(57)【要約】  薄板状構造のウエファーアルカリ電池を開示する。電池は、該電池の境界表面の少なくとも大部分を構成する１対の対向する側部を有する。対向する側部は、それらの間に短電池寸法を画定する。該電池は、積層構造を形成するように１つに結合された陽極アセンブリと陰極アセンブリとを含む。該電池は、陽極材料及び陰極材料を収める単一フレーム又は別個の２つのフレームを含む。陽極アセンブリは、その中に、通常は亜鉛を含む陽極材料を有しており、陰極アセンブリは、その中に、通常は二酸化マンガンを含む陰極材料を有する。電池は、耐久性があり、好ましくは堅く、細長い漏れブロック経路を有し、電解質漏れを起こさない。
2007529871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負端子と正端子とを含むウエファーアルカリ電池であって、
前記電池の境界表面の少なくとも大部分を構成する１対の側部をさらに含んでおり、前記側部が、それらの間に短い電池寸法を画定しており、前記短い寸法が、約０．５〜６ｍｍであり、前記電池が、積層構造を形成するように１つに固定された陽極アセンブリと陰極アセンブリとを含んでおり、前記陽極アセンブリが、その中に陽極材料を含み、前記陰極アセンブリが、その中に陰極材料を含む、ウエファーアルカリ電池。
【請求項２】
陽極材料が、亜鉛、カドミウム、水素貯蔵合金、及びこれらの混合物から成る群から選択され、陰極材料は、ＭｎＯ２、ＮｉＯＯＨ、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ＡｇＣｕＯ２、Ａｇ２Ｃｕ２Ｏ３、及びこれらの混合物から成る群から選択される、請求項１に記載のウエファー電池。
【請求項３】
電池が、１次アルカリ電池であり、陽極材料が、亜鉛を含んでおり、陰極材料が、二酸化マンガンを含む固体と、前記固体との混合状態で水酸化カリウムを含む電解質水溶液とを含んでおり、陰極が、約４５％〜７０％の多孔性を持つ半固体である、請求項１に記載の電池。
【請求項４】
陰極材料が、黒鉛化カーボンブラックをさらに含む、請求項３に記載の電池。
【請求項５】
前記陽極アセンブリが、前記陽極のためのハウジングを含んでおり、陰極アセンブリが、前記陰極のためのハウジングを含んでおり、前記陽極アセンブリ及び陰極アセンブリが、それらの間のセパレータと共に積層構造を形成するように１つに接着結合されている、請求項１に記載の電池。
【請求項６】
前記陽極ハウジングが、陽極キャビティの境界を画定する内側周縁部と、陽極フレームの外側境界を画定する外側周縁部とを有する陽極フレームを含んでおり、前記フレームが、前記周縁部を構成する前側部と反対側の後側部とを有しており、前記陽極ハウジングが、電池の外表面境界に面するように前記陽極フレームの後側部に結合された陽極集電板をさらに含んでおり、陽極材料が、前記陽極集電板と接触するように前記陽極キャビティに挿入される、請求項５に記載の電池。
【請求項７】
陰極ハウジングが、陰極キャビティの境界を画定する内側周縁部と、陰極フレームの外側境界を画定する外側周縁部とを有する陰極フレームを含んでおり、前記フレームが、前記周縁部を構成する前側部と反対側の後側部とを有しており、前記陰極ハウジングが、電池の外表面境界に面するように前記陰極フレームの後側部に結合された陰極集電板をさらに含んでおり、陰極材料が、前記陰極集電板と接触するように前記陰極キャビティに挿入される、請求項５に記載の電池。
【請求項８】
それらの間に電池の短い寸法を画定する前記側部が、互いに平行な１対の対向する側部を含む、請求項１に記載の電池。
【請求項９】
前記電池の全厚が、約０．５〜６ｍｍであり、前記全厚が、前記電池の前記対向する側部の外側表面間の距離として定義される、請求項８に記載の電池。
【請求項１０】
電池の周囲の少なくとも一部分が、多角形である、請求項１に記載の電池。
【請求項１１】
電池の周囲の少なくとも一部分が、曲線状である、請求項１に記載の電池。
【請求項１２】
前記電池外表面の少なくとも一部分が、曲率を有する、請求項１に記載の電池。
【請求項１３】
前記外表面の少なくとも一部分が、複合曲率を有する、請求項１に記載の電池。
【請求項１４】
電池の外側から見たときに、前記電池外表面の一部分が、凸曲率を有し、前記外表面の別の部分が、凹曲率を有する、請求項１に記載の電池。
【請求項１５】
電池厚が、均一ではない、請求項１に記載の電池。
【請求項１６】
前記電池が、立方形である、請求項１に記載の電池。
【請求項１７】
前記電池が、剛構造である、請求項１に記載の電池。
【請求項１８】
負端子と正端子とを含む１次アルカリ電池であって、
前記電池の境界表面の少なくとも大部分を構成する１対の対向する側部をさらに含んでおり、前記対向する側部が、それらの間に短い電池寸法を画定しており、前記電池が、陽極アセンブリと陰極アセンブリとを含む積層構造を形成しており、前記陽極アセンブリが、亜鉛を含む陽極材料のためのハウジングを含んでおり、前記陰極アセンブリが、二酸化マンガンを含む陰極材料のためのハウジングを含んでおり、前記陽極ハウジング及び陰極ハウジングが、それぞれ、共通のユニットフレームを含んでおり、前記共通フレームが、前記陽極ハウジング及び陰極ハウジングそれぞれの少なくとも一部分を形成しており、前記共通フレームが、前記フレームの第１の側部に陽極キャビティを画定し、且つ前記フレームの反対側の第２の側部に陰極キャビティを画定する、内側周縁部を有しており、前記陽極材料が、前記フレームの第１の側部で前記陽極キャビティに挿入され、前記陰極材料が、前記フレームの反対側の第２の側部で前記陰極キャビティに挿入される、１次アルカリ電池。
【請求項１９】
陰極材料が、二酸化マンガンを含む固体と、前記固体との混合状態で水酸化カリウムを含む電解質水溶液とを含んでおり、陰極が、約４５％〜７０％の多孔性を持つ半固体である、請求項１８に記載の電池。
【請求項２０】
前記積層構造が、前記陽極材料と陰極材料との間にセパレータを有する、請求項１８に記載の電池。
【請求項２１】
前記陽極ハウジングが、電池の外表面境界に面するように前記共通フレームの前記第１の側部に結合された陽極集電板をさらに含んでおり、前記陽極材料が、前記陽極集電板と接触している、請求項１８に記載の電池。
【請求項２２】
前記陰極ハウジングが、電池の外表面境界に面するように前記フレームの前記反対側の第２の側部に結合された陰極集電板をさらに含んでおり、前記陰極材料が、前記陰極集電板と接触している、請求項１８に記載の電池。
【請求項２３】
電池の前記１対の対向する側部が、互いに平行である、請求項１８に記載の電池。
【請求項２４】
前記電池が、立方形である、請求項１８に記載の電池。
【請求項２５】
前記電池が、剛構造である、請求項１８に記載の電池。
【請求項２６】
前記電池の全厚が、約０．５〜６ｍｍであり、前記全厚が、前記電池の前記対向する側部の外側表面間の距離として定義される、請求項１８に記載の電池。
【請求項２７】
負端子と正端子とを含む１次アルカリ電池であって、
前記電池の境界表面の少なくとも大部分を構成する１対の対向する側部をさらに含んでおり、前記対向する側部が、電池厚を画定する短い電池寸法をそれらの間に画定しており、前記電池が、積層構造を形成するように１つに結合された陽極アセンブリと陰極アセンブリとを含んでおり、前記陽極アセンブリが、亜鉛を含む陽極とアルカリ電解質水溶液とを含んでおり、前記陰極アセンブリが、二酸化マンガンを含む陰極とアルカリ電解質水溶液とを含んでおり、前記陽極アセンブリが、前記陽極を収める陽極キャビティの境界を画定する内側周縁部と、陽極フレームの外側境界を画定する外側周縁部とを有する陽極フレームを含む、陽極ハウジングを含んでおり、前記陽極フレームが、前記周縁部を構成する前側部と反対側の後側部とを有しており、陽極集電板が、電池の外表面境界に面するように前記フレームの後側部に結合材によって結合されており、前記陽極が、前記陽極集電板の一部分と接触するように前記キャビティに挿入されており、陽極フレーム幅が、前記電池のための第１の細長い漏れブロック経路を提供するために少なくとも電池厚ほど広い幅であり、前記第１の電解質漏れブロック経路が、電解質が電池内部から外部環境に漏れる可能性を低減するために前記陽極フレームと前記陽極集電板との間に前記結合材によって画定される、１次アルカリ電池。
【請求項２８】
電池表面上の負端子接点部分及び正端子接点部分を露出させたまま、プラスチックフィルムラップが電池外部表面を覆って適用される、請求項２７に記載の電池。
【請求項２９】
前記プラスチックフィルムラップと電池外部表面との間に接着剤シーラントが存在する、請求項２８に記載の電池。
【請求項３０】
前記フィルムラップのバンドが、前記電池の短い寸法を構成する縁部の周囲に適用され、電池の前記縁部の少なくとも大部分を覆って熱収縮される、請求項２８に記載の電池。
【請求項３１】
プラスチックフィルムラップが、少なくとも第１及び第２のプラスチックフィルム層を含む、請求項２８に記載の電池。
【請求項３２】
電池表面と前記第１のプラスチックフィルム層との間に接着剤シーラントが存在する、請求項３１に記載の電池。
【請求項３３】
前記第１のプラスチックフィルム層と前記第２のプラスチックフィルム層との間に接着剤シーラントが存在する、請求項３２に記載の電池。
【請求項３４】
電池表面と前記第２のプラスチックフィルム層の少なくとも一部分との間に接着剤シーラントが存在する、請求項３２に記載の電池。
【請求項３５】
電池表面と前記第１のプラスチックフィルム層との間に接着剤シーラントが存在し、電池表面と前記第２のフィルム層の一部分との間に接着剤シーラントが存在し、前記第１のフィルム層と前記第２のフィルム層との間に接着剤シーラントが存在する、請求項３１に記載の電池。
【請求項３６】
第１及び第２のフィルム層が、それぞれ閉じたフィルムバンドの形態で適用されて、前記電池表面の少なくとも大部分を併せて被覆する役割を果たす、請求項３５に記載の電池。
【請求項３７】
第１及び第２のフィルム層が、それぞれ閉じたフィルムバンドの形態で適用されて、前記電池表面の少なくとも大部分を併せて被覆する役割を果たしており、前記フィルムバンドが、互いに直角を成す中央長手軸を有する、請求項３５に記載の電池。
【請求項３８】
前記第１のフィルムバンドが、前記電池の短い寸法を構成する縁部の周囲に適用され、電池の前記縁部の少なくとも大部分を覆って熱収縮されており、前記第２のフィルムバンドが、前記電池の対向する２つの側部の大部分を覆って横方向に適用され、前記第１のフィルムバンドの少なくとも一部を被覆するように熱収縮される、請求項３６に記載の電池。
【請求項３９】
前記バンドが、それぞれ前記電池を覆って熱収縮される、請求項３６に記載の電池。
【請求項４０】
電池表面と前記第１のフィルムバンドとの間の接着剤シーラント、電池表面と前記第２のフィルムバンドとの間の接着剤シーラント、及び前記第１のフィルムバンドと前記第２のフィルムバンドとの間の接着剤シーラントが、前記電池のための第２の電解質漏れブロック経路をもたらす、請求項３８に記載の電池。
【請求項４１】
前記第２の電解質漏れブロック経路が、前記陽極フレームの外側周縁部から前記負端子へと延びており、前記距離が、少なくとも電池厚ほどの長さである、請求項４０に記載の電池。
【請求項４２】
前記電池の全厚が、約０．５〜６ｍｍであり、前記全厚が、前記電池の前記対向する側部の外側表面間の距離として定義される、請求項２９に記載の電池。
【請求項４３】
前記第１及び第２の電解質漏れブロック経路が、併せて少なくとも電池厚の約１．５〜４倍の距離に及ぶ、請求項４２に記載の電池。
【請求項４４】
前記負端子接点を形成する電池表面上の露出面積が、電池設置面積の約１〜５％を成す、請求項２９に記載の電池。
【請求項４５】
前記電池が、立方形で、且つ剛構造である、請求項２９に記載の電池。
【請求項４６】
陰極が、二酸化マンガンを含む固体と、前記固体との混合状態で水酸化カリウムを含む電解質水溶液とを含んでおり、陰極が、約４５％〜７０％の多孔性を持つ半固体である、請求項２９に記載の電池。
【請求項４７】
陰極材料が、黒鉛化カーボンブラックをさらに含む、請求項４６に記載の電池。
【請求項４８】
陰極アセンブリが、陰極キャビティの境界を画定する内側周縁部と、陰極フレームの外側境界を画定する外側周縁部とを有する陰極フレームを含んでおり、前記陰極フレームが、前記周縁部を構成する第１の側部と反対側の第２の側部とを有しており、前記陰極アセンブリが、電池の外表面境界に面するように前記陰極フレームの反対側の第２の側部に結合された陰極集電板をさらに含んでおり、陰極材料が、前記陰極集電板と接触するように前記陰極キャビティに挿入される、請求項２９に記載の電池。
【請求項４９】
陽極及び陰極アセンブリが、それらの間のセパレータと共に積層構造を形成するように１つに接着結合される、請求項４８に記載の電池。
【請求項５０】
前記積層構造が、前記電池を形成しており、前記積層構造が、電池の内容物が前記構造内部に保持されるように接着封止される、請求項４９に記載の電池。
【請求項５１】
正端子が、陰極電流板と電気的に接続しており、負端子が、前記陽極集電板と電気的に接続している、請求項４９に記載の電池。
【請求項５２】
前記電池の前記対向する側部が、互いに平行である、請求項２７に記載の電池。
【請求項５３】
陽極集電板及び陰極集電板の少なくとも１つが、それぞれ陽極フレーム及び陰極フレームにリベット留めされる、請求項５０に記載の電池。
【請求項５４】
前記陽極フレーム及び陰極フレームが、電気絶縁材料から構成される、請求項５０に記載の電池。
【請求項５５】
前記陽極フレーム及び陰極フレームが、プラスチック材料を含む、請求項４９に記載の電池。
【請求項５６】
陽極集電板が、銅を含む、請求項２７に記載の電池。
【請求項５７】
陰極集電板が、炭素コーティングされた金属板を含む、請求項４８に記載の電池。
【請求項５８】
陰極集電板が、炭素コーティングされたニッケル板を含む、請求項４９に記載の電池。
【請求項５９】
陰極集電板が、ニッケル板を含む、請求項４８に記載の電池。
【請求項６０】
負端子と正端子とを含む１次アルカリ電池であって、
前記電池の境界表面の少なくとも大部分を構成する１対の対向する側部をさらに含んでおり、前記対向する側部が、それらの間に短い電池寸法を画定しており、前記電池が、積層構造を形成するように１つに結合された陽極アセンブリと陰極アセンブリとを含んでおり、前記陽極アセンブリが、亜鉛を含む陽極材料とアルカリ電解質とを含んでおり、前記陰極アセンブリが、二酸化マンガンを含む陰極材料とアルカリ電解質とを含んでおり、前記陽極アセンブリが、陽極キャビティの境界を画定する内側周縁部と、陽極フレームの外側境界を画定する外側周縁部とを有する陽極フレームを含んでおり、前記フレームが、前記周縁部を構成する前側部と反対側の後側部とを有しており、前記陽極アセンブリが、電池の外表面境界に面するように前記フレームの後側部に結合された陽極集電板をさらに含んでおり、陽極材料が、前記陽極集電板と接触するように前記陽極キャビティに挿入されており、前記陽極集電板が、前記陽極集電板に面する前記陽極フレームの後側部に沿って互いに並置された関係で設置された実質的に異なる接着剤である第１及び第２の接着剤を用いて、前記陽極フレームの幅に沿って結合される、１次アルカリ電池。
【請求項６１】
第１の接着剤が、前記陽極フレームの外側周縁部の最も近くに適用され、主に、前記陽極フレームと前記陽極集電板との間に構造強度を付与する構造用接着剤の役割を果たしており、第２の接着剤が、前記陽極フレームの内側周縁部のより近くに適用され、前記陽極フレームと前記陽極集電板との間の全体的な結合強度を改善する接着剤シーラントであり、またさらに電解質を密封するためのシーラントの役割も果たす、請求項６０に記載の電池。
【請求項６２】
前記第１の接着剤が、エポキシ及びＵＶ開始型アクリレート接着剤から成る群から選択され、前記第２の接着剤が、粘着性ポリアミド、官能化ポリエチレン接着剤、及びアスファルトから成る群から選択される、請求項６１に記載の電池。
【請求項６３】
前記電池の全厚が、約０．５〜６ｍｍであり、前記全厚が、前記電池の前記対向する側部の外側表面間の距離として定義される、請求項６０に記載の電池。
【請求項６４】
前記電池の全厚が、約１．５〜６ｍｍであり、前記全厚が、前記電池の前記対向する側部の外側表面間の距離として定義される、請求項６０に記載の電池。
【請求項６５】
前記電池が、剛構造である、請求項６０に記載の電池。
【請求項６６】
陰極が、二酸化マンガンを含む固体と、前記固体との混合状態で水酸化カリウムを含む電解質水溶液とを含んでおり、陰極が、約４５％〜７０％の多孔性を持つ半固体である、請求項６０に記載の電池。
【請求項６７】
陰極材料が、黒鉛化カーボンブラックをさらに含む、請求項６６に記載の電池。
【請求項６８】
前記陰極アセンブリが、陰極キャビティの境界を画定する内側周縁部と、陰極フレームの外側境界を画定する外側周縁部とを有する陰極フレームを含んでおり、前記フレームが、前記周縁部を構成する前側部と反対側の後側部とを有しており、前記陰極アセンブリが、電池の外表面境界に面するように前記フレームの後側部に結合された陰極集電板をさらに含んでおり、陰極材料が、前記陰極集電板と接触するように前記陰極キャビティに挿入されており、
前記陰極集電板が、前記陰極集電板に面する前記陰極フレームの後側部に沿って互いに並置された関係で設置された異なる接着剤である第１及び第２の接着剤を用いて、前記陰極フレームの幅に沿って結合される、請求項６０に記載の電池。
【請求項６９】
第１の接着剤が、前記陰極フレームの外側周縁部の最も近くに適用され、主に、前記陰極フレームと前記陰極集電板との間に構造強度を付与する構造用接着剤の役割を果たしており、第２の接着剤が、前記陰極フレームの内側周縁部のより近くに適用されており、前記第２の接着剤が、前記陰極フレームと陰極集電板との間の全体的な結合強度を改善する接着剤シーラントであり、またさらに電解質を密封するためのシーラントの役割も果たす、請求項６８に記載の電池。
【請求項７０】
前記第１の接着剤が、エポキシ及びＵＶ開始型アクリレート接着剤から成る群から選択され、前記第２の接着剤が、粘着性ポリアミド、官能化ポリエチレン接着剤、及びアスファルトから成る群から選択される、請求項６９に記載の電池。
【請求項７１】
前記陽極フレーム及び陰極フレームが、プラスチック材料を含む、請求項６８に記載の電池。
【請求項７２】
前記電池が、水酸化カリウム水溶液を含むアルカリ電解質を含む、請求項６０に記載の電池。
【請求項７３】
前記電池を形成する前記積層構造が、熱収縮性プラスチックフィルムで包まれる、請求項６０に記載の電池。
【請求項７４】
陽極集電板が、銅を含む、請求項６０に記載の電池。
【請求項７５】
陰極集電板が、炭素コーティングされた金属板を含む、請求項６７に記載の電池。
【請求項７６】
陰極集電板が、炭素コーティングされたニッケル板を含む、請求項６７に記載の電池。
【請求項７７】
陰極集電板が、ニッケル板を含む、請求項６７に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ほぼ薄板状の構成を有する、面積対厚さのアスペクト比が大きいウエファーアルカリバッテリに関する。本発明は、主態様では、陽極が亜鉛を含み、陰極が二酸化マンガンを含む、ウエファーアルカリバッテリに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のアルカリ電気化学電池は、亜鉛を含む陽極と、二酸化マンガンを含む陰極とを有する。電池は、通常、円筒形の外部ハウジングから形成される。新しい電池は、約１．６ボルトの開回路電圧（ＥＭＦ）を有し、中程度の供給状態（medium drain service）（１００〜３００ミリアンペア）において典型的な平均動作時電圧約１．０〜１．２ボルトを有する。円筒形ハウジングは、初めに拡大された開口端と反対側の閉止端とから形成される。電池内容物が供給された後、絶縁グロメットと負端子エンドキャップとを備えたエンドキャップアセンブリが、ハウジング開口端に挿入される。開口端は、ハウジング縁部を絶縁グロメットの縁部に被せて圧着し、絶縁グロメットの周りでハウジングを径方向に圧縮して緊密な封止をもたらすことによって閉じられる。絶縁グロメットは、負側のエンドキャップを電池ハウジングから電気的に絶縁する。反対側の閉止端のところで、電池ハウジングの一部分が正端子を形成する。
【０００３】
従来の円筒形アルカリ電池は、一般的に認識可能な様々なサイズ、すなわち、ＡＡＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、及びＤサイズ電池で入手可能である。同一出願人による米国特許出願第１０／７２２８７９号（２００３年１１月２６日出願）には、電池内容物が固体金属ケーシングに収められた薄板状電池が記載されている。該金属ケーシングは、閉止端と反対側の開口端とを有する一体型の主要表面を有する。電池内容物は、開口端に挿入され、次いで該開口端がエンドキャップで封止される。エンドキャップは、金属スカートと、プラスチック絶縁グロメットと、グロメット内に配置された金属支柱又はリベットを備えるように設計される。金属スカートは、絶縁グロメットの周りに圧縮され、グロメットは、金属支柱の周りに圧縮されて、両方の境界面に耐アルカリシールを形成する。次いで、エンドキャップアセンブリの金属スカートが溶接によって金属ケーシングに接合される。
【０００４】
望ましい電池厚が、より小さく、例えば約６ｍｍよりもはるかに小さくなっているので、そのような電池に陽極材料及び陰極材料を充填することがますます困難になっている。ゆえに、電池厚が約６ｍｍ未満、例えば約０．５ｍｍ〜６ｍｍ、望ましくは約１．５〜４ｍｍのときでも容易に製作して電池内容物で充填できる、扁平又は薄板状アルカリ電池が必要とされている。これによって、薄い角柱型のアルカリ電池が、薄いリチウムイオン電池のような薄い充電式電池によって通常は電力供給される小さい電子デバイス用の一次（非充電式）電源又はバックアップ電源として利用可能になる。また、電池化学及び内部構成要素の適切な調節によって、薄い充電式アルカリ電池を構築することもできる。近年、携帯型ラジオ、オーディオプレイヤー、及び通信デバイスなどの多くの電子デバイスが、より小さく、且つより薄くなっている。ゆえに、そのような小さい電子デバイスで使用するための、全厚の小さい、薄い薄板状のウエファー電池が必要とされている。
【０００５】
１次アルカリ電気化学電池には、通常、亜鉛陽極活物質、アルカリ電解質、二酸化マンガン陰極活物質、電解質透過性セパレータフィルム、通常はセルロース又はセルロース繊維若しくはポリビニルアルコール繊維のフィルムが含まれる。陽極活物質には、例えば、カルボキシメチルセルロースナトリウム又はアクリル酸コポリマーのナトリウム塩のような従来のゲル化剤及び電解質と混合された、亜鉛粒子を含めることができる。ゲル化剤は、亜鉛粒子を懸濁させ、且つそれらを互いに接触した状態に維持する働きをする。通常、陽極活物質に挿入された導電性金属の爪は、負端子エンドキャップに電気的に接続された陽極集電体の役割を果たす。電解質は、アルカリ金属水酸化物、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、又は水酸化リチウムの水溶液にすることができる。陰極には、通常、電気伝導度を高めるために、導電性添加物、通常はグラファイト材料と混合された電気化学的活物質として粒子状二酸化マンガンが含まれる。所望により、少量のポリマー結合剤、例えば、ポリエチレン結合剤、及びチタン含有化合物のような他の添加物を、陰極に加えることもできる。
【０００６】
陰極で使用される二酸化マンガンは、好ましくは、硫酸マンガン及び硫酸の液槽の直接電気分解によって製造される、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）である。ＥＭＤは、高密度且つ高純度であるので望ましい。ＥＭＤの電気伝導度（１／固有抵抗）は、かなり低い。個々の二酸化マンガン粒子間の電気伝導度を改善するために、導電性材料が陰極混合物に添加される。そのような導電性添加物は、また、二酸化マンガン粒子と、従来の円筒形アルカリ電池では陰極集電体の役割も果たす電池ハウジングとの間の電気伝導度を改善する。適した導電性添加物には、例えば、アセチレンブラックを含めたカーボンブラックなど、グラファイト、グラファイト状材料、導電性炭素粉末を含めることができる。好ましくは、導電性材料は、薄片状結晶の天然グラファイト、若しくは薄片状結晶の合成グラファイト、或いは膨張若しくは剥離グラファイト又はグラファイト状炭素ナノ繊維、及びこれらの混合物を含む。
【０００７】
現在、ＭＰ３オーディオプレイヤー及びミニディスク（ＭＤ）プレイヤーのような小さな電子デバイスに電力供給するために使用される、小さいサイズの方形の充電式バッテリが利用可能である。これらのバッテリは、通常は小さく、幾分チューインガムのパックのサイズの、方形（直方体）である。本明細書で使用するとき、用語「直方体（cuboid）」は、その通常の幾何学的定義、すなわち、「方形の平行六面体」を意味するものとする。そのようなバッテリは、例えば、国際電気標準会議（ＩＥＣ）によって規定された該バッテリについての標準サイズに従って、充電式ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）サイズＦ６又は７／５Ｆ６サイズの直方体の形態をとることができる。Ｆ６サイズは、厚さ６．０ｍｍ、幅１７．０ｍｍ、長さ３５．７ｍｍ（ラベルを含まない）である。長さを約４８．０ｍｍほどの大きさにすることができる、Ｆ６サイズの変形形態がある。７／５−Ｆ６サイズは、厚さ６．０ｍｍ、幅１７．０ｍｍ、長さ６７．３ｍｍである。ＭＰ３オーディオプレイヤー又はミニディスク（ＭＤ）プレイヤーのような小型のデジタルオーディオプレイヤーに電力供給するために使用されるときには、Ｆ６又は７／５Ｆ６  ＮｉＭＨ充電式バッテリの平均動作時電圧は、約１．０〜１．２ボルト、通常約１．１２ボルトである。
【０００８】
ミニディスク（ＭＤ）プレイヤーに電力供給するために使用されるときには、バッテリは、約２００〜２５０ミリアンペアの割合で消耗する。デジタルオーディオＭＰ３プレイヤーに電力供給するために使用されるときには、バッテリは、通常約１００ミリアンペアの割合で消耗する。
【０００９】
小さいサイズの直方体形（方形平行六面体）ニッケル金属水素化物バッテリと同じサイズ及び形状の小さい扁平なアルカリバッテリがあることが望ましく、それによって、ミニディスク又はＭＰ３プレイヤーのような小さい電子デバイスに電力供給するために、その小さいアルカリサイズバッテリをニッケル金属水素化物バッテリと交換可能に使用できるようになる。
【００１０】
また、前述したように、全厚が６ｍｍ未満、例えば、約０．５〜６ｍｍ、好ましくは約１．５〜４ｍｍのウエファーアルカリ電池があることも望ましい。
【００１１】
ウエファー電池が、電解質漏れの可能性を最小限に抑える、又は大幅に低減するように設計されることが望ましい。参考文献、Ｍ・ハル（M.Hull）、Ｈ・ジェイムズ（H.James）、「アルカリ電池は何故漏れるか（Why Alkaline Cells Leak）」、電気化学会雑誌（Journal of the Electrochemical Society）、第１２４巻、第３号、１９７７年３月、３３２〜３２９頁）、並びにＳ・デイヴィス（S.Davis）、Ｍ・ハル（M.Hull）、「アルカリ電池漏れの側面（Aspects of Alkaline Cell Leakage）」、電気化学会雑誌（Journal of the Electrochemical Society）、第１２５巻、第１２号、１９７８年１２月）では、吸着された水分の存在下で、外部電池負端子上で大気中の酸素が電気化学的に還元されてＯＨ−イオンを形成する観点から、アルカリ電池漏れの一側面が説明されている。次いで、これら電気化学的に発生したＯＨ−イオンは、Ｋ（Ｈ２Ｏ）ｘ＋又はＮａ（Ｈ２Ｏ）ｘ＋のような水和した正イオンを引き付ける。Ｋ（Ｈ２Ｏ）ｘ＋又はＮａ（Ｈ２Ｏ）ｘ＋イオンは、電池内部で発生し、負のシール表面をまたいで電池外部へと移動して、水分を吸着したフィルム内の電気的中性を維持する。これは、ＫＯＨ又はＮａＯＨ電解質を電池内部から端子表面へと引き寄せる傾向にあり、したがって、そのような電解質の電池内部から端子表面への移動（migration）又は沿面移動（creepage）を事実上促進する。
【００１２】
また、そのような薄いウエファー電池が、電力消費の大きいデバイス用の長寿命電源として役立つように十分な活物質を含有することも望ましい。したがって、薄いことに加えて、ウエファー電池は、また、かなりの割合でかなりの時間にわたって電気エネルギーを供給するための十分な活物質を含有するように、投影面積及び十分に大きい内部容積を有するべきである。
【００１３】
以下の議論では、ウエファー電池は、薄い薄板状の単電池を意味するものとする。電池は、その表面のうちの１つ以上が、平らな表面、又は湾曲した表面若しくはランダムに歪んだ表面であってよい。電池は、均一な厚さであってよく、又はその厚さが地点によって異なってもよい。電池は、任意の点、軸、若しくは平面に関して対称又は非対称であってよい。電池の「設置面積」は、電池の可能な向きすべてが考慮されているときに、任意の平面上の電池の最大直交投影面積として定義される。
【００１４】
電池の縁部とは、外表面であり、そのうちの１つ以上が、電池の形状に応じて厚さ寸法を構成することになる。厚さが一定でない電池の場合、厚さは、いずれか所与の点で最大値をもつことになる。電池の面とは、該電池の設置面積を画定し、且つ名目上垂直な厚さ軸を有する、一外表面である。電池が扁平で均一な厚さの場合、どの面の面積も電池設置面積に等しくなる。電池が湾曲している、若しくは不均一な厚さである、又はその両方である場合、どの面の面積も、電池設置面積に合致する、又はそれを上回る可能性がある。同様に、電池の縁部は、均一な厚さである必要はない。
【００１５】
そのようなウエファー電池が、例えば側部のうちの少なくとも１つが多角形、或いは円形、卵形、又は少なくとも部分的に曲線状である、様々な全体形状及びサイズに一致するように、容易に製造されることが望ましい。
【００１６】
ゆえに、６ｍｍ未満の小さい電池厚であっても電池内容物の容易な挿入が可能なように、かかるウエファー電池を容易に製造されるようにすることが望ましい。ウエファー電池は、さらに、発生したガスによる内圧に耐え、機械的誤用及び取扱いによる損傷を起こさず、シール不具合に起因した電解質漏れを回避するように、十分に頑丈で耐久性がなければならない。
【００１７】
本発明の主態様は、１次又は２次ウエファーアルカリ電池を対象とする。該ウエファー電池は、電気的エネルギー源の役割を果たすように設計され、負端子及び正端子と、前記電池の境界表面の少なくとも大部分を構成する１対の対向する側部とを含む。対向する側部は、いずれかの地点でそれらの間に平均短電池寸法（厚さ）を画定する。該電池は、積層構造を形成するように１つに結合された陽極アセンブリと陰極アセンブリとを含む。
【００１８】
一態様では、電池を、その中の導電性要素と非導電性要素との間に様々なシール境界面を含んだ、ほぼ薄板状の構成にすることができる。アルカリ電解質に対して耐性のあるシーラントが、これらの境界面内に配置される。シーラントを含むシール境界面は、機械的な設計特徴によって、又は構造用接着剤を用いて、剥離力及び剪断力から保護される。電池内部から２つの電池端子のいずれかへの潜在的漏れ経路が、確実にバッテリ厚さ寸法よりもかなり大きくなるようにするために、新規の電池設計及び上包み（over-wrap）設計が使用される。
【００１９】
主態様では、本発明のウエファーアルカリ電池は、亜鉛を含む陽極と、二酸化マンガンを含む陰極と、アルカリ電解質、好ましくは水酸化カリウム水溶液とを有する。ただし、ウエファーアルカリ電池は、他の活物質の陽極及び陰極を有してよく、また、他のアルカリ電解質が可能である。例えば、陽極は、亜鉛、カドミウム、又は水素貯蔵合金（metal hydride alloy）を含んでよく、陰極は、二酸化マンガン、オキシ水酸化ニッケル、酸化銀（Ａｇ２Ｏ若しくはＡｇＯ、単独若しくは混合で）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化銀銅（silver copper oxide）（ＡｇＣｕＯ２若しくはＡｇ２Ｃｕ２Ｏ３、単独若しくはそれらの混合で、又はＭｎＯ２との混合で）を含んでよい。以上に列挙した陽極材料は、それぞれ、以上に列挙した陰極材料それぞれと組み合わせることができる。アルカリ電解質は、電解質が電池内部から移動する傾向を低減する、水酸化ナトリウム、又は水酸化ナトリウムと水酸化カリウムとの混合物を含んでよい。ウエファー電池は、また、充電式バッテリの形態であってもよい。
【００２０】
陽極アセンブリ内又は陰極アセンブリ内にはセパレータ層が含まれており、そのセパレータ層は、イオン透過性のフィルム、膜、又は不織布であってよい。別の方法として、セパレータ層は、陽極アセンブリと陰極アセンブリとの間に位置してもよく、また一部の実施形態では、陽極アセンブリと陰極アセンブリとの合わせ面によって形成されたシール領域の一部分に突き出てもよい。
【００２１】
特定の実施形態では、電池は、直方体形である。電池は、薄い厚さでよく、例えば、約０．５〜６ｍｍ、例えば約１．５〜６ｍｍ、通常は約１．５〜４ｍｍである。
【００２２】
本発明の主態様では、陽極アセンブリは、前記陽極のためのハウジングを含み、陰極アセンブリは、前記陰極のためのハウジングを含む。セパレータ層は、反対側のアセンブリに面するように陽極アセンブリ若しくは陰極アセンブリ内に配置されてよく、又は、セパレータは、これら２つのアセンブリの間に配置されてよい。陽極アセンブリ及び陰極アセンブリは、好ましくは、陽極活物質と陰極活物質との間に位置するセパレータとともに接着結合されて、耐久性のある、好ましくは堅い、小型の積層構造を形成する。
【００２３】
本発明の一態様では、陽極アセンブリの一部を形成する陽極ハウジングは、陽極キャビティの境界を画定する内側周縁部を有する、好ましくは耐久性プラスチック製の陽極フレームを含む。フレームは、前記周縁部に沿って前側部と反対側の後側部とを有する。陽極集電板は、電池の外表面境界に面するように、フレームの後側部に結合される。陽極材料は、前記陽極集電板と接触するように、前記陽極キャビティに挿入される。集電板は、導電性であり、好ましくは金属、好ましくは、銅、黄銅、青銅、スズ、若しくは亜鉛、又は、亜鉛、スズ、銀、インジウム、若しくはビスマスでめっきされた銅若しくは黄銅、又はこれらの金属の組み合わせである。
【００２４】
陰極アセンブリの一部を形成する陰極ハウジングは、陰極キャビティの境界を画定する内側周縁部を有する、好ましくは耐久性プラスチック製の陰極フレームを含む。フレームは、前記周縁部に沿って前側部と反対側の後側部とを有する。陰極集電板は、電池の外表面境界に面するように、フレームの後側部に結合される。陰極材料は、前記陰極集電板と接触するように、陰極キャビティに挿入される。陰極集電板は、好ましくはニッケル、ニッケルめっき鋼、又は炭素コーティングされた金属板であり、好ましくは、炭素コーティング若しくは炭化されたニッケル板である。或いは、陰極集電板は、ニッケルでめっき又は被覆された、冷延鋼製であってよい。ニッケルに炭素を重ねてもよく、又はコバルト層を重ね、次いでそのコバルトの上に炭素層を重ねてもよい。他の実施形態では、陰極集電体に炭素を重ね、次いで炭素含有塗料でコーティングしてもよい。
【００２５】
他の態様では、別個の陽極フレーム及び陰極フレームの代わりに単一のフレームを使用してもよい。そのような実施形態では、好ましくはプラスチック製の単一フレーム構成には、陽極材料及び陰極を単一フレームの両側に詰め入れることができ、個々のフレームを１つに結合する必要が避けられるという利点がある。
【００２６】
本発明の積層ウエファー電池構造の利点は、非常に小さいサイズ、例えば１ｃｍ２から、非常に大きいサイズ、例えば６００ｃｍ２までに及ぶ、事実上あらゆる設置面積の、ただし全厚が小さい、例えば約１．５〜６ｍｍ、通常約１．５〜４ｍｍの電池を、容易に製作できることである。電池厚は、さらに小さくすることができ、例えば、約０．５ｍｍほどの薄さにすることができる。したがって、電池を、全厚の小さい電子デバイスのキャビティに容易に嵌め込むことができる。積層電池構造の他の利点は、事実上あらゆる所望の全体形状、例えば、多角形、卵形、円形、曲線状、又は一部が多角形で一部が曲線状の形状にも作製できることである。本発明の積層電池は、耐久性があり、緊密に結合されるので、高湿／低湿の、高温／低温の気候及び雰囲気に曝すことができ、それでも電解質漏れを起こさない。
【００２７】
本発明のウエファー電池では、電解質漏れの可能性が３つの方法によって低減される。
１）電池内部と陽極集電板及び陰極集電板との間に、非常に緊密に結合された、本質的に電解質不透過性のシールを作り出すことによる方法。
２）電池内の電解質が電池から脱出するために通らなければならない、非常に長い曲がりくねった経路（漏れブロック経路）を作り出すことによる方法。全漏れブロック経路は、フレーム幅に、フレームの外縁部から露出した電池端子までの距離を加えた合計から成る。
３）露出した外部負接点の表面積を最小限まで削減し、それによって外部負接点表面上での全体的なＯＨ−発生速度を低減することによる方法。
【００２８】
電解質漏れ低減方法１に関して、緊密に結合された電解質不透過性シールは、本発明のウエファー電池では、好ましくは、フレーム縁部と陽極集電板及び陰極集電板それぞれの縁部との間に段階的な接着剤シールを用いて達成される。段階的シールは、集電板をそれぞれのフレームに結合するためにプラスチックフレームの縁部に沿って並置された（隣に並べられた）配置で、異なる接着剤の少なくとも２つのコーティングを含む。外側の接着剤コーティングは、好ましくはエポキシのような構造型接着剤である。そのような接着剤は、積層電池構成に構造強度を付与する。内側のコーティングは、好ましくは接着剤シーラントであり、これは、例えば、ポリアミド若しくは官能化ポリエチレン、又はアスファルト溶液であってよい。そのようなシーラントコーティングは、全体的な結合を改善するが、その主要な機能は、電解質を密封することである。別の方法として、構造用接着剤に加えて、又は構造用接着剤の代わりに、リベットを使用することもでき、リベット間のフレームの部分にシーラントコーティングを適用することができる。
【００２９】
電解質漏れ低減方法２に関し、これは、電解質が電池内部から外部環境に漏れる可能性を低減するために、長さを増大させた、又は比較的長い妨害経路を設けるものである。この点において、いずれかの活性電極の縁部からそれに対応するバッテリ外部の端子接点まで測定される潜在的な漏れ経路の長さを、全体的な電池厚よりもかなり大きくなるように設定することが望ましいことがわかった。本明細書の好ましい実施形態では、潜在的な漏れ経路（漏れブロック経路）とバッテリ厚との比は、１．５よりも大きく、より好ましくは２よりも大きい。
【００３０】
これは、別々に、又は協働する形で採用できる、異なる２つの手段によって達成される。
【００３１】
第１の手段では、プラスチックフレームの幅が第１の漏れブロック経路Ａを提供する。プラスチックフレームの幅（漏れブロック経路Ａ）は、フレームの内側周縁部（バッテリ活物質及び電解質と接触している）からその外側周縁部まで測定され、ほぼ電池の厚さ寸法ほどの長さ、又はそれよりも長くなるように設定すべきである。ゆえに、厚さ３ｍｍ（１／８”）の電池では、フレームの幅（Ａ）は、望ましくは約３ｍｍ（１／８”）以上である。漏れを防止するためにフレーム幅（漏れブロック経路Ａ）を最大限まで増大させることが望ましいが、これが、電池内の活物質に利用可能な内部容積を犠牲にすることになることが認識されよう。したがって、所与の電池設置面積（陽極フレーム若しくは陰極フレームの面に平行又はほぼ平行な電池側部）について、妥当な量の活物質を電池に詰め込むことのできる、フレーム幅の上限が存在する。
【００３２】
第２の手段では、プラスチックフレームの露出した縁部すべてと、さらに２つの導電性エンドプレート（集電板）の表面の大部分（フレームの外側周縁部からある距離に位置する、各エンドプレート上の小さい端子接点領域だけは除く）とを含めて、電池の外部表面が、望ましくは、シーラントによって電池の外部表面に接着されたプラスチックフィルムで覆われる。好ましい実施形態では、露出した接点、例えば負接点が、フレームのすべての外縁部から可能な最大距離のところで導電性エンドプレート上に配置される。したがって、少なくとも電池厚と同程度の長さの、陽極フレームの外側周縁部から露出した負接点までの距離Ｂが画定される。距離Ｂは、第２の電解質漏れブロック経路（ブロック経路Ｂ）の長さを画定する。好ましくは第１及び第２の重ね合わされた収縮フィルムラップバンドを含み、好ましくはそれらのラップ間及び第１のラップと電池表面との間にシーラントを有するフィルムラップが、距離Ｂを横切っている。第１のフィルムバンドと電池との間のシーラント及び２つのフィルムバンド間のシーラントは、優れた電解質ブロック特性の達成に役立ち、経路Ｂに沿って電解質が漏れる可能性を防ぎ、又は大きく遅延させる。第１のプラスチック収縮ラップは、好ましくは、電池の周囲（縁部）の周りに適用された、プラスチックチュービングのフィルムバンド（周囲バンド）である。未収縮のバンドの中心軸は、厚さ方向に平行に向けられている。収縮後、このバンドは、すべての縁部と導電性エンドプレートのかなりの部分とを含めた、シーラントを支承する外部表面の大部分を覆って接着される。電池端子接点領域は除く（剥き出しのままにする）。したがって、潜在的な漏れ経路は、さらに、フレームの外側周縁部から電池端子の近傍に向かって延長される。
【００３３】
第２のプラスチック収縮ラップ、好ましくはプラスチックチュービングのフィルムバンド（横バンド）が、第１のバンドに対して直角に電池に適用される。未収縮のバンドの中心軸は、厚さ寸法に対して垂直に向けられている。第２の収縮ラップ（横バンド）は、密接に収縮されて、残りの露出表面の大部分を被覆する。横バンドには、外側の金属エンドプレート上の、シーラントが存在しない接点領域と位置合わせされた、穿孔された又は切り抜かれた小さい穴が設けられていて、電池端子を露出させる。第１及び第２の収縮ラップバンド（周囲バンド及び横バンド）は、併せて、電池端子を除いた電池の外部表面全体を被覆する。
【００３４】
耐漏れ性をさらに高めるために、第２の横バンドを適用する前に、第１の収縮ラップバンド（周囲バンド）の外部表面を追加シーラントでコーティングし、それによって第１のバンド（周囲バンド）の外部と第２のバンド（横バンド）との間にシールをもたらしてもよい。これによって、確実に、漏れた電解質に残っている出口点が、露出した電池接点だけになる。
【００３５】
１つに結合された別個の陽極フレーム及び陰極フレームが存在する場合、本明細書で言及する第１の電解質漏れブロック経路（ブロック経路Ａ）を、陽極フレーム周縁部の幅、すなわち、フレーム内の中空スペースを取り囲むフレーム縁部の幅と等しい長さを有するものとして定義することができる。（ただし、類推により、電池の陰極側では陰極フレームの幅が第１のブロック経路Ａを決定することが理解されよう。）陽極材料と陰極材料との両方を収める単一の共通フレームが存在する場合、第１の電解質漏れブロック経路（ブロック経路Ａ）は、この共通フレームの縁部の幅と等しい長さを有するものとして定義される。前述した第２の電解質漏れブロック経路（ブロック経路Ｂ）は、陽極フレームの外側周縁部境界から電池表面上の露出した負接点までの距離として測定される。総電解質漏れブロック経路Ａ＋Ｂは、望ましくは電池厚の少なくとも約１．５〜４倍であり、非常に大きい設置面積を有する電池ではさらに大きくなり得る。
【００３６】
漏れ低減方法３に関し、これは、電池設置面積の総面積に比べ、外部の負接点の面積を最小限に抑えることによって達成される。ゆえに、シーラント及び収縮プラスチックフィルムを使用して、負接点の外部表面のできる限り多くを被覆することによって、露出した接点面積と電池設置面積との比が最小限に抑えられる。好ましくは、この比は、５％未満（設置面積１ｃｍ２〜１４．５ｃｍ２の電池の場合）、より好ましくは１％未満（設置面積１４．５ｃｍ２〜６０３ｃｍ２の電池の場合）、最も好ましくは０．１％未満（設置面積６０３ｃｍ２以上の電池の場合）である。
【００３７】
ここに記載の配置は、正方形、長方形、多角形、円形、若しくは楕円形のような様々な形状、及び平らでも湾曲していてもよい表面を有する、本発明のウエファー電池に適用可能である。
【００３８】
全漏れ経路は、フレーム幅に、フレームの外縁部から電池端子までの距離を加えた合計から成る。本発明の好ましい実施形態では、全漏れ経路は、電池の厚さ寸法の少なくとも２倍である。より好ましくは、全漏れ経路は、電池の厚さ寸法の少なくとも３倍であり、最も好ましくは、全漏れ経路は、電池の厚さ寸法の少なくとも４倍である。電池外部をシーラント及び収縮プラスチックフィルムで被覆することによって、潜在的な漏れ経路は、さらに、フレームの外側周縁部から電池端子まで延長される。本明細書に開示の設計原理を用いると、非常に面積の大きい、例えば、２１．６ｃｍ×２７．９ｃｍ若しくは６０３ｃｍ２（約８．５ｉｎ×１１ｉｎ若しくは９３．５ｉｎ２）又はそれ以上の面積の、薄いアルカリ電池を構築することができる。
【００３９】
本発明の代表的なウエファーアルカリ電池１０を図１に示す。図１の実施形態では、電池は、隅角部が丸み付けされた、全体的に方形の形状をしている。電池１０は、電池の主要部を形成する２つの対向する方形薄板状表面２０’及び８０’と、それらの間にある２対の対向する方形端面とを有しており、その１対が端面１１０ａ、１１０ｂであり、第２の対が端面１１０ｃ及び１１０ｄである。対向する薄板状表面２０’及び８０’は、好ましくは互いに平行である。図１に示したように、対向する端面１１０ａ及び１１０ｂは、好ましくは互いに平行であり、対向する端面１１０ｃ及び１１０ｄは、好ましくは互いに平行である。ゆえに、電池１０は、隅角部が丸み付けされた直方体（方形平行六面体）の形状である。
【００４０】
対向する薄板状表面２０’及び８０’が、他の形状、例えば多角形であってもよく、また円形若しくは楕円形であってもよく、様々な表面積の、曲線状の周囲、又は一部が曲線状の周囲であってもよいことが理解されよう。したがって、本発明は、方形電池だけに限定されるものではない。対向する薄板状表面２０’及び８０’は、平行でなくてもよい。ゆえに、望むなら、電池は、変化する厚さであってよい。対向する薄板状表面２０’及び８０’は、平らでなくてもよい。ゆえに、望むなら、電池は、一定又は変化する厚さで、単一曲率又は２重曲率をもつことができる。単一曲率の電池は、例えば、図９Ｂ及び９Ｃに示されている。図９Ｂでは、電池は、上面２０’から見下ろしたときに、内側に湾曲している（凹面）。図９Ｃでは、電池は、上面２０’から見下ろしたときに、外側に湾曲している（凸面）。図９Ｃでは、電池は、また、一端１１０ａでは、反対側の端部１１０ｂよりも薄い。また同様に、端部１１Ｏａでの電池の幅は、反対側の端部１１０ｂでの幅とは異なるものであってよい。図９Ｃでは、電池の幅は、端部１１０ａでは、反対側の端部１１０ｂでの幅よりも小さい。電池表面は、また、多重曲率の表面であってもよい。図９Ａでは、２重（鞍状（saddle））曲率の電池が示されている。
【００４１】
例えば図１Ａに示したように、電池の薄板状構造が形成された後、１つ以上のプラスチックフィルムバンドを電池の表面に適用することができる。バンドは、好ましくは熱収縮性プラスチック材料製であり、望ましくはポリ塩化ビニルフィルム製である。図８Ａに示したように、電池端子接点領域２５及び２６を除いた電池の外側が、初めに、シーラント１２０（後述する接着剤シーラントＢ）の第１の外層で被覆される。次いで、第１の熱収縮ラップ、すなわち、収縮プラスチックの周囲フィルムバンド２１０が、電池の周縁部の周りに適用される（図８Ｂ）。バンド２１０は、好ましくは、中空の内部２１２を画定する閉じた主要表面２１１から形成される。フィルムバンド２１０が電池の表面上に熱収縮されると、フィルムバンド２１０の主要部２１１は、電池表面上に折り重なり、第１の外側シーラント層１２０に付着する（図８Ｃ）。シーラント１２０の一部分は、端子接点領域２５を除く中央部（図８Ｃ）で露出したままである。外側シーラント１２１（後述する接着剤シーラントＢ）の第２の層が、周囲の収縮プラスチックバンド２１０の外表面に適用される、ただし、電池の周縁部では所望により該シーラント１２１を省略してもよい。次いで、第２の熱収縮ラップ、すなわち、収縮プラスチックの横フィルムバンド２２０が、収縮プラスチックの周囲バンド２１０に垂直に適用されて、残りの露出した薄板状表面２０’及び８０’を被覆する。横フィルムバンド２２０が電池表面上に熱収縮されると、該フィルムバンドは、第２のシーラント層１２１と接触する。したがって、横バンド２２０は、周囲バンド２１０を覆って適用された第２のシーラント層１２１に接着する。横バンド２２０は、また、薄板状表面２０’及び８０’に適用された、ただし収縮プラスチックの周囲バンド２１０によって覆われていなかった、第１のシーラント１２０の露出部分（図８Ｃ）にも接着する。横バンド２２０には、薄板状表面２０’上の端子接点領域２５を露出させる穴２２２と、薄板状表面８０’上の反対側の端子接点領域２６を露出させるバンド２２０の反対側の面上の同様の穴（図示せず）とが設けられている。例えば図２に示した特定の実施形態では、端子接点領域２５は、電池の負端子を提供し、反対側の接点領域２６は、正端子を提供する。横バンド２２０が周囲バンド２１０上に収縮した後で、該横バンド２２０の小さい部分が、バンド２２０の開口端のところに小さい孔又は窓２２４をもたらす。下層の周囲バンド２１０の小さい部分が、窓２２４を通じて露出した状態で示されている（図８Ｅ）。
【００４２】
好ましくは、電池１０の全厚は、小さく、例えば約０．５〜６ｍｍ、例えば約１．５〜６ｍｍ、より典型的には約１．５〜４ｍｍである。
【００４３】
電池１０（図１）の具体的な構成は、図１Ａに切欠図で、図２及び図３にそれぞれ縦断面図及び横断面図で示されている。電池１０は、初めにアセンブリ３０Ａ（図４Ａ）のような陽極アセンブリを形成し、次いでアセンブリ７０Ａ（図４Ｂ）のような陰極アセンブリを形成することを特徴とする。次いで、陽極アセンブリ３０Ａ及び陰極アセンブリ７０Ａが、好ましくは接着剤によって互いに結合されて、完成した電池を形成する。完成した電池は、好ましくはシーラントでコーティングされ、好ましくはポリ塩化ビニル製の熱収縮性プラスチックフィルム２００で、好ましくは２回包まれる。プラスチックフィルム２００に熱が加えられて、電池のラベルを形成する。他の種類の外側フィルムラップ２００、例えば、接着剤コーティングされたプラスチックフィルム、及び熱収縮性ポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを使用することができる。前述したように、外側フィルムラップ２００は、好ましくは２重ラップを含み、すなわち、電池の周縁部の周りに適用された第１のフィルムバンド２１０と、第１のフィルム２１０を覆って横方向に適用された第２のラップ２２０とを含む。
【００４４】
接着剤又はシーラントは、様々な構成要素に好ましい位置でコーティング又は適用される。接着剤及びシーラントの一般的な種類について説明し、特に好ましいものを指定する。ただし、特定の接着剤及びシーラントの代替が可能であることが理解され、したがって、本発明を本明細書に提示のものだけに制限しようとするものではない。本明細書に記載のウエファー電池１０の実施形態を形成する際に使用される接着剤／シーラントには、３つの種類がある。
【００４５】
接着剤Ａ：これは、主に、結合される構成要素に保持強度を付与する、構造用接着剤である。接着剤Ａにエポキシ系接着剤を使用することが好ましい。好ましいエポキシ接着剤は、例えば、３Ｍ社（3M Company）から２２１６の商品名で入手可能な２成分エポキシから成るものであってよい。また、単成分の、３Ｍから非金属充填エポキシ２２１４（non-metallic filled epoxy 2214）の商品名で入手可能な熱活性型エポキシ、又は３ＭからＬＣ−１２１１の商品名で入手可能なＵＶ開始型アクリレート接着剤、又は３ＭからＡＦ−１１１  スコッチウェルドフィルム接着剤（AF-111 Scotch-Weld film adhesive）の商品名で入手可能なフィルム接着剤であってもよい。
【００４６】
接着剤シーラントＢ：これは、構成要素を１つに結合させるのに役立ち、また同時にシーラントの役割も果たす、すなわち、アルカリ電解質を密封し、且つその透過を妨害する働きをする、粘着性接着剤である。接着剤シーラントＢは、好ましくは、粘着性ポリアミドを含む溶剤系溶液として適用される。或いは、シーラントＢは、グラフト側基（grafted side groups）をもつポリエチレンである、官能化ポリエチレンを含んでもよい。好ましい官能化ポリエチレン接着剤シーラントは、中国のハルビン・レナウン・テック社（Haerbin Renown Tech.Co.Ltd.）から商標名Ｊ−４３接着剤（J-43 adhesive）として入手可能である。或いは、アスファルトであってもよい。ポリアミド樹脂を含む溶剤系溶液の形態をした好ましいシーラントＢは、スペシャルティ・ケミカルズ社（Specialty Chemicals Co.）から商品名スペックシール（Specseal）として販売されている。粘着性ポリアミド樹脂を含む他の好ましい溶剤系溶液は、商標名ＲＥＡＭＩＤ−１００及びＶＥＲＳＡＭＩＤ−１００として入手可能である（ヘンケル社（Henkel Corp.）又はコグニス社（Cognis Corp.）から）。そのような接着剤構成成分は、望ましくは低分子量の熱可塑性ポリアミド樹脂である。好ましいポリアミド樹脂は、商標名ＲＥＡＭＩＤ−１００及びＶＥＲＳＡＭＩＤ−１００として入手可能である（ヘンケル社（Henkel Corp.）又はコグニス社（Cognis Corp.）から）。これらの樹脂は、室温でゲルであって、分子量約３９０の二量体化脂肪酸であり、且つ二量体化脂肪酸とジアミンとの反応生成物である。より高分子量のポリアミド系接着剤構成成分を使用できるが、低分子量の構成成分は、選択される好ましい溶剤中により容易に溶解するので好ましい。接着剤構成成分は、所望の粘度になるように溶剤に溶解される。イソプロパノール又はトルエンのような様々な溶剤、並びに溶剤の混合物を使用することができる。好ましくは、取扱時に比較的無害な性質であるので、イソプロパノールが溶剤として使用される。ポリアミドは、水酸化カリウム電解質による化学的侵食に耐えるという、さらなる利点を有する。ジェットスプレー方法を含めた従来のスプレーコーティング技術を使用して、接着剤を電池構成要素に適用することができる。接着剤は、電池のポリマー構成要素の所望の表面間、電池の金属構成要素の表面間、又は電池のポリマー構成要素の表面と電池の金属構成要素の表面との間に接着剤シールをもたらすように適用することができる。
【００４７】
接着剤Ｃ：この接着剤は、主に、同一又は類似のプラスチック材料製の２つのプラスチック構成要素を結合させるために使用される。したがって、好ましい接着剤は、やはり、結合されているプラスチック材料と同一のポリマーベースを有する。例えば、結合されているプラスチック材料が耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）である場合、好ましい接着剤は、やはりポリスチレン接着剤樹脂を含有する。そのような接着剤は、適した溶剤に溶解した接着剤樹脂を含む溶剤系溶液の形態で便利に適用することができる。
【００４８】
本発明の特定の実施形態について記載する際、特に指示のない限り、接着剤は、以上で指定した接着剤Ａ、Ｂ、又はＣを参照することによって与えられる。
【００４９】
好ましい陽極アセンブリ３０Ａ（図４Ａ）は、外側周縁部３３ａと内側周縁部３７とを有する、好ましくはプラスチック製の陽極フレーム３０を含む。内側周縁部３７は、中空の内部スペース３３ｂを取り囲む。陽極フレーム３０は、好ましくは、耐久性があり、さらに可撓性で接着結合可能でもある、プラスチック材料から構成される。フレーム３０に好ましい材料は、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリスルホン、又はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）プラスチックである。陽極アセンブリ３０Ａは、また、陽極材料４０と、陽極集電板２０と、セパレータシート５０とを含む。所望により、セパレータシートを、陰極アセンブリ７０Ａの一部として含めてもよく、又は陽極アセンブリと陰極アセンブリとの間の別個の物体として含めてもよい。組立時には、集電板２０を、フレーム３０の後側部に接着結合させることができる（図４Ａ）。そのような実施形態（図４Ａ）では、フレーム３０とそれに結合した陽極集電板２０とが、事実上、陽極材料４０のためのハウジングを形成する。好ましい集電板２０は、銅製である。板２０は、望ましくは、厚さ約６〜８ｍｉｌ（０．１５２〜０．２０３ｍｍ）である。集電板２０は、好ましくは、フレームの外縁部に隣接した構造用接着剤２０ａ（前述の接着剤Ａ）のバンドと、フレームの内縁部に隣接したシーラント材料２０ｂ（前述の接着剤シーラントＢ）のバンドとから成る段階的シールを用いて、フレーム３０の後側の縁部３３ａに固定かつ封止される。段階的シールの代わりに均一な組成の単一の接着剤を適用してもよいが、電解質を密封するより優れたシステムをもたらすので段階的シールが好ましい。接着剤層の厚さを制御するために、スペーサビーズを構造用接着剤に組み込むことができる。次いで、陽極材料４０を、集電板２０に押し当てられた配置になるようにフレーム３０内の内部スペース３３ｂに挿入することができる。フレーム３０には、フレームの内縁を形成する、陥凹したレッジ（ledge）３６を設けてよい。陥凹レッジ３６は、好ましくは接着剤３７でコーティングされる。接着剤３７は、溶剤系接触接着剤、例えば、３Ｍ社（3M Company）から商品名１３５７−Ｌで入手可能な接触接着剤、又は３Ｍから商品名３０−ＮＦで入手可能な水系接触接着剤であってよい。レッジ３６に適用するための好ましい溶剤系接着剤は、１０重量％の耐衝撃性ポリスチレンと９０重量％のトルエンとの溶液を含む。セパレータシート５０の縁部がレッジ３６に接して配置され、且つ接着剤コーティング３７によって該レッジに結合されるように、セパレータシート５０を陽極材料４０上に被せて挿入してよい。或いは、超音波又は熱及び圧力溶接法によって、セパレータシート５０の縁部をレッジ３６に溶接してもよい。したがって、完成した陽極アセンブリ３０は、集電板２０及びセパレータ５０がフレーム３０の両側に結合した、集電板２０に押し当てられた陽極材料４０を含む積層構造の形態である。
【００５０】
好ましい陰極アセンブリ７０Ａ（図４Ｂ）は、外側周縁部７３ａと内側周縁部７７とを有する、好ましくはプラスチック製の陰極フレーム７０を含む。内側周縁部７７は、中空の内部スペース７３ｂを取り囲む。陰極フレーム７０は、好ましくは、耐久性があり、さらに可撓性で接着結合可能でもある、プラスチック材料から構成される。フレーム７０に好ましい材料は、耐衝撃性ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、ポリスルホン、又はポリ塩化ビニルプラスチックである。陰極アセンブリ７０Ａは、また、陰極材料６０と陰極集電板８０とを含む。陰極集電板８０は、望ましくはニッケルめっき鋼板であり、好ましくは、ニッケルの上を炭素層が覆う、ニッケルめっき鋼である。鋼板は、通常、冷延鋼であってよい。他の適した陰極集電板８０は、米国特許第６，５５５，２６６Ｂ１号に開示されているような、ニッケル層をコバルト層が覆い、コバルトを炭素塗料層が覆う、ニッケルめっき鋼板であってよい。他の適した陰極集電体は、エッチングされ、炭化され、炭素塗料コーティングでコーティングされた、純ニッケル板である。ニッケル板は、望ましくは、厚さ約６〜８ｍｉｌ（０．１５２〜０．２０３ｍｍ）であってよい。ニッケル板上の炭素コーティングは、例えば、米国特許第６，５５５，２６６号に記載されているような、溶剤系コーティング法によって適用されてよい。ニッケル板は、該ニッケル板を高温で動作している炉に通過させることによって炭化されてよく、その際、揮発した炭素前駆体から炭素がニッケル表面上に蒸着する。ニッケル表面上に炭素を蒸着させて炭化ニッケル表面を形成する後者の技術については、米国特許第２，０５１，８２８号（ウィリアム・Ｆ・デスター（William F. Dester）、１９３６年８月２５日）に記載されている。アルカリ電池における炭化ニッケル集電体の使用については、米国特許第３，７１３，８９６号（ラルフ・Ｈ・フェルダケ（Ralph H. Feldhake）、１９７０年８月１９日）に記載されている。
【００５１】
組立時には、集電板８０をフレーム７０の後側部に接着結合させてよい（図４Ｂ）。かかる実施形態（図４Ｂ）では、フレーム７０とそれに結合した陰極集電板８０とが、事実上、陰極材料６０のためのハウジングを形成する。集電板８０は、フレームの外縁部に隣接した構造用接着剤７０ａ（前述の接着剤Ａ）のバンドと、フレームの内縁部に隣接したシーラント材料７０ｂ（前述の接着剤シーラントＢ）のバンドとから成る段階的シールを好ましくは用いて、フレーム７０の後側の縁部７３ａに結合されてよい。段階的シールの代わりに均一な組成の単一の接着剤を適用してもよいが、電解質を密封するより優れたシステムをもたらすので段階的シールが好ましい。次いで、陰極材料６０を、集電板８０に押し当てられた配置になるようにフレーム７０内の内部スペース７３ｂに挿入することができる。したがって、完成した陰極アセンブリ７０ａは、集電板２０に押し当てられた陰極材料６０を含む、ただし陰極材料６０の一部分が露出した、積層構造の形態である。
【００５２】
次いで、陽極アセンブリ３０Ａを陰極アセンブリ７０Ａに接着固定して、陽極材料４０と陰極材料６０とが互いに向き合い、且つそれらの間にセパレータ５０が存在する、単一積層電池構造１０を形成することができる（図１Ａ）。陽極アセンブリ３０Ａ及び陰極アセンブリ７０Ａは、陽極フレーム３０の露出縁部３３ａ（図４Ａ）に接着剤を適用することによって、便利に１つに結合される。陽極フレーム縁部は、通常、接着剤を適用するのに十分な空間をもたらす約０．３１〜０．６３ｃｍ（１／８〜１／４インチ）の幅であってよい。接着剤３２は、望ましくは、フレーム３０のプラスチック材料と同じ部類由来の接着剤樹脂を含有する。ゆえに、フレーム３０が耐衝撃性ポリスチレン製の場合、好ましい接着剤３２は、耐衝撃性ポリスチレンのトルエン溶液である。或いは、フレームがＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）若しくはＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）から作製される場合、これらのプラスチックポリマーのトルエン溶液又は他の溶剤溶液を使用してよい。接着剤３２が陽極フレーム３０の縁部３３ａに適用された後、陽極フレーム３０は、陰極フレーム７０上に押圧され、それによって陽極アセンブリ３０Ａを陰極アセンブリ７０ａに接着結合させ、結合された積層構造を形成して、図１〜３に示した完成した電池１０を形成する。図１Ａ、図２、及び図３に最もよく示されている完成した電池１０は、堅く、頑丈で、且つ小型である。結合された積層電池構成は、電池内容物をその中に保持する、緊密に封止された電池をもたらす。図２及び図３に示したように、電池は、１層又は２層のシーラントでコーティングされ、１層又は２層のプラスチックフィルム、好ましくはポリ塩化ビニルの熱収縮性フィルムで包まれてよい。フィルムに熱が加えられると、該フィルムは、電池の境界表面の周りで収縮してラベルを形成する。
【００５３】
本発明の一態様は、電池内部から電解質が外部脱出点に到達するまでに通る長い漏れ経路が設けられるように、電池を設計することである。（これは、様々な電池構成要素に前述の接着剤及び接着剤シーラントを与えることに加えて実施される。）ゆえに、本発明のウエファー電池１０は、フレーム３０及び７０（又は、図７Ａ及び図７Ｂに示した単一フレームの実施形態の場合にはフレーム１３０）が、好ましくは少なくとも総電池厚ほどの大きさの、フレーム縁部幅（例えば、図４Ａに示した縁部３３ａと３７との間、又は図４Ｂに示した縁部７３ａと７７との間、又は図７Ｂに示した縁部１３０ａと１３７との間）をもつように設計される。これは、例えば図２に示したように、電解質が電池内部からフレームの外端まで通る、比較的長い第１の漏れブロック経路「経路Ａ」をもたらす。次いで、外側の熱収縮性フィルムラップ２００（図８Ａ〜８Ｅに示したように２重のフィルムラップ２１０及び２２０を含んでもよい）が、第２の漏れブロック経路「経路Ｂ」をもたらす。ブロック経路Ｂは、フレーム（例えば、フレーム３０）の外側周縁部から距離「Ｂ」（図２）のところにある導電性エンドプレート（例えば、エンドプレート２０）上に配置された露出端子接点（例えば、端子接点２５）からの距離として定義され、それは、少なくともフレーム幅ほどの長さの距離、すなわち、電池厚にほぼ等しい又はそれ以上の距離である。この状況では、総電解質漏れブロック経路Ａ＋Ｂ（図２）は、好ましくは電池厚の少なくとも２倍である。漏れブロック経路Ａ及びＢに対するのと同一の定義が、図７Ａ及び図７Ｂに示した本発明の単一フレーム１３０の実施形態にも同様に当てはまることが理解されよう。
【００５４】
本発明の電池１０に好ましい放電レートは、例えば、約１５〜４５ミリワット／ｃｍ２（１３．５〜４０．５ミリアンペア／ｃｍ２）ほどの大きさであってよい。（平方センチメートル面積は、陽極／陰極境界面での面積に基づく。）全体寸法が幅４ｃｍ×長さ８ｃｍ×厚さ３ｍｍの典型的なウエファー電池１０は、電流ドレインレート（current drain rate）約１〜１，０００ミリアンペア、好ましくは約１０ミリアンペア〜１００ミリアンペアに対応し得る。
【００５５】
図５Ａ及び図５Ｂに示した代替的な実施形態では、陽極フレーム３０及び陰極フレーム７０を、それぞれのフレーム縁部３３ａ及び７３ａに沿って突出リベットを含むように一体成型することによって、完成した電池の構造健全性を高めることができる。そのような一体成型されたリベット３５が、陽極フレーム３０の後面縁部から突き出る様子が示されている。同様に、一体成型されたリベットが、陰極フレーム７０の後面縁部から突き出る様子が示されている。陽極集電板２０には、その縁部に沿って、陽極フレーム３０上の突出リベット３５と対合するための孔２２が設けられている。同様に、陰極集電板８０には、その縁部に沿って、陰極フレーム７０上の突出リベット７５と対合するための孔８２を設けることができる。したがって、リベット３５を孔２２に挿通することによって、陽極集電板２０を陽極フレーム３０に固定することができ、リベット７５を孔８２に挿通することによって、陰極集電板８０を陰極フレーム７０に固定することができる。次いで、リベットヘッドに熱と圧力を加えることによって、該リベットヘッドをピーニング処理（peened）（積層化）することができる。望ましくは、陽極集電板上のリベット孔２２間のスペース及び陰極集電板上のリベット孔８２間のスペースにも、シーラントを適用してよい。そのような目的に好ましいシーラントは、中国のハルビン・レナウン・テック社（Haerbin Renown Tech.Co.Ltd.）から商品名Ｊ−４３接着剤（J-43 Adhesive）として入手可能であるような、粘着性のある官能化ポリエチレン樹脂を有する溶剤系シーラントであってよい。図６Ａ及び図６Ｂに示した実施形態では、陽極フレームに沿った突出リベット３５は、陽極フレーム３０の縁部に沿った浅い窪んだスペース３８から突き出る陥凹した基部を有してよい。そのような構成によって、リベットヘッドが陽極集電板２０の孔２２に挿入されて積層化された後で、該リベットヘッドを該陽極集電板の表面よりも低い水平面に下げることができる。同一の陥凹リベットヘッド構成を、陰極フレーム７０から突き出るリベット７５に使用してよい。
【００５６】
図４Ａ及び図４Ｂに示した実施形態、並びに図５Ａ及び図５Ｂに示したリベットを備えた実施形態にしたがって、電池１０を作製した。図４Ａ及び図４Ｂに示した陽極アセンブリ及び陰極アセンブリを使用する特定の構成では、電池は、全厚２．８ｍｍ、幅３８．１ｍｍ（１．５インチ）、長さ３８．１ｍｍ（１．５インチ）であった。電池を、約０．６ボルトのカットオフ電圧まで７７．５〜０．７７５ミリワット／ｃｍ２の様々な一定レートで放電させた（面積は、陽極と陰極との間の境界面積に基づく）。約０．６ボルトのカットオフまでの放電サイクルの間、平均負荷電圧は、約１．１ボルトであった。したがって、前述のワット密度範囲は、電流ドレイン密度約７０．５〜０．７０５ミリアンペア／ｃｍ２となる。この放電範囲では、電池は、元の厚さの最大約１０％の厚さが膨らんだ。電池は、破裂せず、電解質の漏れもなかった。電子デバイスのバッテリキャビティ内で電池が密接に膨張しすぎないようにするために、公称１０％の電池膨張を見込むように、該バッテリキャビティを電池よりも十分に大きく設計する、又は電池をキャビティ開口部よりも厚さが十分に小さくなるように設計することが推奨される。
【００５７】
他の好ましいウエファー電池の実施形態（図７Ａ及び図７Ｂ）では、図４Ａ及び図４Ｂの実施形態に示した２つのフレーム３０及び７０の代わりに、単一フレーム１３０を使用してよい。好ましくはプラスチック製の単一フレーム構成には、陽極材料４０及び陰極６０を単一フレーム１３０の両側に詰め込むことができ、個々のフレームを１つに結合させる必要がないという利点がある。図７Ｂに最も良く示された単一フレーム１３０は、中空の内部スペース１３３ｂを取り囲む内側周縁部１３２を有する。図７Ａ及び図７Ｂに示した単一フレームの実施形態の状況では、陽極アセンブリは、陽極集電体２０と、陽極４０と、セパレータ５０と、フレーム１３０の上側とを含む。陰極アセンブリは、陰極集電体８０と、陰極６０と、同じフレーム１３０の下側とを含む。陽極集電体２０及び陰極集電体８０は、フレーム１３０の両反対側に結合されて、薄板状電池構成を形成する。
【００５８】
単一フレームを使用する実施形態のための電池構成（図７Ａ及び図７Ｂ）を達成するには、接着剤１３７が、フレーム１３０の内縁に沿って陥凹レッジ１３６に適用される（図７Ｂ）。
【００５９】
接着剤１３７は、溶剤系接触接着剤、例えば、３Ｍ社（3M Company）から商品名１３５７−Ｌで入手可能な接触接着剤、又は３Ｍから商品名３０−ＮＦで入手可能な水系接触接着剤であってよい。レッジ１３６に適用するための好ましい溶剤系接着剤は、１０重量％の耐衝撃性ポリスチレンと９０重量％のトルエンとの溶液を含む。
【００６０】
セパレータシート５０は、接触接着剤１３７によって陥凹レッジ１３６に結合される。或いは、接着剤を使用せずに、熱及び圧力によって、又は超音波によって、セパレータシート５０を陥凹レッジ１３６に直接溶接してもよい。
【００６１】
陰極６０は、セパレータシート５０の露出した側部の上に押圧される。次いで、陰極集電板８０の縁部がフレーム１３０の縁部と接触するように、該集電板８０が陰極６０に被せて適用される。段階的接着剤８０ａ及び８０ｂは、図７Ａ及び図７Ｂから推測されるように、陰極集電体８０をフレーム１３０の下側にしっかりと結合された状態で保持する。
【００６２】
陽極４０は、セパレータシート５０の反対側の露出した側部上に押し出され、又は押圧される。次いで、陽極集電板２０が、該集電板２０の縁部がフレーム１３０の縁部と接触するように、陽極４０に被せて適用される。段階的接着剤１３０Ａ及び１３０ｂは、図７Ａのように陽極集電体２０をフレーム１３０の上側にしっかりと結合された状態で保持する。
【００６３】
段階的シールは、好ましくはフレーム１３０の縁部１３３ａに沿って適用される。段階的シールは、フレームの外縁部に隣接した構造用接着剤１３０ａ（前述の接着剤Ａ）のバンドと、シーラント材料１３０ｂ（前述の接着剤シーラントＢ）のバンド（フレームの内縁部に隣接）とを含んでよい。段階的シールの代わりに均一な組成の単一の接着剤をフレーム１３０の表面１３３ａに沿って適用してもよいが、電解質を密封するより優れたシステムをもたらすので段階的シールが好ましい。
【００６４】
同様の段階的接着剤を、フレーム１３０の反対側の側部に適用してよく、又は陰極集電板８０の縁部に沿って適用してよい。後者は、図７Ｂに示されている。段階的接着剤は、陰極集電板８０の外縁部に隣接した構造用接着剤８０ａ（前述の接着剤Ａ）と、陰極集電板８０の内縁部に隣接したシーラント材料８０ｂ（前述の接着剤シーラントＢ）のバンドとを含む。段階的接着剤の代わりに均一な組成の単一の接着剤を適用してもよいが、電解質を密封するより優れたシステムをもたらすので段階的接着剤が好ましい。
【００６５】
非限定例として、設置面積サイズ３８．１ｍｍ×７６．２ｍｍ（１．５インチ×３．０インチ）の薄いウエファー電池１０（厚さ４ｍｍ）の場合、典型的な動作時電流ドレインは、約１ミリアンペア〜約２，０００ミリアンペア、典型的には約１０〜２５０ミリアンペア、より典型的には約１０〜１００ミリアンペアになり得る。一般に、よりサイズの大きい本発明の電池１０（厚さではなく、それらの陽極／陰極境界面積に関して）が、ますます高い電流ドレイン需要において該電池に良好な性能を示させることが理解されよう。
【００６６】
特定のタイプの亜鉛粉末合金、亜鉛粒径、及び特定のタイプの陽極集電体の場合、水素ガスが陰極へと拡散し、且つ陰極材料によって酸化されて水を形成できるよりも速く、陽極が水素ガスを生成することがある。したがって、何らかの形態のガス管理システムが必要となり得る。具体的には、蓄積した水素ガスを排気するためのシステムが必要となり得る。これは、例えば、米国特許第４，１０５，８３１号（ポラロイド社（Polaroid Corporation））によって開示されているのと同様に、その長さ全体にわたって配置された多孔質インサートを有するガス透過性ポリマーのチューブの形態をとることができ、該チューブは、陽極キャビティを横切り、プラスチックフレームの外縁部を越えたところで終端する。
【００６７】
以下の、陽極４０、陰極６０、及びセパレータ５０の化学組成に関する電池組成についての説明は、前述の実施形態で開示した代表的なウエファー電池１０に適用可能である。
【００６８】
前述の電池１０では、陰極６０は、二酸化マンガンと電解質とを含み、陽極４０は、亜鉛と、ゲル化剤と、電解質とを含む。電解質水溶液は、ＫＯＨと酸化亜鉛との従来の混合物を含む。陽極材料４０は、水銀フリーの（水銀無添加の）亜鉛合金粉末を含有するゲル化した混合物の形態にすることができる。すなわち、電池は、重量当たり亜鉛の約１００ｐｐｍ未満の総水銀含有量を有し、好ましくは重量当たり亜鉛の５０ｐｐｍ未満の水銀を含有する。また、電池は、好ましくは、鉛が添加されておらず、したがって事実上無鉛であり、すなわち、総鉛含有量は、陽極中の総亜鉛量の３０ｐｐｍ未満、望ましくは１５ｐｐｍ未満である。そのような混合物は、通常、ＫＯＨ電解質水溶液、ゲル化剤（例えば、ノベオン（Noveon）（旧Ｂ．Ｆ．グッドリッチ（B. F. Goodrich））から商標名ＣＡＲＢＯＰＯＬ  Ｃ９４０として入手可能なアクリル酸コポリマー）、及び界面活性剤（例えば、ローヌ・プーラン（Rhone Poulenc）から商標名ＧＡＦＡＣ  ＲＡ６００として入手可能な有機リン酸エステル系界面活性剤）を含有することができる。このような混合物は、単に実例として与えるにすぎず、本発明を制限しようとするものではない。亜鉛陽極用の他の代表的なゲル化剤は、米国特許第４，５６３，４０４号に開示されている。
【００６９】
本発明の電池１０に利用するための陰極６０は、望ましくは、本明細書に参考として組み込まれる米国特許第６，２０７，３２２Ｂ１号に記載されている種類の軟質又は半固体陰極である。ただし、例えば陰極の約８７〜９３重量％の二酸化マンガン含有量を有する、より従来型の固体二酸化マンガン陰極も、やはり使用できることが理解されよう。それでも、軟質又は半固体陰極が、それらを陰極フレーム７０内のキャビティ７３ｂへと容易に成型できることから、本発明のウエファー電池に利用するのに望ましいことがわかっている。さらに、電池の耐用期間中、陰極集電体８０の露出表面と密接且つ均一な接触を維持することが判明したので、本発明の接着固定された電池の状況では、そのような軟質又は半固体陰極が好ましい。接着剤によって積層化された本発明の電池１０では、固体陰極を陰極集電体と密接且つ均一に接触した状態に保持するための強い圧縮力が存在せず、そのような接触は、時間が経つといくらか緩むことがある。ゆえに、軟質又は半固体陰極が好ましい。
【００７０】
本明細書で使用するとき、用語「半固体」は、広く、真の固体と真の液体との間の中間的性質のすべての物理状態に及ぶものとする。ゆえに、半固体という用語は（これだけに限定するものではないが、例えば）、一般にパテ及びペーストに関係付けられる、柔らかい質感及びレオロジー特性を有する物理状態を包含するものとする。本明細書で使用するとき、半固体材料は（これだけに限定するものではないが、例えば）、液体のように自由流動性ではないが、一般に該材料を導管内で移動させるのに外力を必要とする材料を包含する。また、半固体という用語は（これだけに限定するものではないが、例えば）、押出可能であり、且つ外力を受けて破砕することなく変形できる材料にも当てはまるものとする。
【００７１】
本発明のウエファー電池で使用するのに望ましい半固体陰極６０は、以下のような、本明細書に参考として組み込まれる米国特許第６，２０７，３２２Ｂ１号に記載の特性及び組成範囲を有することができる。
【００７２】
したがって、本発明の電池１０用の半固体陰極６０は、望ましくは、該陰極の８０重量％未満、好ましくは該陰極の約４０〜８０重量％、典型的には約４５〜７８重量％、より典型的には４５〜７０重量％の量の二酸化マンガンを含む。二酸化マンガンを含む半固体陰極は、パテ若しくはペースト、又は測定可能な粘度を有する高粘性材料の形態であってよい。
【００７３】
軟質陰極６０は、通常、該陰極の約４５〜７８重量％、より典型的には該陰極の約４５〜７０重量％のＭｎＯ２（ＥＭＤ）と、カーボンブラック（シャウィンガン（Shawingan）アセチレンブラック、より好ましくは、ＷＯ９７０３１３３に記載されているような、ベルギーのティムカル（Timcal）から得られるＭＭ１３１又はＭＭ１７９のような黒鉛化カーボンブラック）と、ＫＯＨ電解質水溶液（７〜９、標準）とを含む。好ましくは、また、少量のグラファイトも添加される。有利には、カーボンブラックは、好ましくは半固体陰極の約４〜１５重量％含まれる。カーボンブラックは、半固体陰極の伝導度を増大させ、陰極を半固体状態に維持するための内部の網状構造をもたらす。カーボンブラックは、また、電解質吸収体の役割も果たしており、アルカリ電解質溶液を固定化するので、自由な流体電解質が明らかではなくなる。グラファイトは、陰極の約１重量％〜８重量％含まれてよく、陰極の伝導度を改善する。望ましくは、本発明の半固体陰極は、また、水酸化カリウムを含む電解質溶液も含む。半固体陰極は、また、ポリテトラフルオロエチレンのような結合剤も含んでよく、望ましくは該陰極の約０〜２重量％含む。所望により、稠度（consistency）を調節するために、サザンクレイプロダクツ社（Southern Clay Products Company）のラポナイト（Laponite）ＲＤＳ粘土のような粘土を２重量％未満加えてもよい。
【００７４】
半固体陰極６０は、多孔率約３０〜７０％、好ましくは約３５〜７０％、より好ましくは約４０〜７０％であってよい。本明細書では、多孔率は、非固体材料、すなわち電解質＋空気から構成される、陰極の体積分率を意味するものと理解される。また、半固体陰極６０は、望ましくは、全陰極の重量％として、アルカリ電池用の固体ＭｎＯ２含有陰極で従来使用されるよりも高い電解質含有量を有してよい。半固体陰極材料６０は、全陰極材料の約６〜１８重量％のＫＯＨ含有量（純粋）と、約９〜２７重量％の総水分含有量とを有してよい。ＫＯＨに関して本明細書及び実施例で使用するとき、ＫＯＨ（純粋）という用語は、計算の目的で、純粋な無水ＫＯＨ含有量である（すなわち、水を含めない）。
【００７５】
陰極多孔率は、電解質、他の液体、及び封じ込められた空気（固体の孔隙内に封じ込められた液体及び空気の体積を含める）が占める体積を決定し、その体積を陰極の見掛体積で除して１００を乗じることによって計算してよい。（見掛体積は、試料の外部境界内に含まれる試料の全体積である。）陰極多孔率は、固体が陰極へと混合される前に、従来のヘリウム置換法によって初めに各固体の実密度を得ることによって、簡便に計算してよい。（各固体の実密度は、固体試料の重量を、その実体積、すなわち、固体試料の見掛体積から封じ込められた空気が占める体積を減じた体積で除したものである。）次いで、陰極へと混合すべき固体の各重量をそれぞれの実密度で除して、陰極中の固体の実体積を得る。全体としての陰極の見掛体積から固体の実体積を差し引き、この差を陰極の見掛体積で除し、１００を乗じて、多孔率％を得る。
【００７６】
電解二酸化マンガンは、通常、約１〜１００μｍ、望ましくは約２０〜６０μｍの平均粒径を有する。グラファイトは、通常、天然、合成、若しくは膨張グラファイト、又はそれらの混合物の形態である。グラファイトは、また、グラファイト状炭素ナノ繊維を、単独で、又は、天然、合成、若しくは膨張グラファイトとの混合で含むこともできる。そのような陰極混合物は、例示を目的としたものであって、本発明を制限しようとするものではない。
【００７７】
陽極材料４０は、亜鉛合金粉末６２〜７２重量％（合金及びめっき材料として２００〜５００ｐｐｍのインジウムを含有する９９．９重量％亜鉛）、３８重量％のＫＯＨと約２重量％のＺｎＯとを含むＫＯＨ水溶液、ノベオン（Noveon）から商標「ＣＡＲＢＯＰＯＬ  Ｃ９４０」として市販される架橋アクリル酸ポリマーゲル化剤（例えば０．５〜２重量％）、及び、任意で、グレイン・プロセシング社（Grain Processing Co.）から商標「ウォーターロックＡ−２２１（Waterlock A-221）」として市販される、デンプン骨格鎖上にグラフトされた加水分解ポリアクリロニトリル（０．００１〜０．５重量％）、ローヌ・プーラン（Rhone-Poulenc）から商標ＲＭ−５１０として入手可能な、有機リン酸エステル界面活性剤ＲＡ−６００又はジオニル（dionyl）フェノールリン酸エステル界面活性剤（１０〜１００ｐｐｍ）を含む。本明細書で使用するとき、亜鉛という用語は、亜鉛を非常に高濃度で含む、例えば、亜鉛を少なくとも９９．９重量％含む、亜鉛合金粉末を包含すると理解されるものとする。そのような亜鉛合金材料は、電気化学的には事実上純粋な亜鉛として機能する。
【００７８】
本発明の薄板状アルカリ電池１０の陽極４０に関して、亜鉛粉末の平均粒径は、望ましくは約１〜３５０μｍ、望ましくは約１〜２５０μｍ、好ましくは約２０〜２５０μｍである。通常、亜鉛粉末は、平均粒径約１５０μｍであってよい。陽極４０における亜鉛粒子は、針状又は球状の形状のものにすることができる。陽極中の亜鉛のかさ密度（bulk density）は、陽極１立方センチメートル当たり亜鉛約１．７５〜２．２グラムである。陽極中の電解質水溶液の体積％は、好ましくは陽極の約６９．２〜７５．５体積％である。
【００７９】
電池１０は、ＥＭＤの容量ｍＡ・ｈｒ（ＥＭＤ１ｇ当たり４１０ｍＡ・ｈｒに基づく）を亜鉛の容量ｍＡ・ｈｒ（亜鉛１ｇ当たり８２０ｍＡ・ｈｒに基づく）によって除すと約１になるように、従来式にバランスをとることができる。ただし、陰極が過剰になるように電池のバランスをとることによって、完全放電時のバルジング（deep discharge bulging）を低減することができる。ゆえに、電池のバルジングを低減するために、ＥＭＤの理論総容量を亜鉛の理論総容量で除すと、約１．０３〜１．１０、望ましくは約１．０５〜１．０８、好ましくは約１．０７になるように、電池１０のバランスをとることができる。
【００８０】
試験電池の実施例１
図１〜３に示した正方形構成の試験電池１０を準備した。試験電池１０は、長さ３８．１ｍｍ（１．５インチ）、幅３８．１ｍｍ（１．５インチ）、全厚２．８ｍｍとした。電池１０を、電池の外表面に適用されたラベル２００なしに試験した。陽極４０及び陰極６０は、以下の組成とした。
【００８１】
【表１】
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注：
１．亜鉛粒子は、平均粒径約１５０μｍであり、総インジウム含量約２００ｐｐｍをもたらすようにインジウムで合金且つめっきした。
２．Ｈ２Ｏ中３重量％の、ローヌ・プーラン（Rhone Poulenc）から得られる有機リン酸エステル系界面活性剤溶液ＲＭ５１０。
３．電解質溶液は、合計で電解質溶液の約１．５重量％を構成するゲル化剤ウォーターロックＡ２２１（Waterlock A221）及びカーボポールＣ９４０（Carbopol C940）と、約２重量％のＺｎＯとを含有した。
【００８２】
【表２】
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注：
１．グラフマックスＭＰ１２ドゥ天然グラファイト（Grafmax MP12 du natural graphite）、ナショナル・デ・グラファイト（Nacional DeGrafite）より。
【００８３】
陽極プラスチックフレームは、ＨＩＰＳ（耐衝撃性ポリスチレン）プラスチック材料から構成され、厚さ約０．７６ｍｍであった。陰極プラスチックフレームは、ＨＩＰＳプラスチック材料から構成され、厚さ約１．５２ｍｍであった。セパレータ５０は、セロファンフィルムに積層されたポリビニルアルコール繊維の不織布シートを含んだ。陰極は、１．６１ｇのＭｎＯ２を有した。陽極、陰極、電解質、及びセパレータは、電池の外部体積の約３７％を構成した。
【００８４】
一連の電力需要にわたって電池の性能の指示を与える以下の方法で、電池を放電させた。
【００８５】
新しい電池１０を、初めに、電力ドレイン５００ミリワット（４５４ミリアンペア）で、カットオフ電圧約０．６ボルトまで放電させた。測定された容量は、３７．１ｍＷ・ｈｒであった。電池を１時間休ませた後、同じ電池を２５０ミリワット（２２７ミリアンペア）のレートでカットオフ電圧０．６ボルトまで放電させた。このドレインについて測定された増分容量は、１００．４ｍＷ・ｈｒであった。電池を１時間休ませた後、同じ電池を１００ミリワット（９０．９ミリアンペア）のレートでカットオフ電圧０．６ボルトまで放電させた。このドレインについて測定された増分容量は、９０．１９ｍＷ・ｈｒであった。次いで、同じ電池を、各放電間で１時間休ませて、１５ミリワット、１０ミリワット、及び５ミリワットで、カットオフ０．６ボルトまで増分的に放電させた。最後の３つの放電の増分容量は、それぞれ３０．９９、１０６．２８、及び８．８７ｍＷ・ｈｒであった。
【００８６】
放電試験が完了した後、電池をバルジング及び漏れについて調べた。電池の全厚が約１０％膨張した、すなわち、厚さ約２．８ｍｍから３．１ｍｍに膨張したことがわかった。電解質の漏れは認められなかった。
【００８７】
本明細書に開示の設計原理を用いると、非常に面積の大きい、例えば、２１．６ｃｍ×２７．９ｃｍ若しくは６０３ｃｍ２（約８．５ｉｎ×１１ｉｎ若しくは９３．５ｉｎ２）又はそれ以上の面積の、薄いアルカリ電池を構築することができる。より複雑なフレーム設計に関わる本発明の他の実施形態は、本発明の概念内にある。例えば、ウエファー電池を、フレーム内に内部パーティション若しくはリブを設けて構築し、それによって陽極フレーム又は陰極フレームの内部を多数の容積に細分することもできる。これらの内部リブを、接着剤、段階的シール（隣に並べられた配置のシーラントコーティング及び接着剤コーティング）、又はシーラントとリベットとによってエンドプレートに取り付けることによって、全体的な電池構造を機械的に補強して、より大きい剛性及び耐曲げ性を与えることができる。この特徴は、面積の大きい電池の場合に特に有用であり、最も外側の周囲シールに、電池エンベロープの曲げ又はねじりに起因した剪断又は剥がれによる故障に対する追加的な保護をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明のウエファー電池の一実施形態の斜視図。
【図１Ａ】２重フレーム構成を有する図１のウエファー電池の実施形態の切欠断面図。
【図２】部位線２−２に沿った図１の電池の横断立面図。
【図３】部位線３−３に沿った図１の電池の横断立面図。
【図４Ａ】陽極アセンブリを構成する諸構成要素を示す、一実施形態の分解図。
【図４Ｂ】陰極アセンブリを構成する諸構成要素を示す、一実施形態の分解図。
【図５Ａ】リベット付き陽極アセンブリを構成する諸構成要素を示す分解図。
【図５Ｂ】リベット付き陰極アセンブリを構成する諸構成要素を示す分解図。
【図６Ａ】リベットが陽極プラスチックフレームから陽極集電板の孔を通って突き出る様子を示す、図５Ａの陽極アセンブリの断面図。
【図６Ｂ】リベットヘッドが陽極集電板の表面よりも下方にくるように積層された様子を示す、図５Ａの陽極アセンブリの断面図。
【図７Ａ】単一フレーム構成を有する図１のウエファー電池の第２の実施形態の切欠断面図。
【図７Ｂ】陽極アセンブリ及び陰極アセンブリを構成する諸構成要素を示す、図７Ａのウエファー電池の実施形態の分解図。
【図８Ａ】電池縁部の周りに嵌め込まれる前の収縮性周囲フィルムバンドを示す斜視図。
【図８Ｂ】収縮性周囲フィルムバンドが電池縁部の周りに嵌め込まれる様子を示す斜視図。
【図８Ｃ】周囲フィルムバンドが電池縁部の周りで収縮された状態の電池を示す斜視図。
【図８Ｄ】横収縮性フィルムバンドが周囲フィルムバンドに被せて電池の周りに嵌め込まれる様子を示す斜視図。
【図８Ｅ】横フィルムバンドが電池縁部の周りで収縮された状態の電池を示す斜視図。
【図９Ａ】複曲面を有するウエファー電池の実施形態を示す斜視図。
【図９Ｂ】単曲面を有するウエファー電池の実施形態を示す斜視図。
【図９Ｃ】曲面を有する不均一な厚さのウエファー電池の実施形態を示す斜視図。
【図１】
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【図１Ａ】
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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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【国際調査報告】
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