JP5153730B2 - コレクタ組立体の容積を削減したバッテリ構造 - Google Patents

コレクタ組立体の容積を削減したバッテリ構造 Download PDF

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Description

本発明は、全体として、電気化学電池の構造に関連する。より詳しく言うと、本発明は、アルカリ電池などの電気化学電池に用いられる容器とコレクタ組立体に関連する。
図１は、従来からのＣサイズのアルカリ電池１０の構造を示している。図に示すように電池１０は、開端及び閉端を有する円筒形状の缶１２を含んでいる。缶１２は導電性材料によって、缶１２の閉端の底面１４で溶接された外カバー１１が電池の電気的な接触端子となるようにして形成するのが望ましい。
通常の電池１０はさらに、正電極（カソードともいう）となる第一の電極材料１５を有する。第一の電極材料１５は、前もって形成して缶１２に挿入するか、又は缶１２の内側表面に接するように型成形することができる。アルカリ電池の場合、第一の電極材料１５は、通常はＭｎＯ2を含む。缶１２内に第一の電極１５を設けた後、第一の電極１５によって規定されるスペースにはセパレータ１７が挿入される。セパレータ１７は、不織布とするのが望ましい。セパレータ１７を設けるのは、電極材料間でのイオンの移動を可能にしながら、第一の電極材料１５と、電解液と第二の電極材料の混合体２０との間の物理的な分離を維持するためである。
第一の電極１５により規定される空洞内の所定位置にセパレータ１７が設けられると、電解液が調合され、電解液は混合体２０とともにセパレータ１７によって規定されるスペースへ投入される。電極材料は負電極（アノードともいう）となる。電解液と第二の電極との混合体２０には、ゲル化剤を含めることが望ましい。典型的なアルカリ電池では、混合体２０は、水溶性のＫＯＨ電解液と亜鉛の混合体から形成される。水及び追加の添加剤を混合体２０に含めることもできる。
缶１２の中に第一の電極１５、セパレータ１７、電解液、及び混合体２０が形成されると、予め組み立てておいたコレクタ組立体２５が缶１２の開端へ挿入される。通常は、缶１２の開端部には、わずかにテーパーが付けられている。このテーパーによって、コレクタ組立体を所定位置に固定する前にこれを希望する方向に支持することができる。コレクタ組立体２５が挿入されると、コレクタ組立体２５の上に外カバー４５が置かれる。コレクタ組立体２５は、缶をコレクタ組立体２５側に向かう半径方向に圧搾することによって固定される。缶１２の端部の縁１３は、コレクタ組立体２５の周囲のへり上でひだ状とされ、これにより外カバー４５及びコレクタ組立体２５を缶１２の端部の内側に固定する。さらに後述するように、コレクタ組立体２５が果たす機能の一つは、電気化学電池の第二の外部電極接点を与えることである。加えて、コレクタ組立体２５は、缶１２の開端を封止して内部の電気化学的物質が漏れるのを防止しなければならない。さらにコレクタ組立体２５は、電池が通常受けるであろう物理的な酷使に耐えるだけの十分な強度を持っている必要がある。また、電気化学電池は水素ガスを発生することがあるので、コレクタ組立体２５は内部で発生した水素ガスが透過して電気化学電池の外へ逃げられるようにすることもできる。さらに、コレクタ組立体２５は、電池内部で生じた圧力が過剰になった場合にはこれを緩和する何らかの圧力緩和機構を含んでいるべきである。このような状況は、電気化学電池が、内部的に発生した水素ガスがコレクタ組立体を透過して電池の外に出る速度よりも速く水素を発生する場合に起こりうる。
図１に示したコレクタ組立体２５は、シール３０、コレクタくぎ４０、内カバー４４、ワッシャ５０および多数のスパー５２を含んでいる。図にはシール３０が、コレクタくぎ４０を挿入する穴を有する中央ハブ３２を含む様子が示されている。シール３０は更に、第一の電極１５の上面１６に接するＶ字型部３４を含んでいる。
シール３０はまた、環状にシール３０の周囲を上方向に延びている直立壁３６を有している。周囲の直立壁３６は、コレクタ組立体２５の接触面と缶１２との間のシールとして機能するだけでなく、電池の正の缶と負の接触端子との間に短絡が生じるのを防ぐ絶縁体としての役割も果たす。
内カバー４４は丈夫な金属からできており、これは頑丈さを高めるとともにコレクタ組立体２５の径方向に加わる力を支え、これによりシールの有効性を向上させるために設けられている。図１に示すように内カバー４４は、中央ハブ部分３２及び周囲の直立壁３６に接するよう構成されている。コレクタ組立体２５をこのように構成することにより、内カバー４４は、缶１２の内側の面による周囲の直立壁３６の圧搾を支えながら、中央ハブ部３２をコレクタくぎ４０によって圧搾することを可能にする。
外カバー４５は、通常は、ニッケルメッキしたスチールからなり、シール３０の環状の周囲直立壁３６によって規定される領域から延在し、コレクタくぎ４０の頭部４２と電気的に接触するよう構成されている。外カバー４５は、接触ロスを防ぐために、コレクタくぎ４０の頭部４２に溶接してもよい。図１に示すように、コレクタ組立体２５を缶１２の開端部へ挿入すると、コレクタくぎ４０は電解液と第二の電極の混合体２０の中に深く突き通り、これとの間に十分な電気的接触が確立される。図１に示した例では、外カバー４５は、外カバー４５の外周に沿って上方に延びる周囲のへり４７を含んでいる。シール３０の周囲の直立壁３６を周囲のへり４７よりも長く形成することにより、クリンプ処理を行うときに、缶１２の上側の縁部１３の一部でも外カバー４５と接触しないよう、周囲の直立壁３６の一部は周囲のへり４７の上に折れ曲がる。
シール３０は、ナイロンで形成するのが望ましい。図１に示した構成では、内部の圧力が過剰になった場合にこの圧力を緩和できるようにするために、圧力緩和機構が設けられている。さらに内カバー４４及び外カバー４５には、通常、電池１０の外側にガスが逃げられるよう開口部が設けられる。図示した機構には、シール３０と内カバー４４との間に設けられている環状の金属ワッシャ５０及び多数のスパー５２が含まれている。各スパー５２の先端部５３は、シール３０の薄い中間部分３８を押圧している。スパー５２は、内カバー４４の内側底部を押すようバイアスされ、これにより、電池１０の内部圧力が増加し、結果的にシール３０が内カバー４４の方向に上に押されて変形したときに、スパー５２の先端部５３はシール３０の薄い中間部分３８を突き通してシール３０を破り、内部に生じたガスを開口部４３から逃がすことができる。
上に述べたコレクタ組立体２５は上で説明した望ましい機能を十分に果たすが、その断面形状から明らかなように、この特別なコレクタ組立体は電池１０の内側においてかなりのスペースを占める。図１に示した構成は電池の構造の一つの例であることに留意すべきである。断面形状がより薄く、したがって電池内で占めるスペースが少ない、他のコレクタ組立体が存在する。しかしながらこのようなコレクタ組立体は、通常、コレクタ組立体のシール特性、あるいは圧力緩和機構の性能及び信頼性を犠牲にして、占める容積の縮小を図っている。
この出願の優先日において商業的に入手可能ないくつかのバッテリの外側の容積及び内側の容積の測定値を、図２Ａ及び図２Ｂの表に列記する。これらの表は、Ｄ（単一）、Ｃ（単二）、ＡＡ（単三）、ＡＡＡ（単四）の各サイズのバッテリの容積（ｃｃ）を列記している。図２Ａに列記した商業的に入手可能なバッテリについて、コレクタ組立体の容積及び全電池容積のうちのコレクタ組立体のパーセンテージが、図２Ｂに示されている。図２Ａには、電池全体の容積のうち電気化学的活物質を収納できる内側容積のパーセンテージが示されている。
「全電池容積」は、電池内部の何もない（ボイド）スペースを含むすべての容積を含む。図１に示した電池では、全容積は、理論上図３Ａにハッチングして示したすべての部分を含む。電池の「内側容積」は、図３Ｂにハッチングして示した領域を指す。ここで言う「内側容積」とは、電池又はバッテリ内部のシールされたスペースに含まれる容積のうちボイド部分及び化学的に不活性な物質（コレクタくぎ以外の）の部分だけでなく、電気化学的活物質を収納できる部分の容積を指す。このような化学的に不活性な物質には、セパレータ、導電体、その他の電極内の不活性添加剤などが含まれる。「電気化学的活物質」という用語には、ここで説明したように、正電極、負電極、及び電解液が含まれる。「コレクタ組立体の容積」には、コレクタくぎ、シール、内カバー、ワッシャ、スパー、その他負極カバーの底面とシールの間のボイドのスペースが含まれる（図３Ｃにハッチングした領域で示す）。「容器の容積」には、缶、ラベル、負極カバー（外カバー４５）、ラベルと負極カバーの間のボイドのスペース、正極カバー、正極カバーと缶の間のボイドのスペースが含まれる（図３Ｄにハッチングした領域で示す）。ラベルが負極カバーまで延びこれに接している場合には、ラベルと負極カバーの間に存在するボイド部分の容積は容器の容積に含まれ、したがって、全容積の一部であると考えられる。そうない場合は、このボイド部分は容器の容積にも全容積にも含まれない。
「内側容積」、「コレクタ組立体の容積」及び「容器の容積」を合計すると、「全容積」に等しくなることが理解される。したがって、電気化学的活物質の収容に利用できる内側容積は、コレクタ組立体の容積と容器の容積を測定し、測定されたバッテリの全容積からコレクタ組立体の容積及び容器の容積を引くことによって求めることができる。
電気化学電池の外側寸法は一般に、アメリカ規格協会（ＡＮＳＩ）又は他の標準化機関によって決められているので、コレクタ組立体が占めるスペースが大きくなるほど、電池内で電気化学的物質に利用できるスペースは小さくなる。電池内に供給される電気化学的物質の総量の低下は、電池寿命を短縮する結果となる。このため、電気化学的に活性な構成要素のために利用できる電気化学電池内の内側容積を最大化することが望ましい。
我々は、適切なシール特性を維持し、かつ信頼できる圧力緩和機構を可能にしながら、コレクタ組立体によって占められているスペース及び容器の容積によって占められているスペースを最小化した電気化学電池を構成することによって、このようなことが可能であることを見出した。
したがって、その機能を保持しながら電池からコレクタ組立体をなくすことによって、あるいは断面形状をかなり小さくして電気化学電池内で占めるスペースをかなり小さくしたコレクタ組立体を設けることによって、上記の問題を解決することが、本発明の一つの課題である。本発明の別の課題は、以前の組立体よりも長い期間にわたって小さい水分損失を示し、これにより貯蔵寿命を延ばした電池の構造を提供することである。本発明のさらに別の課題は、利用可能な電池容積のうちの大きなパーセンテージを占めない信頼性の高い圧力緩和機構を有するバッテリを提供することである。本発明のさらに別の課題は、製造がより簡単で、必要とする材料が少なく、これにより製造コストが安い電池構造を提供することである。本発明の別の課題は、電池を適切に封止するのために必要な缶によって加えられる半径方向の圧搾力が小さく、これにより薄い側壁を有する缶を使うことができ、電池の内側容積を大きくした電池構造を提供することである。
上記の課題及び効果を達成するために、本発明のバッテリは、少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む電気化学的活物質を収容する缶を備えており、当該缶は開端及び閉端を有しており、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体を備えており、当該コレクタ組立体はコレクタ及びカバーを有するとともに、コレクタ組立体はバッテリ全体の容積の５．０パーセントよりも小さいコレクタ組立体の容積を規定することを特徴とする。
これらの特徴及びこれら以外の特徴、効果及び本発明の目的は、当業者が明細書、請求の範囲、及び添付図面を参照することによってより良く理解され、認識されるだろう。
図面を参照することによって、本発明をさらにより良く理解することができる。
従来のＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。 この出願が提出された時点で商業的に入手可能なバッテリについて測定した、相対的なバッテリの全容積と電気化学的活性物質に利用できる電池の内側容積を示した表である。 図２Ａに示した商業的に入手可能なバッテリについて測定した、相対的なバッテリの全容積とコレクタ組立体の容積を示した表である。 Ｃサイズのアルカリ電気化学電池のバッテリ全体と、その一部の容積を例示した断面図である。 Ｃサイズのアルカリ電気化学電池のバッテリ全体と、その一部の容積を例示した断面図である。 Ｃサイズのアルカリ電気化学電池のバッテリ全体と、その一部の容積を例示した断面図である。 Ｃサイズのアルカリ電気化学電池のバッテリ全体と、その一部の容積を例示した断面図である。 本発明の第一実施例である断面形状が薄型のシール構造を有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。 現在ＡＡサイズのバッテリで用いられている従来からの構造を適合させたものの部分断面図との比較で示した、第一実施例をＡＡサイズのバッテリにおいて用いるよう適合させたものの部分断面図である。 本発明の第二実施例である断面形状が薄型のシールを有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。 本発明の第三実施例である断面形状が超薄型のシール及び形成された正極カバーの突起部を有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。 本発明の第四実施例として構成されたＣサイズのアルカリ電気化学電池であって、ロールバックカバー、環状のＬ字型又はＪ字型のシール、及び缶の底面に形成された圧力緩和機構を有するものの断面図である。 本発明の第四実施例として構成されたＣサイズのアルカリ電気化学電池であって、ロールバックカバー及びさらに別のＬ字型の環状シールをを有するものの上部断面図である。 図８Ａに示した電気化学電池のコレクタシール及びカバーの組立部品の組み立たの様子を例示した分解図である。 缶の閉端に形成された圧力緩和機構を有するバッテリ缶の底面図である。 図９に示した缶のＸ−Ｘ線に沿って切り取ったベントの断面図である。 本発明の第五実施例である飲料缶タイプの構造を有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。 図１１に示したバッテリの部分分解図である。 図１１に示した、飲料缶タイプの構造を形成するための工程を例示した、バッテリの一部の断面図である。 図１１に示した、飲料缶タイプの構造を形成するための工程を例示した、バッテリの一部の断面図である。 図１１に示したバッテリの拡大部分断面図である。 本発明の第六実施例である飲料缶タイプの構造を有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。 本発明である構成された種々のバッテリについて、全容積と内側容積を計算した結果を示した表である。 本発明に基づいて構成された種々のバッテリについて、全容積とコレクタ組立体の容積を計算した結果を示した表である。 本発明の第七実施例であるコレクタフィードスルー構造を有するＣサイズのアルカリ電気化学電池の断面図である。 図１５に示した電気化学電池の分解組み立て図である。 図１５及び図１６に示した電気化学電池の組み立ての方法を例示したフローチャートである。
上記のように、本発明の主たる目的は、バッテリ内で、電気化学的活物質を収容るすための内側容積を、以前には得られなかった容積まで増加させることである。バッテリ内に設けられている圧力緩和機構の信頼性を有害となるほどには低下させることなく、また、バッテリにリークが生じる可能性を増大させることなく、この目的を達成するために、以下に種々のサイズのバッテリの構造についての種々の新規な改良を提案する。以下で述べる種々の変形例は、それぞれが単独で、あるいはそれらを組み合わせることによって実現されて、容積効率を改善する。
後にさらに詳しく説明するように、電気化学的活物質を収容するためのより大きな内側容積が得られる本発明の種々の改良は、薄型シール（図４）、超薄型シール（図５）、缶の閉端に直接形成された、超薄型シール又は薄型シールと共に用いられる正極外カバーの突起部（図６）、Ｌ字型及びＪ字型の環状シールを含むバッテリ缶の閉端に形成された（図７〜図９）缶のベント（図８Ａ〜図９Ｃ）、缶のベントと共に用いられる飲料缶タイプの構造（図１１）、そして、コレクタフィードスルーを有する飲料缶タイプの構造を含んでいる。
加えて、上で述べた構造を用いることによって、バッテリ缶を、０．１０〜０．２０ｍｍ（４〜８ｍｉｌ）というオーダーの薄い壁で作ることができる。これは、後に述べる製造技術が、従来のバッテリにおいて十分なクリンプ及びシールを確保するために必要とされた厚い壁を必要としないからである。さらに本発明では、リソグラフィーでバッテリ缶の外側表面上に直接ラベルを印刷する。缶の壁を薄くし、リソグラフィーでバッテリ缶の外側表面上に直接ラベルを印刷することによって、電池の内側容積はさらに大きくなる。これは、ＡＮＳＩの外側寸法の規格に合致した電池を製造する際に、ラベルのための基板の厚さを考慮しなくてよいからである。
各バッテリについて、バッテリ全体の容積、コレクタ組立体の容積、電気化学的活物質に利用できる内側容積は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）の図面、写真、あるいはエポキシで被包し縦方向の断面で切ったバッテリの実際の断面を見て決定することができる。バッテリの寸法を見て測定するために、ＣＡＤ図面、写真、あるいは実際の縦方向断面を用いると、バッテリ内に存在しうるすべてのボイドの容積を含めることができる。全体のバッテリ容積を測定するには、中央長手方向の対称軸を通るように切ったバッテリの断面図を見て、幾何学的な計算によって全体の容積を測定する。電気化学的活物質に利用できる内側容積を測定するには、中央長手方向の対称軸を通るように切ったバッテリの断面図を見て、電池のシールされた容積の中の電気化学的活物質、ボイドの容積、及び化学的に不活性な物質（コレクタくぎ以外で）を含む、内側容積を構成する構成要素を幾何学的な計算によって測定する。同様に、コレクタ組立体の容積を決定するには、中央長手方向の対称軸を通るように切ったバッテリの断面図を見て、コレクタくぎ、シール、内カバー、負極カバーの底面とシールとの間のボイドの容積を含むコレクタ組立体の容積を構成する構成要素を、幾何学的な計算によって測定する。容器の容積も、バッテリの中央長手方向の断面を見て、缶、ラベル、負極カバー、ラベルと負極カバー、正極カバーの間のボイド容積、正極カバーと缶の間のボイド容積に使われている容積を計算することによって同様に測定することができる。
容積の測定は、長手方向の対称軸を通って切ったバッテリの断面を見てなされる。この測定は、バッテリ及びその構成部品が通常軸対称であることから、正確な容積が得られる。バッテリの断面の幾何学的な図を得るために、まずバッテリをエポキシに入れ、エポキシを硬化させてから、エポキシに入れられたバッテリ及びその構成部品を対称軸を通る中央断面までグラインドする。より詳しく言うと、バッテリをまずエポキシに入れ、中央断面の手前までグラインドする。次に、仕上げ磨きした断面の測定を可能とするために、アノード、カソード、セパレータの紙などのすべの内部部品を取り除く。そしてエポキシに入れられたバッテリから残っているくずを取り除き、空気で乾燥させ、残りのボイドの部分にエポキシを満たして、中央までのグラインドの仕上げ磨きが終わる前にバッテリをほぼ元の状態に戻す。そして再びバッテリをグラインドし、磨いて、中央断面まで仕上げ、その後トレースして図面にし、これから容積を測定する。
バッテリをエポキシに入れるのに先だって、カリパスを使って全体の高さ、クリンプの高さ、バッテリの上部、底部、中央の外側の径を測定する。さらに、同じバッテリを分解し、その部品を測定する。分解したバッテリの部品の測定には、電流コレクタくぎの径、電流コレクタくぎの長さ、電流コレクタくぎから負極カバーまでの長さ、ラベルがないバッテリの上部、底部、中央部の外側の径の測定が含まれる。
バッテリをエポキシ内に完全に入れ、長手方向の対称軸を通る中央までのグラインドがなされると、バッテリの断面を使って図を作成することができる。ミツトヨ（Mitutoyo）の光学的コンパレータをＱＣ−４０００というソフトウェアとともに用いて、バッテリの輪郭及び個々の部品をトレースし、バッテリの中央断面の図を作成する。この作業を行うときは、バッテリを適当な場所にしっかりと固定し、バッテリ部品の輪郭を、後にソリッド・モデリング・ソフトウェアで利用できるフォーマットで保存し、これからバッテリの欲しい部分の容積を計算する。しかしながら、容積測定を行う前に、バッテリの中央を正確に通っていない部品を補償するために図面を調整してもよい。この作業は、バッテリを切断する前に測定したバッテリの測定値及び分割した同種のバッテリの測定値を用いて実行することができる。例えば、電流コレクタくぎの直径及び長さ、バッテリの外側の径は、図面をより正確に描くためにその図面が対応する既知の断面寸法を含むよう調整して修正することができ、これにより、この図面を用いた容積測定をより正確にすることができる。シール、カバー及びクリンプ領域の細部は、これらを光学的コンパレータ上に描かれたものを用いることができる。
容積測定を行うために、図面をソリッド・モデリング・ソフトウェアにインポートする。立体の三次元的な容積の表示は、左側と右側両方の断面の輪郭を長手方向の対称軸に対して１８０度回転させることによって生成される。したがって、興味ある各領域の容積はソフトウェアによって得られ、そして左側と右側を１８０度回転し左側の容積と右側の容積を合計することによって、平均容積が決定される。このようにすると、バッテリが非対称であるような状況において有利である。より正確な容積測定値を得るために、非対称な部分を含む容積は、必要に応じて調整することができる。
薄型のシール
図４は、本発明の第一実施例である薄型のシールを用いたバッテリ構造を示している。図１に示したバッテリと同様に、バッテリ１００は、閉端１１４及び開端を有する導電性の缶１１２を含んでおり、この中にコレクタ組立体１２５及び負極カバー１４５が所定位置に固定される。バッテリ１００はまた、缶１１２の内壁及びセパレータ層１１７と接している正電極１１５を有している。セパレータ層１１７は、正電極１１５と負電極１２０の間にある。さらにバッテリ１００は、缶１１２の閉端の底面に取り付けられた正極外カバー１１１を含んでいる。
バッテリ１０と１００の違いは、コレクタ組立体１２５とカバー１４５の構造にある。シール１３０は、直立壁１３６と、コレクタくぎ１４０の頭部１４２を受け入れるよう形成された開口部を有する中央ハブ１３２を含んでいる点で、シール３０と類似しているが、シール１３０は、符号１３４で示すように、シール３０のＶ字型部３４を反転して上にある内カバー１４４の方へ延びるようにした点がシール３０と異なっている。Ｖ字型部分を反転することによって、コレクタ組立体１２５は正電極の上面１１６上によりしっかりと載ることができる。さらに、バッテリ１０のＶ字型部３４が占めていた空間を、電気化学的活物質のために使うことができる。
コレクタ組立体１２５によって占められていた内側容積を減らすために、内カバー１４４を、外カバー１４５の内側表面により近づけて沿うような構造とし、これにより、バッテリ１０にあった外カバー４５と内カバー４４の間のボイド空間をなくしてある。加えて、コレクタ組立体１２５を正電極１１５の上面１１６の上にしっかりと載せたことにより、バッテリで１０の場合には上に延びていた外カバー１４５の周囲の縁部１４７を平らにすることができる。周囲の縁部１４７を平らに置いたことにより、コレクタ組立体１２５をバッテリ１００の端部のより近くに配置できる。
さらにコレクタ組立体１２５は、スパー５２及びワッシャ５０が削除されている点でも、コレクタ組立体２５と異なっている。このようにしても、コレクタ組立体１２５は、シール１３０のうちのハブ１３２の直近に薄くした部分１３８を設けたことによって、信頼できる圧力緩和機構を備えている。シール１３０の厚いリング部分１３９は、薄くした部分１３８のすぐ近くに設けられ、これにより、薄くした部分１３８は厚いリング部分１３９と相対的にかなり厚いハブ１３２との間に位置する。このようにしたため、電池１００内部の圧力が過剰になったときは、シール１３０は薄くした部分１３８がが破れて開く。既に示したバッテリ１０の構造と同様に、内部で発生したガスは、内カバー１４４と外カバー１４５との間に形成された開口部を通って逃げる。
図１に示した従来からの構造を有するＤサイズのバッテリでは、電気化学的活物質を収容するために利用できる内側容積は４４．１６ｃｃであり、これは全体の容積５０．３８ｃｃの８７．７パーセントである（図２Ａの対応する部分を参照）。もし同じ電池を図４に示した薄型のシール構造を用いて構成した場合には、内側容積は４４．６７ｃｃに増え、これは全容積５０．０７ｃｃの８９．２パーセントに当たる。本発明の薄型のシールで構成された電池の内側容積及び外側容積は、缶の厚さが１０ｍｉｌの電池のものである。さらに、缶の壁の厚さを薄くすることによって、より大きな内側容積が得られる。
上で述べた薄型のシールは、同一人に譲渡された１９９７年６月２７日提出の米国特許出願０８／８８２，５７２号（発明の名称：A V-SHAPED GASKET FOR GALVANIC CELLS、発明者：Gary R. Tucholski）に開示されており、この開示はここに参考文献として組み入れられる。
図５は、ＡＡサイズのバッテリ１０′に用いられている図１に示した構造を商業的に適用したものとの比較で、ＡＡサイズのバッテリ１００′において用いられている薄型のシールを変形して商業的に適用したものを示している。バッテリ１００（図４）のコレクタ組立体と同様に、バッテリ１００′のコレクタ組立体も逆Ｖ字型部１３４を有するシール１３０、ハブ部１３２、ハブ１３２と厚くした部分１３９の間の薄くした部分１３８を含んでいる。
バッテリ１００と１００′のコレクタ組立体の主な違いは、バッテリ１００の内カバー１４４を無くした点である。シール１３０の直立脚１３６を押す半径方向の十分な圧搾力を確保するために、バッテリ１００′はバッテリ１００に用いられているフランジ付きのカバー１４５の適当な位置でロールバック（折り返し）カバー１４５′を用い、そして保持部材１５０を利用している。図４と図５の比較から明らかなように、ロールバックカバーは、フランジ付きカバー１４５の周囲の縁部１４７は平らであるがロールバックカバー１４５′の周囲の縁部１４７′は半径方向下向きに延び、そして半径方向上向きに延びるよう折り曲げられている点で、フランジ付きカバーと異なっている。ロールバックカバー１４５′は、半径方向の十分なバネ力を与えて、通常の使用時におけるシール１３０の直立脚１３６の缶１１２の内壁への圧搾力を維持している。
保持部材１５０はシール１３０のハブ１３２の部分の上及び周囲に設けられ、ハブ１３２をコレクタくぎ１４０の方向に押している。また、保持部材１５０をＪ字型又はＬ字型の断面となるよう形成したことにより、保持部材１５０の下側の半径方向に延びる部分が短く、これにより内部の圧力が過剰レベルに達したときに、確実にシール１３０の薄くした部分１３８の近傍が破れる。
超薄型のシール
図６は、本発明の第二実施例として構成されたバッテリを示しており、これは超薄型のシールを利用している。図１に示した従来からの電池と同様に、電池２００は導電性材料からできた円筒状の缶２１２を含んでいる。また、第一の電極２１５は缶２１２の内壁に対して望ましくはモールドによって形成されている。さらにセパレータ２１７は、第一の電極材料２１５によって規定される空洞内に挿入され、第二の電極及び電解液の混合体２２０はセパレータ２１７によって規定される空洞内に設けられる。
図６に示すように、コレクタ組立体２２５は、シール／内カバーを一体化した組立体２２８と、この一体化した組立体２２８に設けられた中央穴２３６を通るコレクタ２４０とを含んでいる。コレクタ２４０は、望ましくは、頭部２４２及び保持フランジ２４１を含む真鍮製のくぎからなり、保持フランジ２４１は、スピードナット２５０と協働してコレクタくぎ２４０を確実にシール／内カバーを一体化した組立体２２８の中央穴２３６の中に保持するために設けられている。
シール／内カバーを一体化した組立体２２８は、丈夫な内カバー２１０及びシール２３０を含んでおり、シール２３０は、モールド又は積層化によって、丈夫な内カバー２１０上に直接形成されている。シール２３０は望ましくはネオプレンゴム製、ブチルゴム製、又はエチレンプロピレンゴム製とし、丈夫な内カバー２１０は望ましくは低炭素綱１００８又は１０１０から形成する。ゴムは、このようなコレクタにしばしば用いられるナイロンやポリプロピレン材料よりも圧縮性が高いので、丈夫な内カバー２１０の半径方向の圧搾力は、それほど大きい必要はない。このため内カバーを薄く、及び／又は、柔らかい金属で作ることができる。さらに、金属以外の材料を用いることもできる。また、シール２３０を、化学的に不活性で、水を通さず、圧縮性があり、丈夫な内カバー２１０を形成する材料に接着可能であるその他の材料から作ることもできる。
加えて、シールの周囲の直立壁を圧搾するのに必要な半径方向の力を減らすことによって、缶の壁の厚さを０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）から約０．１５ｍｍ（０．００６インチ）まで、可能性としてはさらに０．１０ｍｍ（０．００４インチ）まで薄くすることができる。
ネオプレンゴムやブチルゴムなどのゴム材料をシール材料として使用できるような構造とすることによって、コレクタ組立体の水透過性は大幅に低下する。電池の水透過性を小さくすることによって、バッテリの保守性は向上すると考えられる。
丈夫な内カバー２１０は一般にディスク形状で、中央に開口部２１８が形成されているほか、多数の追加の開口部２１７が形成されている。中央開口部２１８及び追加開口部２１７は、丈夫な内カバー２１０の上面から底面まで丈夫な内カバー２１０を貫通している。丈夫な内カバー２１０を金属で形成する場合は、金属製のシートから打ち抜き加工で製造するのが望ましい。しかしながら、内カバー２１０を他の既知の製造技術で形成することもできる。続いて、この丈夫な内カバー２１０とシール２３０との間の接着性を高めるために、内カバー２１０の表面に、サンドブラスティングや化学的エッチングなどによる荒面加工を施してもよい。Ｃサイズの電池の場合、丈夫な内カバー２１０の望ましい厚さは０．３８〜０．７６ｍｍ（０．０１５〜０．０３０インチ）である。
丈夫な内カバー２１０を打ち抜き加工し、表面処理を行ったら、これをトランスファーモールド・プレスに挿入し、続いてここにはシール２３０を形成するゴムが施される。トランスファーモールドは、施されたゴムが丈夫な内カバー２１０の底面全体にわたる層２３２を形成するように形成するのが望ましい。層２３２の厚さは、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）から０．５ｍｍ（０．０２０インチ）の間とし、望ましくは約０．４６ｍｍ（０．０１６インチ）とする。ゴムはまた、開口部２１７にも流れてプラグ２３８を形成する。また、ゴムは中央開口部２１８にも流れて、中央開口部２１８の表面の内側を被う（裏打ち）が、開口部全体を塞ぐことはなく、これにより中央穴２３６が与えられ、続いてここにコレクタくぎ２４０を挿入することができる。中央穴２３６の直径は、コレクタくぎ２４０の直径よりも十分に小さいことが望ましい。これは、コレクタくぎ２４０が中央穴２３６に押し込まれたときに、中央穴２３６のゴムの裏打ちが穴の中で十分に圧縮するようにするためである。コレクタくぎ２４０に、シール２３０の底部の層２３２を押圧する保持部材２４１を設けたことによって、コレクタくぎ２４０が適当な位置に押し込まれたときに、スピードナット２５０と保持部材２４１が協働して、その間にあるゴムの層２３２の部分を垂直に圧搾する。このようにコレクタくぎ２４０の近傍でゴムのシールを圧搾することによって、コレクタくぎ２４０とシール／内カバーを一体化した組立体２２８との接触面に起こるリークの可能性は、大幅に低減される。
図示したように開口部２１７をゴムのシールプラグ２３８で塞ぐことによって、圧力緩和機構が与えられる。これは高い信頼性で働くだけでなく、内部の圧力が開放されたあとで再び有効に封止する。内部の圧力が過剰と考えられるレベルに達すると、この過剰圧力は少なくとも一つのプラグ２３８を破り、内部に発生したガスを直ちに開放する。破れが起こる圧力は、シールとして選ぶ材料、シール材料の厚さ、及び開口部２１７の直径に基づいてコントロールすることができる。さらに、ゴムのシール材料は弾性があるため、圧力が開放されると、ゴムのプラグ２３８は元の状態に戻る。したがって本発明の圧力緩和機構は、従来からコレクタ組立体で用いられていた排出機構とは異なって、そこから電気化学的物質が漏れる可能性のある永続的な穴をコレクタ組立体に作らない。また、このように再度封止する機構は、電池内部の部品の劣化を最小限に抑え、電池の有効寿命を引き延ばすことができる。
圧力緩和機構として働くプラグ２３８における開口部２１７は一つがだけ設けてあればよいが、このようなプラグで閉じられた開口部を複数設けることによって信頼性が向上する。これまでの緩和機構構造とは異なり、本発明は、独立して動作する複数の圧力緩和機構を与える。図１に例示した、複数のスパーを含む圧力緩和機構でも、スパーのうちの任意の一つがシールを突き通るには、ワッシャ５０が逆になることが必要である。しかしながら、本発明のコレクタ組立体に設けられたプラグが詰まった各開口部は、お互い同士が依存せず、したがって全体としてより信頼性の高い圧力緩和機構となる。
図６に示したように、シール２３０は丈夫な内カバー２１０の周囲の縁部に直接形成された直立壁２３５を有している。この直立壁２３５を設けることによって、コレクタ組立体２２５が缶２１２に挿入されたときに十分な封止が得られる。この封止は、内カバー２１０が直立壁２３５を缶２１２の内面を押圧するようシール２３０の外径を缶２１２の内径よりも大きく形成することによって、さらに向上する。
シール２３０は、さらに、直立壁２３５の延長部分２３７を含むように形成することもできる。この部分は、内カバー２１０の上面を超えて垂直に上方に延びている。延長部分２３７を設けることによって、シール２３０を缶２１２のクリンプした端部２２４と外カバー２４５の周囲の縁部との間の絶縁体として用いることができる。
シール２３０内カバー２１０の底面全体を被うよう連続的な層２３２を含むように示されている。しかし、当業者であれば、特に、内カバー２１０が不活性のプラスチック材料から形成されている場合には、シール２３０は内カバー２１０の底面全体を被うように形成する必要はないことが理解されるだろう。シール２３０及び内カバー２１０を形成するのに用いる材料の特性によっては、シール材料２３０と接しこれと接着する内カバー２１０の表面に接着剤を塗布する。
シール２３０が内カバー２１０にモールドされ、コレクタくぎ２４０がシール／内カバーを一体化した組立体２２８の中央穴２３６及び保持部材２４０を通して挿入されたら、外カバー２４５をコレクタ組立体２２５の上面上に配置し、望ましくはコレクタくぎ２４０の頭部２４２に溶接する。続いて、コレクタ組立体２２５とこれに取り付けられた外カバー２４５を電池缶２１２の開端から挿入する。クリンプする前にコレクタ組立体２２５を所定位置に保持するために、コレクタ組立体２２５の底面を第一の電極２１５の上面２１６上に載せる。こうすると、コレクタ組立体２２５は、ある程度の力で挿入することになり、シール２３０の底面の層２３２が、電池内で、確実に電極２１５の上面２１６上で均等に支えられる。
第一の電極２１５が缶２１２内の所定位置にモールドによって形成される場合は、第一の電極２１５は、同一人に譲渡された１９９８年３月６日提出の米国特許出願０９／０３６，１１５号（発明の名称：ELECTROCHEMICAL CELL STRUCTURE EMPLOYING ELECTRODE SUPPORT FOR THE SEAL、発明者：Gary R.Tucholski et al.）に開示されている、第一の電極２１５のモールディングに起因するフラッシングが適切なアライメント及びコレクタ組立体によって与えれる封止と干渉するのを防ぐための方法と同じ方法で構成することが望ましい。米国特許出願０９／０３６，１１５号の開示は、ここに参考文献として組み入れられる。
コレクタ組立体２２５を電極２１５上に載せることによって、電極２１５による反作用が生じる下向きの力を与えるよう、缶２１２を開端部にクランプすることができる。したがって、図１に示した従来からの電池の構造で使用されている縦断面が厚いクリンプを、縦断面が薄いクリンプで置き換えることができ、これにより、電池の中にさらに１．５２ｍｍ（０．０６０インチ）のスペースを作り出すことができる。
図6に示した構造を有するコレクタ組立体２２５は、図1に示した従来からのコレクタ組立対よりも縦断面が薄い。このためコレクタ組立対２２５を用いた電池２００は、より多くの電気化学的活物質２１５及び２２０を収容することができ、したがって電池の動作寿命が延びる。縦断面は薄いにもかかわらず、コレクタ２２５は十分な封止力と電気的絶縁性を示す。加えて、本発明のコレクタ組立体によれば、信頼性が高いだけでなく、複数のものが独立して動作し、かつ、排気の後に部分的にシールされてその後に電気化学的活物質が電池から漏れ出ることを防ぐことができるという利点を有する圧力緩和機構が与えられる。さらに、本発明のコレクタ組立体によれば、水の透過特性が改善され、これによりバッテリの保守性が向上する。
図6に示した超薄型のコレクタ組立体を用いて構成された種々のサイズのバッテリについて、全体の容積（ｃｃ）及びバッテリ用の電気化学的活物質を収容するのに利用できる内側容積（ｃｃ）の計算値を図１４Ａの表に示した。図１４Ａの表から明らかなように、このような電池の内側容積は、一般に、従来から商業的に入手可能であるどのような電池よりも大きい。例えば、超薄型のシールを有するＤサイズのバッテリは、電気化学的活物質を収容するのに利用される内側容積が４５．３３ｃｃであり、これは全体の容積５０．０７ｃｃの９０．９パーセントに相当する。これは、図２Ａに列記した従来の電池について測定されたどの内側容積よりも大きい。さらに、０．２０ｍｍ（８ｍｉｌ）又は０．１５ｍｍ（６ｍｉｌ）の厚さの缶を有する電池については、電池の内側容積は大幅に増大する。さらに、図１４Ｂに示した表には、全容積の計算値を、図６に示した超薄型を用いた構造の様々なサイズのバッテリのコレクタ組立体の容積と比較しながら示す。ここで定義されるコレクタ組立体の容積には、コレクタくぎ、シール、内カバー、及び負極カバーの底面とシールとの間のボイドの容積が含まれる。ここで定義される容器の容積には、缶に使用される容積、ラベル、負極カバー、ラベルと負極カバーとの間のボイドの容積、正極カバー、そして正極カバーと缶との間のボイド容積が含まれる。バッテリの全体容積は、電気化学的活物質を収容できる内側容積、コレクタ組立体の容積、そして容器の容積を合計したものであることが分かる。バッテリの全容積、主電極組立体の容積、そして容器の容積は、バッテリの長手方向中央の断面形状のＣＡＤ図面を見て決定される。図１４Ｂの表から明らかなように、このコレクタ組立体の容積は、一般に、従来のどの商業的に入手可能な電池よりも小さい。このコレクタ組立体は、超薄型のシール構造を用いていることによって小さくなっていることが理解される。例えば、超薄型のシール内でのコレクタ組立体の容積は、１．８９ｃｃであり、これは図１４Ｂに示した全容積５０．０７ｃｃの３．８パーセントである。これは、図２Ｂに列記した従来からのバッテリについて測定したどのコレクタ組立体の容積よりも小さい。容器の容積も小さくすることができる。同様に、０．２０ｍｍ（８ｍｉｌ）又は０．１５ｍｍ（６ｍｉｌ）という厚さを薄くした缶では、容器の容積が縮小され、電池の内側容積はさらに大幅に小さくなる。
上で説明した超薄型シール及びこの超薄型シールの代わりとなりうるいくつかの具体例は、同一人に譲渡された１９９８年３月６日提出の米国特許出願０９／０３６，２０８号（発明の名称：COLLECTOR ASSEMBLY FOR AN ELECTROCHEMICAL CELL INCLUDING AN INTEGRAL SEAL/INNER COVER、発明者：Gary R. Tucholski）に開示されており、この開示はここに参考文献として組み入れられる。
正極の突起が形成された薄型シール及び超薄型シール
図７に示すように、図６に示した第二実施例は、缶２１２の閉端２１４に直接形成されたバッテリの正極端子のための突起を有するように変更することができる。このようにすると、缶２１２の閉端２１４と正極の外カバー２１１（図６）の間にあるボイドスペースを、電気化学的活物質を収容するのに用いるか、そうでなければ電池内に設けることが必要とされるガスを集めるための空間として使用することができる。さらに当業者にとっては自明のように、図４に示した第一実施例も同様に、正極外カバーの突起が缶１１２の底部に直接形成されるように変更することができる。缶の底部に直接突起を形成することによって得られる電池の容積の増加分は図１４Ａの表には記載していないが、当業者であれば分かるように、この内側容積は、別々のカバーで形成された超薄型シール又は薄型シールについて表に列記した容積よりも通常１パーセント大きくなる。
Ｌ字型シールで缶底部に形成された圧力緩和機構
本発明の第四実施例として構成された電気化学電池３００を図８Ａ〜Ｃに示す。バッテリ３００は、圧力開放記加工３７０が缶３１２の閉端３１４に形成されているという点が、以前のバッテリ構造と異なっている。その結果、コレクタ／シール組立体を、消費する容積が少なく部品数も少ないコレクタ組立体で置き換えることができる。これにより、電池の内側容積効率が大幅に改善される。図８Ａ、図８Ｂ、図９、図１０に示すように、圧力緩和機構３７０は、缶３１２の底面に溝３７２を設けることによって形成される。この溝は、缶３１２の底面を鋳造し、底面に溝を切り込み、あるいは正電極をモールドする際に缶の底面に溝をモールドすることによって形成することができる。ＡＡサイズのバッテリの場合、鋳造した溝の底部の金属の厚さは、約０．０５ｍｍ（２ｍｉｌ）である。Ｄサイズのバッテリの場合、鋳造した溝の底部の金属の厚さは、約０．０７６ｍｍ（３ｍｉｌ）である。溝は、例えば約３００°の円弧として形成する。溝の円弧を完全には閉じないでおくことによって、圧力緩和機構は有効なヒンジを持つことができる。
溝３７２によって囲まれる内側の大きさは、内部圧力が過剰になって破れるときに、外カバー３１１の正極突起内部で外カバー３１１がじゃまにならずに溝３７２の内側領域がヒンジのところで回転できるようなサイズとするのが望ましい。一般に、溝３７２によって規定される領域の大きさ、および溝の深さは、缶の直径、および圧力緩和機構が破れて内部で発生するガスを逃がす圧力に依存する。
従来からの技術で説明した、缶の横又は端部に形成されていた圧力緩和機構とは異なり、本発明の圧力緩和機構３７０は、破れたときに電気化学物質が電池から直接外部に噴射するという危険な状態を防止するために、外カバー３１１の下に配置されている。また、バッテリの正極端子が別のバッテリの負極端子に押しつけられた直列の状態で使われていた場合には、圧力緩和機構３７０の上に外カバー３１１を設けることによって、圧力緩和機構３７０は正極突起の下で外側に撓み、最終的に破れる。このときにもし外カバー３１１がないと、二つのバッテリが接触していることが、圧力緩和機構が破れるのを妨げる。さらに、圧力緩和機構の上に外カバー３１１が設けられていないとしたら、バッテリの正極端における圧力緩和機構はより損傷を受け易くなる。外カバー３１１はまた、周囲の環境の腐蝕作用から圧力緩和機構３７０を遮蔽し、したがって短い期間でのガスの排出、及び／又は、漏れが起こる可能性を軽減している。このように圧力緩和機構を外カバーの下に形成することによって、本発明は、従来技術の構造と関連した問題を解決し、商業的に実現可能なバッテリ用の圧力緩和機構の代表的なものとなる。
バッテリ底面に圧力緩和機構を形成することで複雑なコレクタ／シール組立体を設ける必要がなくなったことから、ガスを圧力緩和機構を通してバッテリの外部へ逃がさなければならなかったことに起因して以前は実行可能ではなかった構造技術を利用して、バッテリ缶の開端を封止することができる。例えば、図８Ａ及び図８Ｂに示したように、Ｊ字型の断面を有するナイロンシール３３０あるいはＬ字型の断面を有するナイロンシール３３０′を缶３１２の開端に配置し、ナイロンシール３３０又は３３０′内にロールバックされた（折り返された）周囲の縁部３４７を有する負極の外カバー３４５を挿入し、続いて缶３１２の外側縁部３１３をクリンプしてシール３３０又は３３０′及びカバー３４５を適当な位置に保持することによって、缶３１２の開端を封止することができる。シール３３０又は３３０′を適当な位置に保持し易いように、ビード３１６を缶３１２の開端の外周に沿って形成してもよい。ナイロンシール３３０又は３３０′を電気化学的活物質から保護し、バッテリシールを与えるために、ナイロンシール３３０又は３３０′をアスファルトでコーティングしてもよい。
特に、図８Ａ及び図８Ｃを参照する。環状のナイロンシール３３０は、Ｊ字型の断面を有するよう構成されている状態が示されている。このＪ字型の断面には、その最も外側の周囲にある長い垂直な壁３３２及びその内側にある短い垂直な壁３３６を含み、垂直な壁３３２と３３６の間に水平なベース部材３３４を有している。この短い垂直部分３３６があることから、ここでは環状シールがＪ字型又はＬ字型の断面を有すると言っているが、Ｊ字型のナイロンシール３３０からこの短い垂直部分３３６を省いて、図８Ｂに示すようなＬ字型そのものの断面形状を有する構造にすることも可能である。
図８Ｃは特に、図８Ａに示した電気化学電池の組み立てを例示している。円筒状の缶３１２は、缶を閉じる前に内部に配置されるバッテリ材料を受け入れるための開端及びビード３１６を規定する側壁から形成されている。缶３１２内に配置されるのは、正電極、負電極及び電解液を含む活性な電気化学電池物質の他、セパレータ及びその他の添加剤である。外カバー３４５とこれに溶接又は他の方法で底部に固定されたコレクタくぎ３４０、そして環状のナイロンシール３３０は組み立てられ、缶３１２の開端に挿入されて、缶３１２を封止して閉じる。コレクタくぎ３４０は、スポット溶接３４２によって外カバー３４５の底面側へ溶接するのが望ましい。コレクタくぎ３４０とカバー３４５は共に、シール３３０にはめ込まれてコレクタ組立体が形成され、このコレクタ組立体は、外カバー３４５のロールバックされた周囲の縁部３４７が環状のシール３３０の内壁に接しながさシール３３０を支持するビード３１６の上に配置されるように、缶１１２へ挿入される。コレクタ組立体を缶３１２の開端に配置するときは、缶の開口部にぴったりと嵌り込んで閉じるように力を加える。その後、シール３３０及び外カバー３４５を所定位置に保持するよう、缶１２の外側縁部３１３を軸に向かう力を加えて内側にクリンプする。
図８Ｂを参照すると、外カバー３４５の内面及びコレクタくぎ３４０の少なくとも上部が、腐蝕防止コーティング３４４でコーティングされた状態が示されている。腐蝕防止コーティング３４４には、アノードと電気化学的に適合する材料が含まれている。このような電気化学的に適合する材料には、エポキシ、テフロン（登録商標）、ポリオレフィン、ナイロン、エラストマー材料、その他の不活性物質、これらを単独で用いたもの又は他の材料と組み合わせたものなどが含まれる。コーティング３４４は、スプレー又は塗布によって行い、外カバー３４５の内面及びコレクタくぎ３４０のうち電池の正電極及び負電極の上のボイド領域において活性物質にさらされる部分をカバーすることが望ましい。カバー３４５の内面を、スズ、銅、その他同様の電気化学的に適合する材料でメッキすることも可能であることが理解される。腐蝕防止コーティング３４４を設けることによって、外カバー３４５及びコレクタくぎ３４０の腐蝕は軽減され、あるいは防止され、これにより電気化学電池内で発生するガスの量が減少するので有利である。電池内で発生するガスの量が減ると、内部で生じる圧力も軽減される。
図１４Ａの「缶底部の圧力緩和」及び「薄い壁を用いた缶底部の圧力緩和」の項目に示したように、図８Ａに示した構造で構成したＤサイズの電池は、缶の壁が０．２５ｍｍ（１０ｍｉｌ）の厚さのときは９３．５容積パーセントの内側容積を有し、０．２０ｍｍ（８ｍｉｌ）の厚さのときは９４．９容積パーセントの内側容積を有する。図１４Ｂに示すように、図８Ａに示した構造で構成したＤサイズの電池は、缶の壁が０．２５ｍｍ（１０ｍｉｌ）及び０．２０ｍｍ（８ｍｉｌ）の厚さのときは、全容積の２パーセントのコレクタ組立体の容積を有する。図１４Ａの表から明らかなように、同様の構造を有するＣサイズ、ＡＡサイズ、およびＡＡＡサイズのバッテリもまた、内側容積の効率がかなり向上する。
飲料缶タイプの構造
図８Ａ〜図１０に例示した圧力緩和機構を用いると、さらに、図１１に示した飲料缶タイプの構造を用いることが可能となる。この飲料缶底部の構造は、缶４１２の開端に対してどのような形態のナイロンシールも挿入する必要がないという点が、他の形態のバッテリシールと異なる。その代わりに、食品缶又は飲料缶の上部を缶の円筒部分に封止するのに通常用いられている封止技術を用いて、負極の外カバー４４５が缶４１２の開端へ固定される。このような封止構造は、これまではバッテリを封止するの用いることは考えられていなかった。その理由は、このようにすると、負極の外カバーを缶から電気的に絶縁できないからである。
図１１に示した構造を有するバッテリを製造する方法を、以下に図１２Ａ〜図１２Ｄを参照して説明する。缶４１２の開端に負極の外カバー４４５を取り付ける前に、コレクタくぎ４４０をカバー４４５の内面に溶接する。次に、図１２Ａに示すように、カバー４４５の内面をカバー４４５の上面の周辺部分を一緒にエポキシ、テフロン（登録商標）、又はビニルなどの絶縁材料の層４７５でコーティングする。カバー４４５の底部と負極の電極／電解液の混合体１２０の上面との間のボイド領域へ延びるコレクタくぎ４４０の部分についても、絶縁体でコーティングする。加えて、缶４１２の内面及び外面も、缶４１２の開端の領域においてコーティングする。このようなコーティング４７５は、缶及びカバーに対して、スプレー、浸漬、又は静電塗装などによって直接施される。このようなコーティングを設けることによって、負極の外カバー４４５は缶４１２から電気的に絶縁される。
バッテリ内のボイド領域に近い缶、カバー及びコレクタくぎの領域に絶縁コーティングを施すことによって、これらの領域を腐蝕から防ぐことができる。上で述べたエポキシ、テフロン（登録商標）又はビニルなどの材料などからなる単一の層からなるコーティングでも腐蝕防止機能を果たすが、二つの異なる材料からなる複数の層や、部品の領域によって異なる材料を塗布する単層からなるコーティングを施することも考えられる。例えば、カバーの周縁領域を絶縁及び腐蝕防止の両方の機能を果たす単一の層でコーティングし、カバーの内面の中央部については、腐食防止層の機能は果たすが絶縁機能はない単一の層でコーティングしてもよい。このような材料には、例えばアスファルトやポリアミドが含まれる。あるいはまた、缶又はカバーうちの一方を絶縁及び腐蝕防止層の両方の機能を有する材料でコーティングし、他方を腐食防止層としての機能だけを果たす材料でコーティングすることもできる。このようにうすると、必要な部分（すなわちカバーと缶の接触面）に電気的な絶縁が施され、さらに電池の内側容積内でボイド領域を部分的に規定する面は電池内の電気化学的な物質の腐蝕効果から保護される。さらに、異なる材料を利用すれば、低コストの、あるいは意図する機能として最適な特性を示す材料を選択することができる。
カバー４４５の缶４１２へのシールを補助するために、従来からのシール材４７３を、カバー４４５の周縁部４７０の底面に施してもよい。シール作業が終了すると、シール材４７３は、図１２Ｄに示した位置に移動する。
コレクタくぎ４４０が外カバー４４５に取り付けられ、電気的な絶縁コーティングが施されたら、外カバー４４５を図１２Ｂに示すように、缶４１２の開端上に置く。缶４１２には、開端に形成された外側に突き出たフランジ４５０を設けておくのが望ましい。さらに、外カバー４４５には、フランジ４５０の形状に合致した僅かに曲がった周縁部４７０を設けることが望ましい。外カバー４４５が缶４１２の開端上に置かれると、シーミング（seaming）用のチャック５００が、その環状の下に延びた部分５０２が外カバー４４５に形成された環状の凹部４７２に受け入れられるようにし外カバー４４５上に置かれる。次に、第一のシーミングロール５１０を、半径方向に外カバー４４５の周縁部４７０に向かう向きで移動させる。シーミングロール５１０が周縁部４７０及びフランジ４５０に向かう方向に移動すると、その曲がった表面が周縁部４７０をフランジ４５０の周囲に沿って折り曲げる。また、第一のシーミングロール５１０が半径方向内向きに移動すると、シーミングチャック５００、缶４１２、および外カバー４４５が中心軸の周りに回転して、缶４１２の周囲全体にわたって周縁部４７０がフランジ４５０の周囲に沿って折り曲げられる。さらに、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、フランジ４５０及び周縁部４７０は図１２Ｃに示す位置まで下方に折り曲げられる。
周縁部４７０及びフランジ４５０が図１２Ｃに示した位置まで折り曲げられると、第一のシーミングロール５１０は缶４１２から離れる方向に移動し、第二のシーミングロール５２０が半径方向内側にフランジ４５０及び周縁部４７０に向かう向きに移動する。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とは異なる断面形状を有している。第二のシーミングロール５２０は、フランジ４５０及び周縁部４７０に対して十分な力を加えて、曲げられたフランジ及び周縁部を、シーミングチャック５００によって支えられた缶４１２の外側表面に対してプレスし、平坦にする。この工程の結果、缶４１２の周縁部４７０はフランジ４５０の周囲及び下側に折り曲げられ、図１１及び図１２Ｄに示すように、フランジ４５０と缶４１２の壁の外側表面との間でクリンプされる。こうして密閉シールが形成される。
このタイプのシールの密閉特性を例証するために、本発明の本実施例に基づいて構成したＤサイズの缶と、同じく図１に示した従来からのシールで構成されたＤサイズの缶に水を満たした。そして缶から失われる水の量を決定するために、二つの缶を７１℃に保ち、長時間にわたり重量を測定した。従来からの構造は一週間あたり２７０ｍｇ減り、本発明の構造はこの同じ期間では重量が減らなかった。これらの結果はＫＯＨ電解質によっても確認され、従来の構造は一週間あたり５０ｍｇ減少したのに対し、本発明の構造はまったく重量が減らなかった。
当業者にとっては自明なように、この飲料缶タイプの構造は、バッテリ内で利用する空間を最小限に抑え、バッテリ製造に必要とされる工程数を減らし、材料コスト及び製造工程コストを低減している。さらに缶壁の厚さは、０．１５ｍｍ（６ｍｉｌ）又はこれを下回るほどに大幅に薄くできる。その結果、電気化学的活物質の収容に利用できる内側容積が増加する。例えば、Ｄサイズのバッテリについて、電気化学的活物質を収容するのに利用される全バッテリ容積に対するパーセンテージは９７容積パーセント程度まで高くでき、コレクタ組立体の容積は１．６容積パーセントまで下げることができる。他のサイズのバッテリの容積については、図１４Ａ及び１４Ｂの表に含まれている。
本発明の封止構造を利用すると、缶が満たさなければならない強度に関する要求が小さくなることから、缶壁の厚さを薄くできるだけでなく、缶を形成するのに使用できる材料の数が増える。例えば、上で述べた本発明の構造は、缶として現在用いられているニッケルメッキした金属以外に、アルミニウム又はプラスチックを使用することが可能となる。
飲料缶構造の変形例を図１３に示す。ここに例示した具体例では、バッテリ缶はまず二つの開口端を有する管状に形成される。この管は、従来からの技術を用いて、押し出し成形、シーム溶接、半田付け、接合等がなされる。この管は、スチール、アルミニウム又はプラスチックから形成される。図１３に示すように、この管は缶６１２の側壁６１４を規定する。そして上で簡単に説明した飲料缶シール技術を用いて、内カバー６１６を固定することによってこの管の第一の開端を封止する。この場合、内カバー６１６と側壁６１４の間には、電気的な絶縁は必要ない。正極の外カバー６１８内カバー６１６の外面に溶接するか、あるいは他の方法で固定する。そしてバッテリを満たし、負極の外カバー６４５を、上で説明したのと同じ方法で缶６１２の第二の開口端に固定する。
缶に印刷したラベル
上で述べたように、本発明のバッテリ構造は、現在用いられているラベル基板ではなく、印刷されたラベルと組み合わせて使うことができる。現在のラベル基板は０．０７６ｍｍ（３ｍｉｌ）のオーダーの厚さを有している。このようなラベル基板ではバッテリの長さ方向に沿った継ぎ目が形成される重ね合わせが行われるので、このような従来からのラベルは、バッテリの直径に対して０．２５ｍｍ（１０ｍｉｌ）、クリンプ高さに対して０．３３ｍｍ（１３ｍｉｌ）が追加される。その結果バッテリ缶は、ＡＮＳＩの寸法規準を満たすために、このラベルの厚さを収容できるような寸法としなければならない。しかし、本発明のように、缶の外側表面にリソグラフィによるラベルを直接印刷すれば、缶の直径をその分の約０．２５ｍｍ（１０ｍｉｌ）だけ大きくできる。このように直径が大きくなれば、バッテリの内側容積はかなり増大する。図１４Ａ及び図１４Ｂの表に列記した飲料缶構造を除くすべてのバッテリは、基板ラベルを含んでいる。基板ラベルを有するバッテリの内側容積は、このラベルを缶の外側に直接印刷するとすれば、容積を、Ｄサイズのバッテリについてはさらに２パーセント（１．０２ｃｃ）、ＡＡサイズのバッテリについては３．９パーセント（０．２０２ｃｃ）、ＡＡＡサイズのバッテリについては５．５パーセント（０．１９５ｃｃ）大きくすることができる。ラベルは、トランスファー印刷技術を用いて缶に印刷することもできる。これは、ラベル・イメージをまず転写媒体に印刷し、それから缶の外側に直接転写する。歪みリソグラフィー（distorted lithography）を用いることもでき、これによれば、材料を電池の管状又は円筒形状にするときに平らな材料の応力歪みを考慮するために、平らな材料の上に意図的に歪めた画像を印刷することができる。
リソグラフによるラベルを印刷する前には、缶の外側表面を清浄にしておくのが望ましい。印刷の缶への接着性を高めるために、缶の外側表面に下塗りのベースコートを塗布することもできる。そして、周知のリソグラフィ印刷技術を用いて、印刷ラベルを缶のベースコートの上に直接適用する。印刷ラベルの上には、印刷ラベルを被って保護するとともに電気的な絶縁層として、上塗りのオーバーコートを施すことが望ましい。この印刷ラベル、高温加熱又は紫外線放射技術を用いて硬化させることができる。
印刷ラベルを用いることによって、従来からのラベル基板の厚さは最大約０．５ｍｉｌ程度大幅に薄くなる。特に、ベースコート層の厚さは約０．１〜０．２ｍｉｌの範囲である。印刷層の厚さは約０．１ｍｉｌであり、上塗りのオーバーコート層の厚さは約０．１〜０．２ｍｉｌの範囲である。ラベルの厚さを薄くすることによって缶の直径を大きくすることができ、これにより、バッテリの外径を所定の値に維持しながら電池の活性物質に利用できる容積を増大させることができる。
フィードスルーコレクタを有する飲料缶
図１５には、本発明の第七実施例であるフィードスルーコレクタを有する電気化学電池７００が示されている。図１１に示した飲料缶タイプの構造を有する電気化学電池４００と同様に、電気化学電池７００は、閉端３１４と、小型コレクタ組立体７２５及び外側負極カバー７５０が組み込まれた開端とを有する導電性の缶７１２を含んでいる。電気化学電池７００は、缶７１２の内壁と接触している正電極１１５を含んでおり、正電極１１５は、この正電極１１５と負電極１２０との間にあるセパレータ１１７とも接触している。正電極１１５のことをここではカソードとも呼び、負電極１２０のことをアノードとも呼ぶ。この気化学電池内の物質の種類及びこれらの位置は、本発明が教示する範囲から逸脱することなる、変更することができる。
電気化学電池７００は、また、缶７１２の閉端３１４内に形成された圧力緩和機構３７０を含んでいる。これにより、従来のコレクタ組立体よりも消費容積が小さい小型コレクタ組立体７２５を用いることが可能となり、したがって電池の内側容積の効率が向上する。圧力解放機構３７０は、図８Ａ、図８Ｂ、図９及び図１０との関連で説明した溝として形成することができる。加えて、正極の外カバー３１１は缶７１２の閉端に接続され、圧力緩和機構３７０の上にある。正極の外カバー３１１の組み立て及び配置は、図８Ａとの関連で説明したのと同様にして与えられる。
電気化学電池７００は、缶７１２の開端を閉じそして封止するコレクタ組立体７２５を含んでいる。コレクタ組立体７２５は、負電極１２０と電気的に接触して配置されたコレクタくぎ７４０を含んでいる。コレクタ組立体７２５には、また、コレクタ組立体７２５の中央に設けられた開口部７５１を有する第一のもしくは内側のカバー７４５が含まれている。コレクタくぎ７４０は内カバー７４５の開口部７５１を通って延び、配置されている。コレクタくぎ７４０と第一カバー７４５との間には、これらの間を電気的に絶縁するために、誘電体の絶縁材料７４４が配置されている。したがって、コレクタくぎ７４０は、内カバー７４５から電気的に絶縁されている。誘電体の絶縁材料７４４は、有機ポリマーなどの有機高分子材料であり、これらはエポキシ、ゴム、ナイロン、その他のＫＯＨによる腐蝕に耐性があり、アルカリ電池では水酸化カリウム内で腐蝕しないものを用いることができる。誘電体の絶縁材料は、次に説明するようにして組み立てられる。
内カバー７４５は、順に缶７１２の開いた上端に接続され、シールされる。内カバー７４５は、缶７１２内へ挿入され、図１１〜図１３との関連で説明したように、周縁部４５０及び４７０において二重の継ぎ目を形成して缶７１２にシールされる。本発明の第七実施例では、二重の継ぎ目による缶とカバーとの封鎖を示したが、本発明が教示する範囲から逸脱することなく、別の方法を用いて缶とカバーを封鎖してもよいことは理解されるべきである。
第七実施例によれば、電気化学電池７００は、缶７１２と内カバー７４５とを直接接続することができ、これは両者間に圧力シールを与えるものであることが望ましいが、内カバー７４５と缶の側壁との間を電気的に分離する必要はない。代わりに、電気化学電池の負極端子及び正極端子が互いに電気的に分離されるように、コレクタくぎ７４０を誘電体でカバー７４５から絶縁する。缶７１２と内カバー７４５との間の電気的な絶縁を維持する必要はないが、缶を適切に封止するために、缶をカバーに接続する継ぎ目に封止材を施すことが望ましい。図１１〜１２Ｄとの関連で図示し記載したバッテリとの関連で説明したように、適当なシール材を施すことができる。絶縁材料とともにシールされた継ぎ目は、圧力解放機構３７０が圧力を解放する排出圧よりも大きな内部圧力に耐えうるものでなければならないことが理解される。
許容されるバッテリ規格に適合した許容される外側バッテリ端子を与えるために、電気化学電池７００は、さらにコレクタくぎ７０と電気的に接触した外カバー７５０を含んでいる。外カバー７５０は、スポット溶接７４２によって溶接されるか、又はその他の方法でコレクタくぎ７４０に電気的に接続される。外カバー７５０と内カバー７４５との間の適切な電気的絶縁を確実にするために、環状パッド７４８のような誘電材料を、負極の外カバー７５０と内カバー７４５との間に配置する。この適当な誘電材料には、ナイロン、その他の弾性材料、ゴム、内カバー７４５の上面又はカバー７５０の底面に塗布されたエポキシが含まれる。したがって、電気化学電池７００の負極端に、許容できる標準的なバッテリ端子を与えることができる。
本発明の第七実施例の電気化学電池７００の組み立てを、図１６の組み立て図と図１７のフローチャートに例示する。電気化学電池７００を組み立てる方法７７０は、閉じた端部及び開いた上端を有するように形成された缶７１２を与えることを含む。ステップ７７４は、負電極、正電極、電解液、そしてセパレータ及びその他の添加剤を缶７１２内へ配置することを含む。電池の電気化学的活物質が缶７１２内に配置されたら、缶７１２は直ちにこれを閉じることができ、コレクタ組立体７２５で封止する。缶を閉じる前に、ステップ７７６に従って、コレクタ組立体を、まずコレクタくぎ７４０を内カバー７４５に形成された開口部７５１内へ絶縁材料からなるリングとともに配置して組み立てる。コレクタくぎ７４０は、絶縁リング７４４の開口部に配置される。この絶縁リング７４４は、誘電体による絶縁を与えるエポキシのリング又はディスクを含むことができ、内カバー７４５とコレクタくぎ７４０の間で再形成し安定するように、加熱することができる。あるいはまた、エポキシの代わりに、他の有機高分子誘電体からなる絶縁材料を用いることができる。例えば、ゴム製の金鳩目（grommet）、コレクタの組立体４０と内カバー７４５との間の適切な絶縁を行う弾性材料である。さらに図示するように内カバー７４５に形成されているのは、開口部７５１を中心として上面に形成された凹部７５５である。
この好適な実施例では、内カバー７４５の上面の凹部７５５に絶縁材料のリング７４４が配置され、コレクタくぎ７４０の上部の頭部がこの上に配置されている。ステップ７７８では、絶縁リング７４４がコレクタくぎ７４０及びカバー７４５に組み入れられ、そして絶縁リング７４４が再形成されてカバー７４５の開口部７５１へ流れるよう加熱して、コレクタくぎ７４０と内カバー７４５との間連続的な誘電体による絶縁を与える。エポキシからなるリング７４４については、再形成して絶縁材料が硬化するまで、数秒から数時間の時間に対して、２０℃から２００℃の温度が適当である。誘電材料７４４がコレクタくぎ７４０と内カバー７４５との間に適切な絶縁を形成したら、ステップ７８０でこの絶縁材料を冷却するのが望ましい。ステップ７７８及び７８０の加熱及び冷却を行っている間は、コレクタくぎ７４０がカバー７４５と接触しないように、コレクタくぎ７４０を開口部７５１の中心に保持しておく。その後、ステップ７８２で、環状の誘電体パッドなどからなる誘電体絶縁パッド７４８を内カバー７４５の上に配置し、くぎ７４０の周囲から半径方向外側へ伸ばす。ステップ７８４では、コレクタくぎ７４０及びパッド７４８の上に導電性の負極カバー７５０を配置する。これは溶接あるいは他の方法で、コレクタくぎ７４０と電気的に接触するようにする。コレクタ組立体が完全に組み立てられたら、ステップ７８６に示したように、コレクタ組立体を缶に接続して、開端を封止して閉じる。缶を閉じるのには、二重継ぎ目閉じその他の適切な缶を閉じる技術を用いる。加えて、この組み立て方法７７０には、第二の外カバーを、望ましくは圧力緩和機構３７０と重なるよう缶の閉端へ接続するステップ７８８が含まれる。
これまで本発明を、主としてアルカリ電池に応用するものとして説明したが、他の電気化学系を利用したバッテリで本発明の構造を用いることによっても同様の利益が得られることは、当業者にとっては自明でろう。例えば、本発明の構造は、炭素−亜鉛系及びリチウムをベースとしたバッテリなどの一次電池系の他、NiCd、金属の水素化物、Liをベースとしたバッテリのような再充電可能なバッテリにおいても用いることができる。さらに、本発明のある構造は、製品前の電池（raw cell）（すなわちバッテリパックに用いられるラベルのない電池、あるいはマルチセルバッテリ）においても用いることができる。加えて、上記では本発明を円筒形のバッテリとの関連で説明したが、本発明のある種の構造は、種々の電池を構成する場合にも用いることが可能である。
図中に描き、上で説明した具体例は単なる例示を目的とするものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。

Claims (8)

  1. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、
    さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、全容積の１．６パーセント以上２．６パーセントを超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＤサイズの乾電池。
  2. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む、電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、 さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、全容積の２．６パーセント以上３．６パーセントを超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＣサイズの乾電池。
  3. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む、電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、 さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、全容積の０．９パーセント以上１．９パーセントを超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＡＡサイズの乾電池。
  4. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む、電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、 さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、全容積の１．６パーセント以上２．６パーセントを超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＡＡＡサイズの乾電池。
  5. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む、電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、 さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、０．７８ｃｍ3以上１．３０ｃｍ3を超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＤサイズの乾電池。
  6. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む、電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、 さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、０．６３ｃｍ3以上０．８８ｃｍ3を超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＣサイズの乾電池。
  7. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む、電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、 さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、０．０７ｃｍ3以上０．１５ｃｍ3を超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＡＡサイズの乾電池。
  8. 少なくとも正電極、負電極及び電解液を含む、電気化学的活物質を収容する、開端及び閉端を有する缶と、
    コレクタ及びカバーを有し、缶の開端を被うよう配置されたコレクタ組立体とを備え、 さらに、前記缶はフランジを有し、バッテリ内のボイド領域に近い前記缶、コレクタ及びカバーに対して絶縁コーティングが施され、かつ、前記カバーの周縁部は前記フランジの周囲及び下側に折り曲げられて密閉シールが形成され、
    前記コレクタ組立体は、０．０６ｃｍ3以上０．０９ｃｍ3を超えないコレクタ組立体容積を規定することを特徴とするＡＡＡサイズの乾電池。
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