(57)【要約】  アルカリ電気化学セルは、カソードと、アノード活性材料を含むアノードと、カソードとアノードとの間に配設された非導電性セパレータとを含み、アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料が、約７５μｍ未満の粒径を有し、セパレータが、開口端と、側壁と、開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する一体型円筒構成を含む。
2019522341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ電気化学セルであって、
カソードと、
アノード活性材料を含むアノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に配設された非導電性セパレータと、を備え、
アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％の前記アノード活性材料が、約７５μｍ未満の粒径を有し、
前記セパレータが、開口端と、側壁と、前記開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する一体型円筒構成を備える、アルカリ電気化学セル。
【請求項２】
前記アノード活性材料は、約２．６２ｇ／ｃｃ〜約２．９２ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する、請求項１に記載のアルカリ電気化学セル。
【請求項３】
前記アノード活性材料の総量に対して約２０重量％未満の前記アノード活性材料が、約１５０μｍよりも大きい粒径を有する、請求項１に記載のアルカリ電気化学セル。
【請求項４】
前記アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、
前記亜鉛合金は、亜鉛、インジウム、およびビスマスを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルカリ電気化学セル。
【請求項５】
前記亜鉛合金は、
約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのビスマスと、
約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのインジウムと、を含む、請求項４に記載のアルカリ電気化学セル。
【請求項６】
前記亜鉛合金は、前記アノードの総重量に対して約６２重量％〜約７０重量％で前記アノード中に存在している、請求項４に記載のセル。
【請求項７】
前記亜鉛合金は、前記アノードの総重量に対して約６３重量％で前記アノード中に存在している、請求項４に記載のセル。
【請求項８】
アルカリ電気化学セル用のアノードゲルであって、
アノード活性材料であって、アノード活性材料の総重量に対して約２０重量％〜約５０重量％が、約７５μｍ未満の粒径を有する、アノード活性材料と、
電解質と、
ゲル化剤と、を含む、アノードゲル。
【請求項９】
前記アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約２０重量％未満の前記アノード活性材料が、約１５０μｍよりも大きい粒径を有する、請求項８に記載のアノードゲル。
【請求項１０】
前記アノード活性材料は、約２．６２ｇ／ｃｃ〜約２．９２ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する、請求項８に記載のアノードゲル。
【請求項１１】
前記電解質は、水酸化カリウムの水溶液を含む、請求項８に記載のアノードゲル。
【請求項１２】
前記電解質は、約３２％以下の水酸化物濃度を有する、請求項８に記載のアノードゲル。
【請求項１３】
前記アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、
前記亜鉛合金は、亜鉛、インジウムおよびビスマスを含む、請求項８〜１２のいずれか１項に記載のアノードゲル。
【請求項１４】
前記亜鉛合金は、
約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのビスマスと、
約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのインジウムと、を含む、請求項１３に記載のアノードゲル。
【請求項１５】
アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料が、約７５μｍ未満の粒径を有し、総亜鉛合金に対して約８重量％〜約２０重量％が、約１５０μｍよりも大きい粒径を有する、請求項８〜１４のいずれか１項に記載のアノードゲル。
【請求項１６】
前記アノード活性材料は、約２．６２ｇ／ｃｃ〜２．９２ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する、請求項１５に記載のアノードゲル。
【請求項１７】
前記アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、前記亜鉛合金の量は、前記アノード中にある、前記アノードの総重量に対して約６２重量％〜約７０重量％で存在している、請求項８に記載のアノードゲル。
【請求項１８】
電気化学セルにおける使用のためのセパレータであって、
円筒形に形成され、かつ開口端と、前記開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する非導電性の多孔質材料を含み、
前記セパレータが、２回巻かれ、かつ約０．２０５ｍｍ〜約０．２４５ｍｍの乾燥厚さを有する単層を有する、セパレータ。
【請求項１９】
前記多孔質材料は、ポリビニルアルコール繊維、レーヨン繊維、またはセルロースからなる紙であり、かつ界面活性剤を含む、請求項１８に記載のセパレータ。
【請求項２０】
前記セパレータは、２回巻かれた紙の単一クーポンを備える、請求項１９に記載のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年６月２０日に出願された米国仮出願第６２／３５２，２４３号の利益および優先権を主張し、その全体の内容が、参照によってその全体において本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本技術は、一般に、電気化学セル用の亜鉛アノードの分野に関する。詳細には、本技術は、改善された信頼性および低亜鉛充填量を有する亜鉛アノードに関する。
【背景技術】
【０００３】
アルカリセルは、一般に、放電容量の必要性およびコストの考慮に応じて、約６５％〜約７２％の範囲であり得る、アノード区画中の所定の亜鉛含有量（亜鉛充填量）を有するように設計されている。亜鉛充填量を７２％超に増加させることは、増加したセルのガス発生をもたらし得、亜鉛添加量を６５％未満に減少させることは、信頼性の問題をもたらし得る。減少した亜鉛装填量は、亜鉛粒子間、およびアノードと対応する集電体との間の不十分な接触を結果としてもたらし得る。したがって、６５％未満の低亜鉛装填量は、とりわけ落下試験および振動放電試験等の乱用試験においてセル不良をもたらし得る。電池性能に悪影響を及ぼすことなく、亜鉛装填量を減少させ、生産コストを低下させる新規かつ改良された方式が必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
一態様において、アルカリ電気化学セルが提供され、これは、カソードと、アノード活性材料を含むアノードと、カソードとアノードとの間に配設された非導電性セパレータとを含み、アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料が、約７５μｍ未満の粒径を有する。セパレータは、開口端と、側壁と、開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する一体型円筒構成を含む。このタイプのセパレータは、セパレータの底部に別個のキャップ構成要素を有する従来のセパレータとは異なり、セパレータ全体の一部として形成された、一体型ボトムカップ（ＩＢＣ）を有する。
【０００５】
いくつかの実施形態において、アノード活性材料は、約２．６２ｇ／ｃｃ〜約２．９２ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する。いくつかの実施形態において、アノード活性材料の総量に対して約２０重量％未満のアノード活性材料は、約１５０μｍよりも大きい粒径を有する。いくつかの実施形態において、アノード活性材料は、亜鉛合金を含む。いくつかの実施形態において、亜鉛合金は、亜鉛、インジウム、およびビスマスを含む。他の実施形態において、亜鉛合金は、約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのビスマス、および約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのインジウムを含む。いくつかの実施形態において、アノードは、アノードの総重量に対して約６２重量％から約７０重量％の亜鉛合金を含む。他の実施形態において、アノードは、アノードの総重量に対して約６３重量％の亜鉛合金を含む。
【０００６】
一態様において、アノードゲルが提供され、ゲルは、電解質、ゲル化剤、界面活性剤化合物、およびアノード活性材料を含み、アノード活性材料の総重量に対して約２０重量％から約５０重量％のアノード活性材料が、約７５μｍ未満の粒径を有する。
【０００７】
いくつかの実施形態において、アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料が、約７５ミクロン未満の粒径を有し、総亜鉛合金の約８重量％〜約２０重量％は、約１５０マイクロメートルよりも大きい粒径を有する。
【０００８】
さらに別の態様において、セパレータが提供され、セパレータは、円筒形に形成され、かつ開口端と、開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する非導電性の多孔質材料を含み、セパレータが、２回巻かれ、かつ約０．２０５ｍｍ〜約０．２４５ｍｍの乾燥厚さを有する単層を有する。
【０００９】
いくつかの実施形態において、多孔質材料は、ポリビニルアルコール繊維、レーヨン繊維、またはセルロースからなる紙である。いくつかの実施形態において、多孔質材料は、界面活性剤をさらに含む。いくつかの実施形態において、セパレータは、２回巻かれた紙の単一クーポンを備える。
【００１０】
一態様において、ガス発生を受ける電気化学セルのガス発生を低減する方法が提供され、方法は、セルの活性アノードとして、アノード活性材料の総重量に対して約２０重量％〜約５０重量％が約７５μｍ未満の粒径を有するアノード活性材料、アルカリ電解質、およびゲル化剤を含む、アノードゲルを提供することを含む。
【００１１】
別の態様において、電気化学セルの放電性能を向上する方法が提供され、方法は、セルの活性アノードとして、アノード活性材料の総重量に対して約２０重量％〜約５０重量％が約７５μｍ未満の粒径を有するアノード活性材料、アルカリ電解質、およびゲル化剤を含む、アノードゲルを提供することを含む。
【００１２】
前述の概要は、例示的なものにすぎず、決して限定的であることを意図するものではない。例示的な態様、実施形態および上記に説明された特徴に加えて、さらなる態様、実施形態および特徴が、以下の図面および詳細な説明を参照して明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態による、構築されたＩＢＣセパレータの上面図および断面図の概略的例示である。
【図２】一実施形態による、構築されたＩＢＣセパレータを組み込む電気化学セルの概略的例示である。
【図３】実施例１による、６３％充填量の標準亜鉛および一体型ボトムカップセパレータを含有する１０個のＬＲ２０セルの経時的性能のプロットである。
【図４】実施例１による、６３％充填量の高微粒子（ＨＦ）亜鉛および一体型ボトムカップセパレータを含有する１０個のＬＲ２０セルの経時的性能のプロットである。
【図５】実施例１による、６４％充填量の標準亜鉛および一体型ボトムカップセパレータを含有する１０個のＬＲ２０セルの経時的性能のプロットである。
【図６】実施例１による、６４％充填量の高微粒子亜鉛および一体型ボトムカップセパレータを含有する１０個のＬＲ２０セルの経時的性能のプロットである。
【図７】実施例１による、アノード内の異なる充填量、充填レベルおよび亜鉛タイプでの一体型ボトムカップセパレータを含有するＬＲ２０セルの平均故障時間（ＭＴＴＦ）を示す。
【図８】実施例１による、一体型ボトムカップセパレータを含有するＬＲ２０セルの落下試験後の初期電流量の割合を示す。
【図９】実施例１による、一体型ボトムカップ型セパレータを有する部分放電（ＰＤ）ＬＲ２０セルのガス発生特性を例示するグラフである。
【図１０】実施例１による、一体型ボトムカップセパレータを含有するＬＲ２０セルのＡＮＳＩ性能を例示する。
【００１４】
これらの図に提示された構成要素の設計または構成が、正確な縮尺ではない、および／または例示目的のみを意図していることにさらに留意されるべきである。したがって、構成要素の設計または構成は、本開示の意図された範囲から逸脱することなく、本明細書に説明されたもの以外であってもよい。これらの図は、それゆえに、限定的な意味で見られるべきではない。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
様々な実施形態が、以下に説明される。具体的な実施形態は、包括的な説明として、または本明細書で考察される、より広い態様への限定として意図されないことに留意されたい。特定の実施形態に関して記載された一態様は、その実施形態に限定される必要はなく、任意の他の実施形態によって実施されてもよい。
【００１６】
本明細書で使用される際、「約（ａｂｏｕｔ）」は当業者に理解され、使用される文脈に応じてある程度変化する。当業者には明らかでない用語の使用がある場合、それが使用される文脈を考慮すると、「約（ａｂｏｕｔ）」はその特定の用語のプラスまたはマイナス１０％を意味する。
【００１７】
要素を記載する文脈において、（とりわけ、後続の特許請求の範囲の文脈において）「ａ」および「ａｎ」および「ｔｈｅ」という用語、ならびに類似の指示物は、本明細書において別段の記載がない限り、または文脈によって明確に矛盾することがない限り、単数形および複数形の両方を網羅するよう解釈されることになっている。本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書中に別段の指示がない限り、範囲内の各々の別個の値を個々に参照する簡略方法として役立つことを意図しており、各々の個別値は、本明細書に個別に列挙されているかのように、本明細書に組み込まれる。本明細書において記載される全ての方法は、本明細書において特に示されない、または文脈において特に明確に否定されない限り、任意の適切な順番において実施可能である。本明細書で提供されるいかなるおよびすべての例、または例示的な言語（例えば、「など」）の使用は単に、実施形態をより良好に明らかにするよう意図されており、別段の記載がない限り、特許請求の範囲に制限を与えるものではない。本明細書におけるいかなる言語も、請求されていないあらゆる要素を不可欠なものとして示していると解釈されるべきではない。
【００１８】
比率、濃度、量、および他の数値データが、本明細書において範囲形式で提示され得る。この範囲形式は、単に便宜および簡潔さのために使用され、範囲の限定として明白に列挙される数値を含むのみならず、各数値および部分範囲が明白に列挙されるように、その範囲に包含される全ての個々の数値または部分範囲を含むように柔軟に解釈されるべきである。例えば、５〜４０ｍｏｌ％は、明白に列挙された５〜４０ｍｏｌ％の限定を含むのみならず、１０ｍｏｌ％〜３０ｍｏｌ％、７ｍｏｌ％〜２５ｍｏｌ％などのような部分範囲、ならびに、例えば、１５．５ｍｏｌ％、２９．１ｍｏｌ％、および１２．９ｍｏｌ％のような特定された範囲内の端数を含む個々の量を含むように解釈されるべきである。
【００１９】
本明細書において使用される、「亜鉛アノード」という用語は、アノード活性材料として亜鉛を含むアノードを意味する。
【００２０】
本明細書において使用される、「微粒子」は、通常のふるい分け処理（つまり、手作業によって揺動される、ふるい分け）において標準２００メッシュスクリーンを通過する粒子である。「粉塵」は、通常のふるい分け処理において標準３２５メッシュスクリーンを通過する粒子からなる。「粗粒子」は、通常のふるい分け処理において標準１００メッシュスクリーンを通過しない粒子からなる。本明細書で記載されるメッシュサイズおよび対応する粒径は、ＡＳＴＭ  Ｂ２１４に記載される金属粉末のふるい分け分析用の標準試験方法を適用する。
【００２１】
本明細書において使用される、「アスペクト比」は、粒子の最長寸法の長さと粒子の相対幅との間の比率によって特定される寸法を意味する。
【００２２】
本明細書において使用される、「一体的」とは、本明細書に説明される全ての構成要素が単一のユニットとして一体的に形成され、ユニットを形成するために接合される別個の部品として形成されるものではないことを意味し得る。
【００２３】
アルカリ電池は、その放電性能を向上させると共に、その信頼性を改善するために長年に亘って改善されてきた。しかしながら、技術の進歩は、増大したセルのガス発生を伴ってきた。アルカリ電気化学セルの亜鉛アノードゲルは、亜鉛アノード腐食によって、電池セルが非放電または部分放電される条件において保管されるときに電気化学的腐食反応を起こす傾向にある。ガス発生を減少させ、セル放電を改善し、かつセル信頼性を制御することになる、アノード活性材料の最適化された粒径分布および改善されたセル構成要素設計が所望される。
【００２４】
ここで、低コストアルカリセルの信頼性の改善が、ボトムカップ設計と一体化されたセパレータと併せて変更された粒径分布を有するアノード活性材料の含有によって達成され得ることが見出されている。セル機能の改善は、単独で、または一体型ボトムカップ（ＩＢＣ）セパレータを用いて設計されたセパレータと併せて、高微粒子（ＨＦ）亜鉛として本明細書に特徴付けられる、最適化された粒径分布（ＰＳＤ）を有する亜鉛粉末を利用することによって達成される。亜鉛アノード粉末の粒径分布は、粉塵（＜４５μｍ）、微粒子（＜７５μｍ）、粗粒子（＞１５０μｍ）、および大径粒子（＞４２５μｍ）の含有量に対して調節される。従来のアルカリセルは、ＳＴＤ亜鉛として本明細書に特徴付けられる約１５％以下の亜鉛微粒子の含有量を有する亜鉛粉末を使用する。大型ＬＲ２０セルにおいて、比較的低レベルでのＳＴＤ微粒子の使用は、亜鉛充填量が６５％未満であるとき、信頼性不良を結果としてもたらす。粒子間接触が、従来の電池セルに見出される典型的な標準レベルを超える微粒子の含有量を増加させることに望まれることが見出されている。これは、低亜鉛充填量を使用するときに特に重要である。アルカリセル中の亜鉛充填量を低下させることは、コストを低減するために有益である。
【００２５】
したがって、一態様において、アルカリ電気化学セル用のアノードゲルが提供され、アノードは、アノード活性材料の総重量に対して約２０重量％〜約５０重量％が約７５μｍ未満の粒径を有するアノード活性材料、電解質、界面活性剤、およびゲル化剤を含む。
【００２６】
アノード活性材料のタイプは、概して、このゲル状アノードが一部である、アルカリ電気化学セルの性能を最適化するために、当分野で既知のものから選択され得る。いくつかの実施形態において、アノード活性材料は、亜鉛を含み、亜鉛は、単独で、または１つ以上の他の金属と組み合わせて使用され得る。さらに、それは、一般的に、合金粉末の形態で使用される。したがって、いくつかの実施形態において、アノード活性材料は、亜鉛合金を含む。
【００２７】
一般的に、合金材料は、約０．０１重量％〜約０．５重量％の合金剤単独、またはビスマス、インジウム、リチウム、カルシウム、アルミニウム等のような第２の合金剤の約０．００５重量％〜０．２重量％との組み合わせにおいて、含まれ得る。例えば、１つ以上の実施形態において、当業者は、当該技術分野で既知の１つ以上の他の金属（例えば、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃａ、Ａｌ、Ｐｂ等）と混合または合金化された亜鉛を含む適切な粉末を容易に選択し得る。したがって、この点について、本明細書において使用される「アノード活性材料」および／または「亜鉛」は、粒子もしくは粉末単独、または任意に１つ以上の他の材料と混合もしくは合金化されているものを意味し得ることに留意されたい。アノード活性材料粒子は、例えば、細長い、丸い、および繊維状または薄片状粒子を含む様々な形態で存在し得る。
【００２８】
本開示のいくつかの実施形態において、亜鉛合金は、インジウムおよびビスマスを含む。いくつかの実施形態において、亜鉛合金は、亜鉛、ビスマス、およびインジウムを含む。いくつかの実施形態において、亜鉛合金は、亜鉛、ビスマス、インジウム、およびアルミニウムを含む。亜鉛と合金化される金属の濃度は、約２０ｐｐｍ〜約７５０ｐｐｍの範囲であり得る。いくつかの実施形態において、合金金属は、約５０ｐｐｍ〜５５０ｐｐｍの濃度において存在する。いくつかの実施形態において、合金金属は、約１３０ｐｐｍ〜２７０ｐｐｍの濃度において存在する。いくつかの実施形態において、合金金属は、約１５０ｐｐｍ〜２５０ｐｐｍの濃度において存在する。いくつかの実施形態において、亜鉛合金は、各々約１３０ｐｐｍから約２７０ｐｐｍの濃度で、主合金元素としてビスマスおよびインジウムを含む。いくつかの実施形態において、亜鉛合金は、各々約２００ｐｐｍの濃度で、主合金元素としてビスマスおよびインジウムを含む。
【００２９】
アノード活性材料は、例えば、粗粒子、微粒子、もしくは粉塵の形態、またはこれらの形態の組み合わせでアノード中に存在し得る。アノード活性材料のは、約７０マイクロメートル〜約１７５マイクロメートルの平均粒径を有し得る。これは、約７５マイクロメートル、約８０マイクロメートル、約８５マイクロメートル、約９０マイクロメートル、約１００マイクロメートル、約１１０マイクロメートル、約１２０マイクロメートル、約１３０マイクロメートル、約１４０マイクロメートル、または約１５０マイクロメートルの平均粒径を含む。いくつかの実施形態において、アノード活性材料は、約１００マイクロメートル〜約１７０マイクロメートルの平均粒径を有する。いくつかの実施形態において、アノード活性材料は、約１２０マイクロメートルの平均粒径を有する亜鉛合金粒子を含む。
【００３０】
電気化学セルで従来使用される亜鉛合金粒子（ＳＴＤ）等の標準アノード活性材料は、約０．５％〜約２．０％の粉塵、約５％〜約２５％の微粒子、および約２５％〜約６０％の粗粒子の粒径分布を有する。本明細書に説明された一体型ボトムカップセパレータは、セルのガス発生を同時に増加させることなく、微粒子亜鉛アノード粒子、すなわち２００メッシュスクリーンサイズ（７５μｍ）を通過する粒子の含有量を増加させることを可能にする。したがって、いくつかの実施形態において、負極は、従来の標準亜鉛粉末のものよりも微粒子含有量が高く、粗粒子含有量が低い高微粒子（ＨＦ）アノード活性材料を含む。
【００３１】
いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して１５重量％超のアノード活性材料が、約７５マイクロメートル未満の粒径を有する。これは、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約２０重量％超、約２５重量％超、約３０重量％超、または約３５重量％超が、約７５マイクロメートル未満の粒径を有する実施形態を含む。いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約１５重量％〜約６０重量％のアノード活性材料は、約７５マイクロメートル未満の粒径を有する。これは、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約１５重量％〜約５５重量％、約２０重量％〜約５０重量％、約２５重量％〜約４５重量％、または約３５重量％〜約４０重量％、および任意の２つのこれらの値の間、もしくは任意のこれらの値未満の範囲のアノード活性材料が、約７５マイクロメートル未満の粒径を有する実施形態を含む。いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約３０重量％のアノード活性材料が、約７５マイクロメートル未満の粒径を有する。いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約４０重量％のアノード活性材料が、約７５マイクロメートル未満の粒径を有する。いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料が、約７５マイクロメートル未満の粒径を有する。
【００３２】
いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約３５重量％のアノード活性材料が、約１５０マイクロメートルよりも大きい粒径を有する。これは、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約３０重量％未満、約２５重量％未満、約２０重量％未満、または約１５重量％未満が、約１５０マイクロメートルよりも大きい粒径を有する実施形態を含む。いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約２０重量％未満のアノード活性材料が、約１５０マイクロメートルよりも大きい粒径を有する。
【００３３】
いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約１重量％〜約２５重量％のアノード活性材料が、約４５マイクロメートル未満の粒径を有する。これは、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約１重量％〜約２０重量％、約２重量％〜約１５重量％、または約５重量％〜約１０重量％、および任意の２つのこれらの値の間、もしくは任意のこれらの値未満の範囲のアノード活性材料が、約４５マイクロメートル未満の粒径を有する実施形態を含む。いくつかの実施形態において、アノードゲル中に存在するアノード活性材料の総量に対して約２重量％〜約１０重量％のアノード活性材料が、約４５マイクロメートル未満の粒径を有する。
【００３４】
適切な亜鉛粒径分布は、少なくとも７０％の粒子が、１００ミクロンサイズ範囲内の標準メッシュふるい分け粒径を有し、その分布様式が約１００〜約３００ミクロンであるものであり得る。一実施形態において、適切な亜鉛粒径分布は、上記試験を満たし、かつ各々プラスまたはマイナス約１０％の７５ミクロン、１００ミクロン、１５０ミクロン、または２００ミクロンのモードを有する粒径分布を含む。一実施形態において、約７０％の粒子は、約１００ミクロンよりも細かい、例えば、約７５ミクロン、約５０ミクロン、または約４０ミクロン以下のサイズ分布範囲に分布される。
【００３５】
本開示のアノードゲルは、従来のセルでの充填量よりも低い亜鉛充填量を含み得る。例えば、アノードゲルは、アノードゲルの重量に対して約７０％ｗ／ｗ以下の亜鉛充填量を有し得る。いくつかの実施形態において、アノードゲルは、アノードゲルの重量に対して約６８％ｗ／ｗ以下、約６５％ｗ／ｗ以下、約６４％ｗ／ｗ以下、または約６３％ｗ／ｗ以下の亜鉛充填量を有し得る。いくつかの実施形態において、アノードゲルは、アノードゲルの重量に対して約６４％ｗ／ｗの亜鉛充填量を有し得る。他の実施形態において、アノードゲルは、アノードゲルの重量に対して約６３％ｗ／ｗの亜鉛充填量を有し得る。
【００３６】
アノードゲル材料は、向上したセル放電性能を提供するために必要とされる適切な粘度を有する。例えば、粘度は、約２５℃で、約３０，０００ｃｐｓ〜約２００，０００ｃｐｓであり得る。
【００３７】
本開示のアノードゲルは、アルカリ電解質を含み、いくつかの実施形態において、比較的低い水酸化物含有量を有するアルカリ電解質を含む。適切なアルカリ電解質としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、およびそれらの組み合わせの水溶液が挙げられる。しかしながら、一具体的実施形態では、水酸化カリウム含有電解質が使用される。他の実施形態において、アルカリ電解質は、水および水酸化カリウムを含む。
【００３８】
本開示によって利用される電解質は、一般的に、総電解質重量に基づいて、約３５％、約３０％以下（例えば、約２９％、約２８％、約２７％、約２６％、またはさらに約２５％）の水酸化物（例えば水酸化カリウム）濃度を有する。しかしながら、一般的に、電解質は、約２５％〜約３５％、または約２６％〜約３０％の水酸化物濃度を有する。一具体的実施形態（例えば、ＡＡまたはＡＡＡセルのようなサイズおよび形状のセルでの使用に適切なアノードゲル）において、電解質の水酸化物濃度は、電解質の総重量に基づいて、約２８重量％である。
【００３９】
いくつかの実施形態において、アノードゲル中の水酸化物電解質含有量は、概して、従来のゲル状アノードのもの、またはそれに近く、濃度は、ゲル状アノードの総重量に基づいて、例えば、少なくとも約２４重量％、少なくとも約２６重量％、または少なくとも約２８％、かつ約３４重量％未満、約３２重量％未満、または約３０重量％未満である。本開示のアノードゲル中の電解質の濃度は、それゆえに、一般的に、アノードゲルの総重量に基づいて、約２４重量％〜約３４重量％、約２６重量％〜約３２重量％、または約２８重量％〜約３１重量％であり得る。アノードゲル中の電解質の所望される濃度は、概して、例えば、ゲル状アノード中の亜鉛の濃度を含む様々な因子に依存する。
【００４０】
ゲル化剤は、少なくとも部分的に、機械的構造を付加するために、および／または金属粒子を被覆して放電中にアノード内のイオン伝導度を向上するために、アノード中に存在する。適切なゲル化剤は、セル内のゲル状アノードに硬質タイプのゲル構造およびわずかに減少した充填密度、ならびに対応する、より大きいがより安定的なアノード粒子間距離を与えるものである。アノードは、電解質を配合し、ゲル化剤を含む被覆された金属アノードを調製し、次に、電解質と被覆された金属アノードとを混合してアノードゲルを形成することによって調製され得る。本開示のゲル化剤は、例えば、高い架橋度を有するポリアクリル酸ゲル化剤等の、負に帯電した酸基を有する高度に架橋された高分子化合物を含み得る。）。とりわけ、Ｌｕｂｒｉｚｏｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｗｉｃｋｌｉｆｆｅ、Ｏｈｉｏ）製のＣａｒｂｏｐｏｌ（商標）（Ｃａｒｂｏｐｏｌ  ９４０、Ｃａｒｂｏｐｏｌ  ９３４、Ｃａｒｂｏｐｏｌ  ６７４）、およびＳＮＦ  Ｈｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｒｉｃｅｂｏｒｏ、ＧＡ）製のＦｌｏｇｅｌ（商標）（例えば、Ｆｌｏｇｅｌ（商標）７００または８００）という名称で市販の高度に架橋されたポリアクリル酸ゲル化剤が、本開示による使用に適切である。
【００４１】
適切なゲル化剤は、架橋度、粘度および／または密度等の様々な特性に基づいて選択され得る。アノードゲル中のゲル化剤の濃度は、所与の用途に最適化され得る。例えば、ゲル化剤の濃度は、アノードゲルの総重量に基づいて、少なくとも約０．３０重量％であり、少なくとも約０．４０重量％、少なくとも約０．５０重量％、少なくとも約０．６０重量％、少なくとも約０．６２５重量％、少なくとも約０．６５重量％、少なくとも約０．６７５重量％、少なくとも約０．７重量％以上を含む。例えば、様々な実施形態において、ゲル状アノード中のゲル化剤の濃度は、アノードゲルの約０．４０重量％〜約０．７５重量％、約０．５０重量％〜０．７５重量％、約０．６重量％〜約０．７重量％、または約０．６２５重量％〜約０．６７５重量％であり得る。
【００４２】
アノードゲルは、アノード活性材料、ゲル化剤および電解質に加えて、他の構成要素または添加剤を含んでもよい。かかる添加剤としては、例えば、吸収剤、腐食防止剤またはガス発生防止剤等が挙げられる。適切な吸収剤材料は、当分野で一般的に既知のものから選択され得る。代表的な吸収剤材料としては、Ｃｉｂａ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ（Ｃａｒｏｌ  Ｓｔｒｅａｍ、ＩＬ）から市販されている、商品名Ｓａｌｓｏｒｂ（商標）もしくはＡｌｃａｓｏｒｂ（商標）（例えば、Ａｌｃａｓｏｒｂ（商標）ＣＬ１５）で販売されているもの、または代替的にＳａｎｙｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ（Ｊａｐａｎ）から市販されている、商品名Ｓｕｎｆｒｅｓｈ（商標）（例えば、Ｓｕｎｆｒｅｓｈ  ＤＫ２００ＶＢ）で販売されているものを含む。適切なガス発生抑制剤としては、有機リン酸エステル、例えば、Ｒｈｏｄｉａ（Ｂｏｓｔｏｎ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）から市販されているＲＨＯＤＡＦＡＣ（登録商標）ＲＭ−５１０およびＲＨＯＤＡＦＡＣ（登録商標）ＲＳ−６１０が挙げられる。
【００４３】
驚くべきことに、本開示によって、高微粒子アノード活性材料粒子が、充填を改善し、粒子間接触を高め、かつ高排水性能に必要な活性アノード反応部位を増加させることが見出された。
【００４４】
したがって、本開示のいくつかの実施形態において、アノード活性材料は、約３．００ｇ／ｃｃ未満の見かけ密度を有する。他の実施形態において、アノード活性材料は、約２．５５ｇ／ｃｃ〜約２．９９ｇ／ｃｃ、いくつかの実施形態において約２．６０ｇ／ｃｃ〜約２．９５ｇ／ｃｃ、いくつかの実施形態において約２．６２ｇ／ｃｃ〜約２．９５ｇ／ｃｃ、いくつかの実施形態において約２．６５ｇ／ｃｃ〜約２．９０ｇ／ｃｃ、およびいくつかの実施形態において約２．７０ｇ／ｃｃ〜約２．８５ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する。さらに他の実施形態において、アノード活性材料は、約２．７１ｇ／ｃｃ、いくつかの実施形態において約２．８３ｇ／ｃｃ、およびいくつかの実施形態において約２．９４ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する。さらに他の実施形態において、アノード活性材料は、約２．７０ｇ／ｃｃの平均見かけ密度、他の実施形態において約２．８０ｇ／ｃｃの平均見かけ密度、さらに他の実施形態において約２．９５ｇ／ｃｃの平均見かけ密度を有する。
【００４５】
本技術は、約１５０ｃｐｓより大きい降伏応力を有するアノードゲルを提供する。これは、約１５０〜約９５０、およびこれらの値のうちの任意の２つの間の範囲、またはこれらの値のうちの任意の１つ未満の降伏応力を含む。いくつかの実施形態において、アノードゲルは、約２５０Ｎ／ｍ2〜約８５０ｃｐｓの降伏応力値を有する。
【００４６】
開示された実施形態のアノードゲルは、電池等の従来の電気化学セル内の構成要素として含まれ得る。これらは、例えば、アルカリ円筒形セル、例えば、亜鉛−金属酸化物セル、および金属−空気セル、例えば、亜鉛−空気セル等におけるガルヴァーニセルを含む。円筒金属酸化金属セルおよび金属空気セルの中で、アノード材料は、これらの形状をＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、またはＤセル用に適用可能である。本明細書に説明されたアノードを含む金属空気セルは、補聴器電池、ならびに腕時計、時計、タイマー、電卓、レーザーポインター、玩具、および他の小物の中に入るような種々の用途のためのボタンセルとして有効に構築され得る。また、アノードは、平坦、屈曲、または円筒電極を使用する任意の金属空気セルにおける用途を見出し得る。電気化学セルの他の形式における構成要素としてのアノード材料の使用がまた、企図される。
【００４７】
したがって、一態様において、提供されるものは、カソードと、アノード活性材料を含むアノードと、カソードとアノードとの間に配設された非導電性セパレータとを含むアルカリ電気化学セルである。電気化学セルのいくつかの実施形態において、アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料は、約７５μｍ未満の粒径を有する。電気化学セルのいくつかの実施形態において、セパレータは、開口端と、側壁と、開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する一体型円筒構成を含む。
【００４８】
アルカリ電気化学セルの代表的な実施形態が、図２に例示されるが、他の設計は、そのように限定されるべきではない。最初に図２を参照すると、電気化学セルは、細長い環状カソード（つまり、正極）によって囲まれた中央に配設されたアノード（つまり、負極）を備える。アノードおよびカソードは、開口上端を有する金属容器（正の集電体として機能する）内で近接するが、互いに関して物理的に離間して配設される。筒状セパレータ（アノード容器とも呼ばれる）は、アノード材料を保持し、かつ金属容器内でアノードとカソードとを物理的に分離するカップとして形成される。
【００４９】
アノードへの電気的接続は、一般に負の集電体と呼ばれる、細長い金属ロッドまたはワイヤをアノードに挿入することによって達成される。集電体の上端は、導電性の負の端子板への物理的および電気的接続のためにガスケットの上に突き出しているが、ガスケットの下の集電体の初期長さは、アノード材料に挿入される。ガスケットは、アノード材料がガスケットを通って出ることを抑制するために、集電体が延在するガスケットハブで集電体を封止する。
【００５０】
従来の電気化学セルにおいて、セパレータは、特にセルが閉じられる前に、金属容器の底部から、アノードとカソードとの間からわずかに外方に延在している端子端まで延在する。セルを閉じる際、ガスケットは、セパレータの端子端に対して接触して押し下げ、電解質または粒子材料（例えば、電極材料）が漏れること、またはセパレータの端子端を越えてアノードおよびカソード区画間に運ばれることを抑制するために、セパレータの端子端のうちの一側部が、概して、ガスケットに対して面して当接するように、しばしば、セパレータの端子端を、概して折り畳ませるか、または曲げる。さらに、厚いセパレータは、セル内の空間を占有し、したがって、セル内に組み込まれ得る活性材料の量を妥協させる。十分な電解質がセル内で利用可能である限り、活性材料の量およびそれらの放電効率は、セルの寿命を決定する。本明細書に説明されるＩＢＣセパレータは、例えば、セパレータ壁厚を減少させることによって、セパレータによって占有される容積を低減し、かつボトムディスクの使用を排除することによってコストを低減する。
【００５１】
電気化学セルは、結果物であるセルが、本明細書に提示された開示と矛盾しない限り、当分野において既知の任意の手段によって調製され得る。したがって、本開示は、本開示の全体を通して論じられた成分およびそのそれぞれの濃度を含む電気化学セルを調製する方法を含む。
【００５２】
電気化学セル用のアノードは、上記に説明された通りである。電気化学セルのカソードは、アルカリ電気化学セルにおける使用に対し当分野で一般に認知された任意のカソード活性材料を含み得る。カソード活性材料は、非結晶もしくは結晶、または非結晶および結晶の混合物でもよい。例えば、カソード活性材料は、銅の酸化物、電解質として化成もしくは天然形式のマンガンの酸化物（例えば、ＥＭＤ、ＣＭＤ、ＮＭＤ、または任意の２つ以上のこれらの混合物）、銀の酸化物、および／またはニッケルの酸化物もしくは水酸化物、ならびにこれらの酸化物もしくは水酸化物の２つ以上の混合物を含み得る。正極材料の適切な例としては、限定されるものではないが、ＭｎＯ2（ＥＭＤ、ＣＭＤ、ＮＭＤ、およびそれらの混合物）、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨ、Ｃｕ（ＯＨ）2、酸化コバルト、ＰｂＯ2、ＡｇＯ、Ａｇ2Ｏ、Ａｇ2Ｃｕ2Ｏ3、ＣｕＡｇＯ2、ＣｕＭｎＯ2、ＣｕＭｎ2Ｏ4、Ｃｕ2ＭｎＯ4、Ｃｕ3-xＭｎxＯ3、Ｃｕ1-xＭｎxＯ2、Ｃｕ2-xＭｎxＯ2（ｘ＜２）、Ｃｕ3-xＭｎxＯ4（ｘ＜３）、Ｃｕ2Ａｇ2Ｏ4、またはこれらの任意の２つ以上の組み合わせが挙げられる。
【００５３】
電気化学セルは、カソードと亜鉛アノードとの間に、２つの電極間の短絡防止用に設計される、セパレータを含み得る。一般に、アルカリ電気化学セルにおける、ならびに上述のカソードおよび／またはアノード材料との使用に適切な任意のセパレータ材料および／またはセパレータ構成が、本開示によって使用され得る。一実施形態において、電気化学セルは、本明細書に記載された形式のゲル状アノードとカソードとの間に配設される、一体型ボトムカップセパレータシステムを含む。
【００５４】
一態様において、提供されるものは、電気化学セル用のセパレータであり、セパレータは、円筒形に形成され、かつ開口端と、開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する非導電性の多孔質材料を含む。
【００５５】
上記に説明されたように、従来のセパレータにおいて、セパレータの一端は、アノードゲルを保持し、それを金属電池容器およびカソードから絶縁するセルキャビティの底部まで延在するカップ形状セパレータを形成するように折り畳まれたボトムディスクを有する。この構成は、概して、複数のラップ、例えば、２つのラップ（２×２）を有する２つのクーポンを必要とする。本開示のセパレータは、電気化学セル、特にＬＲ２０等の大型セルに使用されるとき、ボトムディスクの使用を排除することによるコスト低減、信頼性を改善するためのセパレータ内のアノードゲルの格納、および複数のラップ（例えば、２×２）を有する複数のクーポンから１つ以上のラップ（例えば、１×２）を有する単一クーポンへの紙の容積の低減、これによる内部アノード容積の増加等の利益を提供する、一体型ボトムカップ（ＩＢＣ）を有するように設計される。アノードおよびセパレータの設計改良は、低減されたコストおよび信頼性等についての改善された特性を結果としてもたらすように見出された。
【００５６】
図１を参照すると、ＬＲ２０セル用のＩＢＣセパレータの代表的な実施形態において、セパレータ１０は、開口端２０、側壁３０、および開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端４０を有する、一体型円筒本体を含む。セパレータは、紙等のセパレータ材料の単一クーポンを主軸の周りに１回または２回巻き付けることによって調製され、平坦な閉端を形成するために一端で内側に形成され折り畳まれた複数のひだを有する。閉端は、霧状化水、熱、および／または圧力を利用することによる等の適切な封止方法を使用して互いに恒久的に結合される。一般的に、セパレータ１０は、接着剤または他の粘着剤を使用せずに、セル組み立て中に電気化学セル内に形成され組み立てられる。しかしながら、必要であれば、粘着剤および／またはシーラントがセパレータに塗布されてもよい。
【００５７】
セパレータは、限定されるものではないが、ポリマー材料、Ｔｅｎｃｅｌ(登録商標)（ｌｙｏｃｅｌｌ）、マーセル化木材パルプ、ポリプロピレン、ポリエチレン、セロハン、セルロース、メチルセルロース、レーヨン、ナイロンおよびそれらの組み合わせを含む、任意の適切な耐アルカリ性の非導電性の合成または天然の織布または不織布の多孔質材料から製造され得る。いくつかの実施形態において、セパレータは、１つ以上のポリマー繊維からなる紙を含む多孔質材料からなる。いくつかの実施形態において、セパレータは、１つ以上のポリマー繊維を含む多孔質材料、ポリマー繊維は、有効量の界面活性剤がその中に埋め込まれている。ポリマー繊維に適切なポリマー材料としては、限定されるものではないが、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタン、ならびにレーヨン、ナイロン等のそれらのブレンド、混合物およびコポリマー、かつそれらの組み合わせが挙げられる。
【００５８】
いくつかの実施形態において、多孔質材料は、紙を含む。いくつかの実施形態において、多孔質材料は、ポリビニルアルコール繊維、レーヨン繊維、セルロース、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含む紙を含み、界面活性剤を有し得る。
【００５９】
界面活性剤は、限定されるものではないが、イオン性界面活性剤および非イオン性界面活性剤を含み得る。界面活性剤の量は、ポリマー材料に対して約０．２重量％〜約１．０重量％で変化し得る。
【００６０】
いくつかの実施形態において、ＩＢＣセパレータは、２回巻かれた単層の非導電性多孔質材料シートを含むように設計され得る。ＩＢＣセパレータは、乾燥状態で測定されたとき（乾燥厚さ）、約０．３ｍｍ未満の厚さを有す得、これは、約０．２９ｍｍ未満、約０．２８ｍｍ未満、約０．２７ｍｍ未満、約０．２６ｍｍ未満、または約０．２５ｍｍ未満の乾燥厚さを含む。いくつかの実施形態において、ＩＢＣセパレータは、乾燥状態で約０．１５ｍｍ〜約０．２６ｍｍの厚さを有し、これは、約０．１８ｍｍ〜約０．２５ｍｍ、約０．２０５ｍｍ〜約０．２４５ｍｍ、約０．２１０ｍｍ〜約０．２４０ｍｍ、または０．２１５ｍｍ〜約０．２３５ｍｍ、およびこれらの値のうちの任意の２つの間の範囲、またはこれらの値のうちの任意の１つ未満を含む。いくつかの実施形態において、ＩＢＣセパレータは、ＩＳＯ規格５３４によるマイクロメータ機器を使用して１００ｋＰａおよび２０ｋＰａの圧力で測定されたとき、約０．２０５ｍｍ〜約０．２４５ｍｍの乾燥状態の厚さを有する。
【００６１】
本開示に詳述されるアノードおよびセパレータの設計の実施形態は、亜鉛粒径分布を特定レベルの粉塵、微粒子、粗粒子、および大径粒子に調節することによって、アルカリセル中の亜鉛充填量を６３％以下に低減することを可能にする。大型セルの落下および放電振動不良は、微粒子のレベルを２０重量％超に制御することによって抑制され得る。電池の部分放電後等のガス発生は、亜鉛微粒子の含有量の影響を受ける。微粒子レベルの増加に伴い拡大した表面積からの予測される高いセルガス発生は、粗粒子のレベルを制御することによって抑制される。比較的高い微粒子含有量を有するアルカリセル中のガス抑制をもたらすメカニズムは、粗い亜鉛粒子の含有量を制御することによって電池内の金属不純物の悪影響を最小にすることに基づく。
【００６２】
比較的低い亜鉛充填量での信頼性不良は、低電流量、電圧降下、および放電振動中の不良をもたらす亜鉛粒子間の不十分な粒子間接触に起因すると考えられる。本明細書に開示されるように、粒子間接触は、アノード電池電極中の亜鉛微粒子の含有量を増加させることによって改善され得る。増加した微粒子レベルを有する亜鉛アノード粉末は、全体として電池セパレータ内に一体化されたボトムカップを有する設計のセパレータ内に含有され得る。６５％未満等の低亜鉛充填量でＬＲ２０セル等の電池セル内での従来の亜鉛粉末材料を有するＩＢＣセパレータの使用は、乱用試験中に電池不良を結果としてもたらす。しかしながら、ＬＲ２０セルにおいてＩＢＣセパレータと併せてＨＦ亜鉛タイプの粉末を使用することによって、以下の実施例に説明されるように、電池コストが低減され、その信頼性の問題が排除された。
【００６３】
本明細書のいずれかの箇所でさらに詳述されるように、本開示の電気化学セルは、米国国家規格協会（ＡＮＳＩ）の下でいくつかの方法に従って測定または試験され得る、改善された性能特性を呈することが観察された。本開示のセルの様々な試験の結果は、以下の実施例に詳述されている。
【００６４】
以下の実施例は、本開示の様々な実施形態を説明する。添付の特許請求の範囲の範囲内の他の実施形態は、本明細書、または本明細書に提供される開示の実施を考慮して当業者にとって明らかであろう。それゆえに、本明細書は、実施例と共に、単に例示として考慮されることを意図され、開示の範囲および概念は、実施例に続く特許請求の範囲によって示されている。
【実施例】
【００６５】
以下に提示される実施例において、本開示の電気化学セルが、ＤＳＣ性能、落下試験電流量（落下前後の両方）、部分放電ガス発生、および保管後の状態に対して試験された。
【００６６】
実施例１−ＨＦ亜鉛を含有するアノードおよびＩＢＣセパレータを有する電気化学セルの性能
以下に提示される実施例において、電気化学セルが、ＤＳＣ性能、部分放電セルのガス発生、非放電セルのガス発生、および保管後の状態に対して試験された。ゲル状アノードは、本開示の改善に従って調製された。
【００６７】
ゲル粘度は、Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄデジタル粘度計およびテフロン被覆スピンドル＃０６を使用して４ｒｐｍで測定される。測定時、粘度値を記録する前に読み取りに５分以上安定化することを許容する。
【００６８】
降伏応力値測定のために、ゲル粘度値を１．０ｒｐｍ（Ｒ１）および０．５ｒｐｍ（Ｒ２）のそれぞれにおいて測定し、降伏応力値を次式、降伏応力値＝（Ｒ２−Ｒ１）／１００を使用して計算した。
【００６９】
図３は、１２％の亜鉛微粒子（＜７５μｍ）、４５％の粗粒子（＞１５０μｍ）を含有する３．０ｇ／ｃｃ見かけ密度の標準ビスマス−インジウム亜鉛合金粉末（ＳＴＤ）によって、６３％の亜鉛充填量で製造されたＬＲ２０電池セルの放電振動を示す。ＬＲ２０セルのアノードゲルは、３２％のゲルＫＯＨ濃度を有し、亜鉛粉末は、主合金元素としてビスマスおよびインジウムを、それぞれ約１５０ｐｐｍおよび１５０ｐｐｍの濃度で有した。放電振動試験は、各電池に１．５オームの連続放電抵抗負荷を印加して行われ、その間、電池は、毎分１Ｈｚのレートで最大４０Ｈｚまで増加される１０Ｈｚの周波数で０．７５ｍｍの振幅を有する単振動を印加する振動テーブル内の定位置に保持される。放電サイクルは、３０分にわたって完了される。図４は、本明細書でＨＦタイプ亜鉛粉末と呼ばれる、ビスマス−インジウム亜鉛合金粉末が２．８０ｇ／ｃｃの見かけ密度を有し、４０％の微粒子および１１％の粗粒子を含有することを除いて、６３％の亜鉛充填量を有する図３に説明されるセルと同様の放電振動データを表示する。図４は、３０分の放電後に１Ｖ未満のセル電圧（ＯＣＶ）の降下によって定義される、放電振動不良が、ＨＦ亜鉛が使用されたときに除去されることを示す。
【００７０】
図５は、亜鉛充填量が６４％であることを除いて、図３に説明される標準ビスマス−インジウム亜鉛合金粉末（ＳＴＤ）を含有するＬＲ２０電池セルの放電振動を示す。図６は、アノード亜鉛が６４％の充填量のＨＦ亜鉛であることを除いて、図５に説明されるＬＲ２０電池セルの放電振動を示す。ＳＴＤ亜鉛による不良は、６４％で持続するように見えるが、それは、この亜鉛充填量のＨＦ亜鉛によって除去されている。
【００７１】
粒径分布に基づく亜鉛のタイプに加えて、放電振動によるセル不良に影響を与える他の因子は、図７に示されるように、亜鉛充填量およびアノードゲル充填である。この図は、亜鉛充填量、アノードゲル充填、および亜鉛粉末のタイプによる影響を受けた場合の放電振動中の不良までの平均時間を示す。試験された因子の各々についてのそれぞれのｐ値は、０．０５０未満であり、放電不良が、亜鉛充填量の増加、ゲル充填の増加、および特にＨＦタイプの亜鉛の使用によって抑制されることを示す。０．０５未満のｐ値が低いほど、試験した因子の統計的有意性が高い。ＨＦタイプの粉末を使用することの別の有益な効果は、落下試験不良の抑制である。落下試験は、平坦な表面の各電池を１０２ｃｍの高さからビニルで覆われた床の上に連続して５回転がす前に、短絡電流（Ｆｌａｓｈ  Ａｍｐ）および開回路電圧（ＯＣＶ）を記録することからなる。電池を１時間放置した後、最終的なＦｌａｓｈ  ＡｍｐおよびＯＣＶの値が記録される。ＬＲ２０セルについて、落下試験に合格するために、初期電流量の最小％は、５０％である。
【００７２】
図８は、ＩＢＣセパレータを用いて製造されたＬＲ２０セルの落下試験データを示し、従来のＳＴＤ亜鉛セルを使用して製造されたセルの場合とは異なり、ＨＦ亜鉛を有するセルが、試験を合格することを示す。２％および５．７％のアノード充填ゲルを含む６３％および６４％のＨＦまたはＳＴＤ亜鉛を有する、参照されたＬＲ２０セルの部分放電後のガス発生が、図９に示される。ＨＦ亜鉛の使用によるガス発生への悪影響は、見られない。また、性能は、図１０に示されるように、ＨＦ亜鉛の使用によって悪影響を受けない。
【００７３】
本発明は、以下の実施形態によってさらに定義される。
【００７４】
実施形態Ａ．アルカリ電気化学セルであって、カソードと、アノード活性材料を含むアノードと、カソードとアノードとの間に配設された非導電性セパレータとを備え、アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料が、約７５μｍ未満の粒径を有し、セパレータが、開口端と、側壁と、開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する一体型円筒構成を備える、アルカリ電気化学セル。
【００７５】
実施形態Ｂ．アノード活性材料は、約２．６２ｇ／ｃｃ〜約２．９２ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する、実施形態Ａのアルカリ電気化学セル。
【００７６】
実施形態Ｃ．アノード活性材料の総量に対して約２０重量％未満のアノード活性材料は、約１５０μｍよりも大きい粒径を有する、実施形態Ａ〜Ｂのいずれか１つのアルカリ電気化学セル。
【００７７】
実施形態Ｄ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含む、実施形態Ａ〜Ｃのいずれか１つのアルカリ電気化学セル。
【００７８】
実施形態Ｅ．アノード活性材料は、亜鉛、インジウム、およびビスマスを含む亜鉛合金を含む、実施形態Ａ〜Ｄのいずれか１つのアルカリ電気化学セル。
【００７９】
実施形態Ｆ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、亜鉛合金は、約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのビスマスと、約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのインジウムと、を含む、実施形態Ａ〜Ｅのいずれか１つのアルカリ電気化学セル。
【００８０】
実施形態Ｇ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、亜鉛合金は、アノードの総重量に対して約６２重量％〜約７０重量％でアノード中に存在している、実施形態Ａ〜Ｆのいずれか１つのアルカリ電気化学セル。
【００８１】
実施形態Ｈ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、亜鉛合金は、アノードの総重量に対して約６３重量％でアノード中に存在している、実施形態Ｆ〜Ｇのいずれか１つのアルカリ電気化学セル。
【００８２】
実施形態Ｉ．アルカリ電気化学セル用のアノードゲルであって、アノード活性材料であって、アノード活性材料の総重量に対して約２０重量％〜約５０重量％が、約７５μｍ未満の粒径を有する、アノード活性材料と、電解質と、ゲル化剤と、を備える、アノードゲル。
【００８３】
実施形態Ｊ．アノード活性材料の総量に対して約２０重量％未満のアノード活性材料は、約１５０マイクロメートルよりも大きい粒径を有するアノードゲル中に存在している、実施形態Ｉのアノードゲル。
【００８４】
実施形態Ｋ．アノード活性材料は、約２．６２ｇ／ｃｃ〜約２．９２ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する、実施形態Ｉ〜Ｊのいずれか１つのアノードゲル。
【００８５】
実施形態Ｌ．電解質は、水酸化カリウムの水溶液を含む、実施形態Ｉ〜Ｋのいずれか１つのアノードゲル。
【００８６】
実施形態Ｍ．電解質は、約３２％以下の水酸化物濃度を有する、実施形態Ｉ〜Ｌのいずれか１つのアノードゲル。
【００８７】
実施形態Ｎ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含む、実施形態Ｉ〜Ｍのいずれか１つのアノードゲル。
【００８８】
実施形態Ｏ．アノード活性材料は、亜鉛、インジウム、およびビスマスを含む亜鉛合金を含む、実施形態Ｉ〜Ｎのいずれか１つのアノードゲル。
【００８９】
実施形態Ｐ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、亜鉛合金は、約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのビスマスと、約１３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍのインジウムと、を含む、実施形態Ｉ〜Ｏのいずれか１つのアノードゲル。
【００９０】
実施形態Ｑ．アノード活性材料の総量に対して約２０重量％〜約５０重量％のアノード活性材料が、約７５ミクロン未満の粒径を有し、総亜鉛合金の約８重量％〜約２０重量％が、約１５０マイクロメートルよりも大きい粒径を有する、実施形態Ｉ〜Ｐのいずれか１つのアノードゲル。
【００９１】
実施形態Ｒ．アノード活性材料は、約２．６２ｇ／ｃｃ〜２．９２ｇ／ｃｃの見かけ密度を有する、実施形態Ｉ〜Ｑのいずれか１つのアノードゲル。
【００９２】
実施形態Ｓ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、亜鉛合金は、アノードの総重量に対して約６２重量％〜約７０重量％でアノード中に存在している、実施形態Ｉ〜Ｒのいずれか１つのアノードゲル。
【００９３】
実施形態Ｔ．アノード活性材料は、亜鉛合金を含み、亜鉛合金は、アノードの総重量に対して約６３重量％でアノード中に存在している、実施形態Ｉ〜Ｓのいずれか１つのアノードゲル。
【００９４】
実施形態Ｕ．電気化学セルにおける使用のためのセパレータであって、円筒形に形成され、かつ開口端と、開口端に対して遠位に配設された、一体的に形成された閉端とを有する非導電性の多孔質材料を含み、セパレータが、２回巻かれ、かつ約０．２０５ｍｍ〜約０．２４５ｍｍの乾燥厚さを有する単層を有する、セパレータ。
【００９５】
実施形態Ｖ．多孔質材料は、ポリビニルアルコール繊維、レーヨン繊維、またはセルロースからなる紙であり、界面活性剤を含む、実施形態Ｕのセパレータ。
【００９６】
実施形態Ｗ．セパレータは、２回巻かれた紙の単一クーポンを備える、実施形態Ｕ〜Ｖのいずれか１つのセパレータ。
【００９７】
特定の実施形態を図示および説明してきたが、添付の特許請求の範囲に定義されているそのより広範な態様における技術から逸脱することなく、当該技術分野における通常の技術に従って変更および修正を加えることができることを理解されたい。
【００９８】
本明細書で実例として説明される実施形態は、本明細書に具体的には開示されていない、いかなる要素または複数の要素、制限または複数の制限の不在下でも適切に実施され得る。したがって、例えば、「を含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を含有している（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」などの用語は、広範にかつ制限なしで読まれることになっている。さらに、本明細書で採用される用語および表現は、説明の用語として使用されており、制限の用語として使用されてはおらず、このような用語および表現の使用において、示され、および説明される特徴またはその部分のいかなる等価物も除外することを意図するものではなく、特許請求された技術の範囲内で種々の変更が可能であることが認識される。さらに、「から本質的になる」という句は、具体的に引用される複数の要素、および特許請求される技術の基本的かつ新規の特徴に実質的に影響しない追加の要素を含むよう理解されることになっている。「からなる」という句は、指定されていない、いかなる要素も除外する。
【００９９】
本開示は、本出願に記載された特定の実施形態に関して限定されるものではない。多くの修正および変形は、当業者に明らかになるように、その主旨および範囲から逸脱することなく行うことができる。本開示の範囲内の機能的に等価の方法は、本明細書に列挙されたものに加えて、上述の説明から当業者に明らかとなる。このような修正および変形は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。本開示は、添付の特許請求の範囲、およびそのような特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の全範囲によってのみ限定されるべきである。本開示が、当然に変化し得る特定の方法、試薬、化合物組成、または生物系に限定されないことを理解されたい。本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではないことも理解されたい。
【０１００】
さらに、本開示の特徴または態様がマーカッシュ（Ｍａｒｋｕｓｈ）グループに関して記載されている場合、当業者は、本開示がまた、マーカッシュ（Ｍａｒｋｕｓｈ）グループのメンバーの任意の個々のメンバーまたはサブグループの観点から記載されることを認識するであろう。
【０１０１】
当業者には理解されるように、任意のおよび全ての目的のために、特に書面による説明を提供する観点から、本明細書に開示される全ての範囲は、その可能な部分範囲および部分範囲の組み合わせをも包含する。いかなる列挙された範囲も、少なくとも等しい半分、１／３、１／４、１／５、１／１０などへと分解される同じ範囲を十分に説明および可能にするものとして容易に認識することができる。非限定例として、本明細書で考察される各範囲は、下位の１／３、中間の１／３、および上位の１／３などへと容易に分解されることができる。また、当業者によって理解されることになっているように、「最高」、「少なくとも」、「より大きな」、「より小さな」、およびこれらに類するものなどの言葉はすべて、列挙された数を含み、先に考察した下位範囲へと後に分解することができる範囲を指す。最後に、当業者には理解されるように、範囲は各々の個々の部材を含む。
【０１０２】
全ての刊行物、特許出願、発行された特許、および本明細書で参照される他の文書は、各々の個々の刊行物、特許出願、発行された特許、または他の文書が、その全体が参照により本明細書に組み込まれるように具体的かつ個別的に示されるように参照によって本明細書に組み込まれる。参照により組み込まれる本文に含まれる定義は、本開示における定義と矛盾する範囲で除外される。
【０１０３】
他の実施形態は、後続の特許請求の範囲に記載されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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