JP5198264B2 - 密封タブを修正した空気セル - Google Patents

Description

本発明は、空気脱分極電気化学電池に関し、詳細には、電池ハウジング内の空気入口ポートを覆う密封部材を有するアルカリ亜鉛／空気電池に関する。

空気脱分極電池は、電池内に収容された活性物質を含む陰極と、触媒のような酸素還元物質を含む空気電極と呼ばれる陽極とを有する電池である。触媒は、１つ又はそれよりも多くの空気入口ポートを通って電池に入る空気中に含まれる酸素を還元し、イオンが酸化されるアノードに移動する水酸基イオンを生成する。電池は、単一空気脱分極セルを収容することができ、又はそれは、１つよりも多いセルを収容することができる。

空気脱分極セルは、１つ又はそれよりも多くの陽極を有することができる。１つよりも多い陽極を有するセルの１つのタイプは、活性物質を収容する陽極及び空気電極を有する空気補助セルである。電池が放電される時に、第１の陽極の活性物質は還元することができ、電池が停止している（又は低率で放電されている）時に、空気電極は、セルに入る空気中の酸素を還元して第１の陽極を再充電することができる。空気補助セルの例は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，３８３，６７４号及び米国特許第５，０７９，１０６号に開示されている。

使用前に、空気脱分極電池は、外気から密封される。これは、多くの場合に空気入口ポートの上又は内に設置した取外し可能又は穴開け可能密封部材で行うことができる。取外し可能密封部材の一般的なタイプは、電池製造中に空気入口ポートを覆うように電池ハウジングの外面に設けられ、かつ電池使用直前に使用者によって除去される粘着テープ及びタブを含む。
密封部材は、電池に出入りする気体の流れを実質的に制限する。それは、いくつかの目的を果たす。それは、電池への酸素の進入速度を最小にし、セルが使用される前のセル内の活性アノード物質の不必要な消費を防止する。それは、セル内の望ましい量の電解質溶媒（例えば、水）を維持するのに役立ち、過剰の水が電池から出る場合、最大放電反応速度は低減することになり、過剰の水が電池に入る場合、望ましい放電反応は早期に終えることができ、最大放電反応速度も低下させることができる。それはまた、セルの最大電流機能及び放電容量の劣化を引き起こす可能性がある二酸化炭素のような望ましくない気体の進入を最小にする。

電池に出入りする気体の流れを実質的に制限することは望ましいが、電池を完全に密封することは、一部のタイプの空気脱分極電池に対して望ましくない。酸素が電池に入ることができない場合、電池電圧は、最初に電池内に密封された酸素が消費されると低下する。電圧が極端に低下する場合、単純な開回路電圧試験では良好な電池と欠陥電池を区別することはできない。同様に、電圧が極端に低下する場合、電池が適切な作動電圧を持続することができるのに必要な密封部材の除去後の時間が非常に長くなる可能性があるので、使用者は、電池が、それが設置されたばかりの装置を適正に作動させることにならないので電池に欠陥があると考える。
その結果、保管中に電池放電性能の劣化を防止するのに十分な電池の密封と、不良電池と区別できないか又は不良電池と間違えるような電池の密封との間に均衡があるはずである。

過去に、十分な空気脱分極電池の密封と十分過ぎるそれらの密封との間に望ましい均衡を達成するために、いくつかの手法が為されている。例としては、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第４，６４９，０９０号及び第５，９５８，６１５号、並びに日本公開特許公報第０６−２６０２１６号、第０６−２３１８０８号、第０１−１５１１６６号、及び第５７−１１５７７１号に見出すことができる。過去の試みは、様々な気体にちょうど合った透過率を有する単一原料物質又はいくつかの異なる材料の積層体から密封部材を作ることを含むが、適切な処理特性を有する最適な材料又は材料の組合せ及び許容可能な費用を見出すことは、非常に困難であることが判っている。様々なコーティングも密封部材の表面に付加されているが、これも成果が制限されている。密封部材の接着層への脱酸素剤の追加は、酸素透過率を低下させることができるが、他の気体の透過率に対しては何の効果もない場合がある。接着材料のそれらの接着特性に基づく選択及び密封部材の接着層の厚みの変更にも、特に、密封部材の主要表面に平行に、接着層を通る透過率とは対照的に、密封部材を通る（すなわち、その主要表面の間）透過率の修正において、それらの限界がある。

電池ハウジングはまた、密封部材を変更することなくセル内への気体の進入速度を変更するために様々な方法で修正された。例としては、米国特許第５，７９５，６６７号及び第５，９５８，６１５号に見出すことができる。電池ハウジング内の空気入口ポートの数及び大きさは、電池内への空気の進入速度を制御するために変更され、空気入口ポートの位置も、電池の高速機能を改良するために調節されているが、これらの因子は、密封部材が除去される前はあまり効果がない。空気入口ポートはまた、外面上のポート直径が容器の内面上のその直径よりも大きく、密封部材の除去前の水分退出に対する空気進入の比を増大させるように修正されてきた。しかし、これは、空気入口ポートの大きさ及び形状の変動性を増大させる可能性があり、特に缶底が薄い時に缶製造及び電池閉鎖中の缶底の変形に寄与する場合もある。
従来の手法は、たとえ１つの特定的な電池タイプ及び大きさで成功しても、他に対して容易に適応できない場合がある。例えば、１つの電池に対して最適である密封部材組成、透過性、及び接着性などは、別のものに最適でない場合がある。これは、各付加的な電池タイプ及び／又は大きさに対して長い高価な開発プログラムを繰返すことを必要とする可能性がある。

以上により、本発明の目的は、製造することが容易で経済的であり、かつ電池保管寿命の最大化と使用前の適度な電池電圧の維持との間に良好な均衡をもたらすことになる密封部材を提供することである。
本発明の別の目的は、異なるタイプ及びサイズの電池と共に使用するために容易に修正することができる密封部材を提供することである。
本発明の更に別の目的は、均一で製造及び制御が容易な空気入口ポート寸法及び外面を有する電池を提供することである。

米国特許第６，３８３，６７４号 米国特許第５，０７９，１０６号 米国特許第４，６４９，０９０号 米国特許第５，９５８，６１５号 日本公開特許公報第０６−２６０２１６号 日本公開特許公報第０６−２３１８０８号 日本公開特許公報第０１−１５１１６６号 日本公開特許公報第５７−１１５７７１号 米国特許第５，７９５，６６７号 米国特許第６，６０２，６２９号 米国特許出願第１０／７４３，５８５号

空気セル電池の入口ポートの１つ又はそれよりも多くを覆う密封部材が、空気入口ポートの一部分の上に配置された比較的高い気体透過性の領域を有する本発明により、上記目的は満たされ、かつ従来技術の欠点は克服される。高透過性領域の透過率は、比較的容易に調節することができ、本発明はまた、気体進入及び退出速度の間に望ましい均衡を達成する上で柔軟性を増大させるために、電池に出入りする気体進入／退出の速度（単位時間当たりの容積）を修正する他の方法と組み合わせることができる。

従って、本発明の１つの態様は、陰極と、酸素還元物質を含む陽極と、陰極と陽極の間に配置されたセパレータと、電解質と、電極、セパレータ、及び電解質を収容するためのハウジングと、セルの外側から電池内への酸素の進入を可能にするためにハウジングに配置された空気入口ポートと、ハウジングを部分的に密封するためにハウジングの外面上に配置されて空気入口ポートを覆う密封部材とを含む空気脱分極電池に関する。密封部材は、２つの主要表面と、２つの主要表面間の比較的高い透過率及び比較的低い透過率の領域とを有し、２つの主要表面間の比較的高い透過率の領域は、空気入口ポートの一部分の上に配置される。

本発明の別の態様は、亜鉛を含む陰極と、酸素還元物質を含む陽極と、陰極と陽極の間に配置されたセパレータと、アルカリ性水溶液を含む電解質と、電極、セパレータ、及び電解質を収容するためのハウジングと、セルの外側から電池内への酸素の進入を可能にするハウジングに配置された空気入口ポートと、ハウジングを部分的に密封するためにハウジングの外面上に配置されて空気入口ポートを覆う密封部材とを含む空気脱分極電池に関する。密封部材は、２つの主要表面を含み、かつ２つの主要表面の間に比較的高い透過率及び比較的低い透過率の領域を有し、２つの主要表面の間の比較的高い透過率の領域は、空気入口ポートの一部分の上に配置される。

本発明のこれら及び他の特徴、利点、並びに目的は、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、当業者によって更に理解されて認められるであろう。
別に定めがない限り、以下の定義及び方法が本明細書で用いられる。
（１）測定及び丸めにおける実験誤差内の平均値に関して、平均は、少なくとも３つの個々の値から判断された時のものである。
（２）空気セルは、活性物質としてセルの外側からの空気中に含まれる酸素を用いる酸素還元電極を有する電気化学電池セルを意味する。
（３）ボタンセルは、全体の高さがその直径よりも大きなボタン形状の円筒型電気化学電池セルを意味する。
（４）物体の透過率は、物体の第１の表面から反対側の第２の表面まで物体を通る気体の透過の割合を意味し、気体が最初に第２の表面に到達した後の単位時間当たり単位表面積当たりの気体容積として表わされ、表面積は、気体が露出される第１の表面の面積である。
（５）タブは、セルの内側と外気との間の気体の流れに対してセルハウジング内の１つ又はそれよりも多くの空気入口ポートを覆って部分的に密封するための密封部材であり、限定ではないがテープ及び熱収縮性フィルムを含む様々なタイプの密封部材を意味するために以下で用いられる。
（６）密封部材の厚みは、その２つの主要表面間のそれらに直角な距離を意味する。
本明細書に開示する特性及び特徴の値は、開示する試験方法によって判断された時のものであり、同等の結果を与えることになる同等の方法で置換することができる。
本明細書で別に定めない限り、全ての開示する特性及び範囲は、室温（２０−２５℃）及び１気圧で判断された時のものである。

本発明は、ボタン型電池に限定されないが、１つ又はそれよりも多くの空気入口ポートを覆うセル１００のボタンに取り付けた密封部材１３０を有するボタン空気セル電池１００を示す図１を参照することによってより良く理解されるであろう。当業者は、本発明がまた、少なくとも１つの空気脱分極電極を含むより大きな円筒型及びプリズム電池を含む他の空気セル電池と共に用いることができる点を認めることができる。

セル１００は、プラス電池端子として機能を果たすカソード缶１０２、マイナス電池端子として機能を果たすアノードカップ１１０、並びに缶１０２をカップ１１０から両方電気的に分離し、その間に密封をもたらすように缶１０２及びカップ１１０と協働するガスケット１２６を含むハウジングを有する。缶１０２は、壁１０６によって取り囲まれた底面１０４を有する。表面１０４の中央部分は、ほぼ平面とすることができ、取り囲む壁１０６は、実質的に缶１０２の底に対して垂直な均一の高さのものとすることができる。少なくとも１つの空気入口ポート（図示せず）は、表面１０４に沿って位置する。タブ１３０は、底面１０４に取り付けられる。タブ１３０は、空気入口ポートを覆って密封し、セル１００が使用される前にセル１００に出入りする気体の流れを制限する。使用者がセル１００を用いる準備が整うと、タブ１３０は除去される。

アノードカップ１１０及びカソード缶１０２は、導電性金属で作ることができる。セル１００が、亜鉛空気セルのようなアルカリ金属空気セルであると、缶１０２は、一般的に、魅力的外観をもたらして耐食性があるニッケルでメッキされた鋼鉄又はステンレス鋼から作られる。カップ１１０は、一般的に、魅力的外観をもたらすニッケル、強度をもたらすステンレス鋼、セルガス発生を最小にするように比較的低水素過電圧をもたらす三重被覆された銅のような被覆金属から作られる。ガスケット１２６は、一般的に、ナイロンのような缶１０２とカップ１１０との間に圧縮シールを提供することができる非導電性エラストマー材料から作られる。
活性金属、一般的には亜鉛のような金属を含むアノード混合体１１２が、金属空気セル１００内に存在する。セルはまた、非導電性イオン伝導性セパレータ１１６及び電解質によってアノード混合体１１２から下に位置決めされて電気的に分離された酸素還元電極１１４を含む。

セルがアルカリ亜鉛空気セルである時、アノード混合体１１２内の活性金属は、亜鉛金属組成物である。アノード混合体１１２はまた、セル及びゲル化剤中の大部分のアルカリ電解質を含む。電解質は、水及び水酸化カリウム及び／又は水酸化ナトリウムのような溶質を含み、ゲル化剤は、例えば、アクリル酸ポリマーとすることができる。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、ガス発生を最小にするために含めることができる。これらの添加剤の例は、酸化亜鉛及びポリエチレングリコールベース化合物のような界面活性剤を含む。水銀無添加の金属空気セルに適切なアノード混合体組成物の組成は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，６０２，６２９号に開示されている。金属空気セル１００に設けられるアノード混合体１１２の量は、利用可能な量よりも少なくすることができ、従って、空気ポケット１１３が存在する。

空気電極とも呼ばれる酸素還元電極１１４は、空気電極として用いるのに適切なあらゆる物質とすることができる。アルカリ亜鉛空気セルでは、それは、例えば、炭素、酸化マンガン（ＭｎＯ_X）、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような結合剤を含有する触媒層１１５（図２）を含むことができる。触媒で被覆したニッケルスクリーンとすることができる金属スクリーン１１８は、空気電極１１４内に埋め込んで空気電極１１４の導電率を改良し、空気電極１１４とカソード缶１０２の間に良好な電気接触を提供することができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ポリマーで作られた疎水性膜１２０は、カソード缶１０２の底に面する空気電極１１４の底部側上に積層して、セル１００内の空気と電解質の間にガス透過性防水境界を維持することができる。更に、セルはまた、ガス拡散速度を制御する拡散膜１２２と空気電極１１４に空気を均等に分配する空気分配膜１２４とを含むことができる。

図１では、タブ１３０は、缶底１０４内の１つ又はそれよりも多くの空気入口ポートを覆う。タブ１３０は、基部層１３２及び接着層１３８を含む。基部層（１３０）は、ポリマー材料とすることができ、接着層１３８は、好ましくは缶底１０４に対するよりも基部層１３２に対して良好な接着力を有する接着材料であり、その結果、タブ１３０がセル１００から除去されると、全ての接着剤は、缶底１０４上又は空気入口ポート内に残留物を残さない状態でタブ１３０上に残存する。基部層１３２は、その外面（缶底１０４から最も遠い主要表面）とその内面（缶底１０４に最も近い主要表面）の間に透過性を有する。透過率は、基部層１３２の一部を通る気体の透過率を測定することによって判断することができる。

図２は、図１と同じ金属空気セル１００の断面図であるが、空気入口ポート１０８を覆う異なるタブ２３０を有する。セル１００は、図示のように単一空気入口ポート１０８又は複数の空気入口ポートを有することができる。タブ２３０は、基部層２３２、外側層２３４、基部層２３２と外側層２３４の間に配置された積層化接着層２３６、及び基部層２３２を缶底１０４に保持する接着層２３８を含む。基部層２３２及び外側層２３４は、同じ厚み又は異なる厚みの同じタイプの材料で作ることができ、これらは、異なる材料で作ることもできる。好ましくは、基部層２３２は、缶底に対するタブ２３０の最良の接着力の外側層２３４よりも大きな強度を有する。これは、これらが水銀を含有するセルよりも多くの気体を発生する傾向にあり、発生したガスは、時間と共にタブ２３０を缶底１０４から遠くへ追いやる傾向にあるので、特に、水銀無添加のアルカリ亜鉛空気セルにおいて重要である。

図１に示すタブは、単層のポリマーフィルムを有し、図２に示すタブは、２層のフィルムを有する。本発明によるタブの他の実施形態は、２つを超えるポリマーフィルム層（すなわち、基部層と中間層の間に配置された１つ又はそれよりも多くの中間層）を有することができる。他のタイプの材料は、基部層、外側層、及び中間層（例えば、ポリマーフィルムに付加された金属箔及び金属堆積物を含む金属層）の１つ又はそれよりも多くに用いることができ、便宜上別に定めない限り、用語「フィルム」は、ポリマーフィルムだけでなくこのような別の材料の層もまた呼ぶのに以下で用いられる。タブは、接着剤と共に積層されたフィルムの層を有すると上述したが、基部層、外側層、及びあらゆる中間層（例えば、熱結合）を積層化するのに、別の手段を用いることもできる。

材料の透過率の大小（その測定値）は、透過率を判断する気体に依存するが、しかし、セル内に存在する可能性がある関連の主要空気気体及び関連の気体に対して、これらの気体の透過率の値は、互いにほぼ正比例する。言い換えれば、例えば、比較的高い酸素透過性を有する材料はまた、酸素及び水素の実際の透過率が実質的に異なる可能性があるにも関わらず、比較的高い水素透過性を有することになる。

本明細書で用いられるように、透過率は、材料の厚みとは無関係である。材料の厚みは、いかに急速に気体の発生が材料の遠い表面に到達するかに影響を与えるが、その後の気体の通過の速度にではない。本発明によって解決される問題は、比較的長い期間にわたるタブを通る気体の透過を伴うので、タブ及びタブ層の厚みは、一般的にそれほど重要なものではない。多層タブの透過性は、最小透過性の層の透過率によって制御される。

タブとセルハウジングの間の界面に平行な高透過性材料の層を通る気体の通過はまた、その層がセルに直接隣接しているか又は最小透過性の層のセル側面上にある時に、セルを出入りする気体の全体の速度に寄与するが、この影響は、高透過性材料の層の厚みを最小にすることによって最小にすることができる。
接着層が、タブの最小透過性の層である場合、高透過性の領域は、あらゆる適切な技術を用いてフィルム層の１つの表面上に一定のパターンで接着剤を付加することによって生成することができ、又はそれがフィルム層の１つに付加される前に孔を接着層内に空けることができる。

タブの領域内の透過性は、タブのその領域から少なくとも最小透過性の層を除去することによって増大させることができる。好ましくは、タブの外側層は、魅力的外観を提供する連続層である。好ましくは、タブの基部層は、電池にタブの良好な接着力を提供するフィルムの最強層である。一般的に、フィルムが強ければ強いほど透過性は小さくなる。従って、好ましい実施形態では、基部層は、タブの高透過性領域内で除去されることになる。これは、他のフィルム層にそれを積層する前に基部フィルム層内に孔を空けることによって実施することができる。基部層は、孔を空ける前に接着剤で片側又は両側を被覆しないか又は被覆することができる。２つ又はそれよりも多くのフィルム層を有するタブに対して、孔は、２つの隣接するフィルム層を同時に、好ましくは、これらの層を共に積層した後に空けることができる。

本発明の利点は、タブ内を高透過性領域にする方法を既存の製造工程及びタブに適用することができ、様々な方法で従来のタブを本発明によるタブにすることができる点である。例えば、２つのフィルム層を有するタブに対して、孔は、より少ない透過フィルム層内に空けることができ、次に、フィルムの２つの層は、共に結合させることができ、又は孔は、フィルムの付加層を有する２層タブの全ての層を通って空けることができ、次に、新しい外側フィルム層としてそれに結合させることができる。
個々のタブは、多くの場合に大規模製造において積層体タブストックの大きなシート又は長いストリップから切断される。高透過性の領域は、それらが切断タブの望ましい位置にあるように位置決めすべきである。これは、タブを作る工程において適切な時点でタブストックの１つ又はそれよりも多くの層を位置合せするようなあらゆる適切な方法によって行うことができる。

電池の放電容量及び限界電流の劣化を防止するためにタブで十分に電池を密封すること、及び保管中に少なくとも最小電池開回路電圧（ＯＣＶ）を維持することの間の最適均衡は、電池サイズ及びタイプ、予想保管条件、及び予想用途（例えば、電池が使用される見込みの装置の要件）に一部依存することになる。これらの因子は、両方とも電池に出入りする気体の進入及び退出の速度（単位時間当たりの容積）に依存する。これらの速度は、少なくとも空気入口ポートの一部にわたって延びるタブの領域の透過率の変更又はその領域の大きさの変更のいずれかによって影響を受ける可能性がある。

あらゆる適切な材料は、本発明によるタブを作るのに用いることができるが、フィルム層に好ましい材料は、ポリマーフィルムであり、フィルム層は、同じか又は異なる材料から作ることができる。好ましいポリマーフィルムは、結晶質又は半結晶質である。適切なポリマーフィルムの例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン及びポリプロピレンの共押出し物、並びに２軸配向ポリプロピレンである。好ましくは、少なくとも１つの層、より好ましくは、基部層及び外側層の両方は、２軸配向ポリプロピレンである。

フィルムの層を互いに結合するのに用いる接着剤は、好ましくは耐久アクリル接着剤のような耐久接着剤である。フィルムの層間の接着力は、タブと電池ハウジングの間の接着力よりも大きい必要があり、従って、タブは、薄層に裂けることもなく、タブ除去に続いて電池上に接着剤及び／又はフィルム残留物を残すこともない。
タブを電池に取り付けるのに用いる接着剤は、好ましくは、最初は高度に粘着性であるが、電池ハウジング上に目に見える残留物なしで電池からのタブの除去を可能にする。好ましい接着剤の例は、米国オハイオ州ペーンズビル所在の「Ｆａｓｓｏｎ Ｒｏｌｌ Ｎｏｒｔｈ ＡｍｅｒｉｃａのＡｖｅｒｙ Ｄｅｎｎｉｓｏｎ」から入手可能な「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）Ｒ１４３」アクリル接着剤である。

基部フィルム層に適切な材料の例は、「Ａｖｅｒｙ Ｄｅｎｎｉｓｏｎ」から「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）ＰＲＩＭＡＸ３５０（登録商標）／Ｒ１４３／５０＃ＳＣＫ」として入手可能な「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）Ｒ１４３」接着剤で被覆した（基部層と電池の間の接着層）ポリエチレン及びポリプロピレンの共押出し物である。基部フィルム層の好ましい材料は、「Ａｖｅｒｙ Ｄｅｎｎｉｓｏｎ」から「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）ＢＯＰＰ ＴＣ／Ｒ１４３／５０＃ＳＣＫ」として入手可能な「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）Ｒ１４３」接着剤で被覆した２軸配向ポリプロピレンフィルムである。接着剤被覆「ＰＲＩＭＡＸ３５０（登録商標）」フィルムの典型的な引張応力は、縦方向で約１１，２４８ｋｇ／ｃｍ²（平方インチ当たり１６０，０００ポンド）、横方向で約３，５１５ｋｇ／ｃｍ²（平方インチ当たり５０，０００ポンド）であり、接着剤被覆「ＢＯＰＰ」フィルムの引張応力は、縦方向で約９１４ｋｇ／ｃｍ²（平方インチ当たり１３，０００ポンド）、横方向で約１，６１７ｋｇ／ｃｍ²（平方インチ当たり２３，０００ポンド）である。「ＰＲＩＭＡＸ３５０（登録商標）」の酸素透過率は、一般的に、約９３４ｃｍ³／ｍ²／日である。

好ましい外側フィルム層の例は、米国オハイオ州ハドソン所在の「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｒａｐｈｉｃ Ｆｉｌｍｓ」からＮｏ．１２４０自己巻き取りポリプロピレンテープとして入手可能な耐久アクリル接着剤で被覆した（フィルムの基部層及び外側層を結合するために）２軸配向ポリプロピレンフィルムである。テープの典型的な引張応力は、約１．２ｋｇ／ｃｍ²（平方インチ当たり１７ポンド）であり、酸素透過率は、一般的に、約１２１６ｃｍ³／ｍ²／日である。

本発明によるタブは、本明細書において引用により組み込まれている２００３年１２月２２日出願の米国特許出願第１０／７４３，５８５号に全体的に開示されたような好ましくは順応性タブである。このようなタブは、２０℃から２５℃で約５５，０００Ｎ／ｍよりも小さな損失剛性と、好ましくは約４５７グラム／平方センチメートル（平方インチ当たり６．５ポンド）又はそれよりも大きな剥離強度とを有する。本発明により作られたタブの透過性は、高透過性領域を含むことによって修正されることになる。

図１及び２に示して上述した空気脱分極電池は、アルカリ亜鉛空気ボタンセルである。本発明は、詳細には水銀無添加のこのようなセルとの組合せに有用である。過去においては、亜鉛は、セル内の気体、特に水素ガスの発生を最小にするために水銀とアマルガムにされている。環境問題を考えると、水銀を除去することは望ましいが、そうすることで結果としてガス発生の増大をもたらす傾向にある。このガス発生の欠点の１つは、セル内の内部圧力がタブを押す可能性があり、これらを外向きに膨らませ、更にセルハウジングからタブを引き離し、セルを出入りする気体のための開いた経路を残す点である。従って、水銀無添加のセルに対して、タブとセルの間の接着力を改良することが望ましい。しかし、これは、タブのエッジからセル空気入口ポートまで接着層を通る酸素の透過率を低下させる可能性があり、保管中に適切なセルＯＣＶを維持するためにタブ透過率を増大することによって補正することが望ましいものになる。
電池ハウジングに対するタブの接着力を更に改良するために、タブが取り付けられる電池の表面は、図１及び２のようなボタンセルの缶底が端子極性又は他のセル情報でエンボス加工された時に生成されたもののような溝などがない状態で滑らかであることが望ましい。

本発明の別の利点は、空気脱分極電池へ及びそれからの気体の出入りを管理する他の特徴及び方法と組み合わせてそれを用いることができる点である。これは、特定の電池のための最適タブの構成においてより大きな柔軟性、材料の選択におけるより広い選択肢の範囲、及び製造の容易さを提供することができる。
タブの低高透過性領域は、上述のようにフィルム及び／又は接着層の１つ又はそれよりも多くに空隙を含むことができ、又はそれは、層の１つ又はそれよりも多くの内部に固体の高透過性領域含むことができる。例えば、孔をフィルム層内に開け、次に、フィルム材料よりも大きな透過性を有する材料で少なくとも部分的に満たすことができる。

タブの高透過性領域は、形状が限定されない。円形孔は、正確な形状がセル内への空気又は酸素の流速の調節に直接関係しているか否かに関わらず、一部のタブ製造工程に対して好ましいものになるが、他の形状もまた用いることができる。例えば、孔は、タブによって覆われた電池表面上の「＋」エンボス加工に代わる手段として、タブが取り付けられる電池端子の正極性の指示を提供するプラス符号（＋）の形状とすることができる。形状は、タブの層の１つ又はそれよりも多くにおける色の使用によってより明確に見えるようにすることができる。

本発明によるボタン電池は、一般的に、補聴器に電力を供給するのに用いられる。補聴器電池は、一般的に、補聴器に十分に電力を供給するために少なくとも１．３ボルトの開回路電圧を有する必要があり、補聴器が電池の搭載の結果適切に作動しない場合、使用者は、電池が上がったと思う可能性がある。従って、空気セル補聴器電池に関して、セルは、使用者によるタブ除去から３０秒以内、より好ましくは１５秒以内に少なくとも１．３ボルトのＯＣＶに達することが好ましい。３０秒以内に少なくとも１．３ボルトのＯＣＶに達することができるためには、セルは、タブが除去される前に少なくとも１．２５ボルトのＯＣＶを有することが望ましい。しかし、タブ除去前のＯＣＶが高すぎる場合、セル容量が使用前に望ましくないレベルまで劣化する可能性があるので、タブ除去前のＯＣＶは、約１．３５ボルトを超えないことが望ましい。
本発明、その用途、及び利点は、従来のタブ及び電池を本発明によるタブ及び電池と比較して以下の実施例で更に明らかにされる。

「ＰＲ７０」型アルカリ亜鉛空気ボタンセルのための比較タブが作られた。各タブは、２つのフィルム層、すなわち、「Ｒ１４３」取外し可能アクリル接着剤（上述のような「ＦＡＳＳＯＮ（登録商標）ＰＲＩＭＡＸ３５０（登録商標）／Ｒ１４３／５０＃ＳＣＫ」）で被覆した０．０８８９ｍｍ（０．００３５インチ）厚「ＰＲＩＡＸ３５０（登録商標）」ポリエチレン−ポリプロピレンフィルムから作られた基部層、及び耐久アクリル接着剤（上述のようなＮｏ．１２４０自己巻き取りポリプロピレンテープ）で０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）厚２軸配向ポリプロピレンテープから作られた外側層を有した。２つのフィルム層は、基部フィルム層の外面上の積層化接着剤及び取外し可能接着剤として耐久接着層で共に結合された。各タブは、タブからの延長部を有する２．６７ｍｍ（０．１０５インチ）半径の円形断面を有した。

「ＰＲ７０」型アルカリ亜鉛空気ボタンセルのためのタブは、実施例１と同じ材料を用いて本発明により作られた。基部フィルム層及び外側フィルム層を積層する前に、１．５２４ｍｍ（０．０６０インチ）直径の孔が、円形断面の中央に低透過性領域を作り出すためにタブの円形断面の中央に置かれた接着剤被覆「ＰＲＩＭＡＸ３５０（登録商標）」フィルム内に空けられた。

図１及び２に示して上述したセルと設計が似ている「ＰＲ７０」型アルカリ亜鉛空気ボタンセルが、各々単一の０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）直径の空気入口ポートが中央に置かれた５．７４ｍｍ（０．２２６インチ）直径のカソード缶と滑らかな（エンボス加工されていない）底面とを用いて作られた。セルは、米国特許第６，６０２，６２９号に開示されたように水銀無添加で作られた。セルが組み立てられた後、各々は、タブの円形部分が缶底上の中央に置かれて空気入口ポートを覆うようにセルの底に２つの型のタブの一方を取り付けることによって密封された。

各タイプのタブを有するセルは、室温及び周囲湿度の２つの条件の各々で４５℃及び９３％相対湿度で保管された。各タイプのタブを有するセルは、２つの条件の各々で保管中に定期的にＯＣＶが試験され、各タブタイプを有するセルは、一部は室温で１か月後及び他は３か月後に１日当たり１６時間にわたって３，０００オーム負荷で室温で０．９ボルトまで放電された。
ＯＣＶは、それぞれ図３及び４に室温４５℃及び／又は周囲相対湿度９３％で日数の関数としてプロットされている。図３は、従来のタブを有するセル（点線によって表示される）が、室温で保管の最初の１か月間好ましい１．２５ボルト最小ＯＣＶを下回ったが、本発明によるタブを有するセル（実線によって表示される）は、１．２５から１．３５ボルトであったことを示している。同様に、図４は、従来のタブを有するセル（点線）が、４５℃及び相対湿度９３％で１カ月間保管中に１．２５ボルトを下回ったが、一方、本発明によるタブを有するセルは、全時間にわたって１．２５から１．３５ボルトのままであったことを示している。
放電試験に関して、最高３か月間室温で保管した後でも、本発明によるタブを有するセルを従来のタブを有するセルと比較してセル容積に有意差はなかった。

上記実施例は、従来タブが、セル放電容量に悪影響を与えることなく、タブ除去前後の両方で望ましい電圧特性を有するセルを提供するように本発明により修正することができることを示している。
上記実施例に説明した図１及び２に示す電池は、ボタンセル電池であるが、本発明は、他のタイプの空気脱分極電池に組み込むことができる。例えば、電池は、より大きな円筒型又はプリズム電池のような別の大きさ及び形状のものとすることができる。電池は、単一セル又は複合セル電池とすることができる。タブによって覆われた空気入口ポートは、個々のセルのハウジング又は複合セル電池の外部ケーシング内とすることができる。タブによって密封された電池の表面は、電池ハウジングの電池端子表面又は別の表面とすることができ、それは、金属又はプラスチックのような何らかの他の材料とすることができる。
他の修正及び改良を開示概念の範囲から逸脱することなく本発明に対して行うことができることは、本発明を実施する者及び当業者によって理解されるであろう。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲によりかつ法律の許す解釈の幅により判断されるものとする。

密封部材が取り付けられた空気セルの斜視切取内部図である。 密封部材が取り付けられた金属空気セルの断面図である。 室温及び周囲相対湿度における保管時間の関数として密封したセルの開回路電圧のグラフである。 摂氏４５度及び相対湿度９３パーセントにおける保管時間の関数として密封したセルの開回路電圧のグラフである。

符号の説明

１００ 金属空気セル
１０８ 空気入口ポート
２３０ タブ
２３２ 基部層
２３４ 外側層

Claims (25)

1. 陰極と、
   酸素還元物質を含む陽極と、
   前記陰極及び陽極の間に配置されたセパレータと、
   電解質と、
   前記電極、セパレータ、及び電解質を収容するためのハウジングと、
   外側から電池内への酸素の進入を可能にするための前記ハウジングに配置された空気入口ポートと、
   前記ハウジングを密封するために該ハウジングの外面上に配置されて前記空気入口ポートを覆う、密封部材として用いられるタブと、
   を含み、
   前記タブは、２つの主要表面含み、かつ該２つの主要表面の間に第１の透過率及び第２の透過率の領域を有し、前記第１の透過率は前記第２の透過率よりも高くなっており、該２つの主要表面の間の前記第１の透過率の領域が、前記空気入口ポートの一部分の上に配置され、該タブは、取外し可能であり、
   前記タブの前記透過率は、第１の主要表面から反対側の第２の主要表面まで該タブを通る気体の透過率であり、該気体が最初に該第２の主要表面に到達した後の単位時間当たりかつ単位表面積当たりの気体の容積として表わされ、該表面積は、該気体が露出される該第１の主要表面の面積である、
   ことを特徴とする空気脱分極電池。
2. 前記タブは、前記２つの主要表面の一方に基部層及び接着層を含み、該接着層は、該基部層と前記ハウジングの前記外面の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
3. 前記空気入口ポートの一部分の上の前記第１の透過率の領域には、接着層がないことを特徴とする請求項２に記載の電池。
4. 前記タブは、複数の層を含み、該層の１つは、前記空気入口ポートの一部分の上の前記第１の透過率の領域内に空隙を有することを特徴とする請求項１に記載の電池。
5. 前記複数の層は、基部層と、該基部層と前記ハウジングの前記外面の間に配置された接着層と、前記タブの外部主要表面を形成する外側層とを含むことを特徴とする請求項４に記載の電池。
6. 前記空隙を有する前記層は、前記基部層であることを特徴とする請求項５に記載の電池。
7. 前記基部層と前記ハウジングの間の前記接着層はまた、前記空気入口ポートの一部分の上の前記第１の透過率の領域に空隙を有することを特徴とする請求項６に記載の電池。
8. 前記空隙を有する前記層は、前記外側層であることを特徴とする請求項５に記載の電池。
9. 前記複数の層は、前記基部層と前記外側層の間に中間層を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の電池。
10. 前記空隙を有する前記層は、前記中間層であることを特徴とする請求項９に記載の電池。
11. 前記基部層及び前記外側層のうちの少なくとも一方は、ポリマーフィルムを含むことを特徴とする請求項５に記載の電池。
12. 前記複数の層は、ポリマーフィルムの隣接層を互いに積層化するための接着剤の層を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の電池。
13. 前記基部層及び外側層は、第１および第２の組成のポリマーフィルムを含むことを特徴とする請求項１１に記載の電池。
14. 前記基部層の１つは、ポリエチレン及びポリプロピレンの共押出し物を含み、前記外側層は、２軸配向ポリプロピレンを含むことを特徴とする請求項１３に記載の電池。
15. 前記基部層及び外側層は、同じ組成のポリマーフィルムを含むことを特徴とする請求項１１に記載の電池。
16. 前記基部層及び外側層は、２軸配向ポリプロピレンを含むことを特徴とする請求項１５に記載の電池。
17. 前記陰極は、活性物質として亜鉛組成物を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池。
18. 添加水銀を含有しないことを特徴とする請求項１に記載の電池。
19. 前記電解質は、アルカリ性水溶液を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池。
20. 前記電解質は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、及び水酸化リチウムから成る群から選択された少なくとも１つの溶質を含むことを特徴とする請求項１９に記載の電池。
21. 前記酸素還元物質は、二酸化マンガン、酸化マンガン、銀、酸化コバルト、貴金属、貴金属化合物、希土類金属を含む混合金属化合物、大環状遷移金属、スピネル、フタロシアニン、ペロブスカイト、及び活性炭から成る群から選択された少なくとも１つの触媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池。
22. 少なくとも１つのボタンセルを含むことを特徴とする請求項１に記載の電池。
23. 亜鉛を含む陰極と、
    酸素還元物質を含む陽極と、
    前記陰極と陽極の間に配置されたセパレータと、
    アルカリ性水溶液を含む電解質と、
    前記電極、セパレータ及び電解質を収容するためのハウジングと、
    外側から電池内への酸素の進入を可能にするための前記ハウジングに配置された空気入口ポートと、
    前記ハウジングを密封するために該ハウジングの外面上に配置されて前記空気入口ポートを覆う、密封部材として用いられるタブと、
    を含み、
    前記密封部材は、２つの主要表面含み、かつ該２つの主要表面の間に第１の透過率及び第２の透過率の領域を有し、前記第１の透過率が前記第２の透過率よりも高くなっており、該２つの主要表面の間の前記第１の透過率の領域が、前記空気入口ポートの一部分の上に配置され、該タブは、取外し可能であり、
    前記タブの前記透過率は、第１の主要表面から反対側の第２の主要表面まで該タブを通る気体の透過率であり、該気体が最初に該第２の主要表面に到達した後の単位時間当たりかつ単位表面積当たりの気体の容積として表わされ、該表面積は、該気体が露出される該第１の主要表面の面積である、
    ことを特徴とする空気脱分極電池。
24. 少なくとも１つのボタンセルを含むことを特徴とする請求項２３に記載の電池。
25. 単一セルボタン電池であることを特徴とする請求項２４に記載の電池。

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