JP4908229B2 - 空気電気化学電池のためのタブシステム - Google Patents

Description

本発明は、使用の前に電池の空気流入ポートを覆うタブシステムを有する空気電池に関する。

空気電池は、大気からの酸素を直接に使用して電気化学エネルギを生成する。一般的に、空気電池は、負電極すなわちアノードを有し、亜鉛のような活物質及び水酸化カリウムのような電解質を含有する。空気電池は、大気からの酸素がカソード活物質であるので、消耗カソード物質を含有しない。この理由のために、空気電池は、それらのサイズに比較してアノード物質のための大きい容量を有し、この電池は、補聴器のような中程度のドレイン電流及び連続放電の使用が要求される用途に広く用いられる。電池内への酸素の拡散が一連の化学反応を開始させ、その反応は、電池内部にガスを生じさせて、最終的にアノード物質を消費する。

空気電池は、一般的に、作動中の電池内への酸素の吸気及び電池からの水素の排気のための少なくとも１つの空気流入ポートを有する。この空気流入ポートは、空気電池の使用の前にはタブシステムによって覆われ、その電池が早発的に活性化されることが防止される。従来型のタブシステムは、空気電池の空気流入ポート内への空気の拡散を制御するための少なくとも１つのポリマーフィルムと、そのポリマーフィルムを空気電池に接着するための少なくとも１つの接着剤とを含む。

タブシステムは、空気電池内に拡散する酸素の量と空気電池から拡散するガスの量との適正な均衡を提供するための適切な空気透過特性を有するべきである。タブシステムの存在にも関わらず、空気電池に随伴する１つの問題は、空気電池の保管寿命及び有効放電寿命の低下である。一部のタブシステムは、酸素を過度に吸気させ、そのことは空気電池の開放電池電圧（ＯＣＶ）が過大になることを引き起こし、過多な量の活物質が消耗される。タブシステムが低酸素透過性を有する他の空気電池においては、タブシステムを取り外した時の空気電池のＯＣＶが低過ぎて、使用者にその空気電池が失活したと思わせる。

米国特許第６，６０２，６２９号Ｂ１ 「ＡＳＴＭ Ｄ ９０３−９３」 ＡＳＴＭ方法「Ｄ ９０３−９３」、「接着結合の剥離又は剥ぎ取り強度に関する標準試験方法」 「ＡＳＴＭ Ｄ４０６５−０１」

本発明は、空気電池の外面に沿って少なくとも１つの空気流入ポートを覆うタブシステムを有する空気電池を提供する。一実施形態では、タブシステムは、少なくとも１つのポリマー層と、電池とポリマー層の間に配置された接着剤層とを含み、タブシステムは、２０℃から２５℃で約５５，０００二ュートン／メートル（Ｎ／ｍ）未満の損失剛性を有する。
代替的な実施形態では、空気電池は、第１のポリマー層と、空気電池と第１のポリマー層の間に配置された接着剤の層とを含むタブシステムを有する。タブシステムは、２０℃から２５℃で約５５，０００Ｎ／ｍ未満の損失剛性を有し、タブシステムと空気電池の間のシールが電池内の内部圧力の結果として壊れる破裂圧力は、少なくとも約４３ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）である。

別の代替的な実施形態では、空気電池は、第１のポリマー層と、空気電池と第１のポリマー層の間に配置された接着剤の層とを含むタブシステムを有する。タブシステムは、２０℃から２５℃で約５５，０００Ｎ／ｍ未満の損失剛性、少なくとも約４３ｐｓｉの破裂圧力、及び約６．５ｐｓｉから約１１ｐｓｉの範囲の剥離強度を有する。
更に別の代替的な実施形態では、空気電池は、第１のポリマー層と、空気電池と第１のポリマー層の間に配置された接着剤の層とを含むタブシステムを有する。タブシステムは、２０℃から２５℃で約５５，０００Ｎ／ｍ未満の損失剛性、少なくとも約４３ｐｓｉの平均破裂圧力、及び約６．５ｐｓｉから約１１ｐｓｉの範囲の剥離強度を有する。電池は、亜鉛を含む活物質と水酸化カリウムを含む電解液とを含み、添加水銀を含有せず、約１．１８から約１．３７ボルトの範囲の開回路電圧を有する。

一部の実施形態では、タブシステムは、２０℃から約２５℃で約２５，０００から約４５，０００Ｎ／ｍ、かつ６０℃で約３５，０００Ｎ／ｍ未満の損失剛性を有する。このタブシステムは、空気電池の外面への改善した整合性を有し、保管中の早発的電池活性化の防止により有効であることが見出されている。タブシステムは、空気電池内への酸素の吸気をより良好に制御し、タブシステムの酸素透過率は、空気電池が約１．１８から約１．３７ボルトの範囲の開回路電圧（ＯＣＶ）を維持するように、約１５（ｃｍ³×ｍ×ｍｍＨｇ）／（ｍ²×日）から約１５０（ｃｍ³×ｍ×ｍｍＨｇ）／（ｍ²×日）の範囲に及ぶことができる。更に、空気電池の内部の化学反応によるガスの発生は、空気電池がゼロ添加水銀で組み立てられた時の方が多く、タブシステムを通過するガス透過の制御をより重要にしている。すなわち、本発明の別の実施形態では、空気電池は、添加水銀を含有しない。

本明細書で使用される時、用語「約」とは、測定での実験誤差及び数値丸めの範囲内であることを意味し、平均とは、少なくとも３つの個々の値から判断されたものである。本明細書に開示される特質及び特性の値は、開示される試験方法によって測定された時のものであり、類似の結果を与えることになる同等の方法で置き換えることもできる。
本発明は、添付の図面を参照して理解することができる。図面内の構成要素は、必ずしも縮尺通りではない。また、図面において、同じ参照番号は、図を通して対応する部分を指すものである。

図１は、本発明に従った空気電池１００の例示的な実施形態を示している。便宜的に、本発明の例示的な実施形態は、補聴器のような小型電気製品に使用されるボタン型空気電池１００に関して説明される。しかし、本発明の実施形態は、より大型の円筒形及び角柱形電池のような他の空気電池に関してもまた説明することができることを当業者は認めることができる。
空気電池１００は、「カソード缶」１０２として公知の正端子を含み、例えばカソード缶の底部に沿った表面１０４を有し、壁１０６によって取り囲まれたボタン電池である。表面１０４の中央部分は、ほぼ平面とすることができ、周囲壁１０６は、均一な高さで缶１０２の底部に対して実質的に垂直とすることができるが、壁の形状、寸法、及び角度は変化させることができる。少なくとも１つの空気流入ポート１０８は、カソード缶１０２の表面１０４に沿って設けられる。空気電池１００はまた、金属で作製されたアノードカップ１１０を含む。アノードカップ１１０は、カップの形状に形成することができ、「アノードカップ」として公知である。

ボタン型空気電池よりも大型の空気電池、例えば、円筒形又は角柱形空気電池においては、カソード缶及びアノードカップは、異なる形状を有することができる。
代替的な実施形態では、缶は、負接触端子であり、カップは正端子である。こうした場合には、１つ又はそれよりも多くの空気流入ポートは、缶ではなく、正端子、すなわちカップ１１０の表面に沿って位置している。

アノードカップ１１０及びカソード缶１０２は、金属の単層、二層積層体、又は多層金属積層体とすることができる。アノードカップ１１０及びカソード缶１０２に使用される代表的な金属としては、例えば、ニッケル、ステンレス鋼、及び銅が挙げられる。１つの例示的な実施形態では、アノードカップ１１０は、アノードカップ１１０の内側から外側に向けて銅／ステンレス鋼／ニッケルを含む三層クラッド材料で作製することができ、カソード缶１０２は、ニッケルメッキ鋼又はニッケルメッキステンレス鋼で作製される。１つ又はそれよりも多くの空気流入ポート１０８が貫通している空気電池の表面は、カソード缶１０２に沿うか又はアノードカップ１１０に沿うかに関わらず、空気電池が別々の導電性接触端子を有する限り、非導電材料からも作製することができる。

アノード混合物１１２は、空気電池１００の内部に存在し、アノード混合物１１２のいくつかの組成が可能であり、それらは当業者に公知である。アノード混合物１１２は、典型的に、活性成分、例えば亜鉛粉末と、アルカリ性電解質、例えば水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムと、ゲル化剤、例えばアクリル酸ポリマーとの混合物を含む。例えば、水酸化インジウム（Ｉｎ（ＯＨ）₃）及び他の添加剤のようなガス抑制剤は、ガス発生を最小限に抑えるために含むことができる。これらの添加剤の例としては、酸化亜鉛及びポリエチレングリコールが含まれる。添加水銀を含有しない空気電池における適切なアノード混合組成物の組成は、本明細書において引用により組み込まれている、ミズーリ州セントルイス所在の「Ｅｖｅｒｅａｄｙ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｍｏａｎｙ，Ｉｎｃ．」に譲渡されて２００３年８月５日に付与された米国特許第６，６０２，６２９号に開示されている。空気電池１００内に収納されるアノード混合物１１２の量は、利用可能な容積よりも少ないことがあり、そのためにエアポケット１１３が存在する可能性が大きい。

空気電池１００には、アノード混合物１１２の下に配置され、イオン伝導性セパレータ１１６によってそれから電気的に絶縁された空気電極１１４が更に含まれる。空気電極１１４は、空気電極としての使用に適切なあらゆる材料とすることができ、それらの材料としては、以下に限定されるものではないが、例えば、カーボン、マンガン酸化物（ＭｎＯ_X）、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。触媒で被覆したニッケル網とすることができる金属網１１８を空気電極１１４内に組み込むことができ、空気電極１１４の導電性が高められ、空気電極１１４とカソード缶１０２の間の良好な接触が提供される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ポリマーで作製された疎水性膜１２０をカソード缶１０２の底部に向き合った空気電極１１４の底側に積層し、空気と空気電池１００内部の電解液との間のガス透過性耐水境界を維持することができる。更に、空気電池は、ガス拡散速度を調整する空気拡散膜１２２及び空気電極１１４に均等に空気を分配する空気分配膜１２４もまた含むことができる。一般的に「グロメット」又は「ガスケット」と称され、通常可撓性ポリマーで作製される電気絶縁体１２６は、アノードカップ１１０とカソード缶１０２の内面との間の電気絶縁を提供し、かつシールとして機能する。電気絶縁体１２６の縁部は、アノードカップ１１０の周縁に当接する内向き突出リップ部１２８を作り出すように形成することができる。

図１を参照すると、タブシステム１３０は、少なくとも１つの空気流入ポート、例えば、空気電池１００のカソード缶の空気流入ポート１０８を覆っている。一実施形態では、タブシステム１３０は、少なくとも１つのポリマー層１３２及び接着剤層１３６を含む。タブシステム１３０は、空気電池が使用待機状態になるまで空気流入ポート１０８を覆うものである。空気電池１００を活性化させたい時は、使用者は、単に空気電池１００からタブシステム１３０を引き剥し、空気流入ポート１０８を露出させる。

図２は、本発明の別の例示的な実施形態によるカソード缶１０２の空気流入ポート１０８を覆うタブシステム２０２を有する空気電池２００の断面図である。タブシステム２０２はまた、カソード缶１０２の複数の空気流入ポート（図示せず）を覆うことができる。タブシステム２０２は、ポリマー層１３２、第２のポリマー層２０４、及びポリマー層１３２と缶表面１０４の間に配置された接着剤層１３６を含む。代替的な例示的実施形態では、タブシステム２０２は、ポリマー層１３２と第２のポリマー層２０４の間にそれらを結合するために配置された第２の接着剤層２０６を含む。

空気電池１００及び２００のタブシステム１３０及び２０２は、改善した可撓性を有し、空気電池１００及び２００の保管中の早発的な活性化の防止により有効であることが見出されており、従って、より長期の耐用寿命が提供される。第１のポリマー層１３２及び第２のポリマー層２０４は、タブシステム１３０及び２０２が、室温（２０℃から２５℃）で約５５，０００Ｎ／ｍ又はそれ未満、４５℃で約４０，０００Ｎ／ｍ又はそれ未満、又は６０℃で約３５，０００Ｎ／ｍ又はそれ未満の損失剛性を有するような多くのポリマーのうちの１つとすることができる。別の実施形態では、損失剛性は、室温（２０℃から２５℃）で約２５，０００Ｎ／ｍから約４５，０００Ｎ／ｍの範囲である。温度の関数としての損失剛性は、以下の実施例において試験され、従来型タブシステムの損失剛性を本発明のタブシステムに対して比較した曲線は、図３に示されている。

タブシステム１３０及び２０２は、空気電池１００が室温（２０℃から２５℃）で約１．１８から約１．３７ボルト、一部の実施形態では約１．２５から約１．３５ボルト、更に他の実施形態では約１．２８から約１．３２ボルトの範囲の開回路電圧（ＯＣＶ）を得ることを可能にする酸素透過係数を有することができる。タブシステム１３０及び２０２は、約１５から約１５０（ｃｍ³×ｍ×ｍｍＨｇ）／（ｍ²×日）、一部の実施形態では約２５から約１００（ｃｍ³×ｍ×ｍｍＨｇ）／（ｍ²×日）、更に他の実施形態では約７０から約９０（ｃｍ³×ｍ×ｍｍＨｇ）／（ｍ²×日）の範囲とすることができる酸素透過係数を有する。

タブシステム１３０及び２０２は、空気流入ポート１０８が貫通したカソード缶１０２の表面１０４、例えば底面への改善された整合性により、従来型空気電池に比較して、それぞれ空気電池１００及び２００における酸素吸気の量をより良好に制御すると考えられている。意外にも、室温で２５，０００Ｎ／ｍから約４５，０００Ｎ／ｍの範囲の損失剛性を有するタブシステム１３０及び２０２は、同じ種類で同じ量の接着剤が使用されていても、従来型のタブシステムに比較して改善した破裂圧力抵抗と空気電池１００及び２００への改善した接着性とを有することが見出された。空気電池１００及び２００の空気流入ポート１０８を覆うタブシステム１３０及び２０２は、少なくとも約４３ｐｓｉの平均破裂圧力を有する。従来型のタブシステム及び本発明の例示的実施形態のタブシステムの破裂圧力は、空気電池内部に発生したガスがタブシステムをカソード缶１０２から分離させる圧力を測定して試験された。試験の方法及び結果は、実施例において以下に説明する。

空気電池のハウジングは、アノード混合物１１２のより大きい容積を可能にするために、空気電池１００及び２００のより薄いカソード缶１０２のようなより薄い構成要素で製作されている。例えば、空気流入ポート１０８を有するカソード缶１０２の底部は、約０．００８インチのように薄く、かついくつかの場合には約０．００６インチ又はそれ未満のような薄い断面で製作することができ、カソード缶の厚みは、通常約０．００４インチから約０．００８インチの範囲である。薄いカソード缶厚みは、電池の製造及び保管中の空気電池１００及び２００内部のガスによって生じた内部圧力の上昇を通じて、空気電池１００及び２００の変形をもたらす。従って、空気流入ポートを有する空気電池の表面１０４の少なくとも一部分が曲げられる可能性があり、タブシステム１３０及び２０２の改善した特性は、変形した時の空気電池１００及び２００に対するタブシステム１３０及び２０２のより大きい整合性をもたらすものである。ボタン型空気電池内部の圧力上昇の変化量に伴ったボタン型空気電池の表面１０４の撓みが下記の実施例で測定され、結果は、図４の曲線で示している。空気電池１００内部に発生した圧力は、カソード缶１０２の表面１０４に沿った変形を発生させ、それは、空気電池１００の内部圧力が６０ｐｓｉに達した時に、空気流入ポートの位置の垂直軸に沿った約０．０１２インチの変化を引き起こしたことが示されている。すなわち、破裂圧力でのカソード缶の変形は、タブシステムを空気電池から分離させ、それによって空気を空気電池に流入させて空気電池を早発的に放電させる。

円筒形及び角柱形電池のようなボタン型電池よりも大きい空気電池においては、空気流入ポートは、平坦でないか（例えば、筒型容器の側壁）又は変形状態になる場合がある電池ハウジングの部分に形成することができる。タブシステム１３０及び２０２は、空気流入ポートが形成された表面への改善した整合性により、それらのより大きい電池における酸素吸気をより有効に制御する。
タブシステム１３０及び２０２は、ポリマー層１３２の少なくとも一部分を覆う接着剤１２６（図１及び図２）を含む。接着剤１２６は、拡大しないでも見えるような接着剤残留物を残さずにタブシステム１３０及び２０２の空気電池１００及び２００からの除去を可能にするあらゆる除去可能接着剤とすることができる。１０倍まで拡大すると見えるような残留物がないことが好ましい。接着剤１２６は、高い初期粘着性を示すことができるが容易に取り外せる例えば感圧型除去可能アクリル接着剤である。適切なアクリル接着剤は、オハイオ州ペーンズビル所在の「Ａｖｅｒｙ Ｄｅｎｎｉｓｏｎ，ＦＡＳＳＯＮ Ｒｏｌｌ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ」から「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）Ｒ１４３」の商品名で市販されている。

接着剤１２６の量は、カソード缶１０２の表面１０４の単位面積被覆当たりの重量によって測ることができる。接着剤１２６の量は、約２１ｇ／ｍ³から約３０ｇ／ｍ³の範囲とすることができ、単位面積当たりのコーティング重量が約３０ｇ／ｍ³を超える付加的な接着剤１２６の付加は、従来型タブシステムの整合性の不足を補償しないことが見出されている。例えば、接着剤１２６の単位面積当たりのコーティング重量が約３０ｇ／ｍ³を超過する時には、空気電池１００及び２００とそれぞれタブシステム１３０及び２０２との間の結合が接着剤１２６の結合強度を超える可能性があり、カソード缶１０２の表面１０４上及び空気流入ポート１０８にわたって接着残留物を残す可能性があることが見出されている。

また、空気電池１００及び２００に付加された接着剤１２６の接触表面積は、空気電池の寸法及びカソード缶１０２内の空気流入ポート１０８の数によって変化する可能性がある。例えば、約０．２２６インチの直径と、約０．０１０インチの直径を有する単一の空気流入ポート１０８とを有するカソード缶１０２は、約０．０３４３ｉｎ²である接着剤１２６の接触表面積を有することができ、約０．０．３０５インチの直径と、約０．０２０インチの直径を有する単一の空気流入ポート１０８とを有するカソード缶１０２は、約０．０６２２ｉｎ²の接触表面積を有することができる。４つの空気流入ポートを有する空気電池１００及び２００においては、例えば、約０．４５４インチの直径と直径約０．０１４インチの４つの空気流入ポートとを有するカソード缶１０２は、約０．１３０１平方インチである接着剤１２６の接触表面積を有することができる。

代替的な実施形態において第１のポリマー層１３２と第２のポリマー層２０４の間に使用される第２の接着剤層２０６（図２）は、例えば、永続性アクリル接着剤のような永続性接着剤とすることができる。ポリマー層１３２と第２のポリマー層２０４の間の接触表面積は、使用される接着剤の種類によって変えることができる。代替的な実施形態では、ポリマー層１３２と第２のポリマー層２０４は、第２の接着剤層２０６を使用せずに、例えば加熱処理により互いに対して直接に結合される。

本発明の空気電池１００及び２００の表面に沿ったタブシステム１３０及び２０２の剥離強度は、２３℃から６０℃の温度範囲と約４週間までの硬化期間とに対して、「ＡＳＴＭ Ｄ ９０３−９３」試験法に準拠して約６．５ｌｂｓ／ｉｎ²から約１１ｌｂｓ／ｉｎ²の範囲、及び一部の実施形態では約７ｌｂｓ／ｉｎ²から約１０ｌｂｓ／ｉｎ²の範囲とすることができる。本発明のタブシステムの例示的な実施形態を従来型のタブシステムに対して比較する剥離試験が行われ、試験方法並びに得られたデータの説明は、以下の実施例に説明されている。従って、タブシステム１３０及び２０２は、空気流入ポート１０８が貫通したカソード缶１０２の表面に沿ってより良好な剥離強度及び耐圧性を提供し、空気電池１００が使用待機状態になるまでのシールを維持する。

空気電池１００及び２００（図１及び図２）は、電池の内部でのガス発生を低減させるために、アノード混合物１１２内、例えば亜鉛粉末内に水銀を含む場合がある。しかし、水銀は、健康及び環境に有害であるので、添加水銀なしの空気電池を製造するための手法が取られた。従って、本発明の別の実施形態では、空気電池１００及び２００は水銀を含有しないか又は実質的に水銀を含有しない。水銀を持たないか又は実質的に水銀を持たない空気電池としては、ゼロ添加水銀で作製される空気電池がある。ゼロ添加水銀とは、電池内に使用される材料に水銀が意図的に添加されず、電池内に含有されるあらゆる水銀は、不純物としての非常に僅かな量でのみ存在することを意味する。例えば、活物質が亜鉛を含む空気電池内に存在する水銀の量は、先に引用された米国特許第６，６０２，６２９号Ｂ１に開示されている試験方法によって測定される時に、電池の総重量基準で１０ｐｐｍ未満であり、一部の場合には１ｐｐｍ未満である。添加水銀を含有しない電池の１つの例示的実施形態では、亜鉛粉末には、水銀が添加されず、かつアノードカップ１１０の内部は、インジウムと、銅よりも高い水素過電圧を有する全ての他の金属とを含まず、アノードカップ１１０の少なくとも一部分は、電気絶縁体１２６に接触する。こうした場合には、カソード缶１０２の変形の量並びにタブシステム１３０及び２０２上に加わる圧力は、水銀を含有する空気電池よりもかなり大きく、それは、電池が水銀を含有しないか又は実質的に水銀を含有しない時に、内部ガス発生の量が一般的により多いからである。

上述の損失剛性を有するタブシステム１３０の厚みと、タブシステム２０２の第１及び第２のポリマー層１３２及び２０４の複合厚みとは、接着剤層１２６を除いて、約０．００３インチから０．００６インチ、代替的な実施形態では０．００３８から０．００５インチ、更に他の実施形態では０．００４インチから０．００４６インチの範囲とすることができる。厚みの範囲は、タブシステム１３０及び２０２の損失剛性によって上述の範囲内で変えることができ、当業者によって容易に判断することができる。第１のポリマー層１３２と第２のポリマー層２０４（図２）との相対厚みは、第１及び第２のポリマー層１３２及び２０４の組成及び損失剛性によって異なる可能性があり、当業者によって判断することができる。ポリマー層の付加的な厚みは必要としない。

別の実施形態では、第１のポリマー層１３２及び第２のポリマー層２０４の材料組成は、結晶性又は半結晶性であるポリマーを含む。第１のポリマー層１３２又は第２のポリマー層２０４又は両方は、二軸延伸されたものとすることができる。用語「二軸延伸」とは、機械方向（ＭＤ）及び横方向（ＴＤ）におけるポリマーフィルムの引張応力の測定による比較ベースで判断することができる直角方向におけるポリマーの相対結晶化度を意味する。本明細書で用いられる時、二軸延伸フィルムは、約１：３から約３：１の範囲のＭＤ：ＴＤ引張応力比率を有するものである。第１のポリマー層１３２及び第２のポリマー層２０４の材料組成物はまた、約１５％までの充填物、例えば、タルク、炭酸カルシウム、鉱物類を含むことができる。

本発明の別の実施形態では、タブシステム１３０及び２０２の第１のポリマー層１３２及び第２のポリマー層２０４は、ポリプロピレンを含む材料組成物である。このポリプロピレンは、二軸延伸されたものとすることができる。各々が接着剤の層を有する第１のポリマー層１３２及び第２のポリマー層２０２に使用することができる適切な二軸延伸ポリプロピレンの例は、それぞれ、オハイオ州ペーンズビル所在の「Ａｖｅｒｙ Ｄｅｎｎｉｓｏｎ，Ｆａｓｓｏｎ Ｒｏｌｌ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ」から市販されている「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）３ミル艶消し白色ＢＯＴＴ ＴＣ／Ｒ１４３／５０＃ ＳＣＫ」、及びオハイオ州ハドソン所在の「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｒａｐｈｉｃ Ｆｉｌｍｓ」から市販されている＃１２４０自動巻き取りポリプロピレンである。

本発明の実施形態では、タブシステム１３０及び２０２をそれぞれ有する空気電池１００及び２００を作製する方法は、アノードカップ１１０を反転する段階と、次にアノード混合物１１２と電解液とを加える段階とを含む。アノードカップ１１０が反転された状態でアノードカップ１１０が予備組立された後に、図１及び図２に関連して上述したカソード缶１０２が反転され、アノードカップ１１０及び電気絶縁体１２６に対して押し付けられる。反転している間に、カソード缶１０２の縁部は内側に変形され、それによってカソード缶１０２の周縁は、カソード缶１０２とアノードカップ１１０の間にある電気絶縁体１２６に圧着され、それによってアノードカップとカソード缶の間のシール及び電気障壁が形成される。例えば、圧接、締結、スエージ加工、再延伸、及びその組合せによるカソード缶１０２の変形のようなあらゆる方法を空気電池１００を密封するために使用することができる。

タブシステム１３０及び２０２は、ポリマー層１３２を外側のポリマー層１３４に加熱下で積層し、シール材の端部部分の裏側を接着剤１２６、例えば取外し可能感圧型アクリル接着剤で被覆することにより、タブシステムのカソード缶１０２への接着よりも前に作製することができる。別の方法においては、ポリマー層１３２と第２のポリマー層２０４とは、各々が予め付加された接着剤を有するテープとすることができ、ポリマー層１３２及び２０４のシート又はストリップは、個々のタブが切断される前に互いに接着される。接着剤層１２６の内面に付着された剥離ライナは、切断されたタブシステム１５０及び２０２が空気電池１００及び２００に付着される直前までそのままとすることができる。剥離ライナが取り外された状態で、タブシステム２３０及び２０２の端部部分は、接着剤層１２６の少なくとも一部分をカソード缶１０２の表面１０４に押し付けることにより、空気電池１００及び２００の表面１０４に付着される。タブシステム１３０及び２０２が添付された空気電池１００及び２００は、次に、販売用に包装される。

従来型タブシステムのいくつかの供試体及び本発明の例示的実施形態によるタブシステムの供試体が調製された。タブシステム供試体の各々は、第１のポリマー層と第１の接着剤層とを有する第１のテープを第２のポリマー層と第２の接着剤層とを有する第２のテープに接着することによって作製された。全てのタブシステムにおいて、第１のポリマー層、第１の接着剤層、及び第２の接着剤層は同じであり、第１のポリマー層のみが異なっている。

従来型タブシステムの第１のポリマー層及び第１の接着剤層に使用された接着剤被覆ポリマーテープ材料は、オハイオ州ペーズビル所在の「Ａｖｅｒｙ Ｄｅｎｎｉｓｏｎ，Ｆａｓｓｏｎ Ｒｏｌｌ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ」から「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）ＰＲＩＭＡＸ ３５０（登録商標）３５０／Ｒ１４３／５０＃ＳＣＫ」として入手することができ、等しい厚みのポリエチレン及びポリプロピレンの共押出から作られた（典型的な引張応力は、機械方向で１６０，０００ｐｓｉ及び横方向で５０，０００ｐｓｉ）約０．００３５インチ厚みのポリマー層を有していた。このポリマー層は、約２７ｇ／ｍ²の「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）Ｒ１４３」除去可能アクリル接着剤の層で被覆された。

本発明の例示的な実施形態のタブシステムにおける第１のポリマー層及び第１の接着剤層に使用された接着剤被覆ポリマーテープは、オハイオ州ペーズビル所在の「Ａｖｅｒｙ Ｄｅｎｎｉｓｏｎ，Ｆａｓｓｏｎ Ｒｏｌｌ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ」から「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）３ミル艶消し白色ＢＯＰＰ ＴＣ／Ｒ１４３／５０＃ＳＣＫ」として入手することができ、二軸延伸ポリプロピレン（典型的な引張応力は、機械方向で１３，０００ｐｓｉ及び横方向で２３，０００ｐｓｉ）で作製された約０．００３インチ厚みのポリマー層を有していた。

従来型タブシステムと本発明の例示的実施形態のタブシステムとの両方において第２のポリマー層及び第２の接着剤層に使用された接着剤被覆ポリマーテープは、オハイオ州ハドソン所在の「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｒａｐｈｉｃ Ｆｉｌｍｓ」から製品番号１２４０自動巻き取りポリプロピレンとして入手することができ、一方の表面が約２７ｇ／ｍ²の永続性アクリル接着剤で被覆された約０．００８インチの二軸延伸ポリプロピレンフィルムの層を有していた。
各タブシステムに対して、第１のテープのシートが第２のテープの非被覆面に接着された。以下の実施例２−実施例５での試験のために、タブシステム材料の各々から供試体が切り取られた。

破裂圧力試験のために、実施例１によって提供されたタブシステムの各々から供試体が切り取られた。供試体の各々は、長さ０．３８６インチ及び幅０．２１０インチであり、２つの長手方向端部の各々は、半径０．１０５インチの丸みを有した。
破裂圧力試験に対して、タブシステム供試体は、空気流入ポートを収容するボタン電池カソード缶の底面を模擬する試験ディスクの表面に接着されるか又はこれに密封され、オリフィスの上を密封した供試体にディスク内のオリフィスを通してディスクの反対側から圧力が印加された。シールが破れるまで圧力が高められ、各供試体の破裂圧力は、シールが破れる前に測定されたピーク圧力であった。

試験ディスクは、「Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」から市販されている三層クラッド２０１「ニッケル／３０４ステンレス鋼／２０１ニッケル」から作製され、０．００６０インチの厚み及び約０．７５０インチの直径を有し、中心に直径０．００２０インチのオリフィスを備えていた。ディスクは、各供試体を試験する前にイソプロピルアルコールで洗浄された。供試体は、孔の上に中心を合せられ、供試体の内面上の接着性コーティングを用いてディスクに密封され、ディスクは、空気チャンバ取付け器具の底面上でＯ−リングの上に中心を合せられた。空気供給装置は、空気管路によって空気チャンバに接続された。ノースカロライナ州ウィンストン−セーラム所在の「Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」製の「型番３０２４２」空気圧力調整器及びコネチカット州ストラトフォード所在の「Ａｓｃｈｃｒｏｆｔ Ｇａｕｇｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」製の０−６０ｐｓｉの範囲及び０．５ｐｓｉの分解能を有するピーク圧力指示器を備えた「型番ＡＭＣ４２９７」アナログ圧力計が、供試体とディスクの間の接着破損による空気漏れの前に達したピーク圧力を記録するために空気供給装置の下流に設けられた。

ピーク圧力指示器が０に設定され、次に、６０秒当たり約１５ｐｓｉの割合でゆっくりと圧力が高められた。空気チャンバ内の圧力が供試体の接着力よりも大きい圧力に達するまでは、空気は、３層クラッドディスクから流出できなかった。供試体とディスクの間から空気が漏れ始めるとすぐに、ピーク圧力が指示器から読取られて記録された。この試験手順は、各タブシステムの計１０供試体に対して繰り返された。

試験中は、空気チャンバ内部の圧力のためにディスクは垂直に撓んだ。垂直撓みの量は、６０ｐｓｉまでの圧力で測定された。その結果は、図４のグラフに示されている。
従来型タブシステムの１０供試体に関する平均破裂圧力は、３９．４ｐｓｉであり、本発明のタブシステムの１０供試体に関する平均破裂圧力は、４７．４ｐｓｉであった。

電池からタブシステムを取り外すのに要する力を測定する剥離試験のために、実施例２に説明したような材料の各々からタブシステム供試体が切り取られた。予備試験は、試験結果が空気流入ポートを有するボタン電池缶の底面上にエンボス加工されたデザインに基本的に関係しないことを示しており、「Ｅｖｅｒｅａｄｙ型番ＡＣ−１０（ＰＲ−７０型）」Ｚｎ／空気ボタン電池（約０．２２６インチの外側缶直径）が使用された。試験の準備において、供試体は、底部にその中心が合わせられ、かつ底部に接着又は密封された。各タブシステムで密封した２０個の電池は、室温（２０℃から２５℃）及び５０％相対湿度で保管され、かつ各タブシステムで密封した２０個の電池は、６０℃で保管された。指定された保管時間の後に、供試体は、剥離強度に対して試験された。６０℃で保管された電池は、試験前に室温まで冷却され、試験は、２０℃から２５℃、かつ５０％相対湿度で行われた。

剥離試験は、小さい寸法の供試体に適合するように修正したＡＳＴＭ方法「Ｄ ９０３−９３」の「接着結合の剥離又は剥ぎ取り強度に関する標準試験方法」に従って実施された。電動スタンドの基部に電池を固く取り付けるような取付具が作製された。試験される各供試体に対して、電池は、取付具内に置かれ、タブシステム供試体は、スタンドに取り付けられた引張試験機（マサチューセッツ州アガマム所在の「Ｃ．Ｓ．Ｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｉｎｃ．」製の「Ｃｈａｔｉｌｌｏｎ ＤＦＡシリーズ」フォースゲージを備えた「Ｃｈａｔｉｌｌｏｎ ＴＣＭ−２０１」引張／圧縮試験器）内に置かれた。引張試験機は、電動スタンドによって毎分６インチの均一速度で上昇し、そのためにタブシステムの自由端は、電池の底部の上に折り畳まれ、タブが完全に電池から分離するまで電池の底部を横切って（缶の底面と平行に）引っ張られた。タブを引っ張るのに要したピーク引張力は、ゲージを用いて測定された。
剥離試験の結果は、以下の表１に示されている。

（表１）

実施例１における２つのタブシステムの各々から、それらの酸素透過率を測定するための供試体が切り取られた。比較供試体は、従来型タブシステム材料を作製するために使用された接着剤被覆内側フィルム層材料と、実施例１における両方のタブシステム材料を作製するために使用された接着剤被覆外側フィルム層材料から切り取られた。各供試体の寸法は、少なくとも幅２．５インチ、長さ２．５インチであった。

各種類の３つの供試体が、それぞれ以下の方法に従って試験された。
中央に位置する直径２インチのオリフィスを有する冷間圧延鋼の試験プレートが、アセトン及び水で洗浄された。各供試体は、オリフィスの上に位置決めされ、供試体がオリフィスの縁部を超えて少なくとも約０．２５インチ延びるようにして試験プレートに接着された。供試体は、更に、試験中の供試体が試験プレートの表面から離れないように、オリフィス壁に付加されたエポキシの薄いコーティングによって試験プレートに接着された。（これはまた、供試体が接着される試験プレートの表面にエポキシを付加するか、又は２つの整列した試験プレートの間に供試体を締め付けることによるような他の手段によっても達成することができる。）各々２０ｃｍ³／分の流量で金属プレートの一方の側の上に１００％水素ガスが供試体を横切って流され、プレートの反対側の上には、２０．８％の酸素を含有する空気流が供試体を横切って流された。供試体の中を通って水素ガス側に透過した酸素の量は、熱伝導度検出器（ミネソタ州ミネアポリス所在の「Ｍｏｃｏｎ Ｉｎｃ．」製の「ＭＯＣＯＮ（登録商標）ＯＸ−ＴＲＡＮ（登録商標）」計測器）によって測定された。

測定値は、１００％酸素に対する透過係数に換算され、その結果は、以下の表２に示されている。

（表２）

酸素透過率が、直径２インチのオリフィスを有する試験プレートを用いて判断されたが、試験を通して供試体が試験プレートに付着している限り、より長い試験時間が望ましい場合もあるが、タブシステムのより小さい供試体を試験するためにオリフィスの寸法を小さくすることにより試験プレートを修正することが可能である。

各タブシステム材料の損失剛性及び貯蔵弾性率を判断する「動的機械分析（ＤＭＡ）」のために、２つのタブシステム材料の各々から供試体が切り取られた。各供試体は、２ｍｍ幅、及び５．７ｍｍ長であった。
ＤＭＡ試験は、２５℃から８０℃の温度範囲にわたって「ＡＳＴＭ Ｄ４０６５−０１」に従って実施された。各供試体は、「動的機械分析装置」（英国マンスフィールド所在の「Ｔｒｉｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＴＤ」製の「ＴＲＩＴＥＣ型番２０００」）内に置かれた。供試体は、２つの鋼製クランプの間に取り付けられ、温度が２℃／分の割合で上昇される間に、一方のクランプは、供試体の一端を１ヘルツの速度で引張力を入力する正弦駆動装置に接続し、他方のクランプは、対応する張力を測定する力変換器に供試体の反対端を接続した。リアルタイムモードで収集されたデータは、損失剛性（図３のグラフに温度の関数としてプロット）及び貯蔵弾性率（図５のグラフに温度の関数としてプロット）の計算を可能にした。
本発明をある一定の実施形態に関して図示して説明したが、本明細書を読んで理解すると、当業者に均等物及び修正が想起されることは明白である。本発明は、全てのそのような均等物及び修正を含み、かつ特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

本発明の実施形態によりタブシステムを接着した空気電池の切り欠き斜視図である。 本発明の実施形態によるタブシステムを有する空気電池の断面図である。 本発明の実施形態による図２のタブシステムの損失剛性をある一定の温度範囲にわたって比較したグラフである。 本発明の実施形態による空気電池に使用される３層クラッド金属板のある一定の圧力範囲にわたって測定された撓みのグラフである。 本発明の実施形態による図２のタブシステムの貯蔵弾性率をある一定の温度範囲にわたって比較したグラフである。

符号の説明

１０２ カソード缶
１０８ 空気流入ポート
２００ 空気電池
２０２ タブシステム

Claims (20)

1. 電池の外面に沿った少なくとも１つの空気流入ポートと、
   前記少なくとも１つの空気流入ポートを覆うタブシステムであって、少なくとも第１のポリマー層と、電池の前記外面と該ポリマー層との間に配置された接着剤層とを含むようなタブシステムと、
   を備え、
   前記タブシステムは、２０℃から２５℃で５５，０００Ｎ／ｍ未満の損失剛性を有するものであり、且つ
   前記タブシステムは、５０（ｃｍ³×ｍ×ｍｍＨｇ）／（ｍ²×日）から１５０（ｃｍ³×ｍ×ｍｍＨｇ）／（ｍ²×日）の酸素透過率を有する、
   ことを特徴とする金属空気電池。
2. 少なくとも１つの空気流入ポートを有する電池の前記外面は、曲面を含む、請求項１に記載の金属空気電池。
3. 前記タブシステムは、その損失剛性が、２０℃から２５℃では２５，０００Ｎ／ｍから４５，０００Ｎ／ｍの範囲にあって、６０℃では３５，０００Ｎ／ｍ未満である、請求項１に記載の金属空気電池。
4. 前記電池は、亜鉛を含む活物質と水酸化カリウムを含む電解液とを備えた、請求項１に記載の金属空気電池。
5. 前記電池は、水銀添加がゼロである、請求項４に記載の金属空気電池。
6. 前記電池は、１．１８から１．３７ボルトの範囲の開回路電圧を有する、請求項４に記載の金属空気電池。
7. 前記電池は、ほぼ円筒の形状である、請求項１に記載の金属空気電池。
8. 前記電池は、ボタン型電池である、請求項７に記載の金属空気電池。
9. 前記電池は、ほぼプリズム形状である、請求項１に記載の金属空気電池。
10. 前記第１のポリマー層は、ポリプロピレンを含む、請求項１に記載の金属空気電池。
11. 前記第１のポリマー層は、第１の方向の引張応力と該第１の方向とは直角を成す第２の方向の引張応力との比が１：３から３：１の範囲であるように二軸配向にされている、請求項１０に記載の金属空気電池。
12. 前記第１のポリマー層の厚みは、０．０７６２ｍｍから０．１２７ｍｍ（０．００３インチから０．００５インチ）の範囲である、請求項１１に記載の金属空気電池。
13. 前記接着剤層は、電池上に可視残留物を残さずに電池から除去可能である、請求項１０に記載の金属空気電池。
14. 前記接着剤層は、アクリル接着剤を含む、請求項１３に記載の金属空気電池。
15. 前記タブシステムは、第２のポリマー層を含む、請求項１０に記載の金属空気電池。
16. 前記第２のポリマー層は、ポリプロピレンを含み、且つ機械方向の引張応力と横方向の引張応力との比が１：３から３：１の範囲であるように二軸配向されている、請求項１５に記載の金属空気電池。
17. 前記タブシステムは、少なくとも２９６．４７ｋＰａ（４３ｐｓｉ）の平均破裂圧力を有する、請求項１から１６のいずれかに記載の金属空気電池。
18. 前記タブシステムは、４４．８ｋＮ／ｍ²から７５．８ｋＮ／ｍ²（６．５ｐｓｉから１１ｐｓｉ）の範囲の剥離強度を有する、請求項１７に記載の金属空気電池。
19. 前記電池は、亜鉛を含む活物質及び水酸化カリウムを含む電解液を備え、１．１８から１．３７ボルトの範囲の開回路電圧を有し、且つ水銀添加がゼロである、請求項１８に記載の金属空気電池。
20. 前記タブシステムは、第２のポリマー層を備え、
    前記第１のポリマー層及び第２のポリマー層は、両方とも、ポリプロピレンであり、
    前記第１のポリマー層及び第２のポリマー層は、両方とも、機械方向の引張応力と横方向の引張応力との比が１：３から３：１の範囲であるように二軸配向にされ、且つ
    前記タブシステムは、前記第１のポリマー層と第２のポリマー層との間に第２の接着剤層を備えた、請求項１９に記載の金属空気電池。

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