JP4909989B2 - アルカリ・バッテリのアノード・ケーシング - Google Patents

Description

本発明は、水性アルカリ電解質と、負極と接触した負極ケーシングとを備えた電気化学バッテリ・セルに関する。

水性アルカリ・セルは、多くのバッテリにおいて使用されている。これまで、セル内の望ましくない電気化学反応に起因する水素ガスの発生を最小にするために、これらのセルにおいて、水銀が使用されることが多かった。環境問題のため、アルカリ・セルへの水銀の添加を低減させる又は排除するための努力がなされてきた。材料及びバッテリ設計におけるその他の変更の結果として、現在販売されている大部分の大量消費者向けアルカリ・バッテリは、添加水銀を含まない。しかしながら、何らかのタイプの水性アルカリ・セル、特に大小とりどりのボタン型セル及び金属−空気セルにおいては、水銀を排除することは、より一層困難である。

水性アルカリ・セルにおける漏れの原因には、水素ガスの発生、シール部材及びシール界面を通る電解質の吸上作用（ｗｉｃｋｉｎｇ）、並びにシール界面を通る電解質の電気化学的駆動による沿面漏れ（ｃｒｅｅｐａｇｅ）が挙げられる。アルカリ電解質と接触した負極の活物質及び他の金属（電流コレクタ及び混入物質を含む）の腐食によって生成され得る水素ガスは、セル内圧の増大をもたらし、このことが、セル・ハウジング内の脆弱領域を通して電解質を駆動させることになる。電解質は、孔及びシール部材内の他の開口部を通して、シール部材と電解質をセル・ハウジング内にシールする他の構成部品との間で、毛管作用による吸い上げを行うことができる。荷電表面が電解質によってより容易に濡らされるので、シール界面における金属（例えば、電極の１つと電気的に接触しているセル容器の金属構成部品）に電位がかかるとき、電気毛管駆動によって、毛管吸上作用を加速することができる。電気化学的駆動による沿面漏れは、シール部材と、負電位にある金属ハウジング構成部品（例えば、負極ケーシング、カバー、又は電流コレクタ）との間に生じ得る。この沿面漏れは、電解質の前縁にある負に帯電した金属基板における酸素の還元及び／又は水の還元によって、ヒドロキシル・イオンが生成された結果、生じるものである。金属基板の負電位により、局所化された高濃度のヒドロキシル・イオンと組み合わされて、水及び／又は電解質がこの反応域に引き込まれ、液体の容量が増大され、液体層を、セル中のバルク電解質から遠ざかるように液体層が押し付けられることがある。この現象は、Ｈｕｌｌ他による「Ｗｈｙ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｃｅｌｌｓ Ｌｅａｋ」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．：Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１２４巻、第３号（１９７７年３月）、３３２−３３９頁、Ｄａｖｉｓ他による「Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｃｅｌｌ Ｌｅａｋａｇｅ」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．：Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１２５巻、第１２号（１９７８年１２月）、１９１９−１９２３頁、及びＢａｕｇｈ他による「Ａ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｃｅｌｌ Ｌｅａｋａｇｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、８（１９７８年）、２５３−２６３頁に詳細に記載されている。

水銀は、非常に高い水素発生過電圧を有し、コレクタのガス発生を長期間抑制するのに重要である、負極電流コレクタの上への負極活物質（例えば、亜鉛）のめっきの質を高めることができるので、水素ガス発生及び電気化学的駆動による沿面漏れを抑制するのに良好に働いた。アルカリ・セルからの水銀の低減及び排除には、水素ガス発生を最小にするための他の手法が必要になる。アルカリＺｎ／ＭｎＯ₂セルのために使用されてきた一般的な手法の例は、次の公報に開示されている。すなわち、米国特許第５，４６４，７０９号（ｌｏｗ−ｇａｓｓｉｎｇ ｚｉｎｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ、低ガス発生亜鉛組成物）、米国特許第４，７９１，０３６号及び第４，９９２，３４３号（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ａｌｌｏｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ、電流コレクタ合金組成物）、米国特許第５，１８８，８６９号、第５，２８１，４９７号、第５，３９７，６５８号及び第５，４４５，９０８号（ｃｏａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ−ｇａｓｓｉｎｇ ｍｅｔａｌｓ、低ガス発生金属での電流コレクタの被覆）、米国特許第５，１６８，０１８号（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｇａｓｓｉｎｇ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ、負極に添加された無機ガス発生抑制剤及び有機界面活性剤）、並びに米国特許第６，４６８，６９１号（ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｅａｌ ｄｅｓｉｇｎ、改善されたシール設計）及び第６，２５６，８５３号（ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｅｌｌ ｃｌｏｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ、改善されたセル閉鎖プロセス）である。

ボタン型セル及び金属−空気セルは、一般に、電解質の漏れの可能性がより高く、及び／又はセルからの漏れの影響が他のアルカリ・セルにおけるよりも大きいので、ボタン型セル及び金属−空気セルからの水銀の排除はより一層困難である。ボタン型セルは、セルの外面を覆うジャケットのない単一のセル・バッテリとして販売されることが多く、シール界面の部分が残るので、バッテリの外面に、シール界面の外部に達する何らかの液体電解質又は電解質塩が存在する。ボタン型セルの外面上の電解質液体又は塩は、電気接触面の腐食を引き起こすことがあるので、たとえ微量であっても、審美的観点及び機能的観点の両方から好ましくないものである。金属−空気セル及びバッテリは、空気がセルに入るのを可能にするように、ケーシング内に空気アクセス・ポートを有する。これらの開口部は、電解質が漏れる可能性がある更なる場所となるが、金属−空気セルは、必ずしも漏出電解質を隠し、含有する外部ジャケットを有するとは限らない。ボタン型セル及び一部の金属−空気セルにおいて、負極ケーシングは、電流コレクタとして機能することができ、ケーシングは、電極容積に対して、負極に接触するための比較的大きい表面積を有することが可能である。こうした大きな表面積は、セル内のガス発生の機会をより多くもたらす可能性がある。

トリクラッド（ｔｒｉｃｌａｄ）のニッケル／ステンレス鋼／銅（Ｎｉ／ｓｓ／Ｃｕ）のようなクラッド金属は、ボタン型金属−空気セルの負極ケーシングのための一般的な材料であった。ステンレス鋼コア層は、強度をもたらし、ニッケルめっきされた外層は、魅力的な外観を与える。銅の内層は、優れた導電性を有し、ステンレス鋼を覆う連続的コーティングを提供し、活物質としてアルカリ電解質及び亜鉛を含有する負極と接触したときに容易に亜鉛でめっきすることができ、亀裂が入って下にあるステンレス鋼層を露出させることなく、所望の形状に形成することができる。

負極ケーシングが電流コレクタとして働くアルカリボタン型セル及び金属−空気セルの漏れ抵抗をさらに改善するための試みがなされてきた。例えば、Ｍａｎｓｆｉｅｌｄ他（米国特許第５，２７９，９０５号及び第５，３０６，５８０号）には、ステンレス鋼ベース層と、外部接触端子面上のニッケル層と、内部負極接触面上の銅層とを備えたトリクラッド材料で作製される負極ケーシング（アノード・カップ）を有するアルカリ亜鉛−空気ボタン型セルが開示されている。トリクラッド材料の銅の表面全体は、インジウム、ビスマス、又は亜鉛で被覆され、銅より高い水素発生過電圧及び低い水素発生速度を有するが、ケーシングの外面には、許容可能な外観を維持するために、インジウム、ビスマス、及び亜鉛を含まない。しかしながら、Ｇｕｏ他（米国特許第６，６０２，６２９号）は、ケーシングのシール界面領域における銅層を覆うインジウム・コーティングが、電極接触領域におけるインジウム・コーティングの利点を相殺することがあること、及び、ケーシングのシール領域は、漏れ抵抗を改善するために、シール領域における銅より高い水素過電圧を有する非インサイチュ堆積金属（non-in situ deposited metal）を有する必要がなく、ケーシングの電極接触面は、シール領域でない限り、こうした金属で被覆することができることを開示している。Ｒａｍａｓｗａｍｉ他（米国特許第６，８３０，８４７号）は、ケーシング材料の縁部面における異種金属間の電位勾配、及び縁部面が電解質と接触したときに結果として生じる水素ガス発生反応を防止するために、保護金属コーティング層で被覆された少なくとも周辺縁部面を少なくとも有する、多クラッドの負極ケーシングを有するアルカリ性亜鉛−空気セルを開示する。ケーシングの内面及び／又は外面は、元素状金属のスズ、インジウム、銀、銅、又は金、或いは、真鍮、青銅、燐青銅、ケイ素青銅、又はスズ／鉛合金のような合金から選択される、同じ保護金属で被覆することができる。Ｂｒａｕｎｇｅｒ他（米国特許公開第２００３／０２１１３８７Ａｌ号）は、外面がニッケルで、かつ、内面が銅で被覆された鋼又はステンレス鋼層を備えたアノード・ケーシングを有するアルカリ亜鉛−空気ボタン型セルを開示する。ガス発生を抑制するために、少なくとも外面は、実質的にニッケルを含有しない銅−スズ合金又は銅−スズ−亜鉛合金で被覆されており、負極ケーシング及び正極ケーシングの内面を、ニッケルを含まない合金で被覆することもできる。

セルの審美的外観に悪影響を与えることなく、負極ケーシングが電流コレクタとして働くアルカリボタン型及び金属−空気セル、特に添加水銀のないセルの漏れ抵抗をさらに改善するための必要性がある。

上記の観点において、本発明の目的は、水性アルカリ電解質を有し、優れた漏れ抵抗を有する負極と接触した負極ケーシングを有する電気化学バッテリ・セルを提供することである。
本発明の別の目的は、添加された水銀がなく、優れた審美的外観を維持しながら、コレクタ表面における水素ガス発生から生じる電解質の漏れ、電気毛管漏れ、及び電気化学的駆動によるクリーページに対して優れた耐性を有するアルカリ・セル、特にボタン型セル又は金属−空気セルを提供することである。

少なくとも負極接触面及びシール面全体に銅、スズ、及び亜鉛の合金を含む層で被覆された金属基板から作製された負極ケーシングを有するセルを提供することによって、アルカリ電解質及び負極ケーシングを有する電気化学バッテリ・セルにおいて、上記の目的が対処され、従来技術の上記の不利な点が克服される。金属基板が銅であるとき、銅は合金コーティングを通ってコーティングの表面に移動することができ、これにより、周囲の合金より高い速度で水素ガスを生成する、銅の小さい局所化された領域が形成されることを発見した。アルカリ電解質と接触することができる負極ケーシングの表面の少なくとも一部分において銅を含まない基板材料を用いることによって、この問題を回避することができる。

従って、本発明の一態様は、正極と、亜鉛を含む負極と、正極と負極間に配置されたセパレータと、溶質及び水性アルカリ溶媒を含む電解質と、電極、セパレータ、及び電解質を含有するセル・ハウジングとを有する電気化学バッテリ・セルである。このハウジングは、正極と接触した金属の正極ケーシングと、負極と接触した金属の負極ケーシングと、電極及び電解質をセル・ハウジング内にシールするために、正極ケーシングと負極ケーシングとの間に配置され、それらを電気的に絶縁するシール部材とを含む。負極ケーシングは、実質的に銅を含まない金属基板から形成され、かつ、第１の主面、第２の主面、及び主面の周辺部の縁部面を有し、負極ケーシングは、第１の主面、第２の主面、及び縁部面の少なくとも部分を含む露出された面をもった形状を有する。負極ケーシングは、シール部材とシール係合するためのシール領域と、負極と接触するための電流コレクタ領域とを有する。シール領域及び電流コレクタ領域における負極ケーシングの露出面の少なくともそれらの部分が、銅、スズ、及び亜鉛を含む合金の層で被覆され、銅、スズ、及び亜鉛の相対的な重量は、それぞれ５５〜８５、９〜３０、及び２．５〜２０である。本発明の第２の態様は、二酸化マンガン、酸化銀、及び酸素のうちの少なくとも１つを含む活物質を含む正極と、添加水銀を含有しない亜鉛組成物を含む活物質を有する負極と、正極と負極との間に配置されたセパレータと、溶質及び水性アルカリ溶媒を含む電解質と、電極、セパレータ、及び電解質を含有するセル・ハウジングとを有する電気化学バッテリ・セルである。このセル・ハウジングは、正極と接触した金属正極ケーシングと、負極と接触した金属負極ケーシングと、電極及び電解質をセル・ハウジング内にシールするための、正極ケーシングと負極ケーシングとの間に配置され、かつ、これらを電気的に絶縁するシール部材とを含む。負極ケーシングは、実質的に銅を含まない金属基板から形成され、かつ、第１の主面、第２の主面、及び主面の周囲を囲む縁部面を有し、負極ケーシングは、第１の主面、第２の主面、及び縁部面の少なくとも部分を含む露出された面をもった形状を有する。負極ケーシングは、シール部材とシール係合するためのシール領域と、負極と接触するための電流コレクタ領域とを有する。シール領域及び電流コレクタ領域における負極ケーシングの露出面の少なくとも部分が、銅、スズ、及び亜鉛を含む合金の層で被覆され、銅、スズ、及び亜鉛の相対的な重量は、それぞれ５５〜８５、９〜３０、及び２．５〜２０である。

本発明のこれら及び他の特徴、利点、及び目的は、以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することにより、当業者によりさらに理解され、認識されるであろう。
特に指定されない限り、ここでは以下の定義及び方法が用いられる。すなわち、
・実質的に銅を含まない−銅が意図的に添加されず、如何なる銅も混入物質としてのみ存在する。
・連続的コーティング−露出された基板も、又は電解質が基板の表面に達することができるコーティング内の貫通孔も有さない、基板の表面を完全に覆うコーティング。
・不連続的コーティング−露出された基板の部分を残す空隙及び／又は電解質が基板表面に達することができるコーティング内の貫通穴を有する、基板の表面を完全には覆わないコーティング。
・表面粗さ−米国コネチカット州Ｍｉｄｄｌｅｆｉｅｌｄ所在のＺＹＧＯ Ｃｏｒｐ．社からのＺＹＧＯ（登録商標）ＮｅｗＶｉｅｗ（商標）モデル１００プロフィルメータのような、非接触型プロフィルメータを用いて測定されるような表面の粗さ。
・ボタン型セル−その直径より短い全高を有する小さい丸型セル。
・円筒型セル−直線状の円筒型本体と、その直径より長い全高とを有する丸型セル。
・角柱型セル−ほぼ角柱状の断面（例えば、三角形、矩形、台形、六角形）を有する丸くないセルであり、その例には、フラット・セル、矩形セル、及び正方形セルが挙げられる。
・添加水銀を含まない−構成部品及び材料を含むセルの製造中、水銀が意図的に添加されないことであり、如何なる水銀も、混入物質としてごく少量存在するにすぎない。
本明細書で特に指定されない限り、全ての開示された特性及び範囲は、室温（２０℃から２５℃）で測定されたものである。

本発明の実施形態には、例えば、亜鉛−空気セル、亜鉛−酸化銀セル、及び亜鉛−二酸化マンガン・セルのようなボタン型セルが含まれる。他の実施形態には、負極（アノード）ケーシングがアノードと接触しており、これにより、アノード電流コレクタとして機能する円筒型セル及び角柱型セルが含まれる。本発明はまた、他のアノード及び正極（カソード）活物質を有する水性アルカリ電解質セルのためにも使用することができ、本発明は、例えば亜鉛（標準水素電極に対して約−１．２５ボルト）のような、相対的に大きい負電位を有するアノード物質を有するセルにおいて、特に有利である。
本発明の一実施形態は、図１に示されるようなボタン型亜鉛−空気セルである。セル１０は、カソード・ケーシングとして、相対的に平坦な中央領域１４と、直立壁１６とを有するカン１２をとして含む。或いは、カン底部の中央領域１４は、該カン底部の周辺部から外方に突出することができる。カン底部の中央領域１４は、空気入口ポートとして働くための少なくとも１つの開口部１８を有する。カソード・カンはまた、セル１０の正の接触端子として機能することもできる。

空気電極２０は、カソード・カン１２の底部付近に配置される。空気電極２０はまた、空気入口ポートに面する空気電極２０の側部に積層された疎水性層を有することも好ましい。空気電極２０はまた、疎水性層２２と反対側付近に、内部に埋め込まれた電流コレクタを含有することもできる。セパレータ２４の層は、疎水性層と反対側の空気電極２０の表面に付着される。付加的なセパレータ層（図示せず）を、空気電極２０に付着されたセパレータ層２４の上部に配置することができる。空気拡散シート２２を、空気電極２０の疎水性層とカン１２底部の中央領域１４との間に配置することができる。随意的に、付加的なバリア層（図示せず）を、電極の疎水性層と空気拡散シート２２との間に付加することができる。

セル１０はまた、アノード・ケーシングとして、一般にアノード・カップと呼ばれるカップ形状の構成部品２６を含む。アノード・カップ２６は、側壁３６を備えた凹状領域を有する。アノード活物質及び水性アルカリ電解質を含むアノード混合物２８が、セパレータ２４とアノード・カップ２６の凹状部分との間に配置される。アノード混合物２８は、アノード・カップ２６と直接接触しているので、アノード・カップ２６は、アノード電流コレクタとして働く。アノード混合物と接触できるアノード・カップ２６の領域は、電流コレクタ領域である。アノード・カップ２６はまた、セル１０の負の接触端子としても働く。
セル１０はまた、カソード・カン１２とアノード・カップ２６との間のシール部材である環状ガスケット３０も含む。ガスケット３０の底縁部は、アノード・カップ２６の下縁部と当接する内向きリップ３２を有する。ガスケット３０と共にシールを形成するカソード・カン１２及びアノード・カップ２６のそれらの部分は、それぞれカソード・カン１２及びアノード・カップ２６のシール領域と呼ばれる。ガスケット３０のシール面、カソード・カン１２のシール領域、アノード・カップ２６のシール領域、又はこれらの組み合わせに、シーラントを適用することができる。

図１は、アノード混合物２８とセパレータ２４との間に隙間を有した状態で、アノード・カップ２６のアノード接触面全体に対して配置されたアノード混合物２８を示すが、一旦セルが組み立てられ、閉じられると、セルは、アノード混合物２８がシフトしてセパレータ２４と接触するように配置される。このことにより、アノード・カップ２６のアノード接触面の一部だけと接触したアノード混合物２８と、アノード接触面の残りとアノード混合物２８との間のエアスペースとが残される。このエアスペースは、放電反応生成物、及び保管及び放電中にセルに入り得る又はセル内で生成され得るあらゆる付加的な水、並びにセル内に生成され得る何らかのガスの増大した容積を収容することが意図される。
適切なタブ（図示せず）を開口部１８の上に配置し、セル１０が使用できる状態になるまでセルをシールすることができる。

図１に示されるアノード・カップ２６を作製する材料の縁部面が、側壁３６の開放端、又は底部リムに配置される。このタイプのアノード・カップは、本明細書では直線壁で囲まれたアノード・カップと呼ばれる。他のタイプのアノード・カップは、凹状領域を超えて延びる周辺部を有することができる。例えば、周辺部は、実質的に水平方向のフランジとすることができ、アノード・カップ材料の縁部面は、フランジの最外部にある。このタイプのアノード・カップは、本明細書ではハット形状のカップと呼ばれる。別の例においては、カップの周辺部を外方及び上方に曲げて、Ｕ形状を形成することができ、アノード・カップ材料の縁部面は、アノード・カップの底部リムの上方に配置される。このタイプのアノード・カップは、本明細書では再折り畳みカップと呼ばれる。Ｕ形状の再折り畳みカップは、Ｕの側部間に相対的に大きな隙間を有する開口したＵとすることができ、又は特にＵの上部において側部間の隙間がほとんどないか又は隙間がない閉鎖したＵとすることができる。これらのタイプのアノード・カップの各々は、異なる利点を提供する。例えば、ハット形状の再折り畳みカップにおいて、カップ材料の縁部面は、アノード・カップの意図されたアノード接触面からの距離が長いので、電解質は、縁部面に達する前に、ガスケットとアノード・カップとの間のシール界面を通ってより長い距離を移動しなければならない。再折り畳みカップはまた、半径方向の力に対してより大きい耐性を有する傾向があるので、直線壁で囲まれたカップよりも、シールされたセルにおいてガスケットにより大きい半径方向の圧縮力を与えることができる。ハット形状の再折り畳みカップは、一般に、直線壁で囲まれたカップのものと同じく鋭利な底部リムを有していないので、軸方向の力がカップに適用されたときに、ガスケットを損傷する可能性は少ない。再折り畳みカップは、二重の材料層を有するので、直線壁で囲まれたカップ又はハット形状のカップと比べて、その領域が強く、より薄い材料又はより脆弱な材料の利用も可能になる。直線壁で囲まれたカップは、再折り畳みカップ及びハット形状カップと同じだけの総セル容積を必要としないので、活物質のために、より大きい内容積が利用可能である。

本発明によるボタン型亜鉛−空気セルは、アノードに接触するための電流コレクタ面であり、かつ、ガスケットとのシール係合面である、形成されたアノード・カップの少なくともそれらの露出面（すなわち、カップが形成された後に、ガスケットと接合されるか又はセルに入れられる前に目に見える表面）上に、銅、スズ、及び亜鉛の合金層で被覆された金属基板で作製されたアノード・カップを有し、そこで、アノード混合物と直接接触した結果として、又は、（例えば、毛管吸上作用、電気毛管吸上作用によって、又は、アノード・カップとガスケットとの隣接する面間の電気化学的に駆動されるクリーページによる）シール領域への電解質の移動の結果として、それらの露出面が、セル内のアルカリ電解質と接触できるようになる。合金はまた、電解質と接触したときに水素ガス発生をさらに低減させ、基板上のコーティングの質（例えば、均一性、連続性、厚さ、又は滑らかさなど）を改善し、アノードからカップのアノード接触面への亜鉛の堆積速度を増大させ、カップのアノード接触面の上への亜鉛の堆積の均一性を改善し、カップの外面上により望ましい外観を与え、導電性を改善し、製造中のコーティングへの損傷に対する耐性を改善する等のために含められる、他の金属を含むこともできる。

アノード・カップ基板材料は、材料を所望の形状に形成するのに適切な特性と、アノード・カップとガスケットとの間の圧縮シールを維持するのに十分な強度とを有する金属である。電解質の毛管吸上作用及び電気毛管吸上作用に対して耐性がある良好なシール面を提供するために、アノード・カップの少なくともシール領域における金属基板の表面は、カップが形成された後に比較的滑らかであることが好ましい。適切な材料の例は、例えば、ステンレス鋼のような鋼を含む。ステンレス鋼は、セルの外面上の露出された如何なる領域においても、セルの外部環境による腐食に対する耐性があるという付加的な有利を有する。基板の表面もまた、基板の縁部面を含む、アノード混合物及びガスケットに近接したこれらの領域において、少なくとも実質的に銅を含まず、基板の表面全体が、実質的に銅を含まないことが好ましい。

一実施形態においては、銅−スズ−亜鉛合金で被覆された基板表面の少なくとも一部分は、ニッケルを含む。例には、ニッケル／ステンレス鋼／ニッケルのトリクラッド、ニッケルめっきされた鋼、及びニッケルめっきされたステンレス鋼で作製されたアノード・カップが挙げられる。
別の実施形態においては、銅−スズ−亜鉛合金で被覆された表面が、銅のものよりも大きい水素過電圧を有する材料（例えば、スズ）を含むので、銅−スズ−亜鉛合金コーティングに、該コーティングを貫通する孔又は亀裂が含まれるか、或いは、孔又は亀裂が生じた場合には、電解質が下の材料と接触する場合のガス発生反応は最小になる。銅−スズ−亜鉛合金コーティングの下の材料は、コーティングを通して、コーティングの表面に移動しないものであることが好ましい。アンダーコーティングを備えた実施形態の例は、最終的な銅−スズ−亜鉛合金で被覆される前に、まず、銅、スズ、及び亜鉛を含む別の合金が基板に適用されるものである。銅とスズの比がわずかに高い合金は、基板の上に良好にめっきすることができるが、コーティングは、所望するよりも黄色又は赤色の外観を有することがあり、銅とスズの比が低い合金は、所望の白色外観を有するが、十分にめっきされないことがある。銅とスズの比が高い合金（例えば、約４：１）を、まず、基板（例えば、ステンレス鋼）の上にめっきし、続いて、銅とスズの比が低い合金（例えば、約２：１）をめっきすることにより、基板の表面に良好な被覆範囲と、所望の白色外観を与えることができる。

銅−スズ−亜鉛合金層は、約５５〜８５重量部の銅、約１０〜３０重量部のスズ、及び約２．５〜２０重量部の亜鉛に及ぶ割合で、銅、スズ、及び亜鉛を含む（以下に述べられるように、少量の混入物質又は他の合金金属を含まない）。より高い亜鉛濃度は、ガス発生を最小にするのに望ましいので、合金中の銅、スズ、及び亜鉛の好ましい割合は、約５５〜６０部の銅、約２５〜３０部のスズ、及び約５〜２０部の亜鉛である。この割合は、約５５〜６０部の銅、約２５〜３０部のスズ、及び約１０〜２０部の亜鉛であることがより好ましい。合金が、少なくとも約１５重量％の亜鉛を含有することが最も好ましく、１６重量％よりかなり多い亜鉛を達成することは困難である。合金層はまた、合金層の特性（例えば、水素ガス発生率、基板に対する接着力、厚さ、又は均一性）を改質するために、少量の（例えば、約２重量％未満の）他の金属を含むこともできる。合金層は、鉛をほとんど含まないか（約２％以下）、又は本質的に含まない（１００万部あたり１０重量部未満）ことが好ましい。合金層の正確な組成は、コーティングを適用する方法、めっき浴又は溶液の組成、材料中の混入物質、並びに使用される機器及びプロセス制御パラメータのような因子に応じて、変化し得る。好ましくは、コーティングは、連続的なものであり、アノード混合物及びガスケットに近接する基板の少なくともそれらの部分上のコーティングを通る亀裂又はピンホールがないので、セルが組み立てられた後、電解質は、基板と直接接触することができない。好ましいコーティング厚は、約１〜８μｍであり、より好ましくは、少なくとも約３μｍである。コーティング厚は、５μｍ以下であることが好ましい。コーティングが薄すぎる場合には、連続的なコーティングを提供することができず、コーティングが厚すぎる場合には、材料厚全体に悪影響を与え、形成された部品のコーナー部及び縁部に蓄積する傾向があり、コーティングを適用するのに必要な時間が不必要に増加する可能性がある。

任意の適切なプロセスを用いて、任意の適切な時間で銅−スズ−亜鉛合金を適用することができる。例えば、コーティングは、所望のカップ形状に形成される前に基板片に、又は形成されたカップに適用してもよい。合金は、カップの外面の一部分だけに、又は全体に適用してもよい。合金は、銅のような金属に比べて相対的に硬質であるので、カップが形成された後に合金が適用されるとき、連続的なコーティングを有利に達成し、最少量の合金を用いてカップ上に維持することができる。
銅−スズ−亜鉛合金は、基板に直接適用することができ、又は銅−スズ−亜鉛合金層がアノード・カップに適用される前に、例えば、ニッケル又はスズのような別の金属で、基板の少なくとも一部分を被覆することができる。こうした他の金属を用いて、望ましい外観を与え、耐食性を改善し、銅−スズ−亜鉛合金層の堆積を容易にし、又は、後に銅−スズ−亜鉛合金で被覆されない場合に、アノード・カップの接触端子面の電気的接触抵抗を低減させることができる。この中間金属コーティングは、１つ又はそれ以上の金属又は合金を含むことができ、例えば、活性ストライク層として適用することができる。

一実施形態において、ストライク層は、ニッケルを含むことができ、例えば、ウッド・ニッケル（Ｗｏｏｄｓ ｎｉｃｋｅｌ）のストライク溶液を用いて電着することができる。基板材料自体は実質的に銅を含まないが、別の実施形態においては、最終的な銅−スズ−亜鉛合金層を堆積させる前に、基板の上に銅又は銅合金の薄い層を堆積させるために、銅又は銅含有ストライクを用いることができる。銅含有ストライク層の厚さは、約２．５μｍ以下であることが好ましく、約１．０μｍ以下であることがより好ましい。ストライク層が厚すぎる場合には、後に銅−スズ−亜鉛合金層を通ってアノード・カップの表面に拡散するのに、十分な銅がストライク層内に存在し得る。銅含有ストライク層は、少なくとも０．５μｍの厚さであることが好ましい。銅含有ストライク層が薄すぎる場合には、所望の特性を提供するのには不十分である。銅含有ストライク層は、例えば、シアン化銅又はシアン化青銅のストライク溶液を用いて電着させることができる。

コーティングを適用する好ましいプロセスは、電気めっき、特に、形成されたアノード・カップのバレルめっき、振動めっき、及び噴流層式電極めっき（米国ロードアイランド州Ｃｒａｎｓｔｏｎ所在のＴｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｃ．，社によって開発された電気めっき手段であり、これにより、めっきされる部分が、めっき浴からの電解質の連続的な噴水状の流れの中で循環する）である。電気めっきプロセスは、少なくともアノード混合物及びガスケットに近接する表面（基板の縁部面を含む）上に滑らかで連続的なコーティングを与えることができ、同様に、アノード・カップの接触端子部分上に魅力的な導電性の耐食コーティングを与えることもできる。小さいアノード・ケーシング、特に約１２ｍｍの最大直径又は幅及び約５ｍｍの最大高さを有するものを電気めっきする好ましい方法は、噴流層式電極めっきである。こうしたプロセスは、米国特許第６，１９３，８５８号に開示されている。

適切な合金めっき溶液は、約２〜１２．５ｇ／リットルの銅、約６〜３４ｇ／リットルのスズ、及び約０．７５〜１．６ｇ／リットルの亜鉛を含有することができる。好ましいめっき溶液は、約８．５ｇ／リットルのＣｕ、約３４．０ｇ／リットルのＳｎ、及び約０．７５ｇ／リットルのＺｎを含有する、ドイツ国Ｓｃｈｗａｂｉｓｃｈ Ｇｍｕｎｄ所在のＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，ＯＭＧ Ｇａｌｖａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨからのＭＩＲＡＬＬＯＹ（登録商標）２８４４めっき浴である。時間、温度、ｐＨ、浴循環、及び電流密度のようなめっき制御パラメータは、特定のプロセス及び機器、並びにアノード・ケーシングのタイプ、サイズ、量、及び形状によって変わり得る。

図１に示されるセルのようなボタン型アルカリ亜鉛−空気セルの例は、国際電気標準会議（ＩＥＣ）国際標準６００８６−１に従った、ＰＲ４１、ＰＲ４４、ＰＲ４８、ＰＲ６３、及びＰＲ７０タイプである。こうしたセルは、例えば、ＫＯＨ水溶液のようなアルカリ金属水酸化物電解質と、活物質として亜鉛を含有するアノードと、１つ又はそれ以上の空気入口ポートを通してセルに入る空気中に含まれる酸素を還元することができる正極とを有する。
ボタン型アルカリ亜鉛−空気セルの好ましい実施形態において、カソード・カンは、ニッケルめっきされた鋼で作製され、ガスケットは、ナイロン６−６のような適切なエラストマー材料で作製される。

シーラント材料は、アノード・カップ、カソード・カン、及びガスケットのシール面のいずれにも適用することができる。例えば、ガスケット全体を、例えばアスファルト（ビチューメン）のような１つ又はそれ以上のシーラト材料、エラストマー材料（例えば、エチレンビニルアセテート及び脂肪族又は脂肪酸ポリアミド）、及び熱可塑性エラストマー（例えば、ポリオレフィン、ポリアミン、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリイソブテン）で被覆することができる。好ましいシーラントは、米国テネシー州Ｊａｃｋｓｏｎ所在のＦｏｒｂｏ ＡｄｈｅｓｉｖｅｓからのＳｗｉｆｔ８２９６６であり、トリクロロエチレン又はイソプロピルアルコールのような揮発性溶媒を有する溶液中でガスケットに適用することができる。
アノード混合物は、好ましくは添加水銀を含まない、低ガス発生の亜鉛組成物、及びアノード・カップのアノード接触面の上への所望の亜鉛めっきを増強し、セルが閉鎖された後の水素ガス発生を抑制することができる添加剤を含有することが好ましい。

添加水銀を含まないアルカリ・セルに用いるのに適した低ガス発生の亜鉛組成物が、米国特許第６，６０２，６２９号（Ｇｕｏ他）、第５，４６４，７０９号（Ｇｅｔｚ他）、及び第５，３１２，４７６号（Ｕｅｍｕｒａ他）に開示されている。適切な亜鉛合金組成物の例は、ビスマス、インジウム、及びアルミニウムを含有する合金、１００万あたり約１００重量部（ｐｐｍ）のビスマス、２００ｐｐｍのインジウム、１００ｐｐｍのアルミニウム、並びに低濃度（３５ｐｐｍ以下）の鉛を含有し、約９０マイクロメートルから１２０マイクロメートルまでの間の平均粒径（Ｄ₅₀）を有する亜鉛合金のような、ビスマッチ、インジウム、及びアルミニウムを含有する合金である。こうした亜鉛合金の例は、ベルギー国ブリュッセル所在のＮ．Ｖ．Ｕｍｉｃｏｒｅ，Ｓ．Ａ．社からの、グレードＢＩＡ、ＮＧＢＩＡ１００（約１００μｍのＤ₅₀を有する）、及びＮＧＢＩＡ１１５（約１１５μｍのＤ₅₀を有する）である。低ガス発生の亜鉛組成物の別の例は、約４００〜５５０ｐｐｍの鉛と、１．５重量％以下の酸化亜鉛と、総量２５ｐｐｍ以下のクロム、鉄、モリブデン、ヒ素、アンチモン、及びバナジウムと、６８ｐｐｍ以下のクロム、鉄、モリブデン、ヒ素、アンチモン、バナジウム、カドミウム、銅、ニッケル、スズ、及びアルミニウムとを含有する亜鉛合金である、米国ペンシルヴェニア州Ｍｏｎａｃａ所在のＺｉｎｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ社からのＺＣＡグレード１２３亜鉛粉末である。

腐食（水素ガス発生）抑制剤及びアルカリ亜鉛セルに用いることができる他の望ましい添加剤の例としては、インジウム化合物（例えば、水酸化インジウム）、酸化亜鉛、及び腐食防止界面活性剤（例えば、米国ニュージャージー州Ｃｒａｎｂｕｒｙ所在のＲｈｏｄｉａ，Ｉｎｃ．社からのＬＵＢＲＨＯＰＨＯＳ ＬＢ−４００、ポリオキシエチレンオクタデセニルエーテルホスフェート、米国ミシガン州Ｍｉｄｌａｎｄ所在のＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＣＡＲＢＯＷＡＸ（登録商標）５５０、ポリエチレングリコール、ドイツ国ＢＹＫ ＣｈｅｍｉｅからのＤＩＳＰＥＲＢＹＫ（登録商標）１０２、１９０、及び１５５、米国イリノイ州Ｎｏｒｔｈｆｉｅｌｄ所在のＳｔｅｐａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社からのＳＴＥＰＦＡＣ（登録商標）８１７０及び８１７３、米国ミシガン州Ｍｉｄｌａｎｄ所在のＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ社からのＱＳ−４４（登録商標））が挙げられる。
アノード混合物はまた、ゲル化剤を含有することもできる。ゲル化剤の例としては、米国オハイオ州Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ所在のＮｏｖｅｏｎ，Ｉｎｃ．，社からのＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）９４０及び９３４、アクリル酸ポリマー、及び、日本国京都府所在のＳａｎｙｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｌｔｄ．，社からのＳＡＮＦＲＥＳＨ（商標）ＤＫ５００ＭＰＳ、アクリル酸ポリマーのナトリウム塩が挙げられる。

電解質溶液は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、及びＬｉＯＨの１つ又はそれ以上を含有することができる。ＮａＯＨ及びＬｉＯＨは、より少ない水素ガスを生成する傾向があり、ＫＯＨは、特に大電流及び大電力放電で良好なセル放電性能をもたらし、高電圧終点をもたらす傾向がある。
空気電極は、酸化マンガン（ＭｎＯ_x）などの触媒材料を含み、活性炭などの導電性材料、及び界面活性剤を含有する水溶液中のテトラフルオロエチレンなどの結合剤を含むこともできる。電流コレクタは、ニッケルで作製されたスクリーン又はエキスパンデッドメタルのような、開放導電性金属構造で作製することができる。空気電極に付着したセパレータ層は、米国ノースカロライナ州Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ所在のＣｅｌｇａｒｄ ＬＬＣ社からのＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）３５０１又はＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）５５５０のような、親水性になるように処理された微孔性ポリプロピレンとすることができ、付加的なセパレータ層を、同じ材料又は異なる材料で作製することができる。疎水性層及び随意的なバリア層を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムのシートで作製することができる。空気拡散シートは、米国テキサス州ダラス所在のＫｉｍｂｅｒｌｙ−Ｃｌａｒｋ Ｃｏｒｐ．，社からのグレードＳ３７０３クラフト紙のような多孔質材料とすることができる。

ガスケットは、セルの閉鎖中に力が適用されるとき、アノード・カップ、カソード・カン、並びにセパレータ及び空気電極の周辺のシール面に対して良好な圧縮シールを形成し、これを維持することができる、ナイロン又はポリプロピレンのようなエラストマー材料で作製することができる。ガスケット材料は、電解質の通過を可能にすることなく、電解質と接触した状態で安定する。好ましくは、ガスケット材料は、低率の酸素透過性及び透水性も有するが、セル内に生成された幾らかの水素ガスを外部環境に透過させることができる。ガスケットは、単独で、或いはエラストマー材料又はエチレンビニルアセテート、脂肪族又は脂肪酸ポリアミド、並びに、ポリオレフィンのような熱可塑性エラストマー、ポリアミン、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリイソブテンを用いて、アスファルトのようなシーランセトで被覆することができる。

任意の適切なプロセスを用いて、セルを組み立て、閉鎖することができる。例えば、ガスケットをアノード・カップの上に配置し（図１に示される位置とは逆に）、アノード混合物をカップの凹部内に配置しながら、空気分配シート、バリア層、空気電極、及びセパレータをカソード・カンの底部に挿入することができる。次いで、ガスケットの側壁及びアノード・カップがカソード・カンの側壁内にある状態で、カソードを反転させ、アノード・カップ／ガスケット組立体に対して押し付けることができる。カソード・カンの縁部は、内方に変形できるので、セルをシールするために、カソード・カンのリムは、ガスケット及びアノード・カップを半径方向内向き及び軸方向の両方に押し付けることができる。クリンプ加工、コレット加工、スエージ加工、再絞り、及びこれらの組み合わせを含む任意の適切な方法を用いて、セルをシールするために、カンの縁部を内向きに変形させることができる。米国特許第６，２５６，８５３号に開示されるように、セグメント化されたダイを用いてクリンプ加工又はコレット加工することによって、セルがシールされる。組み立て後、図１に示される配向にセルを回転させることができ、アノードがゲルを混合する前に、アノード混合物がセパレータに対して下方にシフトすることを可能にする。

本発明によるアルカリボタン型セルの別の実施形態は、亜鉛−酸化銀セルである。このタイプのセルは、上述したものと類似したアノード・カップ及びガスケットを有する。カソード材料が完全にセル内に含まれるので、カソード・カンは、空気アクセス・ポートを有さない。アノードは、上述した亜鉛−空気セル・アノードに類似したゲル化アノードとすることができる。カソードは、活物質、導電性材料、及び結合剤を含有する混合物から成形されたディスク形状のペレットとすることができる。活物質は、少なくとも酸化銀（ＡｇＯ、Ａｇ₂Ｏ、又はこれらの混合物）を含み、二酸化マンガンのような別の活物質を含むこともできる。カソード・ペレットは、カソード・カンの内底面に対して直接配置することができ、該内底面にわたって延びることができるので、周辺部は、ガスケット・ベースとカン（図１に示される亜鉛−空気セルと類似した）の内面との間で圧縮される。酸化銀は、アルカリ電解質中でわずかに可溶性であるので、セパレータの少なくとも１つの層が、銀イオンに対して不透過性である必要がある。
好ましいボタン型亜鉛−酸化銀セルにおいては、特定の材料及びそれらの相対量は、最終用途の要件によって変わり得る。活物質は、Ａｇ₂Ｏ、又はＡｇ₂Ｏ及びＭｎＯ₂の配合物であり、正極の導電性材料はグラファイトであり、電解質は、ＫＯＨ（一般に、相対的に高い放電率を必要とする装置の場合）、又はＫＯＨ及びＮａＯＨの両方を含有し、セパレータは、セロファン及びポリエチレンの層を有する積層された材料である。

本発明の別の実施形態は、角柱型アルカリ亜鉛−空気セルである。一般に、ボタン型亜鉛−空気セルに適したものと同じタイプの材料が、角柱型亜鉛−空気セルにも適している。角柱型亜鉛−空気セルの例は、Ｓｈｒｉｍ他による米国特許第６，２６５，１０２号に開示されている。上述したボタン型セルにおけるように、アノード・ケーシングは、アノード混合物と直接接触し、アノード電流コレクタ及び外部負端子接触部の両方として機能する。何らかのタイプの角柱型セルに関しては、ニッケルめっきされた冷間圧延鋼が、好ましいアノード・ケーシング基板である。
以下の実施例は、本発明の実施形態及びその利点を示す。

ＰＲ４８タイプのアルカリ亜鉛−空気ボタン型セルのためのアノード・カップを、ニッケル／ステンレス鋼／銅（Ｎｉ／ｓｓ／Ｃｕ）のトリクラッド片で作製した。カップは、図１に示されるカップのような直線壁で囲まれたカップであり、凸状面上にニッケル層を有し、凹状面上に銅層を有していた。次いで、カップの一部をＣｕ−Ｓｎ−Ｚｎ合金で被覆した。銅、スズ、及び亜鉛、並びにレベリング剤として使用される鉛塩を含有するめっき溶液により、バレルめっきプロセスを用いて、コーティングをカップの表面全体に適用した。
ＺＹＧＯ（登録商標）ＮＥＷＶＩＥＷ１００（商標）の非接触型プロフィルメータを用いて、幾つかの位置における表面粗さ（Ｒ_a）について、めっきされたカップ及びめっきされていないカップのサンプルを試験した。平均表面粗さＲ_a値（μｍでの）が、表１に示される。一般に、表面粗さは、カップの外面（凸面）上でわずかに大きくなる傾向があったが、内面の表面粗さに影響を及ぼすようには思えなかった。
表１

めっきされたカップの視覚試験では、合金コーティングに欠陥も破損も見られなかった。走査型電子顕微鏡・エネルギー分散型分光装置（ＳＥＭ／ＥＤＳ）によるめっきされたカップの分析は、本質的に５６ｗｔ％のＣｕ、３１ｗｔ％のＳｎ、１０ｗｔ％のＺｎ、及び３ｗｔ％のＰｂとなるコーティングの組成を示した。Ｐｂ含有量は、めっきプロセスにおけるレベリング剤としての鉛塩の使用に起因するものであった。コーティングの平均厚は、カップの内面で約４．２μｍであり、外面で４．７μｍであることが見出された。
相対的なガス発生率及びアルカリ亜鉛アノードとの接触時間について、被覆されていないカップ及び被覆されたカップのサンプルを試験した。サンプルのカップは、開放端が上を向いた状態で配向され、少量の乾燥アノード混合物（ＺＣＡからの９９．７ｗｔ％のグレード１２３０亜鉛粉末、Ｎｏｖｅｏｎ Ｉｎｃ．，社からの０．２５重量％のＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）ＥＸ−６５架橋ポリアクリル酸ポリマー結合剤、及び４５０ｐｐｍのＩｎ（ＯＨ）₃）、続いて数滴の電解質溶液（水中で３３ｗｔ％のＫＯＨ）が、各カップ内に配置された。アノード材料とアノード・カップの側壁の間の界面における気泡の形成について、カップを観察した。被覆されていないアノード・カップの場合は、多くの小さい泡が形成され、泡は、平均約７３０秒間引き続き形成された。被覆されたカップの場合は、泡は観察されなかった。

時間と共に生成されるガス量を測定するために、定量ガス発生試験で、被覆されていないカップ及び被覆されたカップのサンプルを試験した。使用されたアノード材料は、上記の相対的ガス発生率及び時間の試験に使用されたものと同じであった。各タイプのアノード・カップについて、２つのカップを準備し、一緒に試験した。セルを組み立てる際のように各カップをガスケットに挿入し、次いで、カップの残りの露出面及びガスケットの部分をエポキシで被覆することによって、各カップを準備した。各々の試験について、１０ｇの乾燥アノード混合物（９９．７ｗｔ％のグレード１２３０亜鉛粉末、０．２５重量％のＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）ＥＸ−６５結合剤、及び４５０ｐｐｍのＩｎ（ＯＨ）₃)と、５ｍｌの電解質溶液（３３ｗｔ％のＫＯＨ、３ｗｔ％のＺｎＯ、及び水中で３６０ｐｐｍのＣＡＲＢＯＷＡＸ（登録商標）５５０界面活性剤）とを含有するアノード材料を、ガラス容器内に配置し、２つのアノード・カップをアノード材料中に浸漬させ、容器を軽油で充填した。容器は、突起型目盛り付きガラス管を有した状態でストッパにより閉じられたので、容器中に捕捉される空気はなく、鉱油のレベルは、ガラス管の途中まで達した。容器は、４５℃に維持された水浴中に、アノード材料を上回るレベルまで浸漬された。試験開始時及び４５℃での７２時間後に、目盛り付き管における油の上部のレベルを記録した。

最初の７２時間の間、被覆されていないカップの平均ガス発生率は、４５℃で１４５μｌ／カップ／日であり、被覆されたカップの平均は、約６μｌ／カップ／日であった。類似した試験において、アノード材料単独（アノード・カップと接触していない）についての平均ガス発生率は、最初の７２時間の間、約１．０μｌ／ｇ／日であることが測定された。４５℃での次の９６時間の間、ガス発生は、被覆されていないカップとほぼ同じ率で続いたが、被覆されたカップについては、付加的なガス発生はほとんど生じなかったことが観測された。

実施例１からの被覆されていないアノード・カップ及びＣｕ−Ｓｎ−Ｚｎで被覆されたアノード・カップを用いて、図１及びその上記の説明に従って、ＰＲ４８タイプのアルカリ亜鉛−空気ボタン型セルを作製した。各セル内のアノード組成は、０．３２７ｇの乾燥アノード混合物（９９．７ｗｔ％のグレード１２３０亜鉛粉末、０．２５ｗｔ％のＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）ＥＸ−６５結合剤、及び４５０ｐｐｍのＩｎ（ＯＨ）₃）と、０．０８７ｇの電解質溶液（３３ｗｔ％のＫＯＨ、３．０ｗｔ％のＺｎＯ、及び３６０ｐｐｍのＣＡＲＢＯＷＡＸ（登録商標）５５０界面活性剤）とを含有していた。セルを組み立てた後、接着剤テープをカソード・カンの底部の上に配置することによって、空気孔をシールした。
４週間のエイジング後、各タイプのアノード・カップを有するサンプル・セルに種々の試験を行った。一部は、開回路電圧（ＯＣＶ）、１００オーム負荷で７０ミリ秒における閉回路電圧（ＣＣＶ）、及び４０ＨｚでのＡＣインピーダンス（インピーダンス）について試験された。一部は、０．９ボルトまで連続する７５０オーム［ＪＤＧ］、０．９ボルトまで連続する３７５オーム、又は高出力補聴器試験（３ｍＡのバックグラウンド電流と、１．１ボルトまでの１時間毎１回の０．１秒、１２ｍＡパルスとを用いて、一日あたり１６時間）での容量について試験された。他のサンプルは、７１℃で保管された。７１℃のセルのうち、一部を取り除いて、４週間又は８週間における限界電流について試験し、一部を取り除いて、空気孔における漏れについて定期的に検査した。残りは、シール・テープ中の泡及びソルティング（３倍率下でカン−ガスケット及びカップ−ガスケットの界面で視覚可能な塩）について定期的に検査した。

被覆されていないアノード・カップを有するセルと被覆されたアノード・カップを有するセルの間の初期ＯＣＶ及びＣＣＶの差はなく、被覆されたカップを有するセルの初期インピーダンスは、被覆されていないカップを有するセルのものよりもわずかに低かった。７５０オーム又は３７５オームの放電試験における統計学的な差はなかった。被覆されたカップを有するセルは、補聴器試験において、平均して、１．１ボルトまで７％多い容量、１．０ボルトまで２％多い容量、及び０．９ボルトまで７％低い容量であった。７１℃での４週間又は８週間後の限界電流の統計学的差はなく、空気孔における漏れもなかった。７１℃での保管後のテープ中の泡及び全体的なソルティングは、被覆されたカップを有するセルにおいて実質的に低かった。被覆されていないカップを有するセルのうち、７１℃での１週間後に３６％がテープ中に泡を有し、７１℃での８週間後には５０％に増大したが、被覆されたカップを有するセルの６％だけがテープ中に泡を有し、全ては１週間以内に生じたものであった。７１℃での８週間までに、被覆されていないカップを有するセルの１８％が、アノード・カップにソルティングを有し、カンにはソルティングがなかったが、被覆されたカップを有するセルのいずれもアノード・カップにソルティングを有さず、２％がカンにソルティングを有していた。

実施例１のものと同様の被覆されていないＰＲ４８アノード・カップ及び被覆されたＰＲ４８アノード・カップを作製した。コーティングの組成は、約５５〜６０ｗｔ％のＣｕ、２０〜２５ｗｔ％のＳｎ、１５〜２０ｗｔ％のＺｎであった。コーティングの表面上に約２ｗｔ％のＰｂも見られたが、これは、めっき中にレベリング剤としての鉛を使用したことと、それに続くめっきされたカップのすすぎが不十分であったこととによるものであった。表２に要約されるように、種々のアノード組成を用いて、被覆されていないカップ及び被覆されたカップの両方を有するように、ＰＲ４８セルを作製した。アノード組成は、７８ｗｔ％のアマルガム化されていない亜鉛粉末（ＺＣＡのグレード１２３０）、３３ｗｔ％のＫＯＨ及びＺｎＯを含有する２２ｗｔ％の電解質、０．２５ｗｔ％（亜鉛粉末の重量に基づく）のゲル化剤（ＳＡＮＦＲＥＳＨ（登録商標）ＤＫ−３００又はＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）９３４）を含有し、一部のロットにおいては、１００万あたり１００部（ｐｐｍ、亜鉛粉末の重量に基づく）のガス抑制界面活性剤（ＣＡＲＢＯＷＡＸ（登録商標）５５０）も含んでいた。セルを作製した後、空気孔を接着剤テープでシールした。

１日及び７日に、接着剤テープ中の泡についてセルを試験した。結果を表２に要約する。統計学的分析により、カップ・コーティングは主要な効果であるが、泡の平均数は、１％のＺｎＯよりも３％のものの方が少なく、界面活性剤を有するものよりも界面活性剤を有していないものの方が少ないことが分かった。
表２

７日後、テープを除去し、空気孔を再シールするために、ロット１〜８の全てのセルに新しいテープを適用した。これらのロットの各々からのセルを、３つの条件：すなわち室温、６０℃／５０％の相対湿度、及び７１℃の下で保管した。テープ中の泡及びソルティングについて、セルを定期的に試験した。被覆されていないアノード・カップ及び被覆されたアノード・カップを有するロットについて、これらの結果が表３に要約され、一般に、（室温及び高温の両方において）保管時間が６ヶ月未満のめっきされたアノード・カップを有するセルにおいては、ガス発生及びソルティングがより少ないことが示された。しかしながら、６０℃／５０％のＲＨでの６ヶ月後及び室温での６ヶ月後では、テープ中に泡を有するセルの数は、被覆されていないカップを有するセルと比べて、被覆されたカップを有するセルの方が多かった（注記：表３の結果は、累積的なものであり、他の試験のために特定の時間に各ロットからランダム・サンプルを取り出したので、場合によっては、テープ中の泡及びソルティングは、試験時間が延びるにつれて減少する。）
表３

６０℃／５０％ＲＨで６ヶ月間保管した後にテープ中に泡を有するセルの一部を試験した。被覆されていないカップのアノード接触面は均一な色を有していたが、被覆されたカップのアノード接触面には、幾らかのより明るい領域と幾らかの暗い地点とを有していた。被覆されていないカップの１つの分析は、アノード接触面上の、約１３．８ｗｔ％の銅、７１．３ｗｔ％の亜鉛、１２．５ｗｔ％のインジウム、及び２．５ｗｔ％の酸素を示した。アノード材料中のＩｎ（ＯＨ）₃の存在のために、相当量のインジウムが見出された。被覆されたカップのアノード接触面の大部分は、約１３．０ｗｔ％の銅、７９．０ｗｔ％の亜鉛、２．２ｗｔ％のスズ、及び５．９ｗｔ％の酸素を含有しており、明るい領域はより少ないスズを含有し（０．３ｗｔ％）、暗い地点はより多くの銅を含有していた（１８．０ｗｔ％）。暗い地点の銅含有量がより大きいのは、銅が基板の銅層からコーティングの表面に移動したためであり、暗い地点においてガス発生の大きい領域を形成したと考えられた。コーティングの表面上の鉛の存在が、被覆されたアノード・カップを有するセル中のガス発生に寄与した可能性もある。

保管中にアノード・カップの内面の上にめっきされた亜鉛の量を測定するために、幾つかのセルを同様に保管場所から除去し、開け、分析した。亜鉛めっきの平均量が、表４に示される。一般に、アノードからアノード・カップの表面への亜鉛のめっき率は、被覆されたカップを有するセルの方が大きいように見える。カップの表面が亜鉛でめっきされるに従って、ガス発生反応が生じるのに使用可能な表面が少なくなる。

表４

ロット１〜８の各々からのセルについて、放電試験を行った。放電試験の前に、限界電流について、セルを試験した。その結果が、表５に要約される。示される平均容量の値は、放電試験の各々についての被覆されていないカップの平均容量に索引付けされた相対値である（すなわち、１００×（平均容量）／（被覆されていないカップの平均使用前容量）。
表５

使用前セルの場合、被覆されたカップを有するものは、被覆されていないカップを有するものよりも高い限界電流を有していた。しかしながら、室温又は６０℃での保管後、統計学的に著しい差はなかった。使用前セルの限界電流が被覆されていないカップを有するものより高かったとしても、両方の放電試験において、容量は同程度であった。１０００オームの試験において、被覆されたアノード・カップを有するセルがより低い容量を有していた場合、６０℃で６０日間まで保管した後も、統計学的に著しい容量の差はなかった。これは、６０℃／５０％ＲＨで６ヶ月間保管した後の被覆されたアノード・カップを有するセルにおいて、テープ中の泡が高率であることと一致しており、コーティングを通しての銅の移動に起因すると考えられた。

表６に示されるように、種々の基板材料を用いて、ＰＲ４１タイプ・セルのためのアノード・カップを作製した。次に、２つの光沢剤（Ｕｍｉｃｏｒｅ Ｇａｌｖａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨからのＢＲ１−１及びＢＲ２が添加される）と共に、ＭＩＲＡＬＬＯＹ（登録商標）２８４４めっき浴溶液（８．５ｇ／リットルのＣｕ、３４．０ｇ／リットルのＺｎ、５０．０ｇ／リットルのＫＣＮ、及び３０．０ｇ／リットルのＫＯＨ）を用いて、ベンチトップ型ユニットにおける電気めっきにより、ロット３〜９をＣｕ−Ｓｎ−Ｚｎ合金で被覆した。カップのネスティングを回避し、均一なめっきを達成するために、めっき中、アノード・カップを連続的に攪拌した。ロット３、４、及び６においては、めっきのためにカップの表面をより良く調製するために、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｚｎ合金でめっきする前に、カップを処理した。ロット３及び６のカップは、硫酸（７未満のｐＨ）光沢スズ浴を用いて適用された薄い（約２μｍ［ＪＷＨ］）コーティングを有していた。ロット４のカップは、ウッドのニッケル浴（ステンレス鋼の表面上にニッケルの初期層をめっきするように設計された塩化ニッケル／塩酸浴）を用いて適用された薄い（２．５μｍ未満の）ニッケル層を有し、続いてＣｕ−Ｓｎ−Ｚｎ合金でめっきする前に適用された銅の薄い（約５μｍの）電気めっき層を有していた。これら２つのめっき層の目的は、強力に接着する均一なスズのめっきを可能にすることであった。

被覆されていないカップ及び被覆されたカップを用いて、ＰＲ４１アルカリ亜鉛−空気ボタン型セルを作製し、まず被覆されたカップを試験し、不完全な被覆層及び／又は２０倍で見えるコーティングの亀裂及びピンホールのような欠陥を有するカップは使用しなかった。使用されたアノード材料は、９９．７１ｗｔ％のアマルガム化されていない亜鉛粉末、０．２５ｗｔ％のＤＫ３００ゲル化剤、及び０．０４ｗｔ％のＩｎ（ＯＨ）₃からなる７７．８ｗｔ％の乾燥アノード混合物と、３３ｗｔ％のＫＯＨ、１．０ｗｔ％のＺｎＯ、及び０．０３５ｗｔ％の界面活性剤（ＣＡＲＢＯＷＡＸ（登録商標）５５０）からなる２２．２ｗｔ％の水溶液とを含有していた。２つの異なるタイプの亜鉛粉末（ＺＣＡのグレード１２３０及びＢＩＡ１１５）が使用された。表６は、アノード・カップのベース材料、カップを被覆するために使用されるめっき溶液、被覆後にカップをすすぐために使用されるすすぎ溶液のタイプ、及び作製されたセルの各ロットについてアノードに使用された亜鉛粉末のタイプを列挙する。

セルを作製した後、カソード・カンの空気孔を接着剤テープでシールした。７日間のエイジング後、セルにテープ中の泡が観察され、泡の数（１０，０００セルあたり）も表６に要約される。これらの結果は、被覆後の不十分なカップのすすぎが、セルにおけるガス発生を引き起こし得ることを示した。
表６

本発明を実施する者及び当業者であれば、開示された概念の範囲から逸脱することなく、種々の変更及び改良を本発明に施すことができることを理解するであろう。

本発明を用いることができるボタン型セルの側面断面図である。

Claims (21)

1. 正極と、亜鉛を含む負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、溶質及び水性アルカリ溶媒を含む電解質と、前記電極、前記セパレータ、及び前記電解質を含有するセル・ハウジングとを含み、前記ハウジングは、該正極と接触した金属の正極ケーシングと、該負極と接触した金属の負極ケーシングと、該電極及び該電解質を前記セル・ハウジング内にシールするための、前記正極ケーシングと負極ケーシングとの間に配置され、かつ、該正極ケーシング及び該負極ケーシングを電気的に絶縁するシール部材とを含む、電気化学バッテリ・セルであって、
   前記負極ケーシングは、実質的に銅を含まない金属基板から形成され、かつ、第１の主面、第２の主面、及び前記主面の周辺部の縁部面を有し、
   前記負極ケーシングは、前記第１の主面、第２の主面、及び前記縁部面の少なくとも部分を含む露出面を備えた形状を有し、
   前記負極ケーシングは、前記シール部材とシール係合するためのシール領域と、前記負極と接触するための電流コレクタ領域とを有し、
   前記シール領域及び前記電流コレクタ領域における前記負極ケーシングの前記露出面の少なくともいずれかの一方の部分が、銅、スズ、及び亜鉛を含む第１の合金層で被覆され、前記銅、スズ、及び亜鉛の相対重量は、それぞれ５５から８５まで、９から３０まで、及び２．５から２０までであり、
   前記シール領域及び前記電流コレクタ領域における前記負極ケーシングの前記露出面の少なくともいずれか一方の部分が、前記第１の合金層に重なる銅、スズ、及び亜鉛を含む第２の合金層で被覆されており、
   前記第２の合金層のスズに対する銅の比が前記第１の合金層のスズに対する銅の比よりも低いことを特徴とするセル。
2. 前記負極ケーシングの前記露出面全体が、銅、スズ、及び亜鉛を含む前記第１の合金層で被覆されることを特徴とする請求項１に記載のセル。
3. 銅、スズ、及び亜鉛を含む前記第１の合金層は、前記基板上に直接配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセル。
4. 少なくとも１つの金属又は金属合金を含み、１マイクロメートル以下の厚さを有するストライク層が、前記基板と前記第１の合金層との間に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセル。
5. 前記ストライク層は、ニッケルを含むことを特徴とする請求項４に記載のセル。
6. 前記ストライク層は、少なくとも０．５マイクロメートルの厚さであることを特徴とする請求項４に記載のセル。
7. 銅、スズ、及び亜鉛を含む前記第１の合金層は、１マイクロメートルから８マイクロメートルまでの厚さを有することを特徴とする前記請求項１ないし６のいずれか１つの請求項に記載のセル。
8. 銅、スズ、及び亜鉛を含む前記第１の合金層は、少なくとも３マイクロメートルの厚さであることを特徴とする請求項７に記載のセル。
9. 銅、スズ、及び亜鉛を含む前記第１の合金層は、５マイクロメートル以下の厚さであることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のセル。
10. 前記銅、スズ、及び亜鉛の合金は、２重量％以下の鉛を含有することを特徴とする前記請求項１ないし９のいずれか１つの請求項に記載のセル。
11. 前記銅、スズ、及び亜鉛の相対重量は、それぞれ５５から６０まで、２５から３０まで、及び１０から２０までであることを特徴とする前記請求項１ないし１０のいずれか１つの請求項に記載のセル。
12. 前記負極ケーシング基板は、鋼を含むことを特徴とする前記請求項１ないし１１のいずれか１つの請求項に記載のセル。
13. 前記鋼は、ステンレス鋼を含むことを特徴とする請求項１２に記載のセル。
14. 前記セルは、ボタン型セルであることを特徴とする前記請求項１ないし１３のいずれか１つの請求項に記載のセル。
15. 前記セルは、角柱型セルであることを特徴とする前記請求項１ないし１４のいずれか１つの請求項に記載のセル。
16. 前記正極は、二酸化マンガン、酸化銀、及び酸素からなる群から選択される少なくとも１つの部材を含む活物質を含み、
    前記負極は、添加水銀を含有しない亜鉛組成物を含む活物質を含む、
    ことを特徴とする前記請求項１ないし１５のいずれか１つの請求項に記載のセル。
17. 前記負極ケーシングは、凹状領域及び側壁を備えたカップ形状を有することを特徴とする前記請求項１ないし１６のいずれか１つの請求項に記載のセル。
18. 前記アノード・ケーシングは、前記凹状領域を超えて外方に延びる周辺領域を含まないことを特徴とする請求項１７に記載のセル。
19. 前記アノード・ケーシングは、前記凹状領域を超えて外方に延びる周辺部分を含むことを特徴とする請求項１７に記載のセル。
20. 前記周辺領域はフランジを含み、前記アノード・ケーシングの前記縁部面は、前記フランジの最外部にあることを特徴とする請求項１９に記載のセル。
21. 前記周辺領域が折り畳まれて、前記側壁と共にＵ形状を形成することを特徴とする請求項１９に記載のセル。

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