JPS5836822B2 - マグネシウム乾電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマグネシウム負極を用いたマグネシウム乾電池
、さらに詳しく言えば、そのような乾電池の放電中に電
池内部に発生されるガスを排出させるための新規な通気
手段を有するマグネシウム乾電池に関するものである。

マグネシウム乾電池は高い動作電圧を必要とする多くの
用途の電源として理想的なものである。

亜鉛缶負極を有する通常のルクランシエ乾電池と比較し
て、マグネシウム乾電池は同じ電源条件の下でルクラン
シエ乾電池よりも約０．３Ｖ電圧が高い。

このように大きな利点を持っているにもかかわらず、使
用上多くの難点があるためにマグネシウム乾電池は広く
使用されるに至っていない。

マグネシウム乾電池の最も大きな困難の１つは、放電中
のガス発生と、発生したガスが危険な圧力まで上昇する
ことである。

その原因は電解質中の水分と無駄に反応して水素ガスを
多量に生ずる活性マグネシウム負極の効率が低いことで
ある。

過去においては、ルクランシエ乾電池は電池内部で生じ
たガス圧を逃がすための通気手段を用いていた。

この通気手段は通常は電池のふたに設けられる或る種の
形式の開放拡散通気穴から或る。

しかし、この種の通気穴はルクランシエ乾電池に対して
は満足できるものであるが、開放拡散穴は電池内部で発
生される大量のガスを急速に放出させることができない
ので、マグネシウム乾電池には決して適さない。

完全に放電してしまうまでは多量のガスを発生しないル
クランシエ乾電池よりも、千倍も高い率でマグネシウム
乾電池は通常の放電中にガスを発生するのが普通である
。

ルクランシエ乾電池に使用されている開放拡散形通気穴
の別の欠点は、電池内部から水分をあまりに容易に外部
へ放散させることである。

電池の貯蔵寿命を長くするためには、マグネシウム乾電
池は初期水分をほぼ全量保持できねばならないが、その
ために貯蔵中は電池を密封することが必要である。

そのような拡散形通気穴の別の欠点は、それらの通気穴
が放電中であると貯蔵中であるとを問わず常に開かれて
いることである。

理想的には、マグネシウム乾電池用の通気穴は、電池の
貯蔵中は電池を密封状態に保ち、電池の放電中は発生さ
れる多量のガスを迅速に放出できるものでなければなら
ない。

また、通気穴はガス圧が無くなった時はひとりでに再び
閉じることができるものでなければならない。

さらに、使用される通気穴は構造が簡単で、製作に費用
がかからないものでなければならない。

マグネシウム乾電池でしばしば起る別の問題は、大きな
出力電流状態で発生されたガスの一部が、電池の内部に
貯留されてそれを放出させることができないことである
。

ガスを大気中に放出させる通気穴は電池の頂部に設けら
れているふたに通常形威される。

負極容器の底の負極作用のために電池の底附近で発生さ
れるガスの一部は、正極合剤の中を通って電池のふたの
下側の空所に入ってそこにいったん貯留された後、通気
穴を通って放出される。

しかし、発生されたガスの他の一部は電池内部に貯留さ
れたままになり、そのために生ずるガス圧によってピス
トンのように正極合剤が上方に押し上げられて、ついに
は正極合剤がふたの下側に接触して通気穴をふさぐよう
になる。

ガス圧が上昇を続けると、終いには電池は破裂したり、
ふたが電池から押し出されたりするようになる。

この問題を解決するために、正極合剤の動きを阻止する
機械的な拘束手段を設けたりするなどの各種の試みがな
されているが、いずれも満足できる結果は得られていな
い。

最近の試みとして正極合剤の内部または周囲に通気通路
を設けるという提案がなされている。

たとえば、酸化減極剤と、導電性微粒子と、電解質とか
ら成る正極合剤を内部に含み、通気穴を形成したふたに
より気密に封止される開放端部を有する金属製の負極容
器を備えた乾電池がすでに提案されている。

ふたと正極合剤との間に空所が形成されている。

正極合剤の中を通気通路が延びてその空所に連通し、負
極容器の底近くに通常たまるガスが上記通気通路を通っ
て空所中に入り、そこから通気穴を通って電池の外部へ
放出されるようにしている。

正極合剤の中に通気通路を設けることにより、電池の底
部に生ずるガス圧に起因する問題のほとんどは解消する
。

しかし、電池のふたに設けられている従来の通気穴はガ
ス排出量を増大させるという問題を十分には解決してい
ないことが判明している。

したがって、本発明の目的はマグネシウム乾電池に使用
するための新規な通気シールを有するふたを提供するこ
とである。

本発明の別の目的は、電池の底附近に通常たまるガスを
正極合剤の中を自由に通り、そして通気シールから放出
できるようにするために、正極合剤中の通気通路に組合
わされるマグネシウム乾電池用の新規な通気シールを有
するふたを提供することである。

この目的を達成するために本発明は、閉じられた底端部
および開放された上端部を有する金属製負極容器と、こ
の負極容器の中に納められた正極合剤と、この正極合剤
の軸心部を貫通突出して正極合剤の上に延び、前記負極
容器の開放された上端部を通って外方に突出する正極棒
と、前記負極容器の開放された上端部上に配置される絶
縁性のふたとを備え、前記ふたは、前記正極棒の、前記
正極合剤上に延びる部分を貫挿させる中央穴と、この中
央穴に近接して上面部に形或された環状溝とを有し、前
記中央穴は、前記正極棒の直径よりもわずかに小さな直
径の一様で滑らかな表面を有する第１部分と、この第１
部分から下方へ延び、前記正極棒から外方へ向ってテー
パーをなす第２部分とを持っており、前記環状溝の内周
面は前記中央穴の第２部分の内周面にほぼ平行であって
、前記環状溝の内周面によって区画された第１の面と、
前記中央穴の内周面によって区画された第２の面とを有
する通気スリーブが形威され、この通気スリーブは、電
池内部に所定のガス圧が生じた時そのガス圧により前記
正極棒から外方へ押し出されて電池内部からガスを放出
させることを特徴とするマグネシウム乾電池を構威した
ものである。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する，まず第
１図を参照する。

この図にはマグネシウムまたはその合金製の円筒形の負
極容器１０を有する本発明のマグネシウム乾電池の一実
施例が示されている。

この負極容器１０は開放上端部と、閉じられた底端部と
を有する。

負極容器１０の中には二酸化マンガンのような酸化物減
極剤と、アセチレンブラックのような導電性微粒子と、
電解質とで構威された正極合剤１２が納められている，
電解質はたとえば過塩素酸マグネシウム （ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ ）
の水溶液である０この正極合剤１２は多孔質クラフト紙
のような、イオンを通すことができる多孔質セパレータ
１４により、負極容器１０の側壁から分離されるととも
に、多孔質の紙またはボール紙のワツシャ１６により負
極容器１０の底からも分離される。

ワツ？ シャ１６もセパレータ１４と同様にイオン透過性である
。

したがって、負極容器１０の底はワツシャ１６を介して
、また負極容器１０の側壁はセパレータ１４を介してそ
れぞれ正極合剤１２と電気化学的に活発に作用し合うこ
とになる。

多孔質の炭素電極から或る正極棒１８が軸心部を通して
正極合剤１２の中に埋め込まれ、負極容器１０の開放端
からわずかに突き出ている。

環状のふた２２が負極容器１０の開放端部に嵌入されて
気密に封止されている。

ふた２２は、必要な強度と弾性を有する種々の絶縁材料
からモールドによって作ることができる。

この材料としてはプラスチックが好適で、ナイロンやＭ
ｉｎｏｌｏｎ １ ０ Ａ（鉱物性の物質を充填したナ
イロンであって、イー・アイ・デュポン・ド・ネムール
社（ Ｅ． Ｉ． Ｄｕｐｏｎｔ ｄｅＮｅｍｏｕｒｓ
＆Ｃｏ．， Ｉｎｃ． ）の商品名）のような高融点プ
ラスチックが特に好適である。

ポリエチレン、ポリプロピレン、滑石を充填したポリプ
ロピレンのような低融点プラスチックは使用はできるが
、すべての要求を満たすことはできないから好適ではな
い。

前記Ｍｉｎｌｏｎ １ ０ Ａは比較的安価で、モール
ドが容易であるから最も好適である。

第１，２図によく示されているように、ふた２２には２
つの部分から成る中央穴２４が設けられる。

第１部分２６は一様で滑らかな面を有し、その内径は正
極棒１８の直径より少し小さい。

般に第１部分２６はふた２２の全垂直長の約３分の１を
構或する。

第２部分２８は第１部分２６から下方へ延び、外方へテ
ーパーをなしてじょうご形をしている。

第２部分２８の表面はふた２２を正極棒１８にとりつけ
るための引き込み部の機能を果たし、電池の内部に生ず
る作動圧に対して広い内面をさらす。

正極棒１８の近くには、環状溝３２、ナるべくなら■形
溝で定められる通気スリーブ３０が設けられている。

通気スリーブ３０は正極棒１８の周囲を連続的に延びて
いる。

通気スリーブ３０の一方の側面は溝３２の内周面で区画
され、他方の側面は中央穴２４の内周面により区画され
る。

第１図からわかるように、中央穴２４の第２部分２８の
内周面は溝３２の内周面にほぼ平行である。

このような構造により通気スリーブ３０のベースから、
中央穴２４の第１部分２６により表わされているシール
面まで、通気スリーブの厚さは一様となる。

溝３２の外周面は参照番号３１で表わされている。

一般にシールおよび通気面として機能する第１部分２６
と正極棒１８とはなるべくきつくはめ合わせるようにす
る。

したがって第１部分２６と正極棒１８との寸法は使用す
る材料の強度により主として決定される。

初期放出圧力を等しくするためには、より弾力の大きな
材料ではめ合いをきつくすればよい。

希望する初期放出圧力とするために、通気スリーブ３０
の厚さを変えることもできる。

単なる例として挙げれば、部品のモールド性と機能性に
ついての要求を満たすために厚さが約０．０４〜０．６
４ＣｒｆＬ（約０．０ １ ６ 〜０．２ ５インチ）
のスリーブを）通気スリーブ３０として用いることがで
きる。

たとえば、第１，２図に示す通気スリーブ３０では、第
２部分２８の表面の傾斜角度と、溝３２の内周面３４の
傾斜角度とは同一であって、第２部分２８のベースから
第１部分２６のシール而まで一様な寸法（厚さが約０．
０ ６ ４ｍ（ ０．０ ２ ５インチ）となる。

第１部分２６のシール面から通気スリーブ３０は厚さ約
０．０４ｃｒｒＬ（約０．０１６インチ）までテーパー
をなす。

前記のように、中央穴２４には正極棒１８が圧入される
。

ふた２２の上面には盛り上った環状周辺部３６が設けら
れている。

この環状周辺部３６は負極容器１０の上周辺部の上部の
肩部を形或する。

なるべくなら鋼で作るとよいシールリング４０が縮めら
れて、その脚部４２が半径方向の高い圧力の下に内側へ
押され、負極容器１０の外側壁を内側へ押して、ふた２
２の接触外縁部と負極容器１０の内側壁との間できつい
半径方向シールを形成する。

この時には負極容器１０の上周縁部に肩部３８が載る。

正極棒１８の上部に金属端子キャップ４４がとりつけら
れ、電池の正極端子として機能する。

通気機能のためには必要とされないが、ふた２２には第
３図に示すような突起４６が設けられている。

この突起４６はふた２２から延び、かつ正極棒１８をし
っかりと保持して、通気スリーブ３０のみで可能な封止
よりももつと一様な封止を行う把持フインガとして機能
する。

鋼製のシールリング４０が半径方向にかしめられると、
突起４６の把持はふた２２の直径短縮の結果として強固
にされる。

第３図には等間隔で配置されるそのような突出部が３つ
示されているが、突出部は３個以上用いることができ、
その適切な数は必要とする把持の程度、電池内部で発生
される圧力の形式、ふた２２の材料などに依存する。

貯蔵中に僅かなガスが発生されたとしても、通気スリー
ブ３０は通常は閉じられている。

すなわち、第１部分２６は正極棒１８の周囲をきつく囲
み、第２部分２８は正極棒１８から外方へ拡がっている
。

この位置では電池からの水分の損失はたとえあるとして
も非常にわずかである。

しかし、電池を放電させると多量のガスが発生されるの
で、電池内部での過犬な圧力上昇を防ぐためにそのガス
を外部へ放出させなければならない。

安全上定められる所定のガス圧に達すると、第２部分２
８が正極棒１８から離れる向きに押され、それにより第
１部分２６によって形成されている封止を一時的に破っ
てガスを電池から放出させる。

ガス圧が低下すると第１部分２６は元の位置へ戻されて
電池を再び封止する。

第４図は通気スリーブ３０の変形例を示すもので、非常
に薄い壁部分はスリーブ３０′または部分２８′のベー
ス部分である。

言いかえると、前記した例で示した寸法値を用いると、
通気スリーブ３０′の最犬の厚さ（約０．０ ６ ４ｃ
ｒＩＬ） （ ０．０ ２ ５インチ）は第１部分２６
にあり、スリーブはこの部分から第２部分２８′の約０
．０ ４ ＩｃｒｆＬ（ ０．０ １ ６インチ）の厚
さまでテーパーをなして厚さが減少する。

これは溝３２′の内周部３４′が第２部分２８′に対し
て平行とならないように、その内周部３４′により挾ま
れる角度を変えることによって行うことができる。

ふた２２の別の変形例を第５，６図に示す。

第５，６図で、環状溝３２′は周縁部が連続する代りに
少なくとも１つのリブ部がモールドされて通気スリーブ
３０′の強度を高め、鋼製リングをかしめている間にふ
た２２が変形することを防ぐ。

環状溝３２′の構造の変形例を第４図の変形例に関して
示したが、この変形例は好適な実施例に等しく応用でき
る。

効率の高い動作に不可欠のものではないが、シリコン、
石油系グリース、ワックス、アスファルトなどのような
封止材料を、ふた２２の中に正極棒１８を圧入させる前
に付着させると、封止の信頼性はより高くなる。

封止材料を用いると、電極表面の孔や物理的な不完全さ
が補償されて封止の信頼度が高くなる。

本発明を利用したマグネシウム乾電池８個について一連
の試験を行った。

ふたの構成材料は鉱物質の材料を充填したナイロンＭｉ
ｌｏｎ １ ０ Ａ （商品名）で、通気スリーブの厚
さは約０．０４１〜０．０ ６ ４ｃｆｒＬ（ ０．０
１ ６ 〜０．０ ２ ５インチ）で、アスファルト
封止材を用いた。

前記の既提案に従って、正極合剤中に通気路を設けた。

６個の電池を０．２８０オームの負荷で連続放電させ、
２個の電池を短絡させたが、いずれも異常は生じなかっ
た。

水分損失測定の結果、本発明の新規な通気シールニヨリ
、約７１．１°Ｃ（１６００Ｆ）における１日当りの水
分損失量は約３■であった。

これは同一温度条件の下での許容水分損失量である１２
１ｎ９よりもはるかに少ない。

試験に用いた電池は標準型の直径（Ｃ形）であるが、全
長は約８．３ｃｒｆＬ（約３。

２５インチ）と、標準型のものより少し長かった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って作られたマグネシウム乾電池の
一実施例の縦断面図、第２図は第１図の２−２線に沿う
断面図、第３図はシールの穴のテーパー面上の等間隔で
隔てられている突起を示す第１図の３−３線に沿う断面
図、第４図は第１図に示す電池で使用できるふたの変形
例を示す断面図、第５図は第１図に示す電池に使用でき
るふたの更に別の変形例を示す平面図、第６図は第５図
の６−６線に沿う断面図である。 １０・・・・・・負極容器、１２・・・・・・正極合剤
、１８・・・・・・電極棒、２２・・・・・・ふた、２
４・・・・・・中央穴、２６・・・・・・第１部分、２
８・・・・・・第２部分、３０．３０’・・・通気スリ
ーブ、３２．３２’・・・・・・環状溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 閉じられた底端部および開放された上端部を有する
   金属製負極容器と、この負極容器の中に納められた正極
   合剤と、この正極合剤の軸心部を貫通突出して正極合剤
   の上に延び、前記負極容器の開放された上端部を通って
   外方に突出する正極棒と、前記負極容器の開放された上
   端部上に配置される絶縁性のふたとを備え、 前記ぶたば、前記正極棒の、前記正極合剤上に延びる部
   分を貫挿させる中央穴と、この中央穴に近接して上面部
   に形成された環状溝とを有し、前記中央穴は、前記正極
   棒の直径よりもわずかに小さな直径の一様で滑らかな表
   面を有する第１部分と、この第１部分から下方へ延び、
   前記正極棒から外方へ向ってテーパーをなす第２部分と
   を持っており、 前記環状溝の内周面は前記中央穴の第２部分の内周面に
   ほぼ平行であって、前記環状溝の内周面によって区画さ
   れた第１の面と、前記中央穴の内周面によって区画され
   た第２の面とを有する通気スリーブが形威され、 この通気スリーブは、電池内部に所定のガス圧が生じた
   時そのガス圧により前記正極棒から外方へ押し出されて
   電池内部からガスを放出させることを特徴とするマグネ
   シウム乾電池。 ２ 前記正極合剤を貫通して延びる通気通路を含んでい
   る特許請求の範囲第１項記載のマグネシウム乾電池。 ３ 前記中央穴から前記正極棒に接触して延びる少なく
   とも３本の突起を含んでいる特許請求の範囲第２項記載
   のマグネシウム乾電池。 ４ 前記第１部分の厚さは前記第２部分の厚さよりも薄
   い特許請求の範囲第１項記載のマグネシウム乾電池。 ５ 前記第２部分の表面は前記溝の前記内周部に対して
   平行ではない特許請求の範囲第１項記載のマグネシウム
   乾電池。 ６ 前記第１部分は前記第２部分よりも厚い特許請求の
   範囲第１項記載のマグネシウム乾電池。 ７ 前記環状溝は前記正極棒の周囲を連続的に延びてい
   る特許請求の範囲第１項記載のマグネシウム乾電池。 ８ 前記環状溝は前記正極棒の周囲を不連続的に延びて
   いる特許請求の範囲第１項記載のマグネシウム乾電池。