JP4778144B2 - 二重シームカバー閉鎖を有する電気化学電池 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、一般的に電気化学電池の構成に関する。より特定すれば、本発明は、アルカリ電池のような電気化学電池のために使用される容器およびコレクタアセンブリーに関する。
【０００２】
図１は、従来のＣサイズのアルカリ電池10の構造を示している。図示のように、電池10は、開放端および閉鎖端を有する円筒形状の缶12を含んでいる。缶12は、缶12の閉鎖端で底面に溶接された外側カバー11が電池のための電気接点端子として働くように、好ましくは導電性材料で形成される。
【０００３】
電池10は更に、典型的には第一の電極材料15を含んでおり、これは正電極（カソードとしても知られる）として働くことができる。第一の電極材料15は、プリフォームして缶12の中に挿入してもよく、または該缶12の内部表面に接触するように、適正位置にモールドしてもよい。アルカリ電池の場合、第一の電極材料15は、典型的にはMnO₂を含む。第一の電極15が缶12の中に与えられ、セパレータ17が第一の電極15で形成された空隙の中に挿入される。セパレータ17は、好ましくは不織ファブリックである。セパレータ17は、第一の電極材料15と、電解質および第二の電極材料20の混合物との物理的分離を維持する一方、これら電極材料間のイオン輸送を可能にするために設けられる。
【０００４】
セパレータ17が、第一の電極15によって形成されるキャビティー内の正しい位置にあると、電解質は、電解質および第二の電極材料（負電極；アノードとしても知られる）の混合物と共に、セパレータ17で形成される空間の中に充填される。この電解質／第二の電極の混合物20は、好ましくはゲル化剤を含む。典型的なアルカリ電池の場合、混合物20は水性KOH電解質および亜鉛の混合物で形成され、これは第二の電極材料として働く。また、水および追加の添加剤を混合物20の中に含めてもよい。
【０００５】
第一の電極15、セパレータ17、電解質、および混合物20が缶12の内側に存在するようになったら、予め組立てられたコレクタアセンブリー25が缶12の開放端の中に挿入される。缶12は、典型的にはその開放端において僅かに傾斜している。この傾斜は、コレクタアセンブリーを正しい位置に固定する前に、これを所望の向きに支持するように働く。コレクタアセンブリー25を挿入した後に、コレクタアセンブリー25を覆って外側カバー45を配置する。コレクタアセンブリー25は、缶をコレクタアセンブリー25に対して半径方向にかしめることにより、正しい位置に固定される。缶12の端縁13は、コレクタアセンブリー25の周縁リップ部を覆ってカシメられ、これによって外側カバー45およびコレクタアセンブリー25を缶の端部内に固定する。以下で更に説明するように、コレクタアセンブリー25による一つの機能は、電気化学電池のために、第二の外部電極接点を提供することである。加えて、コレクタアセンブリー25は、缶12の開放端をシールして、その中の電気化学的材料が電池から漏出するのを防止しなければならない。加えて、コレクタアセンブリー25は、電池が典型的に曝される物理的酷使に耐えるための充分な強度を示さなければならない。また、電気化学電池は水素ガスを発生する可能性があるので、コレクタアセンブリー25は、内部で発生したガスを電気化学電池の外へ逃がしてもよい。更に、コレクタアセンブリー25は、電池内の圧力が過剰になったときに、内部に発生した圧力を開放するための幾つかの形態の圧力解放機構を含むべきである。このような状態は、電気化学電池が内部で水素ガスを発生し、その発生速度が、内部で発生した水素ガスがコレクタアセンブリーを通して電池外へ透過できる速度を超えるときに生じる可能性がある。
【０００６】
図１に示したコレクタアセンブリーは、シール30、コレクタ釘40、内側カバー44、ワッシャー50、および複数のスパー52を含んでいる。シール30は、コレクタ釘40が挿入される孔を有もった中心ハブ32を含むものとして示されている。シール30は更に、第一の電極15の上部表面16に接触するＶ字型部分34を含んでいる。
【０００７】
また、シール30は、シール30の周縁に沿って環状に上方に伸びた直立壁36を有している。周縁の直立壁36は、コレクタアセンブリー25と缶12の界面間のシールとして働くだけでなく、電池の正極缶と負極接触端末との間に電気的短絡が生じるのを防止するための電気絶縁体としても働く。
【０００８】
コレクタアセンブリーの剛性を増大し、且つその半径方向の圧縮を支持することによりシール効果を改善するために、剛性金属で形成された内側カバー44が設けられる。図１に示すように、内側カバー44は、中心ハブ部分32および周縁部直立壁36に接触するように構成される。コレクタアセンブリー25をこのように構成することにより、内側カバー44は、コレクタ釘40による中心ハブ部分32の圧縮を可能にすると共に、缶12の内面による周縁部直立壁36の圧縮を支持するように働く。
【０００９】
外側カバー45は典型的にはニッケルメッキ鋼製であり、またシール30の環状周縁部直立壁36によって画定された領域から伸び、且つコレクタ釘40の頭部42に電気的に接触するように構成される。外側カバー45は、接触の喪失を防止するために、コレクタ釘40の頭部42に溶接してもよい。図１に示すように、コレクタアセンブリー25が缶12の開放端に挿入されるときに、コレクタ釘40は電解質／第二電極混合物20内に深く貫入して、それとの間の充分な電気的接触を確立する。図１に示した例では、外側カバー45は、外側カバー45の周囲に沿って上方に伸びる周縁部リップ47を含んでいる。シール30の周縁直立壁36を周縁部リップ47よりも長く形成することによって、カシメプロセスの際に、周縁部直立壁36の一部を周縁部リップ47の上に折り畳んで、缶12の上部縁13の如何なる部分も外側カバー45と接触しないようにしてもよい。
【００１０】
シール30は、好ましくはナイロンで形成される。図１に示した構成では、内部圧が過剰になったときに、かかる内部圧の解放を可能にするための圧力解放機構が設けられている。更に、内側カバー44および外側カバー45には、典型的には、水素ガスを電池10の外に逃散させるための孔43が設けられている。図示の機構には、シール30と内側カバー44との間に設けられた、環状の金属ワッシャー50および複数のスパー52が含まれている。各スパー52は、シール30の薄い中間部分38に対して押圧される尖端53を含んでいる。スパー52は内側カバー44の下部内面に対して付勢されるので、電池の内圧が増大し、シール30が内側カバー44に向けて上方に押圧されて変形すると、スパー52の尖端53はシール30の薄い中間部38を貫通してシール30を破り、内部で発生したガスは孔43を通して逃がされる。
【００１１】
上記コレクタアセンブリー25は、上述の望ましい機能を充分に実行するが、その断面プロファイルから明らかなように、この特別なコレクタアセンブリーは電池10の内部でかなりの空間を占める。図１に示された構造は、電池構成の一つの例に過ぎないことに留意すべきである。より低いプロファイルを有し、従って電池内で占める空間がより小さい他のコレクタアセンブリーが存在する。しかし、このようなコレクタアセンブリーは、典型的には、コレクタアセンブリーのシール特性または圧力解放機構の特性および信頼性を犠牲にして、占有容積の減少を達成している。
【００１２】
この出願の優先日の時点で商業的に入手可能な幾つかの電池について測定された外部容積および内部容積が、図２Ａおよび図２Ｂに示した表に列挙されている。この表は、Dサイズ、Cサイズ、AAサイズおよびAAAサイズの電池の容積（cc）を列記している．これら商業的に入手可能な電池について、コレクタアセンブリーの容積およびコレクタアセンブリーの容積を構成する全電池容積のパーセンテージが、図２Ｂに与えられている。図２Ａには、電気化学的活性材料を収容するために利用可能な内部容積を構成する、全電池容積のパーセンテージが与えられている。
【００１３】
「全電池容積」は、内部空隙を含む電池の全ての容積を含む。図１に示した電池の場合、全量積は、理想的には図３Ａに示した斜線領域の全てを含む。電池の「内部容積」は、図３Ｂに示した斜線領域によって表される。ここで用いる「内部容積」は、電気化学的活性材料、並びにシールされた電池容積内に閉じ込められた空隙および化学的に不活性な材料（コレクタ釘以外）を収容する電池内部の容積である。このような化学的に不活性な材料には、セパレータ、導電体、および電極中の何等かの不活性添加剤が含まれる。ここで説明する「電気化学的に活性な材料」には、正極電極および負極電極、並びに電解質が含まれる。「コレクタアセンブリー容積」には、（図３Ｃに斜線領域で示すように）、コレクタ釘、シール、不活性カバー、ワッシャー、スパーおよび負極カバー底面とシールとの間の何等かの空隙が含まれる。「容器容積」には、（図３Ｄに斜線領域で示すように）缶、ラベル、負極カバー（外側カバー45）、ラベルと負極カバーとの間の空隙、正極カバー、および正極カバーと缶との間の空隙が含まれる。ラベルが負極カバーの上に延出し且つこれと接触するときは、ラベルと負極カバーとの間に存在する空隙は容器容積の中に含まれ、従って、全容積の一部とみなされる。そうでなければ、この空隙は容器容積または全容積の何れにも含められない。
【００１４】
「内部容積」、「コレクタアセンブリー容積」および「容器容積」の総合計は、「全容積」に等しいことが理解されるべきである。従って、電気化学的に活性な材料のために利用可能な内部容積は、コレクタアセンブリー容積および容器容積を測定し、測定された電池の全容積からコレクタアセンブリー容積および容器容積を差し引くことによって確認することができる。
【００１５】
電気化学電池の外部寸法は、一般にアメリカ国立標準局（ANSI）または他の標準機関によって固定されるから、コレクタアセンブリーによって占められる空間が大きいほど、電気化学的材料のために利用可能な電池内の空間は小さくなる。結局、電池内に与え得る電気化学的材料の量の減少によって、電池のサービス寿命の短縮が生じる。従って、電気化学的活性成分のために利用可能な電気化学電池内の内部容積を最大にすることが望ましい。
【００１６】
我々は、充分なシール特性を維持し且つ信頼性のある圧力解放機構を可能にしながら、コレクタアセンブリーが占める空間および容器容積が占める空間が最小化される電気化学電池を構成することによって、これを達成し得ることを見出した。
【００１７】
従って、第一の側面において、本発明は、
少なくとも正電極および負電極、並びに電解質を含む電気化学的活性材料を収容するための缶であって、第一の端部、開放された第二の端部、前記第一および第二の端部の間に伸びる側壁、および前記第1の端部を横切って広がる端壁を有する缶と；
前記缶の開放された第二の端部を横切って配置されたカバーと；
前記缶を前記カバーから電気的に絶縁するために、前記缶および前記カバーの少なくとも一方に直接堆積された絶縁材のコーティングとを具備した電気化学電池を提供する。
【００１８】
第二の側面において、本発明は、電気化学電池を製造する方法であって：
開放端および閉鎖端を有する缶を形成する工程と；
前記缶の開放端のためのカバーを形成する工程と；
前記缶の中に電気化学的活性材料を充填する工程と；
前記缶を前記カバーから電気的に絶縁するために、前記缶および前記カバーの少なくとも一方に、絶縁材のコーティングを直接堆積させる工程と；
前記缶の開放端を横切る前記カバーを、その間に設けられた絶縁材でシールする工程とを具備した方法を提供する。
【００１９】
好ましくは、前記缶の表面、より好ましくは前記缶の閉鎖端の表面に圧力解放機構が形成される。好ましくは、前記カバーは飲料缶型シールにより前記缶にシールされて、二重シーム閉鎖を形成する。
【００２０】
有利には、前記缶若しくは前記カバー、またはその両者の上に絶縁材を直接堆積することによって、顕著に小さいプロファイルを有し、それにより電気化学電池内においてより小さい空間を占めるコレクタアセンブリーを用いることができる。更に、この構成は、経時的に従来のアセンブリーよりも小さい水ロスを示し、それによって電池の保存寿命を増大させる電池構成を可能にすることができる。本発明の追加の利点は、利用可能な電池容積の顕著なパーセンテージを占有せず、且つ信頼性のある圧力解放機構を提供できることである。更にもう一つの利点は、この電池構造は製造が簡単で且つ必要な材料が少なく、それによって製造コストを低減できることである。更に、電池を充分に密封するために缶に加えるべき半径方向の圧縮力が小さい電池構造を可能にすることによって、より薄い側壁を使用して、より大きな内部電池空間をもたらすことを可能にする。
【００２１】
本発明は、図面を参照することによって更に理解されるであろう。
【００２２】
上記で説明したように、本発明の主な目的は、電池に設けられる圧力解放機構の信頼性を劣化させることなく、また電池が漏出する可能性を増大させることなく、電気化学的活性材料を収容するために電池内で利用可能な内部容積を増大することである。
【００２３】
当該電気化学電池は、缶の開放端を閉鎖してシールするコレクタアセンブリーを含む。このコレクタアセンブリーは、電極（例えば負電極）に電気的に接触して配置された釘のようなコレクタを含む。前記カバーが前記缶に組立てられるときに、前記缶を前記カバーから電気的に絶縁するように、前記カバー若しくは前記缶またはその両者の上に絶縁材が直接堆積される。
【００２４】
内部圧が過剰になったときに缶の中から内部圧を放出するための圧力解放機構は、好ましくは缶の表面、より好ましくは缶の閉鎖端に形成される。その結果、公知の複雑なコレクタ／シールアセンブリーは、少ない容積しか消費せず且つ部品の少ない本発明によるコレクタアセンブリーで置き換えることができる。従って、内部電池容積効率における顕著な改善が得られる。
【００２５】
圧力解放機構は、好ましくは、缶の表面に溝を設けることによって形成される。この溝は、例えば缶の底面を鋳造し、底面に溝を切り、または正電極をモールドするときに缶の底面に溝をモールドすることによって形成すればよい。AAサイズの電池の場合、鋳造された溝の底における金属の適切な厚さは、略50μm（2ミル）である。Dサイズの電池の場合、適切な厚さは75μm（3ミル）である。この溝は、略300°の弧状に形成すればよい。溝により形成された形状を僅かに開いた状態に維持することにより、圧力解放機構は効果的なヒンジを有するであろう。
【００２６】
圧力解放機構は、電池が破損したときに電気化学材料が電池から外部へ直接噴射されるのを防止するように、好ましくは外側カバーの下に配置される。また、電池の正極端子をもう一つの電池の負極端子に押圧させて、電池がもう一つの電池と共に直列に使用されるときには、圧力解放機構を覆う外側カバーを設けることは、陽圧の下で圧力解放機構が外側に湾曲し、最終的に破断することを可能にする。もし、このような状況で外側カバーが存在しなければ、二つの電池間の接触は圧力解放機構が破断するのを妨げるであろう。更に、圧力解放機構を覆う外側カバーが設けられなければ、電池の正極端部の圧力解放機構は更に損傷を受け易いかもしれない。また、外側カバーは周囲環境の腐蝕効果から圧力解放機構を遮蔽し、従って、永久的な換気および／または漏れの可能性を低減する。従って、圧力解放機構は、好ましくは電池缶の閉鎖端において、外側カバーの下に形成される。外側カバーは、好ましくは電池の外部正極端子として働く。
【００２７】
溝によって画された領域のサイズは、好ましくは、過剰な内部圧により破損したときに、外側カバーによる妨害を受けずに、溝内の領域が外側カバーの正の突出部内においてヒンジで旋回し得るように選択される。一般に、溝によって画定される領域のサイズ、並びに該溝の選択された深さは缶の直径に依存し、また圧力解放機構を破断して内部で発生したガスが逃散するときの圧力に依存する。
【００２８】
コレクタアセンブリーのカバーは、缶の開放された頂部端に結合され且つシールされて、缶がカバーから電気的に絶縁され得る二重シーム閉鎖を形成する。好ましくは、該閉鎖を形成するために、飲料缶タイプのシール技術が用いられる。この飲料缶型構造は、缶の開放端に挿入すべき如何なる形態のナイロンシールも必要としない点で、他の形態の電池シール構造とは異なる。その代わりに、食品缶詰または飲料缶の頂部を該缶の円筒部分にシールするために通常使用されるシール技術を使用して、カバーは缶の開放端にシールされる。このようなシール構造は、カバーを缶から電気的に絶縁することを容易には可能にしないので、依然は電池のシーリングに使用することは考慮されていなかった。
【００２９】
しかし、缶の開放端にカバーを取り付ける前に、好ましくは溶接によって、釘のようなコレクタがカバーの内面に電気的に結合される。次に、エポキシ樹脂、ナイロン、テフロン（登録商標）またはビニル樹脂のような電気絶縁材のコーティングが、カバー若しくは缶、またはその両方に堆積される。好ましくは、カバーの内表面、並びにカバーの上部表面の周縁部が、電気絶縁材の層でコートされる。カバーの底と電極／電解質混合物の頂面との間の空隙領域内に伸びるコレクタ部分もまた、好ましくは電気絶縁材でコートされる。好ましくは、缶の内面および外面もまた、缶の開放端の領域内でコートされる。このようなコーティングは、例えば噴霧、浸漬、または静電蒸着によって、缶およびカバーに直接塗布される。電気絶縁材のコーティングは、それがカバーと缶の間に電気的な絶縁シールを形成するときには、適切な手段によって、カバーもしくは缶の一方、またはカバーおよび缶の両方に適用すればよい。このようなコーティングを与えることによって、カバーは缶から電気的に絶縁することができる。
【００３０】
缶の前記領域、電池の内部容積内の空隙領域に隣接した電池内のカバーおよびコレクタ釘に絶縁コーティングを適用することによって、これらの領域を腐蝕から保護することができる。上記で述べた単層のエポキシ樹脂、ナイロン、テフロン（登録商標）またはビニル樹脂材料からなるコーティングは、このような腐蝕を防止するように機能するが、該コーティングは二つの異なる材料の層を用いて適用してもよく、またはこれら部品の異なる領域に適用される異なる材料の単層で形成されてもよいと思われる。例えば、カバーの周縁領域は、電気絶縁材および坑腐蝕層の両方として機能する単層の材料でコートされてもよく、一方、カバーの内面の中央部分は、坑腐蝕層としては機能するが電気絶縁材としては機能しない単層の材料でコートされてもよい。このような材料には、例えば、アスファルトまたはポリアミドが含まれる。或いは、缶またはカバーの一方は、電気絶縁材および坑腐蝕層の両方として機能する材料でコートす一方、これら二つの部品の他方は、坑腐蝕層としてのみ機能する材料でコートしてもよい。この方法では、必要とされる個所（即ち、カバー／缶の界面）に電気絶縁が与えられる一方、電池の内部容積内の空隙領域を部分的に画する表面は、電池内の電気化学材料の腐蝕効果から保護されるであろう。更に、異なる複数の材料を利用することにより、コストが低く、または目的とする機能のための最適な特性を示す材料を選択してもよい。
【００３１】
缶に対するカバーのシーリングを補助するために、カバーの周縁部の底面に従来のシーラントを適用してもよい。
【００３２】
コレクタがカバーに取付けられ、且つ電気絶縁コーティングが適用されたら、このカバーは缶の開放端に配置される。好ましくは、缶は、その開放端から外側に広がるフランジを有している。更に、該カバーは、好ましくは前記フランジの形状に従う僅かに湾曲した周縁部を有している。カバーが缶の開放端を覆って配置されたら、シーミングチャックを使用して二重シーム閉鎖を形成すればよい。
【００３３】
例えば、一つの実施例ではカバーの上にシーミングチャックが配置され、シーミングチャックの環状の下方延出部が、カバーに形成された環状凹部に収容される。次に、第一のシーミングロールがカバーの周縁に向かって半径方向に移動される。第一のシーミングロールが周縁およびフランジの方に移動するときに、その湾曲表面は周縁部をフランジの回りに折り畳ませる。また、第一のシーミングロールが半径方向内側に移動するときに、該シーミングチャック、缶およびカバーが中心軸の回りに回転されて、周縁部は、缶の全周でフランジの回りに折り畳まれる。更に、第一のシーミングロールが半径方向内側に移動し続けるときに、フランジおよび周縁は下方に折り畳まれる。周縁部およびフランジがこの位置に折り畳まれた後、第一のシーミングロールは缶から遠くへ移動され、次いで、第二のシーミングロールがフランジおよび周縁部に向けて半径方向内側に移動される。この第二のシーミングロールは充分な力を加えて、折り畳まれたフランジおよび周縁部をシーミングチャックに支持された缶の外表面に対して押圧し、固定する。このプロセスの結果として、缶の周縁部はフランジの回りでその下に折り畳まれ、フランジと缶の壁の外表面との間にカシメられる。こうして、このプロセスにより密封シールが形成される。
【００３４】
このタイプのシールの密封性を示すために、図１に示すような従来のシールで構築されたDサイズの缶と共に、本発明のこの実施例に従って構築されたDサイズの缶に水を満たした。この二つの缶を71℃に維持し、経時的に秤量して、缶からの水の喪失を測定した。従来の構造は1週当たり270mgを喪失し、本発明による構造は同じ期間に亘って如何なる重量も喪失しなかった。KOH電解質を用いてこれらの結果を確認したところ、従来の構造では1週当たり50mgを喪失したが、このときも本発明の構造は如何なる重量も喪失しなかった。
【００３５】
当業者に明らかなように、飲料缶型構造は電池内部の最小空間を利用して、電池を製造するために必要なプロセス工程の数を減少し、材料コストおよび製造プロセスのコストを顕著に低減する。更に、缶壁の厚さは、例えば150μm（6ミル）未満にまで顕著に低下される。その結果、電気化学的活性材料を収容するために利用可能な内部容積を増大させることができる。例えば、本発明によるDサイズの電池の場合、電気的活性物質を収容するために使用し得る全電池容積のパーセンテージは、96容量パーセントと高くできる一方、コレクタアセンブリー容積は2.6容量パーセントと低くできる。他のサイズの電池の容積は、図９Ａおよび図９Ｂに示す表に含まれている。
【００３６】
飲料缶型構造を利用することによって、缶壁の厚さを減少できるだけでなく、缶が示さなければならない強度要件が低くなることによって、缶を形成するために使用可能な材料の数もまた増大する。例えば、上記の飲料缶構造は、缶のために現在使用されているニッケルメッキ鋼以外に、アルミニウムまたはプラスチックを使用することを可能にする。
【００３７】
飲料缶型構造の変形例において、先ず、電池は二つの開放端をもった管として形成される。この管は、例えば従来の技術を使用して押出され、シーム溶接され、半田付けまたはカシメられる。この缶は、例えば鋼、アルミニウムまたはプラスチックで形成すればよい。缶は、缶の側壁を定義する。缶の第一の開放端は、上記で概説した飲料缶シのール技術を用いることによってシールされる。正極接点端子は、カバーの外表面に溶接または固定すればよい。次いで、電池を充填し、上述したのと同じ方法で、缶の第二の開放端にコレクタアセンブリーのカバーを固定すればよい。或いは、缶が充填されて他のカバーにシールされる前に、コレクタアセンブリーのカバーを缶にシールしてもよい。
【００３８】
好ましい実施例では、少なくとも正電極、負電極および電解質を含む電気化学的活性材料を収容するための缶であって、第一の端部、開放された第二の端部、これら第一および第二の端部の間に伸びる側壁、および前記第1の端部を横切って広がる端壁を有し、更に前記缶の開放された第二の端部から前記第1の端部に向けて外側に広がるフランジを有する缶と；前記缶の開放端をシールするためのカバーであって、前記フランジを覆ってその回りに広がり且つ前記フランジと前記缶の側壁の外表面との間にカシメられる周縁部を有するカバーと；前記フランジと前記カバーの周縁部との間および前記缶と前記周縁部との間に設けられた絶縁材とを具備する電気化学電池が提供される。電気絶縁材は、好ましくは、缶および外側カバーのうちの少なくとも一方に直接堆積されたコーティングの形態で与えられる。
【００３９】
更なる実施例では、密封シールされた電気化学電池であって：
少なくとも正電極、負電極および電解質を含む電気化学的活性材料を収容するための缶であって、第一の端部、開放された第二の端部、これら第一および第二の端部の間に伸びる側壁、および前記第1の端部を横切って広がる端壁を有し、更に前記缶の開放された第二の端部から前記第1の端部に向けて外側に広がるフランジを有する有する缶と；
前記缶の開放端をシールするためのカバーであって、前記フランジを覆ってその回りに広がり且つ前記フランジと前記缶の側壁の外表面との間にカシメられる周縁部を有するカバーと；
前記カバーのフランジと周縁部との間に設けられたシーラントとを具備する電気化学電池が提供される。
【００４０】
更なる実施例において、前記缶は、その閉鎖端に直接形成された正極電池端子のための突出部を有するように形成してもよい。この方法では、缶の閉鎖端と正極外側カバーの間に伸びる空隙を使用して、電気化学的活性材料が収容され、またはガスを集めるための空間が提供される。さもなければ、この空間を電池内に設けなければならない。この突出部を缶の底に直接形成することによって得られる電池容積の増大は、図９Ａの表には与えられていないが、当業者は、表に列記した別のカバーで形成された電池について記載した容積よりも、その内部容積が典型的には１％大きいことを理解するであろう。
【００４１】
更なる実施例では、塗料層を電池の缶の外表面に直接塗布してラベルが与えられる。ラベル基材を用いずに、缶の外側にラベルを直接塗布することによって、電池の内部容積を更に増大することができる。何故なら、ANSIまたは他の外部表面標準に適合した電池を構築するために、ラベル基材の厚さを考慮しなくて済むからである。「直接」の語は、印刷層と電池缶の外表面との間にラベル基材が存在しないことを意味する。現行のラベル基材は略75μm（3ミル）の厚さを有する。このようなラベル基材は重なってシームを形成するから、これら従来のラベルは、電池の直径に約250μm（10ミル）を加え、また電池のカシメ高さに330μm（13ミル）を加える。その結果、ANSIまたは他のサイズ標準に適合するために、電池はラベルシームの厚さに適合するように選択された直径を有していなければならない。しかし、リソグラフ加工されたラベルを缶の外表面に直接印刷することによって、缶の直径はこれに対応して略250μm（10ミル）増大し得る。このような缶の直径の増大は、電池の内部容積を顕著に増大させる。従って、基材ラベルを備えた電池の内部容積は、該ラベルを缶の外部に直接印刷すれば、例えばDサイズの電池については2パーセント（1.02 cc）、Cサイズの電池については2.6パーセント（0.65 cc）、AAサイズの電池については3.9％（0.202 cc）、AAAサイズの電池については5.5パーセント（0.195 cc）だけ更に増大することができるであろう。
【００４２】
また、ラベルは転写印刷技術を用いて缶に印刷してもよく、この場合、ラベル画像は先ず転写媒体上に印刷され、次いで缶の外表面に直接転写される。歪みリソグラフィーを使用してもよく、この場合は、その後に管または缶の円筒に成形するときの平坦材料の応力歪みを考慮して、意図的に歪んだ画像を平坦な材料上に印刷する。
【００４３】
リソグラフ加工されたラベルを印刷する前に、好ましくは、缶の外表面を清浄化する。缶への印刷の接着を高めるために、缶の外表面にプライマーのベースコートを塗布してもよい。次いで、公知のリソグラフィー印刷技術によって、缶のベースコート頂部に印刷層を直接塗布する。ラベルは、更に電気絶縁性のオーバーコートを含んでいてもよい。好ましくは、印刷層を覆って保護し、また電気絶縁層として機能させるために、ワニスオーバーコートが印刷層を覆って塗布される。印刷されたラベルは、高温加熱または紫外線照射技術を使用して硬化させればよい。
【００４４】
印刷ラベルを使用すると、基材上の従来のラベルと比較して、ラベルの厚さは略13μm（0.5ミル）の最大厚さに顕著に減少する。特定の実施例において、印刷ラベルは約0.25〜5μm（0.1〜0.2ミル）の厚さのベースコート層、略2.5μm（0.1ミル）の厚さの印刷層、および約2.5〜5μm（0.1〜0.2ミル）の厚さのワニスオーバーコート層を有している。
【００４５】
ラベル厚さを低減することによって缶は直径を増大させることができ、これによって、電池の所定の外径を維持しながら、活性な電池材料のために利用可能な容積の更なる増大を提供することができる。
【００４６】
理解されるように、上述の構造を使用することによって、電池はより薄い壁（略100〜200μm；4〜8ミル）を用いて製造することができる。何故なら、以下で概説する構築技術は、充分なカシメおよびシールを保証するために、従来の電池に必要とされる厚い壁を必要としないからである。更に、ラベルを電池缶の外表面に直接リソグラフ加工してもよい。缶の壁を薄くし且つ缶の外表面にラベルを直接リソグラフ加工することによって、ANSI外径サイズ標準に適合する電池を構築するためにラベル基材の厚さを考慮しなくて済むので、電池の内部容積は更に増大する。
【００４７】
主にアルカリ電池に対する適用を有するものとして本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の構成を他の電気化学システムを利用する電池に適用しても同様の利益が得られることを理解するであろう。例えば、本発明の構成は、炭素／亜鉛およびリチウム系電池のような一次システム、並びにNiCd、水素化金属およびLi系電池のような再充電可能な電池にも採用できる。更に、本発明の一定の構造は、生電池（即ち、バッテリーパックまたは多重電池バッテリーに使用するラベルのない電池）に使用してもよい。加えて、円柱形の電池に関連して本発明を説明してきたが、本発明の一定の構造は角柱形の電池に使用してもよい。
【００４８】
次に、図４〜図９Ｂに示した実施例を参照して本発明を更に説明する。
【００４９】
図６は、図７Ａ〜７Ｄを参照して以下で説明するように、飲料缶型シーリング技術に従って構成された電池の一実施例を示している。負電極外側カバー445を缶412の開放端に取り付ける前に、コレクタ釘440がカバー445の内表面に溶接される。次に、図７Ａに示すように、カバー445の内表面、並びにカバー445の上部表面の周縁部分が、電気絶縁材の層475でコートされる。カバー445の底部と負電極／電解質混合物120の頂部表面との間の空隙領域内に伸びるコレクタ釘440もまた、電気絶縁材でコートされる。加えて、缶412の内表面および外表面もまた、缶412の開放端の領域内でコートされる。こうして、このコーティングはカバーと缶との間に絶縁を提供し、また缶、カバー、および電池の内部容積内の空隙領域に近い電池内のコレクタ釘の領域に絶縁コーティングを与えることによって、これらの領域を腐蝕から保護することができる。シーラント473が、カバー445の周縁部470の底部表面に適用される。シーリングの手順が完了したら、シーラント473は図７Ｄに示す位置に移動する。
【００５０】
コレクタ釘440が外側カバー445に取り付けられ、電気絶縁コーティングが適用されたら、図７Ｂに示すように、外側カバー445が缶412の開放端を覆って配置される。缶412は、その開放端に形成された、外側に向かって広がるフランジ450を有している。更に、外側カバー445は、フランジ450の形状に適合した僅かに湾曲した周縁部を有している。カバー445が缶412の開放端を覆って配置されたら、シーミングチャック500の下方に伸びる環状部分502がカバー445に形成された環状凹部472に収容されるように、シーミングチャック500がカバー445上に配置される。次に、第一のシーミングロール510が、カバー周縁部470に向けて半径方向に移動される。第一のシーミングロール510が周縁部470およびフランジ450に向けて移動するときに、その湾曲した表面は、周縁部470をフランジ450の回りに折り畳ませる。また、第一のシーミングロール510が半径方向内側に移動するときに、シーミングチャック500、缶412および外側カバー445が中心軸の回りに回転する結果、周縁部470は缶412の全周でフランジ450の回りに折り畳まれる。更に、第一のシーミングロール510が半径方向内側に移動し続けるときに、フランジ450および周縁部470は、図７Ｃに示す位置にまで下方に折り畳まれる。
【００５１】
周縁部470およびフランジ450が図７Ｃに示す位置まで下方に折り畳まれた後に、第一のシーミングロール510は缶712から遠くへ移動され、次いで第二のシーミングロール520がフランジ450および周縁部470に向けて半径方向内側へと移動される。第二のシーミングロール520は、第一のシーミングロール510とは異なるプロファイルを有している。第二のシーミングロール520はフランジ450および周縁部470に対して充分な力を加え、折り畳まれたフランジおよび周縁部を、シーミングチャック500に支持された缶412の外表面に押圧して平坦化する。このプロセスの結果として、缶412の周縁部470は、フランジ450の周囲で且つその下に折り畳まれ、図７Ｄおよび図１０に示すように、フランジ450と缶412の壁の外表面との間でカシメられる。この方法により密封シールが形成される。
【００５２】
図８は、飲料缶構造の変形例を示しており、この場合、飲料缶は先ず二つの開放端をもった管として形成される。この管は、缶612の側壁614を形成する。次いで、内側カバー616と側壁614との間の電気絶縁を伴わなずに、上記で概説した飲料缶シール技術を使用して内側カバー616を固定することにより、第一の開放端がシールされる。正極外側カバー618は、内側カバー616の外表面に溶接または固定すればよい。次いで電池が充填され、上記で述べたのと同じ方法で、負極外側カバー645を缶612の第二の開放端に固定すればよい。
【００５３】
図面に示し且つ上記で説明した実施例は例示目的のために過ぎず、本発明の範囲を制限するものでないことが理解されるであろう。
【００５４】
例
夫々の電池について、コンピュータ支援設計（CAD）図面、写真、またはエポキシ樹脂に収容された電池の実際の横断面、および長手方向断面を観察することによって、全電池容積、コレクタアセンブリー容積、および電気化学的活性物質のために利用可能な内部容積を測定した。CAD図面、写真、または実際の長手方向断面を使用して電池の寸法を観察および測定することにより、電池の中に存在し得る全ての空隙容積を含めることが可能になる。全電容積を決定するためには、電池の長手方向の中心対称軸に沿った断面図を観察し、幾何学的コンピュータ処理によって全容積を測定する。電気化学的活性材料のために利用可能な内部容積を決定するためには、その長手方向の中心対称軸に沿った電池の断面図を観察し、電気化学的活性材料、空隙容量および化学的不活性材料（コレクタ釘以外）を含む、電池のシールされた容積内に閉じ込められた内部容積を構成する全ての成分を幾何学的コンピュータ処理によって測定する。同様に、コレクタアセンブリーの容積を決定するためには、その長手方向の中心対称軸に沿った電池の断面図を観察し、コレクタ釘、シール、内側カバー、および負極カバーの底面とシールとの間の形成される空隙容積を含む、コレクタアセンブリー容積を構成する成分を幾何学的コンピュータ処理によって測定する。容器容積も同様に、電池の中心長手方向断面を観察し、缶、ラベル、負極カバー、ラベルと負極カバーとの間の空隙容積、正極カバー、および正極カバーと缶との間の空隙容積で占められる容積をコンピュータ計算することによって測定される。
【００５５】
容積測定は、その長手方向の対称軸に沿った電池の断面を観察することによって行われる。通常、電池およびその部品は軸対称であるから、これによって正確な容積測定が提供される。電池断面の幾何学図を得るためには、電池を先ずエポキシ樹脂の中にポッティングし、エポキシ樹脂が固化した後に、ポッティングされた電池およびその部品を、対称軸を通る中心断面まで摩滅させる。より具体的に言えば、先ず、電池をエポキシ樹脂の中にポッティングし、次いで中心断面のショートを摩滅させる。次に、完成された断面のより良好な測定を可能にするために、アノード、カソードおよびセパレータ紙のような全ての内部部品を除去する。次いで、ポッティングされた電池から如何なる残留破片をも除去し、空気乾燥し、残留空隙容積にエポキシ樹脂を充填して、その中心への摩滅および研磨を完了する前に電池に幾らかの一体性を与える。再度、電池をその中心断面が完成するまで摩滅および研磨し、その後に図面にトレースし、これから容積を測定する。
【００５６】
電池をエポキシ樹脂の中にポッティングする前に、キャリパーを用いて電池測定を行い、電池の全体の高さ、カシメ高さ、並びに頂部、底部および中心の外径を測定した。加えて、同一の電池を分解し、その部品を測定した。分解された電池のこれら部品の測定には、現行のコレクタ釘の直径、現行のコレクタ釘の長さ、負極カバーまでの現行のコレクタ釘の長さ、並びにラベルの存在しない電池の頂部、底部および中心における外径が含まれる。
【００５７】
電池がエポキシ樹脂の中に完全にポッティングされたら、電池の断面図を使用して図面を作成する。QC-400ソフトウエアを備えたミツトヨ(Mitutoyo)光学コンパレータを使用して、電池およびその部品の輪郭をトレースし、電池の中心断面の図を作製する。これを行う際には電池を正しい場所にしっかり固定し、電池部品の輪郭は、問題の電池容積を計算するために、後で固体モールドソフトウエアで使用できるフォーマットの中に保存した。しかし、容積測定を行う前に、電池の中心を通って正確に整列されていない電池部品について補償するために、図面を調節してもよい。これは、電池を切断する前の電池から行われた測定、および分解された同一の電池から行われた測定を使用することによって達成することができる。例えば、容積測定について図面をより正確にするために、対応する既知の断面寸法を含むように図面を調節することによって、現行のコレクタ釘の直径および長さ並びに電池全体の外径は、図面をより正確にプロファイルするように修正することができる。シール、カバーおよびカシメ領域の詳細は、それらが光学コンパレータ上に描かれた通りに使用された。
【００５８】
容積測定を計算するために、図面を固体モールドソフトウエアの中に移入した。固体の三次元容積表現は、断面の輪郭を左右の両側で長手対称軸の回りに180°回転させることによって作成された。従って、問題の各領域の容積は、ソフトウエアによって右側および左側を180°回転させ、右側容積および側容積を合計し、平均容積を決定することによって計算される。これは、電池が非対称構造を有する場合に有利である。何等かの非対称構造を含む容積は、必要に応じて、より正確な容積測定を得るように調節することができる。
【００５９】
図９Ａおよび図９Ｂは、1998年10月2日に出願されたUS 60/102,951号および1998年8月21日に出願されたUS 60/090,445号に更に完全に開示された、種々の異なるタイプの電池構造の容積を示している。図９Ａの「飲料缶型構造」の列に示すように、図６に示した構造を使用して構成されたDサイズの電池は、缶壁の厚さが200μm（8ミル）であるときの97.0容量パーセントの内部容積を有していた。図９Ｂに示すように、図６に示した構造を用いて構成されたDサイズの電池は、缶壁の厚さが200μm（8ミル）であるときの全容積の1.6パーセントのコレクタアセンブリー容積を有していた。同様の構造を有するCサイズ、AAサイズおよびAAAサイズの電池もまた、図９Ａの表から明らかなように、内部容積効率における顕著な改善を示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、Ｃサイズの従来のアルカリ電気化学電池を示す断面図である。
【図２】 図２Ａは、この出願の優先日時点において商業的に入手可能であった電池について測定された、全電池容積および電気化学的活性材料のために利用可能な内部電池容積を比較して示す表である。
【図３】 図２Ｂは、図２Ａの商業的に入手可能な電池について測定された、全電池容積およびコレクタアセンブリー容積を比較して示す表である。
【図４】 図３Ａは従来のＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図であり、全電池容積および種々の部品容積を示している。
【図５】 図３Ｂは従来のＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図であり、全電池容積および種々の部品容積を示している。
【図６】 図３Ｃは従来のＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図であり、全電池容積および種々の部品容積を示している。
【図７】 図３Ｄは従来のＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図であり、全電池容積および種々の部品容積を示している。
【図８】 図４は、缶の閉鎖端に形成された圧力解放機構を有する電池缶の底面図である。
【図９】 図５は、図４に示した缶通気孔のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図１０】 図６は、本発明の位置実施例による、飲料水缶型構造を有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。
【図１１】 図７Ａは、図６に示した電池の一部分解斜視図である。
【図１２】 図７Ｂは、図６に示した電池の一部を示す断面図であり、飲料水缶型構造を形成するための方法を示している。
【図１３】 図７Ｃは、図６に示した電池の一部を示す断面図であり、飲料水缶型構造を形成するための方法を示している。
【図１４】 図７Ｄは、図６に示した電池の一部を示す拡大断面図である。
【図１５】 図８は、本発明の一実施例による、飲料缶型構造を有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。
【図１６】 図９Ａは、種々の電池について計算された全電池容積および内部電池容積を示す表である。
【図１７】 図９Ｂは、種々の電池について計算された全電池容積およびコレクタアセンブリー容積を示す表である。

Claims (21)

1. 少なくとも正電極および負電極、並びに電解質を含む電気化学的活性材料を収容するための缶であって、第一の端部、開放された第二の端部、前記第一および第二の端部の間に伸びる側壁、前記第一の端部を横切って広がる端壁、および、前記開放された第二の端部から前記第一の端部に向けて外側に広がるフランジを有する缶と、
   前記缶の開放された第二の端部を横切って配置されたカバーであって、前記フランジを覆ってその回りに広がる周縁部を有すると共に、前記フランジと前記缶の側壁の外表面との間にカシメられて密封シールを形成するカバーと、
   前記缶を前記カバーから電気的に絶縁するために、前記缶および前記カバーの少なくとも一方に直接堆積された絶縁材のコーティングと、
   前記缶の第一の端部を横切って広がる端壁に溝状に形成された圧力解放機構であって、圧力が高まったときに前記溝部分が破断して圧力を開放する圧力解放機構と、を具備し、
   前記フランジと前記カバーの周縁部との間および前記缶と前記周縁部との間に前記絶縁材が設けられていることを特徴とする電気化学電池。
2. 前記絶縁材は、エポキシ樹脂、ナイロン、テフロン（登録商標）、ビニル樹脂、およびこれらのそれぞれを１つの層として２以上の層としたもの中から選択されるものである、請求項１に記載の電気化学電池。
3. 前記絶縁材のコーティングは、前記カバーおよび前記缶の両者の上に直接堆積される、請求項１に記載の電気化学電池。
4. 前記カバーの周縁部の底部表面および前記缶のフランジの間に堆積されたシーラントを含んでいる、請求項１に記載の電気化学電池。
5. 前記絶縁材およびシーラントは、シーラントおよび絶縁材の別々の層を形成する、請求項４に記載の電気化学電池。
6. 前記シーラント材はアスファルトである、請求項４または５に記載の電気化学電池。
7. 前記カバー周縁部の内表面および外表面の両方に絶縁材がコートされている、請求項１に記載の電気化学電池。
8. 前記フランジの内表面および外表面の両方に絶縁材がコートされている、請求項１に記載の電気化学電池。
9. 前記絶縁材は、前記カバーの周縁部のうち前記缶の外表面に接する側と、前記カバーの周縁部に接触する前記缶の外表面の両方又はいずれか一方にコートされている、請求項１に記載の電気化学電池。
10. 前記カバーの内表面に取り付けられたコレクタを具備する、請求項１に記載の電気化学電池。
11. 前記カバーの内表面のうち前記コレクタが取り付けられた部分以外の部分に絶縁材がコートされている、請求項１０に記載の電気化学電池。
12. 前記コレクタは釘であり、前記釘の一部であって前記カバーの内表面の下部と電極／電解質混合物の頂面との間の空隙領域内に伸びる部分に絶縁材がコートされている、請求項１０に記載の電気化学電池。
13. 前記圧力解放機構は、前記缶の第一の端部を横切って広がる端壁に形成された溝を含んでいる、請求項１に記載の電気化学電池。
14. 前記缶の端壁に電気的に接触してその外表面に取付けられ、かつ、前記圧力開放機構を覆って広がる外側カバーを具備する、請求項１に記載の電気化学電池。
15. 前記外側カバーは、前記正電極に電気的に結合されて正の外部電池端子として働き、また前記第二の端部を覆うカバーは、前記負電極に電気的に結合されて負の外部電池端子として働く、請求項１４に記載の電気化学電池。
16. 前記缶の第一の端部は、前記缶の側壁と一体に形成された端壁を有する、請求項１に記載の電気化学電池。
17. 前記缶は、前記第一の端部に設けられた端壁を有する管として形成され、前記端壁は、前記管とは別体のカバーとして形成され、前記第一の端部を横切って前記管に固定されたものとして形成されている、請求項１に記載の電気化学電池。
18. 前記缶は前記缶の第一の端部から前記第二の端部に向けて外側に広がる第二のフランジを有し、前記第一の端部を覆う前記カバーは前記フランジを覆ってその回りに広がる周縁部を有し、かつ、前記フランジと前記缶の側壁の外表面との間にカシメられている、請求項１７に記載の電気化学電池。
19. 前記缶はその外表面に直接印刷されたラベルを有する、請求項１に記載の電気化学電池。
20. 前記缶は２００μｍ（８ミル）以下、の壁厚を有する、請求項１に記載の電気化学電池。
21. 前記缶は円筒形である、請求項１に記載の電気化学電池。

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