JPH0613112A - インジウムめっきした陽極カップをもつ小型亜鉛−空気電池 - Google Patents
インジウムめっきした陽極カップをもつ小型亜鉛−空気電池Info
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Abstract
供する。 【構成】 本発明の小型亜鉛−空気電池は、インジウム
層が電池の陽極合剤に接触するように、伝導性基質上の
銅層の上に着けた内側インジウム層をもつ陽極カップを
使用し、その陽極合剤は水銀をほとんど又は全く使わな
くてよい。
Description
ム層が電池の亜鉛電極に接触し、亜鉛電極中に通常使用
される水銀がほとんど0パーセントに減っている、イン
ジウム被覆した陽極カップを使用する小型亜鉛−空気電
池に関する。
池は、電気エネルギーの比較的高率の源として商業的に
重要になってきた。普通濃い水酸化カリウム水溶液であ
るアルカリ電解質が、塩化亜鉛及び/又は塩化アンモニ
ウム電解質を利用する旧式のルクランジェ電池に比し、
高率の電気エネルギーを出すこれら電池の能力に寄与す
る主な要因である。しかし技術の進歩によくあることだ
が、電気化学電池中のアルカリの存在は複雑な恵みであ
る。例えば、アルカリは水と亜鉛との反応を強力に進め
腐食を引き起こす。この反応を制御する手段がとられな
ければ、アルカリ亜鉛電池の貯蔵寿命は容認できない程
短いだろう。更にアルカリと亜鉛間の反応で水素ガスが
発生するので、電池分解の危険があるかもしれない。
を加えることにより亜鉛とアルカリ間の反応を制御又は
容認できる程度に減らしている。不幸にも、環境に水銀
を持ち込むと、生命の他の形同様人間の健康に危険があ
るかもしれないことが最近明らかになってきた。個々の
電池に含まれる水銀の量はわずかだが、今日売られてい
る多量の亜鉛アルカリ電池が処分されて環境にかなりの
量の水銀が入りこむだろう。
エチレンオキシドポリマーを加えることにより、容認で
きる貯蔵寿命に達するに必要な水銀の割合を減らすこと
ができるアルカリ亜鉛−二酸化マンガン電池が表されて
いる。
と、ガリウム、インジウム、タリウムから成る群から選
ばれた少なくとも2つの金属とから作られた合金粉末を
アマルガム化して製造される陽極をもつアルカリ電池が
表されている。金属は電池内でいっしょになり、水素ガ
スの発生や続いて起こる電解質の漏出を起こすアルカリ
電解質中の亜鉛の腐食を防ぐことが求められている水銀
量を減らしている。
ジウム化合物が電解質に加えられ、及び/又はインジウ
ム金属が精製した亜鉛と合金にされて、酸性、中性又は
アルカリ性電解質中で亜鉛を腐食から保護しているアル
カリ亜鉛電池が表されている。
(1958年4月26日)には、0.0001%〜2.
0%インジウムを、Fe、Cd、Cr、Pb、Ca、H
g、Bi、Sb、Al、Ag、Mg、Si、Ni、Mn
などの金属元素の1、2又はそれ以上を含む亜鉛ベース
の合金に加えると、高い腐食抵抗をもち、初期の電池で
の使用に適した亜鉛合金ができることが述べられてい
る。
電極コレクターを、電気めっきのような方法でできるコ
ーティングでインジウム及び/又は鉛で被覆する水銀な
しアルカリ電池が示されている。
に、アルカリバッテリーの製造業者は、水銀なしバッテ
リー開発の努力に実質的時間とお金を投資してきた。水
銀なし構造をとり入れた最初のバッテリーは、AA、
C、D標準アルカリバッテリーであった。これらのバッ
テリーは、電池当り多量の水銀を歴史的に使用してお
り、消費者に買われる最も普通サイズ、型である。それ
故これらバッテリーから水銀を除くことは、使われたア
ルカリ電池が捨てられて一般的廃物の流れに現在入って
いる水銀の量を大いに減らす良い道である。
続いて、バッテリー製造業者は水銀のない小型亜鉛−空
気バッテリー構造の開発もまた求めてきた。水銀なし標
準アルカリバッテリー製造に用いられる技術が水銀なし
小型亜鉛−空気バッテリー製造に使用できるとしろうと
は考えるかもしれないが、小型亜鉛−空気バッテリーの
製造業者は、水銀なし小型亜鉛−空気電池が商業ベース
で製造できるより前に特別の技術が開発されるべきだと
わかっている。小型亜鉛−空気バッテリーの構造は、標
準アルカリバッテリーの構造とは実質的に異なってい
る。構造の違いから、小型亜鉛−空気電池にだけ関係す
る方法や技術の開発がおし進められてきた。
量を6%以下に、好ましくは3%以下、最も好ましくは
水銀なし亜鉛含有電極をもつ小型亜鉛−空気電池を提供
することである。
にない又は完全にない亜鉛含有電極をもち、その亜鉛含
有電極に接触する電極カップの表面が銅の下層及びイン
ジウムの上の層をもつ小型亜鉛−空気電池を提供するこ
とである。
気電池の亜鉛含有電極をおおうインジウム被覆されたカ
ップを製造する方法を提供することである。
から明らかになるだろう。
中に集められた二酸化マンガン含有電極(陰極)及び亜
鉛含有電極(陽極)を使用する亜鉛−空気電池に関し、
空気が入れる少なくとも1個の開口部をもち、かつ二酸
化マンガン含有電極に電気的に接触している陰極カッ
プ、及び亜鉛含有電極に電気的及び物理的に接触してい
る陽極カップ、及びその陽極カップに留められしかも絶
縁されている陽極カップ、及び亜鉛含有電極に接触する
内側表面の少なくとも一部分上に銅の下層及びインジウ
ムの上の層をもつ伝導性基質から成る上記の陽極カップ
とから構成される。
金、好ましくはインジウムによって置換される元素を含
まない合金であり、インジウムの上の層は純インジウム
又はインジウム合金であってよい。インジウムの上の層
は、室温(20℃)でなされる最も多い電池適用に対し
てはインジウムの連続した層がよい。しかし高温環境の
ような適用では、銅下層の一部が亜鉛含有電極にさらさ
れ接触する、インジウムの不連続層をもつことが望まし
い。好ましくは高温適用の電池では、亜鉛含有電極に接
触する陽極カップの表面積の95%以下をインジウム層
がおおう。この場合銅下層が亜鉛含有電極にさらされ接
触するだろう。このように亜鉛−空気電池の適用によっ
て、インジウム層は連続又は不連続であってよい。最も
多い適用で銅層は少なくとも1マイクロインチ、好まし
くは100マイクロ以上、最も好ましくは1000乃至
2000マイクロインチの厚さであるべきだ。インジウ
ム層は0.5乃至50マイクロインチ、好ましくは1乃
至5マイクロインチ、最も好ましくは1乃至3マイクロ
インチの厚さであるべきだ。もしインジウム層の厚さが
30マイクロインチを越えると、特別利点もないのにイ
ンジウムの値段がことのほか高くなる。他方もしインジ
ウム層の厚さが0.5マイクロインチ以下であると、最
も多い適用で電池の特性に影響を及ぼさずに亜鉛含有電
極から水銀を効果的に除去するに不十分だろう。陽極カ
ップの基質は、一方の表面にニッケルの層、他方の表面
に銀層をもつ鋼鉄が望ましい。ニッケルめっきされた層
はカップの外側表面に置かれ、電池の一ターミナルとし
て使用される。銅めっきされた層はその上にインジウム
層が着けられカップの内側表面に置かれる。こうしてイ
ンジウムコーティングがカップの内側の層を形成し亜鉛
含有電極に接触する。伝導性基質は又冷間圧延鋼、真ち
ゅう、その他の適当な金属からできてよい。
造の方法を示し、次の工程から成る; (a)伝導性シートの片面に銅の層を着け、次にその銅
の層にインジウムのコーティングを電着し、
される内側表面をインジウム層が形成するような空洞と
定義されるカップ型形状に成形する。
空気が入れる少なくとも1個の開口部をもち、かつ二酸
化マンガン含有電極を含む陰極カップと合わせ、その陽
極カップは、絶縁ガスケットを用いて陰極カップに留め
られかつ電気的に絶縁される。
材料の銅表面へのインジウムの電気めっきは、アルカリ
電池の電流コレクターの表面にインジウムを着ける他の
方法に比べ、いくつもの利点がある。第一に片材料への
インジウムの電着はインジウムめっきの均一性が正確に
制御できることを意味する。これは、陽極カップの形状
が、成形された陽極カップの表面にインジウムを均一に
着けることを実際上妨げているので、特に重要である。
第二に片材料への電着は、めっきするインジウムの位置
の制御を正確にしている。もし成形されたカップがバレ
ルめっき法でめっきされると、インジウムは銅表面同様
ニッケル表面にもめっきされる。銅表面にだけインジウ
ムをめっきする選択的制御は、陽極カップのニッケルめ
っきされた表面をインジウムが汚染することが決してな
いので、バッテリー製造業者に重要である。第三に、1
マイクロインチ乃至約5マイクロインチの範囲であるイ
ンジウムの望ましい厚さが、電着工程を用いて容易に得
られる。インジウムのこれらの量は、陽極カップの表面
にめっきする電解質中のインジウムイオンに頼るような
他の慣用のめっき技術によっては一般に達成できない。
第四に、インジウムの不連続層が望まれる特殊な適用で
は、銅表面の一部分が陽極合剤に直接接触するようにな
されるべきで、電池が高温で貯蔵される時、電池のイン
ピーダンスが過度に増大しない。銅表面に着けられるイ
ンジウムの量が正確に制御できるので、インジウム層の
不連続な特性は確保できる。第五に、本発明のもう一つ
の利点は、本発明の電着技術が、インジウムイオンの化
学的置換が使えない時に働くことである。化学的置換工
程は、コレクター中の亜鉛又は他の還元成分の存在に依
存する。小型亜鉛−空気電池の陽極カップの銅表面は、
インジウムが置換できる亜鉛を含まない。それ故、内層
が銅である小型陽極カップでは、化学的置換工程は使用
できない。
鉛−空気電池の断面図を図1に示す。図に見えるよう
に、亜鉛−空気電池の最大部分は陰極カップとして定義
される開き閉じた金属容器2である。陰極カップ2は一
般にニッケルめっきされた鋼鉄からでき、比較的平らな
中央部分4と、それをとぎれなくかこむ均一な高さのま
っすぐな壁6から成っている。2個の小さな穴8は、カ
ップ2の底4にあけられ、空気の入り口として働く。多
孔性材料の層10は、空気穴の内側表面をおおい、空気
分配膜として働く。ポリテトラフルオロエチレンの層1
2は、空気分配膜10を含む陰極カップ2の全底面をお
おう。第二の主な部分は、ポリテトラフルオロエチレン
層12の内側表面に隣接して位置する空気電極14であ
る。この電極14はいくつかの部分から成り、金属スク
リーン16、スクリーン16に埋められた二酸化マンガ
ンと炭素の混合物、陽極電解質が陰極14へ動くのを防
ぐバリアーフィルム18、吸い上げセパレーター20を
含む。第三の部分は、電池の頂上を形成し一般に陽極カ
ップと呼ばれるカップ型金属部分22である。形状にお
いて陽極カップの縁24は後ろにそれ自身巻き上がっ
て、二重の壁をつくっている。陽極カップ22は、ニッ
ケル被覆鋼鉄片の裸の面にはり合わせた銅33を含む三
積層物からできていてよい。陽極カップをつくっている
他の積層物は、ステンレス鋼基質上の銅の二積層又は三
層以上からできた積層を含む。このはり合わせた金属片
から円盤をくり抜き、陽極カップを成形する。銅層が陽
極カップの内側表面をなし、陽極合剤と直接接触する。
陽極カップの構造的、化学的組み立てはこの発明の重要
な局面である。第四の部分は、亜鉛粒子、電解質、及び
結合剤や腐食防止剤のような有機化合物の混合物から成
る陽極合剤26であって、バッテリー陽極を仕立ててい
る。第五にエラストマー材料からできた管状の輪又はガ
スケット28がめばりとして役立っている。ガスケット
28の底の縁は、陽極カップ22のへりと境を接する内
部へのへりどり唇30をつくっている。陰極カップ2
は、さし入れられた空気電極14や組み合わされた膜と
いっしょに、予め合わされた陽極カップ/ガスケットの
集合に逆にして押しつけられる。逆にすると同時に、陰
極カップ2の縁は内側に集められる。陰極カップのへり
32は、陰極カップ2と陽極カップ22との間のエラス
トマーガスケット28に対して圧縮されて、陽極カップ
22と陰極カップ2との間のめばりと電気的バリアーを
形成する。適切なテープ38が、電池が使われる時まで
開口部8の上に置かれる。
に見える)は、カップ22に成形される前に陽極円盤の
片側に着けられる。図に見えるように、インジウム層3
4は、陽極合剤がさわっている空洞36と定義されるカ
ップ22の内側表面を形成する。上で述べたように、イ
ンジウム層は連続した層又は不連続の層であってよい。
カップ22の内側表面の下層が銅33であるので、従来
技術で用いられる化学的置換工程は、この工程が亜鉛又
は他の還元成分の存在に依存するため利用できない。
に提供するのであって、添えられた特許請求の範囲に述
べた本発明の範囲を限定するものではない。
面に電気めっきしたインジウムの影響力を評価するため
に集めた。全電池は直径約0.455インチ、高さ0.
210インチと測定された。これらバッテリーは普通
「675サイズ」として呼ばれる。2つのテストの第1
では、ロットAと名づけられる対照ロットは、陽極に6
%水銀(Hg/Zn率)をもち陽極カップはインジウム
でめっきされてない。ロットBは陽極に水銀がなく陽極
カップにめっきされたインジウムもない。ロットC〜G
は陽極に水銀はないが陽極カップは次の厚さのインジウ
ムでめっきされている、ロットC 1マイクロインチ、
ロットD 3マイクロインチ、ロットE 15マイクロ
インチ、ロットF 30マイクロインチ、ロットG50
マイクロインチ。各ロットを各々3個の電池から成る4
つのサブロットに分けた。全電池を625オーム抵抗器
を通して0.9ボルト連続して放電した。第1のサブロ
ットは電池を集めて数日以内にテストした。第2のサブ
ロットは71℃で1週間加齢してからテストした。第3
のサブロットはテストに先立ち60℃で20日間加齢し
た。第4のサブロットは60℃で40日間加齢してテス
トした。決められたカットオフに働くミリアンペアを表
1に示す。これらのデータは、インジウムめっきした陽
極カップをもつが陽極に水銀がないサブロット1、2、
3の全電池が、ロットA(6% HgでInなし)又は
ロットB(HgなしでInなし)の匹敵する加齢の電池
よりもよく働くという予測できない結論を支持してい
る。60℃で40日間加齢した電池(すなわちサブロッ
ト4)からははっきりした結論は出ず、5つのインジウ
ムめっきしたロットのうち2つは対照よりよく働いた
が、他の2つのロットはわずかに劣っていて、1つのロ
ットはかなり劣っていた。60℃という比較的高温で4
0日間テストされた電池にとって、これらの矛盾する結
果は異常なことではなく、コレクター/陽極インターフ
ェース以外の要因がこれら条件下では電池の働きを制御
するからである。
71℃で保管後インピーダンステストした。これらのデ
ータを表2に示す。これらのデータは、インジウムめっ
きした陽極をもつ水銀なし小型アルカリ亜鉛−空気電池
が、水銀もインジウムも含まない同様に加齢した電池に
比べてかなり低いインピーダンス値を示し、6%水銀を
含みインジウムを含まない電池に比べて同等のインピー
ダンスを示すという予測できない結論を支持している。
面に電気めっきしたインジウムの影響力を評価するため
に集めた。その陽極カップは、亜鉛のグラム当り陽極塊
中に0.2mgのInをも含む電池に組み込まれた。イ
ンジウムは水酸化インジウムとして亜鉛に加えられた。
実施例1と同様に、このテストの全電池は直径約0.4
55インチ高さ0.210インチと測定された。ロット
Aと名づけられるこの実施例の対照ロットは実施例1の
対照ロットと同じである。言いかえれば6%の水銀を含
み、陽極カップにインジウムめっきしてなく、陽極に水
酸化インジウムを加えてない。ロットHは水銀がなく、
陽極カップにインジウムめっきしてなく、亜鉛のグラム
当り陽極塊に0.2mgのInを含む。ロットIとJは
その陽極カップが各々約1マイクロインチと3マイクロ
インチの厚さのインジウムで電気めっきされている点を
除きロットHと同じである。各ロットは各々3個ずつの
電池から成る4つのサブロットに分けられる。そして全
電池を625オーム抵抗器を通して0.9ボルト連続し
て放電する。第1のサブロットは電池を集めてから数日
以内にテストした。第2、第3、第4のサブロットはテ
ストに先立ち各々加齢した、71℃で1週間、60℃で
20日間、60℃で40日間。決められたカットオフに
働くミリアンペアを表3に示す。これらデータは、イン
ジウムめっきした陽極カップをもち陽極に水銀のないサ
ブロット1、2、3の全電池がロットA又はロットHの
匹敵する加齢の電池よりもよく働くという予測できない
結論を支持している。60℃で40日間加齢した電池か
らははっきりした結論は出ず、ロットIの電池はロット
Aの電池より劣っていたが、ロットJの電池はロットA
の電池より優れていた。前に説明したように、電池が比
較的長期間(すなわち40日間)比較的高温(60℃)
で保管されたことから、この種の例外は異常ではない。
5個の電池を、71℃で保管後インピーダンステストし
た。これらのデータを表4に示す。これらのデータは、
陽極に水酸化インジウムを含みインジウムを電気めっき
した陽極カップをもつ水銀なし小型アルカリ亜鉛−空気
電池が、水銀を含まず陽極カップに電気めっきしたイン
ジウムもないが陽極に水酸化インジウムを含む電池又
は、6%の水銀を含みインジウムを全く含まない電池の
同様に加齢したものに比べて低いインピーダンス値を示
すという結論を支持している。
結論が出される。第1に、インジウムを電気めっきした
陽極カップを含む水銀なし小型アルカリ亜鉛−空気電池
の陽極塊に亜鉛のグラム当り0.2mgのInを加える
ことは、625オーム連続テストでの働きでさほどの改
良もなく遜色もない。第2に、インジウムを電気めっき
した陽極カップを含む水銀なし小型アルカリ亜鉛−空気
電池の陽極塊に亜鉛のグラム当り0.2mgのInを加
えることは、71℃で保管した電池のインピーダンスを
改良した。
変形は、発明の精神と範囲から離れることなくなせるも
のと理解すべきである。
気電池の断面図である。
Claims (20)
- 【請求項1】 空気が入れる少なくとも1個の開口部を
もち、かつ二酸化マンガン含有電極に電気的に接触して
いる陽極カップ、及び亜鉛含有電極に電気的及び物理的
に接触している陽極カップ、及びその陽極カップに留め
られしかも絶縁されている上記の陰極カップ、及び亜鉛
含有電極に接触する内側表面の少なくとも一部分上に銅
の下層及びインジウムの上の層をもつ伝導性基質から成
る上記の陽極カップとから構成される、伝導性おおい中
に集められた二酸化マンガン含有電極及び亜鉛含有電極
を使用することを特徴とする亜鉛−空気電池。 - 【請求項2】 インジウム層の厚さが約0.5マイクロ
インチ及び50マイクロインチの間である請求項1の亜
鉛−空気電池。 - 【請求項3】 インジウム層の厚さが約1マイクロイン
チ及び5マイクロインチの間である請求項1の亜鉛−空
気電池。 - 【請求項4】 銅層が少なくとも1マイクロインチであ
る請求項1の亜鉛−空気電池。 - 【請求項5】 伝導性基質が、銅の内層及びインジウム
の外層を含まない表面上にめっきされたニッケル層をも
つ鋼鉄である請求項1の亜鉛−空気電池。 - 【請求項6】 亜鉛含有電極が、亜鉛の重量に基づき6
%以下の水銀を含有する請求項1の亜鉛−空気電池。 - 【請求項7】 亜鉛含有電極が水銀を含有しない請求項
1の亜鉛−空気電池。 - 【請求項8】 亜鉛含有電極が少量のインジウムを含有
する請求項1の亜鉛−空気電池。 - 【請求項9】 亜鉛含有電極が水銀を含有しない請求項
8の亜鉛−空気電池。 - 【請求項10】 銅層の厚さが少なくとも1マイクロイ
ンチであり、インジウム層の厚さが約1.0マイクロイ
ンチ及び5マイクロインチの間であり、亜鉛含有電極が
亜鉛の重量に基づき6%以下の水銀を含有する、請求項
1の亜鉛−空気電池。 - 【請求項11】 亜鉛含有電極が水銀を含有しない請求
項10の亜鉛−空気電池。 - 【請求項12】 インジウム層が不連続である請求項1
の亜鉛−空気電池。 - 【請求項13】 インジウム層が、亜鉛含有電極に接触
する陽極カップの表面積の95%以下をおおう、請求項
12の亜鉛−空気電池。 - 【請求項14】 (a)伝導性シートの片面に銅の層を
着け、次にその銅の層にインジウムのコーティングを電
着し、 (b)その被覆したシートを、空洞と定義される内側表
面をインジウム層が形成するような空洞と定義されるカ
ップ型形状に成形する工程から成ることを特徴とする亜
鉛−空気電池用陽極カップを製造する方法。 - 【請求項15】 工程(a)で、伝導性シートが鋼鉄で
あり、銅及びインジウムの層を含むシートの反対側表面
にニッケル層が着いている、請求項14の方法。 - 【請求項16】 工程(a)で、インジウム層が約0.
5マイクロインチ及び50マイクロインチの間に着いて
いる、請求項14の方法。 - 【請求項17】 工程(a)で、インジウム層が不連続
である請求項14の方法。 - 【請求項18】 インジウム層が銅層の95%以下をお
おう請求項17の方法。 - 【請求項19】 (c)陽極カップを亜鉛含有電極で満
たし、陰極カップを製造して二酸化マンガン含有電極で
満たし、次に陽極及び陰極を合わせて陽極を陰極に留め
電気的に絶縁して、組み立てた亜鉛−空気電池を形作る
工程を加える請求項14の方法。 - 【請求項20】 亜鉛含有電極が水銀を含有しない請求
項19の方法。
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