JP5054866B2 - 電気化学電池のための低プロファイル通気性シール - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、一般には電気化学電池に関し、特に、過剰な圧力に曝されたときに通気可能なように電池容器の開放端をシールするための、低プロファイルのシールアセンブリーに関する。
【０００２】
従来のアルカリ電気化学電池は、一般に、カソードと称する正電極を有する普通はスチール製の円筒形の缶を含んでおり、該カソードは活性物質としての二酸化マンガンを含んでいる。また、電気化学電池はアノードと称する負電極を含んでおり、これは、普通は活性物質として亜鉛粉末を含んでいる。カソードは、一般にはスチール缶の内面に当接して形成されるのに対して、アノードは一般には缶の中心に配置される。或いは、ゼリーロール電池では、アノードおよびカソードは渦巻状に巻回される。アノードとカソードの間にはセパレータが配置され、アルカリ電解質溶液がアノード、カソードおよびセパレータに同時に接触する。通常は、導電性の電流コレクタがアノード活性材料の中に挿入され、またシール部材を含むシールアセンブリーが電池のスチール缶の開放端に対する封鎖を提供して、缶のシールされた空間容積内の活性電気化学材料を密封する。
【０００３】
円筒形のアルカリ電池は、通常、電池缶の開放端近傍に形成されたビード上の環状ナイロンシールによって密封閉鎖され、次いで缶の上端部をシールの外周を覆って内側にかしめ、該シールをビードに対して圧縮する。しかし、電気化学電池は亜鉛のような電気化学的に活性な材料を使用しており、該材料は腐蝕条件下で保存している間、および時には使用に供している間、またはその後に水素ガスを発生する。容器缶がシールされると、シールされた容器内に蓄積された高圧ガスによって、電池および／または該電池を用いる装置の損傷を引き起こす可能性がある。
【０００４】
電池容器内における潜在的に過剰な圧力蓄積を回避する一つのアプローチとして、活性電池容積から過剰なガス圧を周期的に解放する、再シール可能なバルブシステムが採用されてきた。しかし、周期的かつ連続的なガス圧の解放は、一定の状況においては、再シール可能なバルブを汚染し得る塩および他の粒状物を含んだ電解質の漏出を生じ、一般に高価な追加の部品を必要とする。圧力の過剰な蓄積を回避するためのもう一つのアプローチには、過剰な圧力に曝されたときに穿刺または膜自身の破裂によって破れることを目的とした、シールされた膜を用いることが含まれる。スパイク部材のような穿刺機構を用いて、圧力が所定の量に達したときに薄膜に孔を開ければよい。或いは、電池の内圧が大きくなり過ぎたときに破裂する薄膜形態の破裂機構を用いてもよい。通気機構として用いられる熱形成された薄膜の一例は、「ガルヴァーニ電池のための熱形成膜部材換気」と題する米国特許第4,581,304号に開示されている。上記の特許は、高圧時に熱形成膜部材が破裂して、密封された内部容積から周囲雰囲気への換気通路を与えるように、電気化学電池の内部カバーに設けられた通気孔を横切って保持される熱形成膜部材の使用を開示している。
【０００５】
過剰な電池圧を換気するための他のアプローチは、電池内に蓄積された過剰圧力を受けた際に破裂することを意図した、バッテリーのシールに形成された通気孔の使用を含んでいる。例えば、米国特許第5,080,985号は、プラスチック製グロメットシールの頂面および底面の両方に形成された溝を開示しており、この溝は非常な高圧で剪断開放されるように設計される。電池から高圧ガスを換気するための従来のアプローチは、過剰な圧力を換気する能力をもたらしたが、従来のアプローチの多くはシール部材が占める容積を最適化しておらず、また他のアプローチは正確な破壊圧力機構に欠けていた。
【０００６】
本発明に従って、我々は今回、最小の電池容積を占める圧力解放機構を備えた電気化学電池を提供する。また、このような圧力解放機構は、予想破壊圧力に曝されたときにガスを効率的に換気することができる。
【０００７】
本発明は、電気化学電池の容器開放端をシールするための、向上した低プロファイルのシールアセンブリーを備えた電気化学電池の安全装置を改善して、制御された圧力換気を提供する。この利点および他の利点を達成するために、本発明は、電気化学電池の容器開放端をシールするためのシールアセンブリー、低プロファイルのシールアセンブリーを有する電気化学電池、および低プロファイルのシールアセンブリーを有する電気化学電池の組立て方法を提供する。当該シールアセンブリーは、電池容器の開放端に密封閉鎖を与えるために、該開放端に配置されたシール部材を具備する。このシール部材は、該シール部材の表面に形成された溝を含む応力集中手段を有する。加えて、このシールアセンブリーは、前記シール部材に当接して前記容器の開放端に配置された支持部材を有する。この支持部材は、電池容器の開放端を実質的に覆う表面積を有し、またその中に形成された少なくとも一つの開口部を有する。シール部材に形成された溝は、該溝が支持部材の少なくとも一つの開口部に隣接して位置し、かつ他の部位では支持部材に当接して位置するように、支持部材に当接して配置される。この低プロファイルのシールアセンブリーは、最小量の電池容積を占め、圧力解放機構を駆動するように働く。
【０００８】
本発明の電気化学電池は、当該技術で周知の如何なる形状または形態であってもよい。しかし、今日使用されている電池の大部分は円筒形状であり、これは本発明の電池の好ましい形状である。従って、ここでは円筒形の電池を参照して本発明を説明する。しかし、本発明は、必要な変更を加えて、他の形状および構成の電池にも適用できることが理解されるであろう。電池の活性成分を含む缶は、好ましくはスチール製である。
【０００９】
カソードは、好ましくは二酸化マンガン、グラファイト、水酸化カリウム水溶液（当該技術で周知のようにその濃度は変化し得るが、好ましくは約45％w/vである）および添加物の混合物で形成される。このカソードは、通常は缶の内表面の回りに形成される。該カソードの内表面の回りにセパレータが配置されるが、該セパレータは、当該技術で公知の如何なる材料で形成されてもよいが、好ましくは不織ファブリックで形成される。アノードは、当該技術で公知の如何なる組成であってもよく、好ましくは亜鉛粉末、ゲル化剤および添加剤で形成される。アノードは電解質と共にセパレータの内部の配置され、電流コレクタ（例えば真鍮釘）と接触する。
【００１０】
シールアセンブリーは、好ましくは、缶の内容物を漏出に対して密封するための環状のシール部材と、シール部材を支持するためのシール支持体とを具備する。シール支持体は、好ましくはスチールのような剛性材料で作製される。シール支持体は一以上の通気開口部を含み、これら通気開口部は、好ましくは環状に配置され且つシール部材表面の溝に隣接している。
【００１１】
シール部材は、その頂面に形成された好ましくは円形の応力集中溝を有し、これは過剰な圧力変化に曝されたときに圧力解放機構として作用する。シール部材はシール支持体に直接隣接し、応力集中溝はシール支持体の通気開口部に隣接し、並びに好ましくはシール支持体の非通気部に隣接して配置される。支持部材は、好ましくは、一以上（例えば２または３）の通気開口部を有するディスク形状に構成され、二以上の通気開口部が存在する場合、これらは、好ましくは相互に等しい角度だけ離間される。それぞれの通気開口部は、好ましくは応力集中溝に隣接した有効弧状開口長を有するインゲン豆の形状に形成される。こうして、通気開口部は、電池内に蓄積した過剰圧力が当該溝に応力を集中するように、応力集中溝に隣接した開いた通路を提供する。充分に過剰な圧力が存在すると、当該溝は通気開口部の中心付近で破裂（すなわち剪断）して、圧力を外部雰囲気へと開放する。シール支持体の非通気部は、シールが通気開口部の半径方向外側および半径方内側の両方の縁部、並びに応力集中溝に隣接した一定の位置で支持されるように、シールに対する構造的支持を与える。応力集中溝は、好ましくは、シール支持部材の通気開口部の下において、通気開口部の半径方向外縁部および内縁部の間の中心に配置される。
【００１２】
溝におけるシール部材の材料の厚さは、好ましくは、溝の周囲におけるシール部材の材料の厚さの約半分である。溝の幅は、好ましくは、溝におけるシール部材の材料の厚さの0.1〜1.2倍である。当該溝は、当該技術で周知のように、電気化学電池の種類および寸法に従って変化する圧力で破裂するように設計されるであろう。所望であれば、シール部材またはシール部材の一部を、シール部材に対する電池内容物の化学的攻撃に耐性のあるアスファルトのような材料でコートしてもよい。
【００１３】
シール部材は、好ましくは、前記溝に隣接して配置された膜を含む。この膜は、好ましくは、0.1〜0.2の範囲の、前記支持部材における開口部の幅に対する厚さの比を有する。
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明を更に説明する。
図１を参照すると、そこには円筒形の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、閉じた底部端14および開いた頂部端16を有する円筒形のスチール缶12を含んでいる。閉じた底部端12は、更に、該底部端に溶接または取付けられた、中心領域に電池10の正の接点をなす突出瘤18を備えたメッキ鋼で形成された正極カバーを含んでいる。スチール缶12の開放端12には、電池10の負の接点端子を形成する外側カバーを備えた、カバーおよびシールアセンブリーが組立てられる。スチール缶12の外表面の回りには、スチール缶12の底部を除いて、メタライズされたプラスチック膜ラベル20が形成される。膜ラベル20は、正極カバーの周縁を覆って形成される。
【００１５】
好ましくは二酸化マンガン、グラファイト、45％水酸化カリウム溶液および添加剤で形成されたカソードが、スチール缶12の内表面の回りに形成される。好ましくは、電池内の如何なる固体粒子の移動をも妨げる不織ファブリックで形成されたセパレータ24が、カソード22の内表面の周りに配置される。好ましくは亜鉛粉末、ゲル化剤および添加剤で形成されたアノード26が、電解質と共にセパレータ24の内側に配置され、電流コレクタ28（真鍮釘を含んでいてもよい）と接触する。従って、カソード22は電池の正電極として構成され、またアノード26は電池の負電極として構成される。
【００１６】
電流コレクタ28は、電池の負接点端子を形成する外側の負カバー30に接触する。この負カバー30は、好ましくはメッキされたスチールで形成され、圧接または溶接により電流コレクタ28に接触させて保持すればよい。環状シール部材32がスチール缶12の開放端に配置されて、スチール缶12内に含まれる電気化学的に活性な電池材料の漏出を防止する。シール部材32は、内側電池カバーを形成し且つ好ましくはスチールで形成された支持部材34に直接接触する。シール部材32および支持部材34は一緒に、缶12の内部の活性電池化学材料を封止するためのシールアセンブリーを形成する。このシールアセンブリーの組立てには、缶10の内壁の半径方向内側に形成されたビード15の頂部にシール部材32を配置すること、並びにシール部材32が支持部材34に対して圧縮されるように、ビード15上の缶12の直径を減少させることが含まれる。缶12の上端は、これをビード15に対して圧縮するように、内側に且つシール32の外周を覆ってカシメられる。なお、外側の負極カバー30は、シール部材32によってスチール缶12から電気的に絶縁されることが理解されるべきである。
【００１７】
支持部材34は、シール部材32を固定支持する内側カバーとして働き、またその表面を貫通して形成された一以上の通気開口部、即ち、孔36を含んでいる。外側の負極カバー30はまた、電池の非活性容積（ここでは、シール部材32と外側カバー30との間の容積として定義される）を外部雰囲気に露出するように働く、一以上の通気開口部38を含んでいる。通気開口部36および38は、電池10の内部に蓄積された圧力を外部雰囲気に換気するように働く。外側カバー30、電流コレクタ28、シール部材32および内側支持部材34は一緒になってカバーおよびシールアセンブリーを形成し、これはスチール缶12の開放端16の中に挿入されて、活性電池容積内の活性成分を密封する。
【００１８】
本発明によれば、シール部材32は、その頂面に形成された円形の応力集中溝40を有し、これは過剰な圧力差に曝されたときの圧力解放機構として作用する。シール部材32は支持部材34に直接隣接する結果、応力集中溝40は、通気開口部36並びに支持部材34の非通気部に隣接して配置される。特に図２および図３を参照すると、支持部材34は、相互に均等な角度で離間した三つの通気開口部36を有するディスク形状に構成されている。支持部材34における夫々の通気開口部36は、参照文字Lで示すように、溝40に隣接した有効弧状開口長を有するインゲン豆の形状に形成されている。図示の構成によれば、通気開口部36は溝40に隣接した開放通路を提供し、電池10内に蓄積した過剰な圧力が溝40に応力を集中するようになっている。充分な過剰圧力が存在すると、溝40は通気開口部36の付近で破裂（剪断）して、圧力を外部雰囲気へと解放する。支持部材34の非通気部分は、シール部材32に対して構造的支持を提供し、シール部材32は開口部36の半径方向外側および半径方向内側の両方の縁部、並びに溝40に隣接した一定の位置に支持されるようになっている。溝40は、好ましくは、開口部36の半径方向における外縁部および内縁部の中間で、開口部36下の中心に配置される。
【００１９】
特に図３を参照すると、その中心に形成されたボス46および外周縁に形成された垂直に伸びる壁42を有するシール部材32が示されている。シール部材32は、ボス46と外周縁42との間に形成されたディスク状の膜44を有している。膜44には溝40が配置されている。支持部材34は、シール部材32におけるディスク状の膜44の頂面に直接当接して着座し、またボス46を形成するために、その中に形成された中央開口48を含んでいる。電流コレクタ28は開口部48およびボス46を貫通して伸びており、これはボス46と電流コレクタ28との間のシール係合を与える。
【００２０】
図４を参照すると、応力集中溝40の拡大図が、支持部材34における換気通路36に直接隣接して示されている。溝40は、好ましくは、隣接する壁の間に形成された一つまたは二つの急峻なコーナー部を含んでいる。図示の実施例に従えば、溝40は、水平な底部壁に接合する垂直壁によってその底部隅に直角が形成された、断面矩形の環状チャンネルとして構成されている。例えば90°の鋭い形状を与えることによって、溝40は、所定の圧力差を受けたときに、溝40のコーナー部に完全な剪断力を与える応力集中手段として有効に作用する。溝40はＷ_gで示した幅を有するのに対して、支持部材34に形成された通気開口部36はＷ_cで示される幅を有する。溝40は厚さＴ_gを有し、これは、好ましくは直ぐ周囲のシール材料の厚さＴ_sの略半分のである。溝40は、好ましくは0.2〜1.2の、厚さＴ_gに対する幅Ｗ_gの比（Ｗ_g／Ｔ_g）を有する。通気開口部36は、好ましくは1.0以上の、幅Ｗ_cに対する弧長Ｌの比（Ｌ／Ｗ_c）を有する。を有する。加えて、通気開口部の幅Ｗ_cに対するディスク状膜44の厚さＴ_sの比は、好ましくは0.1〜0.2である。溝40は、AAAサイズの電池については略1500ポンドパー平方インチ（psi）、AAサイズの電池については略1000 psi以下の圧力差を受けたときの破裂に適している。
【００２１】
一つの実施例に従えば、E.I. duPont de Nemours and Co. Inc.から商業的に入手可能なZYREL（登録商標）101Fのような、ナイロン製のシール部材32が作製される。シール部材32は、従来の射出成型プロセスを用いることにより、溝40を含むように一体的に形成することができる。なお、ナイロンは好ましい材料であるが、他のポリマーまたは他のシール材料も使用できることが理解されるべきである。加えて、シール部材32の底面は、電解質の存在によるシール部材32の化学的劣化を防止するために、アスファルト35の層でコートしてもよい。
【００２２】
従って本発明は、支持部材34に直接隣接したシール部材32を有し、シール部材32は、所定の圧力差負荷を受けたときに破裂する正確な破損性の圧力放出機構を提供するように、その中に形成され且つ前記支持部材34における開口部36に対して配置された応力集中溝40を有するシールアセンブリーを提供するものであり、該シールアセンブリーは容積消費が小さいから、より大量の活性電気化学電池材料を用いることを可能にする。
【００２３】
本発明を実施する当業者は、ここに開示された概念の意図を逸脱することなく、本発明に対して種々の変更および改良をなし得ることを理解するであろう。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲および法により許される解釈の幅によって決定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に従ってシール部材に一体的に形成された応力集中溝を含むシールアセンブリーを有する、電気化学電池の長手方向断面図である。
【図２】 図２は、本発明によるシールアセンブリーの頂面図である。
【図３】 図３は、図２のシールアセンブリーの分解図である。
【図４】 図４は、図１の区画ＩＶから取ったシールアセンブリーの拡大断面図であり、シール部材に形成された溝を更に図示している。

Claims (15)

1. 電気化学電池容器の開放端を密封するためのシールアセンブリーにおいて：
   前記容器の前記開放端に配置されて、前記容器の開放端に密閉を与えるためのシール部材であって、該シール部材の頂面に形成された単一の連続的に延びる溝を含む応力集中手段を有するシール部材を有し、前記溝は、前記応力集中手段を動作させるために矩形断面を有しており、
   前記容器の前記開放端に前記シール部材に当接して配置するための支持部材であって、前記容器の開放端を覆う表面積を有し、更にその中に形成された少なくとも一つの開口部を有する支持部材を有し、
   前記溝は、該溝が前記少なくとも一つの開口部に隣接して位置するように、前記支持部材に当接して配置され、
   前記シール部材は円形の開口のためのシールを提供しており、前記溝は円形形状であるシールアセンブリー。
2. 請求項１に記載のシールアセンブリーであって、前記支持部材は、前記開口部の半径方向内縁部および前記開口部の半径方向外縁部の上に前記シール部材を支持するシールアセンブリー。
3. 請求項２に記載のシールアセンブリーであって、前記支持部材は更に、前記溝の一部に対して直接支持を与えるシールアセンブリー。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記溝は、前記開口部内の中央に位置するシールアセンブリー。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記シール部材はナイロンからなるシールアセンブリー。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記支持部材は金属からなるシールアセンブリー。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記溝は、二つの隣接する壁の間に形成された角度が９０°のコーナー部を含むシールアセンブリー。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記溝の厚さに対する幅の比は0.2〜1.2であるシールアセンブリー。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記支持部材に形成された前記開口部は、幅に対する長さの比が1.0以上であるシールアセンブリー。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記シール部材は前記溝に隣接して配置された膜を含むシールアセンブリー。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載のシールアセンブリーであって、前記支持部材の開口の幅に対する前記膜の厚さの比は0.1〜0.2であるシールアセンブリー。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載のシールアセンブリーによってシールされた電気化学電池。
13. 電気化学電池であって：
    閉じた底部端および開いた頂部端を有する容器と；
    前記容器内に配置された正電極と；
    前記容器内に配置された負電極と；
    前記正電極および前記負電極の間に配置されたセパレータと；
    前記容器内に配設された電解質と；
    前記請求項１ないし１１のいずれか１つの請求項に記載されたシールアセンブリーとを具備する電気化学電池。
14. 前記溝が０．２ないし１．２の範囲の溝の厚さに対する幅の比を有しており、前記溝が前記シール部材の厚さの半分の厚さを有することを特徴とする前記請求項１ないし１１のいずれか１つの請求項に記載されたシールアセンブリー。
15. 前記溝が前記シール部材の厚さの半分の厚さを有することを特徴とする請求項１ないし１１及び請求項１４のいずれか１つの請求項に記載されたシールアセンブリー。

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