(57)【要約】アノードは、拡張された亜鉛メッシュの一つ以上のシートを含む。拡張された亜鉛メッシュの厚さ及びメッシュサイズは多岐にわたる。亜鉛メッシュの一枚のシートを巻き付けて、そのものと連続的な電気的接触を形成する。あるいは、亜鉛メッシュの一枚のシートを、それぞれの層がその隣接層と電気的に接触している層に折り畳むことができる。第三の例では亜鉛メッシュアノードの二つ以上のシートを、ケーシング、カソード、電解液と、カソードとアノードとの間のセパレータとを組み合わせて使用して、電気化学セルを製造する。
2005520303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と底面とをもつ拡張された亜鉛メッシュのシートを含むアノードであって、前記シートは、その上面と底面とが電気的に接触しているように巻き付けられている、前記アノード。
【請求項２】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.003インチ〜約0.010インチのストランド幅をもつ、請求項１に記載のアノード。
【請求項３】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.003インチ〜約0.010インチのゲージをもつ、請求項１に記載のアノード。
【請求項４】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.05インチ〜約0.15インチのLWDと、約0.025インチ〜約0.075インチのSWDをもつ、請求項１に記載のアノード。
【請求項５】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.006インチのストランド幅、約0.006インチのゲージ、0.10インチのLWDと、0.050インチのSWDをもつ、請求項１に記載のアノード。
【請求項６】
上面と底面とをもつ拡張された亜鉛メッシュのシートを含むアノードであって、前記シートが、少なくとも一つの表面がそのものと電気的に接触しているように一回以上その上で折りたたまれている、前記アノード。
【請求項７】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.003インチ〜約0.010インチのストランド幅をもつ、請求項６に記載のアノード。
【請求項８】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.003インチ〜約0.010インチのゲージをもつ、請求項６に記載のアノード。
【請求項９】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.05インチ〜約0.15インチのLWDをもち、約0.025〜約0.075インチのSWDをもつ、請求項６に記載のアノード。
【請求項１０】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.006インチのストランド幅、約0.006インチのゲージ、0.10インチのLWDと、0.050インチのSWDをもつ、請求項６に記載のアノード。
【請求項１１】
それぞれが上面と底面とをもつ拡張された亜鉛メッシュの第一のシートと、拡張された亜鉛メッシュの第二のシートとを含むアノードであって、第一のシートの上面が第二のシートの底面と電気的に接触しているように前記第二のシートが第一のシート上に層状となっている、前記アノード。
【請求項１２】
第二のシートの上面が第三のシートの底面と電気的に接触しているように、拡張された亜鉛メッシュの第三のシートが第二のシート上に層状となっている、請求項１１に記載のアノード。
【請求項１３】
それぞれのシートがその下のシートと電気的に接触しているように、拡張された亜鉛メッシュの複数のシートが第二のシート上に層状となっている、請求項１1に記載のアノード。
【請求項１４】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.003インチ〜約0.010インチのストランド幅をもつ、請求項１１に記載のアノード。
【請求項１５】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.003インチ〜約0.010インチのゲージをもつ、請求項１１に記載のアノード。
【請求項１６】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.05インチ〜約0.15インチのLWDをもち、約0.025〜約0.075インチのSWDをもつ、請求項１１に記載のアノード。
【請求項１７】
拡張された亜鉛メッシュのシートが、約0.006インチのストランド幅、約0.006インチのゲージ、0.10インチのLWDと、0.050インチのSWDをもつ、請求項１１に記載のアノード。
【請求項１８】
封入された電池チャンバを形成している円筒状ケーシング；
前記電池チャンバ内の請求項１に記載のアノード；
前記電池チャンバ内で、且つ前記アノードとケーシングとの間に配置されたカソード；
前記電池チャンバ内で、且つ前記アノードとカソードとの間の絶縁セパレータ手段；及び
前記絶縁セパレータを通して拡散可能な前記電池チャンバ内の電解液を含む電気化学セル。
【請求項１９】
封入された電池チャンバを形成しているケーシング；
前記電池チャンバをアノード側とカソード側とに分割する絶縁セパレータ手段；
前記電池チャンバのアノード側内の請求項６に記載のアノード；
前記電池チャンバのカソード側内のカソード；及び
前記絶縁セパレータを通して拡散可能な前記電池チャンバ内の電解液を含む電気化学セル。
【請求項２０】
封入された電池チャンバを形成するボタン型ケーシング；
前記電池チャンバをアノード側とカソード側とに分割する絶縁セパレータ手段；
前記電池チャンバのアノード側内の請求項１１に記載のアノード；
前記電池チャンバのカソード側内のカソード；及び
前記絶縁セパレータを通して拡散可能な前記電池チャンバ内の電解液を含む電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学パワーセルの分野、特にそのようなセルの中の亜鉛アノードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポータブルエレクトロニクス及び電力パワーツールを使用する今日の世界では、電池は、我々の日常生活にとって今まで以上により重要になっている。ポータブル機器の消費者用のエレクトロニクス市場の成長と共に、安価で、長持ちする、強力な電池に対する要求が大きく高まってきている。電池製造業者は、長期にわたってより強力で、且つその製品から効率的にもっと電力を引き出す新規な方法を探し続けている。より強力で且つ長持ちする電池に関する努力に加えて、製造業者らは、環境的に調和する必要性と、その製品から水銀（Hg）などの有害な添加剤の使用を排除または最小化する必要性について懸念している。
【０００３】
今日市販されている電池の多くはアルカリ電池である。典型的なアルカリ電池は、カソード、アノード、アルカリ電解質及び容器を含む。一般に、カソードは、二酸化マンガン（MnO2）から構成され、アノードは通常、亜鉛または亜鉛と他の化合物との混合物から製造される。電解質は通常、主に水酸化カリウム（KOH）からなるが、他の添加剤を含むことが多い。これらの成分は、通常、容器に封入されている。現在、数種類の容器の形状があるが、最も一般的なもののうちの二つは、公知の「AA」、「C」、及び「D」電池などの種々のサイズの筒状系と、カメラ及び補聴器などのデバイスで使用される小さい平坦なボタン電池である。
【０００４】
通常、多くの電池と同様に、アルカリ電池は酸化-還元（レドックス）反応として公知の化学反応によって電力を生み出す。亜鉛アルカリ電池では、この反応は亜鉛のアノード材料を消費し、これを酸化/水酸化亜鉛に転換させる。このレドックス反応が進行するにつれて、酸化/水酸化亜鉛は、亜鉛アノード粒子の間及びその周囲の電解質ドメイン内に付着し集積する。集積するにつれて、酸化/水酸化亜鉛は、電解液と亜鉛アノードとの間にバリヤを形成することによって、反応部位の経路を封鎖する。これらの付着物の集積によって、特に高速ドレンでは、電池の電気容量が顕著に低下する。
【０００５】
不動態化として公知の亜鉛の反応性の低下は、亜鉛アノードの表面に酸化亜鉛がこのように蓄積することによって生じる。亜鉛アノードの表面積が小さい時には、問題は大きい。小さな表面積で高い放電速度であると、表面の電流密度は高い。このため、電流密度が小さくなるまでアノードは高度に分極化し、亜鉛の不動態化を導く。分極化及び不動態化の問題は、低温における電解質での酸化亜鉛の溶解度が低下するため、低温では特に重要である。酸化亜鉛の溶解性が低いと、酸化亜鉛が早く集積して、反応部位の経路を早く閉鎖させてしまう。しかしながら、この問題は、亜鉛の表面積を大きくすることによって軽減することができる。亜鉛の表面積が増加すると、表面の電流密度が低下し、不動態化の開始を遅らせるのに役立つ。かくして、他の全ての因子も等しく、亜鉛アノードの表面積が大きくなると、アルカリ電池の性能全体もよくなる。
【０００６】
不動態化問題は、高速ドレン条件下では特に重要である。たとえば、水酸化カリウムの電解質を使用する電池においては、高速ドレンが電解質濃度に作用して、アノードキャビティでは低い水酸化カリウム濃度と、カソードの孔の中及びその付近では非常に高い濃度を極端に作り出す。酸化亜鉛の溶解性は、カソードの孔内及びカソード/セパレータ/アノードキャビティ界面内で増加すると同時に、酸化亜鉛の溶解性は、アノードキャビティの電気化学的に支配的な活性領域で大きく低下する。平衡を保持しようとして、電解質種の相互拡散が生じるにつれて、高濃度の水酸化カリウムおよび高い酸化亜鉛可溶性の電解質は、水酸化カリウムおよび酸化亜鉛含有量の低い電解質ドメインへ拡散する。その結果、セパレータの近くであるがアノード孔内に酸化亜鉛が集中して沈殿する。酸化亜鉛圧縮ゾーンは、結局は高速ドレンを支持するのに必要な速度で電解質が拡散するのを阻害する。
【０００７】
現在、当業界では、最大表面積を得、且つ不動態化の開始を遅らせるために亜鉛粉末を使用している。この亜鉛粉末によって、非常に大きな表面積がもたらされる。しかしながら、亜鉛粉末の使用には数々の欠点がある。第一に、もし亜鉛粉末を単独で使用すると、これは移動し易く衝撃に敏感であるので、粒子と粒子とが接触して断続的に破壊してしまう傾向がある。粉末化亜鉛のアノードには、粒子と粒子の密接な接触並びに、密接なカレントコレクタ接触が必要である。粒子の不都合な動きを防ぐためには、通常、電池の電解液に懸濁化剤またはゲル化剤を添加する。この懸濁化剤は亜鉛粉末の流動性を阻止し、セル容器の中で粒子がくまなく接触し続け易くする。懸濁化剤はイオン輸送も妨害するので、もし懸濁化剤が必要とされないならば、より効率的であろう。必要な懸濁化剤またはゲル化剤の量を低下させることによって、電池のデザインは単純になり、コストも削減される。亜鉛粉末を使用するもう一つの問題は、その相対的なコストである。世界では電池等級の亜鉛粉末が不足しており、これが亜鉛粉末の相対コストを押し上げている。かくして、亜鉛メッシュ、亜鉛ストリップまたは他の固体亜鉛製品などの非-粉末化亜鉛と比較して、亜鉛粉末はより高価である。
【０００８】
アルカリ電池でアノードとして亜鉛粉末を使用するさらにもう一つの問題は、高コスト及び無駄による性能の低下である。亜鉛粉末アノードを有するアルカリ電池を高い放電速度で完全に放電させて「分解して解析」すると、亜鉛粉末のたったの約50%しか消費されていないことが観察される。亜鉛粉末の残余の反応は、酸化/水酸化亜鉛の付着によって粒子間の電気的接触が破壊されることによって阻害されていたのである。これによって、かなりの量の電力の発生には使用されなかった亜鉛粉末が電池に残存する。利用可能な表面が減るため、これによりセルの衰弱が始まるまでの時間が早い。この無駄になった亜鉛は、二つの面でアルカリ電池のコストを押し上げている。一つには、同じ量の電池出力を得るためには、大量の亜鉛粉末が必要だということである。二つには、この過剰量の亜鉛によって無駄に使用された容積は、割り増して電解質を使用するために使用できたかもしれないということである。電解質の量を増加させることによって、製造業者は電池の容量を増加できるようになるだろう。
【０００９】
亜鉛粉末の負電極は、低い放電速度よりも高い放電速度ではずっと効率が低い。現在、効率を改善するために、亜鉛アノードは、水銀でアマルガム化されているものもある。水銀は、粒子間接触を大きく改善し、粒子間接触が低くなり始めるのを阻害する。水銀は環境的に危険であるため、水銀の使用は大変望ましくない。しかしながら、粒子間接触を改善するその能力のため、セルの品質問題に影響を与えることなくセルデザインから水銀を除去するのは困難であった。かくして、水銀の使用を必要とせずに、高い放電速度でより効率的な亜鉛粉末の代替物が求められている。この代替物は、粉末化亜鉛の高い表面積を維持しつつ、粉末化亜鉛に関連する問題を回避しなければならない。
【００１０】
固体亜鉛よりもさらに表面積を広くしつつ、亜鉛粉末を使用するために当業界で検討されたもう一つの代替案は、アノードとして穿孔（perforated）亜鉛を使用することである。この材料は、電池等級の亜鉛粉末が世界的に不足しているにもかかわらず、直ぐに入手可能である。しかしながら、穿孔亜鉛の使用には、それ独特の問題がある。第一に、穿孔亜鉛は、亜鉛の固体シートに孔をパンチングすることによって製造する。これによって二つの問題が生じる。第一に、亜鉛からパンチされた材料が無駄になる。第二に、正確に穿孔するのが難しい。これらの問題は重大であるが、穿孔亜鉛の使用を不都合にしている最大の問題は、穿孔によっても電極の表面を実質的に増加させないということである。幾らか新しい表面積が生み出されるものの、亜鉛の打ち抜かれた材料に伴う表面積の損失もある。かくして、粉末化亜鉛と比較して、穿孔亜鉛は比較的表面積が小さい。
【００１１】
亜鉛粉末のもう一つの代替物は、拡張された亜鉛メッシュ（expanded zinc mesh）の使用である。拡張された亜鉛メッシュは、大きな表面積を提供し、亜鉛粉末よりも現在、より入手可能であり且つ安価であるため、望ましい。しかしながら、亜鉛メッシュを使用する既に開示された方法にはそれ特有の問題があった。たとえば、アノードとして拡張された亜鉛メッシュを使用する方法が、米国特許第4,175,168号に開示されていた。この拡張された亜鉛メッシュは折り畳まれてアノードを形成していた。亜鉛スペーサを使用して、セルの中の亜鉛メッシュアノードの折り畳み層を隔てていた。米国特許第4,226,920号は、もう一つの拡張された亜鉛メッシュアノードを開示する。このアノードは、亜鉛メッシュを巻き上げてコイルを作ることによって形成されていた。ここでもスペーサを使用して、コイルの隣接層の間に実質的に均一な空間を作っている。これらの二つのアノードデザインの電極層の間の空間は、層の間にうまく電解質を流し、且つ好適な電池性能を維持するために必要であった。しかしながら、スペーサは追加の材料を使用しなければならず、追加の製造コストもあるので、アノードの層を隔てるためにスペーサを使用するのは望ましくない。電池性能を維持するためにスペーサの使用を必要としない亜鉛アノードデザインが必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
アルカリ電池は、補聴器、懐中電灯、パワーハンドツール、並びに電子おもちゃ及びゲームに使用されている。多くの新しい電子機器は、高い放電速度で効率的な電池が必要である。従って、より多くの電気容量を送達し、高い放電速度でより効率的で、懸濁液のゲルまたはスペーサを使用する製造経費を回避し、水銀などの環境的に有害な化合物の使用を最小化し、及び電池等級の亜鉛粉末よりもより入手可能で且つ安価な材料を使用する電池に対する需要がある。要するに、従来のアノードの欠点を軽減または排除する拡張された亜鉛メッシュから構成されたアルカリ電池アノードを開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、亜鉛粉末を使用することなく、優れた性能をもつ亜鉛アノードを提供することによって上記問題に対する解決案を示す。より具体的には、本発明は、高い放電速度で電池性能を高め且つ、酸化-還元反応で未反応亜鉛の量を減らすためにアノードデザインの効率を改善するために、拡張された亜鉛メッシュの使用を提供する。本発明は、改善された亜鉛アノードデザインを含む電気化学セルも提供する。
【００１４】
本発明は、三つの基本的なデザインの一つをもつ広い表面積のアノードを構築するために、拡張された亜鉛メッシュの使用によって電池性能を改善する。本発明の「コイル化（coiled）」亜鉛アノードは、コイルに巻かれた亜鉛メッシュの１枚のシートを含む。本発明の「層状（layered）」亜鉛アノードは、それぞれの層が隣接する層と電気的に接触するように、一緒に層状になった亜鉛メッシュの二つ以上のシートを含む。本発明の「折り畳まれた（folded）」亜鉛アノードは、その隣接する層と電気的接触している二つ以上の層を形成するために、そのものの上で折り畳まれている亜鉛メッシュの一枚のシートを含む。
【００１５】
全三種類の場合において、従来法により教示されたメッシュの層の間のスペーサの使用は、低材料コスト及び製造コストのために省略されている。亜鉛メッシュの層の間に均一な空間を維持する代わりに、本発明は、拡張された亜鉛メッシュの層が物理的に直接接触するアノード構造を利用する。これらの層が直接接触すると、アノードの亜鉛メッシュ層の間に電気的接触点が作られる。これらの電気的な接触は、メッシュと一緒に働いて亜鉛のよりよい接続性のために高い放電速度で性能を高める連続的な格子ネットワークを形成する。
【００１６】
本発明は、亜鉛メッシュアノードの三つの開示タイプのそれぞれを使用する電気化学セルも包含する。これらの電気化学セルは、通常、ケーシング、記載のアノードの一つ、カソード、アノードとカソードとの間の絶縁セパレータ、及び電解液から構成される。本発明のこれら及び他の特徴、側面及び好都合な点は、以下の記載及び請求の範囲を参照してより良く理解できよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、種々の構成の電池でアノードとして拡張された亜鉛メッシュの使用を提供する。図１に示されているように、亜鉛メッシュは、多くの物理的な寸法測定によって特徴付けることができる。第一に、亜鉛メッシュは、メッシュを作り上げる亜鉛のストランド幅によって記載することができる。第二に、亜鉛メッシュは、メッシュのストランドのゲージによって記載することができる。亜鉛メッシュのシートにおいて、これらの亜鉛ストランドは、多くの頂点で交差している。亜鉛の交差しているストランドは、亜鉛メッシュのシートに平行四辺形状の多くの開口部を画定する。これらの開口部のサイズは、拡張された亜鉛メッシュのシートを特徴付けるのにも使用することができる。これらの開口部は、ストランドの頂点間の距離によって記載することができる。図１に示されているように、これらの距離は、それぞれデザインの長い方と短い方に関して、LWD及びSWDとして表すことができる。
【００１８】
図２は、本発明のアノードの一態様を示す。図２に示されているように、亜鉛メッシュは、コイルの各層が、アノード50を形成するように隣接する層と電気的接触して巻かれている。このように電極を巻き付けると、連続した筒状の格子ができる。きつく巻き付けたアノードまたは緩く巻き付けたアノードを製造しても、この連続格子は保持される。この構造によって、亜鉛の接続性を良くし、且つ粒子間の接触を失うことなく粉末化亜鉛セルが使用できない高い電解質対亜鉛比の使用を可能にする。この構造により、酸化亜鉛圧密化の開始を遅らせることによって、高い放電速度での電池性能を高める。さらに、このデザインは、電極の層間に均一な空間を維持するためにスペーサの必要性を多少とも解決する。スペーサを排除することによって、材料コスト及び製造コストを削除できる。
【００１９】
図３は、アノード50を使用する筒状電池60の断面図である。電池60の外部は、「AA」電池の工業的に標準のサイズ及び形状である筒型のスチールケーシング70によって画定されている。ケーシング70の一端には、電池60が据え付けられるデバイスの端部と接触する、一段高いサーキュラーポスト90がある。ケーシング70の反対側の端部は、製造プロセスの間、最初は開口である。ペーパーキャップ100は、端部を含むサーキュラーポスト90でケーシング70の内部に据え付けられている。アノード50は、ケーシングの中心に据え付けられ、図３に示すように、ケーシング70の殆どの長さに伸張する。ペーパーキャップ100は、アノード50の一端に隣接し、ケーシング70からアノード50を絶縁する。セパレーターペーパー110は、アノード50の縦軸の周りに伸張する。カソード120(この場合、粉末化材料)は、ケーシング70とセパレーターペーパー110との間に配置される。
【００２０】
電解液130はケーシング70の余った容積を満たす。通常、電解液130は、水酸化カリウム溶液である。しかしながら、当業者であれば、水酸化ナトリウムなどのおそらく使用し得る多様なアルカリ性電解液があることを理解するだろう。亜鉛メッシュを使用すると、電解液130がアノード50の中を自由にくまなく流れることができ、大きな表面積で亜鉛と電解質とが直接接触することを示す。メッシュの格子網状構造と関連するこの大きな表面積により、亜鉛粉末を使用したときに生じる正常に機能しない伝導経路の問題を除去し易くする。慣用の電池では、亜鉛粉末が消費されるにつれて、未反応粉末粒子と電解質との間の距離が大きくなって、伝導経路が正常に機能しなくなる。この問題をはっきりと軽減させることによって、浪費した、未反応の亜鉛の割合が減少する。これによって、同じ量のエネルギーを生み出すのに使用する亜鉛は少なくて良い。アノードで少量の亜鉛を使用することにより、ケーシング70でもっと電解液130を使用する場所が広くなる。
【００２１】
一度アノード50、カソード120、セパレーターペーパー110、及び電解液130をケーシング70に配置したら、ペーパーキャップ140とプラスチック絶縁体150とをケーシング70の開口部に据え付ける。ペーパーキャップ140とプラスチック絶縁体150とはそれぞれその中心に小さな孔があり、電池60のカレントコレクタ160が挿入できるようになっている。カレントコレクタ160の一端はロッドであり、これはペーパーキャップ140とプラスチック絶縁体150の孔を通ってスライドし、アノード50の縦軸を通って下方へ伸張する。カレントコレクタ160の他の端部は円形であり、ケーシング70の開口端部をシールする。ペーパーキャップ140とプラスチック絶縁体150は、カレントコレクタ160が、カソード120と接触させないようにし、カレントコレクタ160と組み合わせて緊密シールを形成して、電池60から電解液130が漏れないようにする。
【００２２】
当業者は、ペーパーセパレータ110以外の他のセパレータ手段、たとえば、セパレータフィルムなどを使用して、電池をアノード側とカソード側とに分割することができることを理解するだろう。使用するそのような任意の絶縁セパレータは、アノードとカソードとの間の電気の順流（direct flow）を回避しなければならない。アノードとカソードの間の電気の順流は、セルを内部で短絡させてしまうだろう。さらに、任意の絶縁セパレータは、電解液130をくまなく拡散させなければならない。これらの絶縁及び拡散特性を示す任意の好適な材料をセパレータとして使用することができよう。
【００２３】
図４は、短いカレントコレクタ165を使用する電池60の変形例である、筒状電池65を示す。カレントコレクタ160と同様に、カレントコレクタ165の一端は円形で、ケーシング70の開口端部をシールする。カレントコレクタ165のもう一方の端部はロッドであり、これはペーパーキャップ140とプラスチック絶縁体150の孔を通ってスライドし、アノード50の縦軸を通って下方へ伸張する。しかしながら、カレントコレクタ165のロッドは、先の態様のカレントコレクタ160よりも短い。電解液130は余った容積を充填して、アノード50の巻き付けたメッシュの最内部層によって画定された電解質リザーバ135を形成する。
【００２４】
カレントコレクタ165を短くすることによって、図４の態様では、図３の態様よりも効率及び性能特性を改善することができる。効率の増加は２倍になる。第一に、余った容積で電解質リザーバ135を作ることによって、電池65それ自体の容積を増加させることなく電池65で使用すべき電解液の容積を増やすことができる。以下に記載するように、電解質の量を増やすと、セル容量が増加し易くなる。第二に、電解質リザーバ135によって電解質の移動がより良くなり、これによってセル性能が増加する。
【００２５】
図５は、本発明のもう一つの態様を説明する。図５から見ることができるように、この態様は、多くの現在の電子機器デバイスと適合可能なように構成された平坦な「ボタン」セル型電池である。このセルは、図７に描かれた層状亜鉛メッシュアノード170を使用する。アノード170は、それぞれのシートが隣接するシートと電気的に接触するように、拡張された亜鉛メッシュのシートを層状にすることによって作る。この構成において、亜鉛メッシュのシートは、亜鉛メッシュのもう一つのシートと電気的に接触し、その上部に直接設置される。次いで第三のシートを堆積の上に設置し、且つ下の層と電気的に接触させる。次いで、この層形成プロセスを、それぞれのシートが前のシートと電気的に接触するように継続させる。このようにして亜鉛メッシュを層状にすることによって、亜鉛の連続格子が作り出される。連続格子が作り出されると、亜鉛の接続性が良くなり、高い放電速度での電池性能が高まる。上記の筒状セルと同様に、メッシュの層は直接接触して、スペーサが電極の層の間の一定のスペースを維持するどんな必要性も軽減する。
【００２６】
図５を参照して、アノード170は、一端が開口になっているカップ型スチールキャップ180に含まれている。スチールキャップ180の外壁は、アノード170が配置されているチャンバを画定する。アノード170を支持することに加えて、スチールキャップ180の外部は、一度セルが完成したらボタン電池の負の電極として機能する。一度アノード170がスチールキャップ180の適所にあると、スチールキャップ180の残りの容積は、電解液190で充填される。電解液190は、アノード170を通して及びその周囲を自由に流れることができる。
【００２７】
リング型のプラスチック絶縁体200は、U字型リップ180をつけて成形する。U字型リップ210はスチールキャップ180の開口端部の周囲に合う。プラスチック絶縁体200をスチールキャップ180の外部の周りにきちんと合うように成形し、U字型リップ210によって適所にきちんと保持する。一度プラスチック絶縁体200を適所に配置したら、ラミネート化セパレータフィルム220をスチールキャップ180の開口部にわたって設置する。セパレータフィルム220の外周は、プラスチック絶縁体200のU字型リップ210に載る。次いでカソード材料230の層をセパレータフィルム220ともう一つのラミネート化カバー240との間にサンドイッチする。図４に示されているように、セパレータフィルム220はカソード材料230からアノード170を物理的に隔てるが、その二つの間には電解液が流れるようにする。
【００２８】
ラミネート化カバー240、カソード材料230及びセパレータフィルム220は、もう一つの大体カップ型のスチールカップ250によって適所に保持される。スチールカップ250はスチールキャップ180よりも直径が大きい。スチールカップ250の内径は、プラスチック絶縁体200の外径と殆ど等しい。さらに、スチールカップ250は、これがプラスチック絶縁体200の周囲にきちんと合うように成形されている。スチールカップ250の平底側は、多くの穴(図面には示されていない)が形成されている。セルが完成すると、スチールカップ250はボタン電池の正の電極として機能する。
【００２９】
図６は、図５に示し且つ既に記載したボタン電池の変形例であるボタン電池260を示す。先の態様と異なり、ボタン電池260は、スチールキャップ180からボタン電池260に貫通するカレントコレクタ270を用いる。カレントコレクタ270は、セパレータフィルム220の方へアノード170を含む亜鉛メッシュのシートを通って伸張する。カレントコレクタ270の直径は変動し得るが、1/16インチの直径のカレントコレクタを図示態様で用いる。カレントコレクタ270を使用して、ボタン電池260の追加の衝撃安定性を提供するために、及びアノード170の亜鉛メッシュ層が安定なままであり且つ、セルが破壊しないように連続的に電気的に接触したままであるようにする。
【００３０】
図５及び６に示すように、先に記載したボタン電池では、図７に示す本発明の態様に似た亜鉛メッシュの円形シートの層から構成されるアノードを使用する。しかしながら、当業者は、本発明の他の態様では他の形状の亜鉛メッシュの層状化シートを使用できることを理解するだろう。たとえば、亜鉛メッシュの正方形のシート（示されていない）を使用して、製造プロセスから無駄を排除できよう。
【００３１】
図８は、本発明のアノードのさらにもう一つの態様を示す。図８に示されているように、亜鉛メッシュの一片は、それがそのものと電気的な接触を形成してアノード260を形成するように折り畳まれている。折り畳む度に、一片の亜鉛メッシュが追加の層を形成し、これは隣接層と電気的に接触している。亜鉛メッシュを折り畳むにつれて、亜鉛の連続した内部連通した格子が形成する。この構成によって亜鉛の接続性がより良くなり、そのため高いドレン速度での電池性能が高まる。本発明の既に議論したアノードの態様と同様に、このデザインは、電極の層の間に均一な空間を保持するためにスペーサの必要性を軽減する。アノード170の「層状」デザインと同様に、アノード260は、図５及び上記のものと実質的に同様の平坦なボタン電池で使用することができよう。
【００３２】
本発明の先に記載した態様では全て、拡張された亜鉛メッシュを使用する。0.006インチのストランド、0.006インチのゲージ、0.10インチのLWD、及び0.050インチのSWDのメッシュは、高いドレン速度で最大の電池の能力を提供することが知見された。しかしながら、以下の範囲内の寸法：0.003インチ〜0.010インチのストランド、0.003インチ〜0.010インチのゲージ、0.05〜0.15インチのLWD及び0.025〜0.075インチのSWDをもつ亜鉛メッシュアノードも使用可能である。
【００３３】
本発明は従来技術よりも多くの好都合な点を有する。本発明の広い表面積により、電解液と亜鉛アノードとの間に多くの反応部位を提供する。さらに、亜鉛メッシュアノードデザインの内部連通性により、多くの伝導経路を提供する。粒子と粒子との緊密な接触及び、粒子とカレントコレクタとの緊密な接触が必要とされる粉末化亜鉛を使用するセルと異なり、本発明の亜鉛メッシュアノードでは、一度緊密なカレントコレクタ接触が提供されると、粉末化亜鉛を用いては不可能であった新規なアノードテクノロジーデザインを考慮して、既に記載した連続的な格子網状構造によってカレントコレクタからアノード、セパレータ及びカソード界面への緊密な接触が維持される。これらの特徴によって、亜鉛不動態化問題が軽減し易くなる。亜鉛不動態化問題を軽減することによって、これらの特徴は高い放電速度での効率を高める。効率が高いことにより、ドレンされたセルの無駄になる亜鉛が減り、少ない亜鉛量でより電力を生み出す能力が得られる。より少ない亜鉛しか必要でないので、追加の電解液の場所が与えられ、これにより電池容量を増加させ易くもする。
【００３４】
本発明のさらに好都合な点は、低コストということである。亜鉛メッシュを使用することにより、現在必要とされている高価な電池等級の亜鉛粉末の必要性を回避する。本発明はさらに、懸濁化剤を使用する必要性を排除することによって費用を節約する。従来の亜鉛メッシュデザインでは必要であった、スペーサを使用する必要性を排除することによって、造経費も軽減できる。最後に、このデザインは、高放電速度での性能を高めるために亜鉛粉末アノードを使用するセルで通常使用される、水銀などの環境的に有害な化学薬品の使用及びその必要性を最小化する。
【００３５】
本発明の例示的な態様を参照として本発明を詳細に説明してきたが、この説明は、他の多くの変形が可能であるように、本発明の非限定的な例を提案するものである。当業者には、他の多くの変形及び変更が明らかであり、且つそのような変形及び変更は、付記請求の範囲に定義されるように、本発明の趣旨及び範囲に含まれるものであることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の一態様に従った拡張された亜鉛メッシュのシートの透視図を示す。
【図２】図２は、本発明の幾つかの態様で使用したタイプの部分的に巻き付けた亜鉛メッシュアノードの斜視図を示す。
【図３】図３は、本発明の巻き付け亜鉛メッシュアノードを使用する「AA」電池の一態様の断面図を示す。
【図４】図４は、本発明の巻き付け亜鉛メッシュアノードを使用する「AA」電池のもう一つの態様の断面図を示す。
【図５】図５は、本発明の層状亜鉛メッシュアノードを使用する「ボタン」電池の一態様の断面図を示す。
【図６】図６は、本発明の層状亜鉛メッシュアノードを使用する「ボタン」電池のもう一つの態様の断面図を示す。
【図７】図７は、本発明の幾つかの態様で使用したタイプの層状亜鉛メッシュアノードを示す。
【図８】図８は、二つの層が部分的に広げられている、本発明の一態様で使用したタイプの折り畳み亜鉛メッシュアノードの側面を示す。
【図１】
2005520303.tif 000003
【図２】
2005520303.tif 000004
【図３】
2005520303.tif 000005
【図４】
2005520303.tif 000006
【図５】
2005520303.tif 000007
【図６】
2005520303.tif 000008
【図７】
2005520303.tif 000009
【図８】
2005520303.tif 000010
【国際調査報告】
2005520303.tif 000011