(57)【要約】各々プラス端子を有する第１および第２の陽極と、マイナス端子を有する陰極とを備える空気亜鉛電池。第２の陽極はマイナス端子の近位且つ陰極の近位に設けられており、空気流入量が実質的に倍増するとともに内部抵抗が実質的に半減し、さらに第２の陽極からのイオンの拡散距離を比較的短くすることができる。
2005538502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを発生しうる第１の陽極と；
前記第１の陽極に電気的に接続され前記陽極に電子を流すプラス端子と：
前記第１の陽極で還元させるための酸素を供給する空気を電池内に導入する手段と；
水酸化物イオンを受けて酸化することにより電子を発生しうる陰極と；
前記陰極に電気的に接続され前記陰極からの電子を流すマイナス端子と；
前記第１の陽極と前記陰極との間の第１のセパレータと；
を備える電池であって、この電池がさらに、電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを発生しうる第２の陽極を備え、前記第２の陽極はこの第２の陽極に電子を流す第２のプラス端子と電気的に接続され、前記第２の陽極は前記マイナス端子の近位且つ前記陰極の近位に配置され、前記電池が前記第２の陽極に酸素を供給し還元させるために電池内に空気を導入する手段を備え、前記電池が前記第２の陽極と前記陰極との間の第２のセパレータを備えることを特徴とする電池。
【請求項２】
前記第１および第２の陽極が触媒カーボンを備えることを特徴とする請求項１の電池。
【請求項３】
前記陰極が亜鉛を備えることを特徴とする請求項１または２の電池。
【請求項４】
前記亜鉛が亜鉛粉とＫＯＨ電解液とのゲル混合剤でなることを特徴とする請求項３の電池。
【請求項５】
前記電池がボタン電池であることを特徴とする請求項１ないし４の電池。
【請求項６】
前記ボタン電池のケーシングが、前記プラス端子と前記マイナス端子とを絶縁ガスケットで組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項５の電池。
【請求項７】
前記マイナス端子が前記電池ケーシングの蓋であり、前記蓋の側部が前記プラス端子で画定される缶内に配置され、前記プラス端子と前記マイナス端子とが前記缶内のガスケットライニングで互いに電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項６の電池。
【請求項８】
前記第１の陽極に酸素を供給し還元させるために空気を電池内に導入する前記手段が、前記プラス端子を通る１以上の穴を備えることを特徴とする請求項６または７の電池。
【請求項９】
前記１以上の穴を横切って配気膜が設けられていることを特徴とする請求項８の電池。
【請求項１０】
前記第２の陽極に酸素を供給し還元させるために空気を電池内に導入する前記手段が、前記ボタン電池のマイナス端子に１以上の穴を備えることを特徴とする請求項６ないし９の電池。
【請求項１１】
前記ボタン電池のマイナス端子の１以上の穴を横切って配気膜が設けられていることを特徴とする請求項１０の電池。
【請求項１２】
前記第２のプラス端子が前記電池ケーシング内に配置され、前記第１の陽極から第２の陽極まで延在し、前記陰極およびマイナスの蓋から絶縁されていることを特徴とする請求項６ないし１１の電池。
【請求項１３】
前記ボタン電池が、マイナスのリングに電気的に絶縁されたグロメットを介してボタン電池の相対する両側にクリンプシールで連結された第１および第２のプラスの蓋を備えることを特徴とする請求項６の電池。
【請求項１４】
前記第１の陽極に酸素を供給し還元させるために空気を電池内に導入する前記手段が、第１のプラスの蓋を通る１以上の穴を備えることを特徴とする請求項６または７の電池。
【請求項１５】
前記１以上の穴を横切って配気膜が設けられていることを特徴とする請求項１４の電池。
【請求項１６】
前記第２の陽極に酸素を供給し還元させるために空気を電池内に導入する前記手段が、前記ボタン電池の第２のプラスの蓋に１以上の穴を備えることを特徴とする請求項１３ないし１５の電池。
【請求項１７】
前記ボタン電池の第２のプラスの蓋の１以上の穴を横切って配気膜が設けられていることを特徴とする請求項１６の電池。
【請求項１８】
前記電池の使用開始前に、前記電池内の第１および第２の陽極に酸素を含む空気が入るのを防止する手段を更に備えることを特徴とする請求項１ないし１７の電池。
【請求項１９】
前記電池ケーシングをシールするための粘着タブを用いることを特徴とする請求項１８の電池。
【請求項２０】
前記粘着タブが粘着金属ポリマーラミネートであることを特徴とする請求項１９の電池。
【請求項２１】
前記第１および第２のセパレータが、前記第１および第２の陽極と陰極間の固形粒子の移動を防止することを特徴とする請求項１ないし２０の電池。
【請求項２２】
前記電池がさらに電気的に導電性で電気化学的に不活性なバックボーン（backbone）電極を備えることを特徴とする請求項１ないし２１の電池。
【請求項２３】
前記バックボーンが金属であることを特徴とする請求項２２の電池。
【請求項２４】
前記金属が銅であることを特徴とする請求項２３の電池。
【請求項２５】
前記バックボーンが合金であることを特徴とする請求項２２の電池。
【請求項２６】
前記合金が真鍮であることを特徴とする請求項２５の電池。
【請求項２７】
前記バックボーンが粒子（particles）を備えることを特徴とする請求項２２の電池。
【請求項２８】
前記粒子が金属で被覆されていることを特徴とする請求項２７の電池。
【請求項２９】
前記金属が銅であることを特徴とする請求項２８の電池。
【請求項３０】
前記粒子が合金で被覆されていることを特徴とする請求項２７の電池。
【請求項３１】
前記合金が真鍮であることを特徴とする請求項３０の電池。
【請求項３２】
前記粒子が細粒状（granules）であることを特徴とする請求項２７ないし３１の電池。
【請求項３３】
前記粒子がフレーク状（flake）であることを特徴とする請求項２７ないし３１の電池。
【請求項３４】
前記粒子が繊維状（fibres）であることを特徴とする請求項２７ないし３１の電池。
【請求項３５】
前記粒子が金属であることを特徴とする請求項２７ないし３４の電池。
【請求項３６】
前記粒子が抵抗性ポリマーであることを特徴とする請求項２７ないし３４の電池。
【請求項３７】
前記粒子が二酸化珪素であることを特徴とする請求項２７ないし３４の電池。
【請求項３８】
前記粒子が二酸化チタンであることを特徴とする請求項２７ないし３４の電池。
【請求項３９】
電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを生成しうる第１の陽極を設けるステップ；
前記第１の陽極に第１のプラス端子を電気的に接続して電子を前記陽極に流すステップ；
前記第１の陽極で酸素を還元させるために電池内に空気を導入する手段を設けるステップ；
水酸化物イオンを受け酸化することにより電子を発生しうる陰極を設けるステップ；
前記陰極にマイナス端子を電気的に接続して前記陰極から電子を流すステップ；
前記第１の陽極と前記陰極との間に第１のセパレータを設けるステップ；
電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを発生しうる第２の陽極を、前記マイナス端子の近位且つ前記陰極の近位に設けるステップ；
前記第２の陽極で酸素を還元させるために電池内に空気を導入する手段を設けるステップ；
第２のプラス端子を前記第２の陽極に電気的に接続して前記第２の陽極に電子を流すステップ；
前記第２の陽極と前記陰極との間に第２のセパレータを設けるステップ；
を含む電池の構成方法。
【請求項４０】
前記第１および第２の陽極が触媒カーボンを備えることを特徴とする請求項３９の方法。
【請求項４１】
前記陰極が亜鉛を備えることを特徴とする請求項３９または４０の方法。
【請求項４２】
前記亜鉛が亜鉛粉とＫＯＨ電解液とのゲル混合剤でなることを特徴とする請求項４１の方法。
【請求項４３】
前記電池がボタン電池であることを特徴とする請求項３９ないし４２の方法。
【請求項４４】
さらに、前記マイナス端子と第１のプラス端子とで、前記プラス端子とマイナス端子とを絶縁ガスケットで結合して前記電池のケーシングを形成するステップを備えることを特徴とする請求項４３の方法。
【請求項４５】
前記第２のプラス端子を前記ケーシング内で前記第１の陽極に電気的に接続するとともに前記第２のプラス端子を前記陰極とマイナス端子とから絶縁することを特徴とする請求項４４の方法。
【請求項４６】
前記第１の陽極に酸素を供給し還元させるために空気を電池内に導入する前記手段を設けるステップが、前記第１のプラス端子を通る１以上の穴を設けることを特徴とする請求項４４または４５の方法。
【請求項４７】
さらに前記１以上の穴を横切る配気膜を設けるステップを備えることを特徴とする請求項４６の方法。
【請求項４８】
前記第２の陽極に酸素を供給し還元させるために空気を電池内に導入する前記手段を設けるステップが、前記ボタン電池のマイナス端子に前記第２の陽極に空気を導入する１以上の穴を設けることを特徴とする請求項４４ないし４７の方法。
【請求項４９】
さらに前記マイナス端子の１以上の穴を横切る配気膜を設けるステップを備えることを特徴とする請求項４８の方法。
【請求項５０】
さらに前記電池の使用開始前に、前記電池内で第１および第２の陽極に酸素を含む空気が入るのを防止する手段を設けるステップを備えることを特徴とする請求項３９ないし４９の方法。
【請求項５１】
さらに、前記第１のプラス端子、第２のプラス端子、およびマイナス端子を用い、前記マイナス端子をリング状に形成し、前記第１および第２のプラス端子を前記リング上の対向する位置に配置し、電気的に絶縁されたグロメットを用いクリンプシールで前記プラス端子を前記リングに結合することにより前記ボタン電池のケーシングを形成するステップを備えることを特徴とする請求項４３の方法。
【請求項５２】
さらに電気的に導電性で電気化学的に不活性な電極バックボーンを設けて電池のインピーダンスを低減させるステップを備えることを特徴とする請求項３９ないし５１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の属する技術分野
本出願は、空気亜鉛電池および酸素を反応物に用いるその他の電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の説明
空気亜鉛電池は近年、例えば数週間といった比較的長時間の電池容量を消費する分野で多く用いられつつある。空気亜鉛電池は、主にそのエネルギー密度の高さにより、概して従来のいかなるバッテリシステムよりも長時間の電力供給を行うことが知られている。
【０００３】
空気亜鉛電池の陽極は、陽電荷を蓄え且つ水分子を含む多孔質炭素電極触媒である。使用時には、空気が陽極と接触すると空気中の酸素が還元され水酸化物イオンが発生する。電池容器の１以上の穴から空気中の酸素が陽極に入りカーボン表面で還元される。空気はデバイス内で遮るもののない通路を通って陽極に達し、空気中の酸素により陽極の放電が実現する。過度の水分は電池の性能を低下させるため、容器の穴は消費者に渡る前に裏面粘着タブでシールされる。このタブは電池を使用する前に除去する必要がある。
【０００４】
陽極で発生した水酸化物イオンはセパレータを通り陰極に移動する。このセパレータは固形粒子の移動と陽極陰極間の回路短絡とを防止している。
【０００５】
空気亜鉛電池の陰極は、亜鉛粉、導電性のゲル状で粘着性の添加剤、及び電解液のゲル化された混合物である。使用時に、水酸化物イオンが陰極に入ると、小型の酸化水銀電池や酸化銀電池と同様に陰極の亜鉛が酸化する。電池の電解液は高電導性のＫＯＨ水溶液である。空気亜鉛電池の電極反応は以下のとおりである。
陽極：  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  ⇔  ４ＯＨ−            （１）
陰極：  Ｚｎ＋２ＯＨ−  ⇔  Ｚｎ（ＯＨ）２＋２ｅ−    （２ａ）
Ｚｎ＋２ＯＨ−  ⇔  ＺｎＯ＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−    （２ｂ）
全体：  ２Ｚｎ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ  ⇔  ２Ｚｎ（ＯＨ）２  （３ａ）
２Ｚｎ＋Ｏ２  ⇔  ２ＺｎＯ                    （３ｂ）
【０００６】
この反応による電圧は理論上最高で１．６５Ｖだが、電池から流れる電流や、放電度合いや、水酸化亜鉛（２ａ）や酸化亜鉛（２ｂ）の直接形成の分布により減少する。１−２ｍＷ程度の放電レベルでは、空気亜鉛”ボタン”電池は高い放電容量を示す。しかしながら、空気亜鉛ボタン電池は０．９Ｖを上回る許容電圧レベルを維持しながら約２０ｍＷまでの連続供給電力レベルを実現するが、このような高い放電レベルでは、この電池の放電能力は１−２ｍＷの放電レベルのときに比べてかなり減少してしまう。
【０００７】
サイズの問題で空気亜鉛電池のようなボタン電池を用いる必要があり、さらに１−２ｍＶより大きな電力を要するシステムが複数存在する。例えば、移植蝸牛刺激装置における小型の音声プロセッサは通常少なくとも１０−３０ｍＷ、たびたび３０−５０ｍＷで一定期間駆動され、ピーク電力レベルのときに約３Ｖの電圧で５０−９０ｍＷを必要とする。この場合、システムに必要な電力を得るには３つの空気亜鉛電池を直列接続する必要がある。このような電力レベルを要するシステムに用いる場合、電池の駆動可能時間を考えると２つの要素が重要となる。要素の１つは、プラスの酸素電極で消費される酸素量である。この電極の反応速度が所定時間に変換される酸素量を制限する。この問題の解決策として電池容器に大きな空気取り入れ口を設けることがある。他の解決法では、このプラスの酸素電極内の触媒を調整して酸素還元反応の速度を最大化させている。
【０００８】
他の要素は、空気亜鉛電池の内部抵抗がこの電力レベルでは重要な要素となり、電池の放電能力を十分に発揮する前に電池の出力電圧降下が生じて電池の出力電圧レベルが許容駆動レベル以下まで低下してしまうことがある。この独特の問題の解決策として亜鉛電極のアマルガム化が知られていた。しかしながら、環境問題によりこの方法はもう用いることができず、インジウムやガリウムといった他の金属が代わりに用いられている。
【０００９】
本明細書に含まれる文献、記録、材料、装置、物品その他の物への言及は、本発明のコンテキストを提供する目的のみに用いる。これらの要素の一部または全部が、本願の優先日前までに本発明の分野において既に存在する従来技術または共通の従来知識を構成すると認容するものではない。
【００１０】
本明細書において、「備える（comprise）」または「構成する(comprises)」「成している(comprising)」などの派生語は、記載した要素、数字またはステップ、あるいは要素群、数列またはステップ群を包含する意味として理解されるが、他の要素、数字またはステップ、あるいは要素群、数列またはステップ群を除外するものではない。
【００１１】
発明の概要
第１の態様によると、本発明は、
電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを発生しうる第１の陽極と；
前記第１の陽極と電気的に接続され陽極に電子を流す第１のプラス端子と：
前記第１の陽極に酸素を供給し還元させる為に空気を電池内に導入する手段と；
水酸化物イオンを受けて酸化することにより電子を発生しうる陰極と；
前記陰極と電気的に接続され前記陰極からの電子を流すマイナス端子と；
前記第１の陽極と前記陰極との間の第１のセパレータと；
を備える電池であって、この電池がさらに、電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを発生しうる第２の陽極を備え、この第２の陽極は当該第２の陽極に電子を流す第２のプラス端子と電気的に接続されており、前記第２の陽極は前記マイナス端子及び前記陰極の近位に配置されており、前記電池が前記第２の陽極に酸素を供給し還元させる為に電池内に空気を導入する手段を備え、前記電池が前記第２の陽極と前記陰極との間の第２のセパレータを備える電池を提供する。
【００１２】
第２の陽極を設けることにより、本発明では空気の流入量が実質的に倍増し、電池の内部抵抗が実質的に半減する。比較的高いレベルの電流を要するシステムに用いられる電池では、空気の流入量が増大し内部抵抗が減少すると電池の内部損失が減少し、内部電圧降下が減少し、その結果電池の真の容量リミットに近い許容出力電圧レベルでの継続運用が可能になる。さらに、陽極を電池のマイナス端子の近位に配置することにより、この陽極からのイオンの拡散距離が比較的短くなり、ある種の電池構成では全体としてその電池のイオン拡散の平均距離を効果的に半減させることができる。
【００１３】
この電池は、好ましくはボタン電池である。第１および第２の陽極は好ましくは触媒カーボンを備え、一方で陰極は亜鉛を備え、それは亜鉛粉とＫＯＨ電解液のゲル混合剤であってもよい。
【００１４】
電池がボタン電池である実施例では、電池のケーシングは第１のプラス端子とマイナス端子とを絶縁ガスケットを用いて組み合わせ構成されていることが好ましい。マイナス端子はこの電池ケーシングの蓋を成していてもよく、蓋の側部は第１のプラス端子で画定される缶内に配置され、この第１のプラス端子とマイナス端子は、前記缶内のガスケットライニングにより互いに電気的に絶縁される。さらに、第２の陽極が接続されている第２のプラス端子は好ましくは電池ケーシング内に配置されており、第１の陽極から第２の陽極まで延在し陰極とマイナスの蓋から絶縁される。
【００１５】
このような実施例では、第１の陽極に酸素を供給し還元させる為に空気を電池内に導入する手段は、プラスの缶の底部に設けられた１以上の穴を備えることが好ましい。好ましくはこの１以上の穴を横切って配気膜が設けられ、前記１以上の穴に空気を均等に分配するとともに固形粒子の流入を防ぐようにする。同様に、本発明にかかるボタン電池では、第２の陽極に酸素を供給し還元させる為に空気を電池内に導入する手段は、好ましくはボタン電池のマイナス端子の蓋に１以上の穴を備え、この穴を介して第２の陽極に空気を通す。また、好ましくはこのマイナス端子の蓋の１以上の穴を横切って配気膜を設け、空気を均等に分配するとともにマイナス端子の蓋の１以上の穴を通して固形粒子が流入するのを防ぐ。
【００１６】
電池は、この電池の使用開始前に第１および第２の陽極の双方に酸素を含む空気の流入を防ぐ手段を備えることが好ましい。例えば、粘着タブを電池ケーシングの蓋と電池ケーシングの底部を覆うように設けて電池ケーシングをシールし、電池使用開始前に電池を劣化させる可能性のある水分その他の空気成分の侵入を防ぐようにする。ある実施例では、粘着式の金属ポリマーラミネートを用いて、例えば電池を保管する間にこれらのタブを介して酸素および／または水分の拡散を効果的に防ぐようにしている。
【００１７】
好ましくは第１および第２のセパレータが、固形粒子が第１および第２の陽極並びに陰極間で移動するのを防ぐとともに、電気回路の短絡を防止する。
【００１８】
別の実施例では、ボタン電池は、マイナスのリングと電気的に絶縁されたグロメットを介してボタン電池の相対する両側にクリンプシールで連結された２つのプラスの蓋を備える。
【００１９】
さらに、本発明の実施例は、電気的に導電性で電気化学的に不活性な電極のバックボーン（backbone）を備える。このようなバックボーンの目的は、特に放電末期および／または高負荷における電池のインピーダンスを低減し、陰極に含まれる還元可能な亜鉛の量により決定される放電可能容量を最適に使用することにある。このバックボーンは、全ての適切な材料で全ての適切な形状の金属または金属被覆粒子あるいは合金または合金被覆粒子を備える。金属は例えば銅であり、代表的な合金は真鍮である。代表的な粒子形状は顆粒状、フレーク状、繊維状であり、代表的な粒子材料は金属、使用する電解液に耐性のある重合体、二酸化珪素や二酸化チタンといった無機物を含む。
【００２０】
第２の態様によると、本発明は、
電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを生成しうる第１の陽極を設けるステップ；
第１のプラス端子を前記第１の陽極に電気的に接続して電子を陽極に流すステップ；
前記第１の陽極で還元させるための酸素を供給するために電池内に空気を導入する手段を設けるステップ；
水酸化物イオンを受け酸化することにより電子を発生しうる陰極を設けるステップ；
マイナス端子を前記陰極に電気的に接続して前記陰極から電子を流すステップ；
前記第１の陽極と前記陰極との間に第１のセパレータを設けるステップ；
電気化学的に酸素を還元して水酸化物イオンを発生しうる第２の陽極を、前記マイナス端子の近位且つ前記陰極の近位に設けるステップ；
前記第２の陽極で還元させるための酸素を供給するために電池内に空気を導入する手段を設けるステップ；
第２のプラス端子を前記第２の陽極に電気的に接続して電子を前記第２の陽極に流すステップ；
前記第２の陽極と前記陰極との間に第２のセパレータを設けるステップ；
を備える電池の構成方法を提供する。
【００２１】
前記第１および第２の陽極は、好ましくは触媒カーボンを備え、一方で陰極は亜鉛を備え、それは亜鉛粉とＫＯＨ電解液のゲル混合剤であってもよい。
【００２２】
この電池は好ましくはボタン電池である。このような実施例において、本発明の方法は、前記マイナス端子と第１のプラス端子とを用い、前記プラス端子とマイナス端子を絶縁ガスケットにより連結して電池のケーシングを形成することが好ましい。この実施例はさらに、ケーシング内で第２のプラス端子を第１の陽極に電気的に接続し、第２のプラス端子を陰極およびマイナス端子から絶縁するステップを含む。
【００２３】
この実施例において、第１の陽極に酸素を供給し還元させる為に空気を電池内に導入する手段を設けるステップは、第１のプラス端子に１以上の穴を設けることが好ましい。本発明のこの実施例はさらに、この１以上の穴を横切る配気膜を設けるステップを備え、空気を均等に分配するとともに前記１以上の穴からの固形粒子の流入を防ぐことが好ましい。同様に、本発明のこの実施例では、第２の陽極で還元を行う為の酸素を電池内に供給する手段を設けるステップは、ボタン電池のマイナス端子に１以上の穴を設け、第２の陽極に空気が通るようにするのが好ましい。この実施例はさらに、マイナス端子の１以上の穴を横切る配気膜を設け、空気を均等に分配するとともに、このマイナス端子の蓋の１以上の穴を介する固形粒子の流入を防ぐステップを備えることが好ましい。
【００２４】
本発明の第２の態様にかかる実施例はさらに、電池の使用開始前に電池の第１および第２の陽極の双方に酸素を含む空気が侵入するのを防ぐ手段を設けるステップを備えることが好ましい。
【００２５】
本発明の電池がボタン電池である別の実施例では、本発明の方法は、第１のプラス端子、第２のプラス端子、およびマイナス端子を用い、前記マイナス端子をリング状に形成し、前記第１および第２のプラス端子をリング上の対向する位置に配置し、前記両プラス端子を電気的に絶縁されたグロメットを用いクリンプシールでリングに結合させてボタン電池のケーシングを形成するステップを備えてもよい。
【００２６】
本発明の第２の態様にかかる実施例はさらに、電気的に導電性で電気化学的に不活性なバックボーン（backbone）を設け、電池のインピーダンスを低減することを備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の実施例を、添付の図面を参照しながら説明する。
【図１】図１は、従来技術としてのボタン電池の断面図である。
【図２】図２は、本発明にかかるボタン電池の一実施例の断面図である。
【図３】図３は、本発明にかかるボタン電池の第２実施例の断面図である。
【図４】図４ａ、図４ｂ、図４ｃは、図３に示す実施例を１セル、２セル、Ｎセル式に接続した接続図である。
【００２８】
発明の詳細な説明
図１は、従来技術としてのボタン電池１０の断面図である。電池１０は、亜鉛粉とＫＯＨ電解液のゲル混合剤でなる陰極１１を備える。マイナス端子１２は、電池ケーシングの蓋としての役割も有し、電池１０の使用時に陰極からの電子を外部回路に渡す。
【００２９】
第１の陽極１３は電池１０の底部近位に設けられ、触媒カーボンを備える。プラス端子１４は、電池１０のケーシングの缶（can）としての役割も有し、電池の使用時に陽極１３に電子を伝導する。プラス端子１４は、ガスケット１８によりマイナス端子１２と電気的に絶縁されている。複数の穴１９が正極ケーシング１４の底部に形成されており、配気膜１６を介してキャビティ１５に空気を導入する。電池の使用時には、キャビティ１５内の空気の酸素がカーボン陽極１３および水分と反応して還元され、以下のように水酸化物イオンが生成される：
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  ⇔  ４ＯＨ−
【００３０】
標準ｅｍｆ集（Standard emf Series）によると、この反応は理論的に＋０．４０１Ｖを発生する。
【００３１】
水酸化物イオンはセパレータ１７を通って陰極１１に移動し、以下のように亜鉛と反応する。
Ｚｎ＋２ＯＨ−  ⇔  ＺｎＯ＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００３２】
標準ｅｍｆ集（Standard emf Series）によると、この反応は理論的に＋０．７６３Ｖを発生する。以上より、この電池の理論的供給電圧は１．１６４Ｖとなる。
【００３３】
あるいは、強いアルカリ電解質溶液の中では以下の反応が生じる。
Ｚｎ＋２ＯＨ−  ⇔  Ｚｎ（ＯＨ）２＋２ｅ−
【００３４】
標準ｅｍｆ集（Standard emf Series）によると、この反応は理論的に＋１．２５０Ｖを発生する。以上より、この電池の理論的供給電圧は１．６５１Ｖとなる。しかしながら、このような電池の供給する実際の電圧は、電池からより大きな値のパワーが引き出されるにつれ減少し、電池の放電度合いに応じて降下する。このような電池はおそらく０．９Ｖ以上で２０ｍＷを出力できるが、放電可能容量は運用レベルによりかなり減少する。この制限要素の一つは、電極１３で消費される酸素量である。他の制限要素はこの電流レベルで重大な内部電圧降下を引き起こす内部抵抗である。
【００３５】
図２に、本発明にかかる空気亜鉛電池２０を示す。電池２０は亜鉛粉とＫＯＨ電解液とのゲル混合剤でなる陰極２１を備える。マイナス端子２２は、電池ケーシングの蓋としての役割も有し、電池２０の使用時に前記陰極から外部回路に電子を通過させる。
【００３６】
第１の陽極２３は電池２０の底部の近位に設けられており、非常に表面積の大きな多孔質の活性カーボンを備え、例えばカーボンを触媒液に浸漬するなどの方法で塗布された触媒を備える。プラス端子２４は、電池２０のケーシングの缶（can）としての役割も有し、電池の使用時に陽極２３に電子を渡す。プラス端子２４はガスケット２８によりマイナス端子２２と電気的に絶縁されている。複数の穴２９がケーシング２４の底部に形成されており、配気膜２６を介して層２５に空気が入るようになっている。本発明では、層２５は疎水性で、例えばテフロン（登録商標）などで構成され、カーボン電極２３に酸素が均等に供給されるのを促進する。配気膜２６は例えばナイロンまたは、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンでなる不織布材料、例えばフェルト、で構成される。陽極２３にて生成された水酸化物イオンはセパレータ２７を通り陰極２１へ移動する。
【００３７】
本発明によると、電池２０はさらに、陰極２１の近位且つマイナス端子２２の近位に第２の陽極３０を備える。複数の穴３９がマイナスの蓋２２に形成されており、空気が配気膜３６を介して疎水層３５に入るようにしている。電池の使用時には、層３５の空気中の酸素がカーボン陽極３０および水分と反応して還元され、以下のように水酸化物イオンが生成される。
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  ⇔  ４ＯＨ−
【００３８】
この反応に含まれる陽極３０の電子は、第１の陽極２３を第２の陽極３０と電気的に接続する導電体４０により提供される。導電体４０は絶縁体４１により陰極２１と絶縁され、絶縁体４２によりマイナスの蓋２２と絶縁されている。
【００３９】
第２の陽極３０からの水酸化物イオンはセパレータ３７を通り陰極２１へ移動し、亜鉛と以下のように反応する。
Ｚｎ＋２ＯＨ−  ⇔  ＺｎＯ＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００４０】
第２の陽極３０を設けることにより、本発明では電池２０の内部抵抗が実質的に半減される。この電池が比較的高いレベルの電力を要するシステムに用いられる場合、電池の内部抵抗が低減しているため内部損失が減少し、内部電圧降下が抑えられ、許容出力電圧レベルで、電池の真の容量リミットにより近い運用が可能になる。さらに、陽極３０を電池のマイナス端子２２の近位に配置することにより、陽極３０からのイオンの拡散距離が比較的短くなり、図示する電池構成で全体として電池２０のイオン拡散距離の平均を半減させることができる。
【００４１】
図３は、本発明にかかるボタン電池５０の第２実施例の断面図である。電池５０は、亜鉛粉とＫＯＨ電解液とのゲル混合剤でなる陰極５１を備える。マイナス端子５２は、電池ケーシングの缶（can）としての役割も有し、電池５０の使用時に陰極から外部回路に電子を渡す。
【００４２】
陽極５３は実質的に円筒形状の電池の両端部に設けられており、双方とも触媒カーボンでなる。プラス端子５４は、電池５０のケーシングの蓋としての役割も有し、電池の使用時に電子を陽極５３に伝導する。プラス端子５４は、ガスケット５８によりマイナス端子５２および陰極５１から電気的に絶縁されている。両方の蓋５４には複数の穴５９が設けられており、空気が配気膜５６を介して疎水層５５に流入するようにしている。陽極５３で生成される水酸化物イオンはセパレータ５７を通り陰極５１に移動する。
【００４３】
図に示すように、図３に示す本発明の実施例では、実質的に筒状の電池の側部外面に一のマイナス端子と、実質的に筒状の電池の両端部にそれぞれ１つずつ２つのプラス端子を設けている。
【００４４】
２つの陽極５３を設けることにより、図に示す本発明の実施例でも電池５０の内部抵抗が実質的に半減する。比較的高いレベルの電力を要するシステムにこの電池を用いる場合、電池の内部抵抗が減っていることで内部損失が減少し、内部電圧降下が抑えられ、許容出力電圧レベルで、電池の真の容量リミットにより近い運用が可能になる。
【００４５】
特に図３に示す実施例の更なる利点は、この電池により駆動されるデバイスへの電池の挿入において、デザインが対称的であるため向き（geometry）を気にしなくてよいことである。ボタン電池の両面にそれぞれ接触する接触スプリングを用いたデバイスは本実施例で使用できないが、それでも磁極が反対の場合に起こるようなダメージが生じることがない。
【００４６】
図４ａは、本発明に関連して描かれた１セルの実施例の接続概略図である。端子は空気または亜鉛電池を使用する機器内に設けられてもよいし、導体と絶縁体を適切に使用し電池を回路短絡させないようにして単一の電池の内部あるいは外部に組み合わせてもよい。例えば、絶縁ワイヤまたは金属バンドを電池の内部または外部のプラス端子５４に電気的に接続してもよい。あるいは、端子は電池自体の一部ではなく、機器の一部であってもよい。図４ｂおよび４ｃはこのコンセプトを発展させた２セルおよびＮセル式の接続概略図である。
【００４７】
図２，３，４に示すような本発明の実施例は、既存の電池製造プロセスに比較的僅かな変更を施すだけで実現できるという更なる利点がある。
【００４８】
この技術の知識を有する人間であれば、広く表現した本発明の意図または目的を超えずに、上述した本発明の実施例の様々な変形例および／または変更例を実現することができる。本願の実施例は、それ故、実例であって制限として考慮されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【国際調査報告】
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