部材の前記開口を貫通して延びるシャフトを有する集電装置と、
   を備え、
   前記集電装置は、シール位置にあるときに前記シール部材の中心ハブの内壁が前記集電装置のシャフトにシール係合するように前記開口内に締まり嵌めされ、前記シール部材と前記集電装置の少なくとも一方が、前記シール部材の中心ハブの内部壁と前記集電装置の間に加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、予め定められた圧力に曝されると、シール係合から通気位置まで前記シール部材と前記集電装置の他方に対して軸方向に移動可能であり、
   前記シール部材は、加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、前記電池内で予め定められた圧力を受けると、前記シール位置から前記通気位置まで前記集電装置のシャフトに沿って軸方向に移動可能であり、
   前記集電装置は、前記シール位置で前記シール部材とシール係合する第１の直径と、前記第１の直径より小さい第２の直径とを有するシャフトを含み、前記シール部材は、該シール部材が前記通気位置にある場合に前記圧力軽減通路を形成するために、前記第１の直径から前記第２の直径に向かって前記シャフトに沿って移動可能であることを特徴とする電気化学電池。
3. 前記集電装置は、前記シャフト上に形成された拡大直径ステップを含み、前記シール部材は、前記シール位置で前記拡大直径ステップによって保持され、前記シール部材の中心ハブは、前記拡大直径ステップを越えて前記通気位置まで前記シャフトに沿って移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の電気化学電池。
4. 前記集電装置は、前記通気位置にある場合、前記圧力軽減通路を形成するために集電装置に形成された１つ又はそれ以上の溝を有することを特徴とする請求項２に記載の電気化学電池。
5. 電気化学電池容器の開口末端をシールするための集電子及びシール組立体であって、
   前記容器の開口末端に配置されてシール密閉を形成するよう適合された、開口が形成されたシール部材と、
   前記シール部材は中心ハブの内壁によって画成される開口を有しており、
   前記シール部材の前記開口を貫通して延びるシャフトを有する集電装置と、
   を備え、
   前記集電装置は、シール位置にあるときに前記シール部材の中心ハブの内壁が前記集電装置のシャフトにシール係合するように前記開口内に締まり嵌めされ、前記シール部材と前記集電装置の少なくとも一方が、前記シール部材の中心ハブの内部壁と前記集電装置の間に加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、予め定められた圧力に曝されると、シール係合から通気位置まで前記シール部材と前記集電装置の他方に対して軸方向に移動可能であり、
   前記シール部材は、加圧ガスを通気するための圧力軽減通路を形成するように、前記電池内で予め定められた圧力を受けると、前記シール位置から前記通気位置まで前記集電装置のシャフトに沿って軸方向に移動可能であり、
   前記シール部材は、前記通気位置にある場合に、前記集電装置及びシール部材の再シールを防ぐために、前記シール部材の上側表面に形成された通気経路を含むことを特徴とする電気化学電池。
6. アルカリ電解液を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の電気化学電池。

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