(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次ＡＡサイズ・アルカリ電池であって、
電気化学的活性アノード材料を備えるアノードと、
電気化学的活性カソード材料を備えるカソードと、
水酸化カリウムを備える電解質と、
前記アノードと前記カソードとの間のセパレータと
２２℃で約３９ｍΩ未満の統合されたセル内イオン抵抗（Ｒｉ）と
を備え、
前記電気化学的活性カソード材料は電解二酸化マンガンを備え、前記電解二酸化マンガンは、約２．９ｇ／ｃｍ３から約３．４５ｇ／ｃｍ３の固有のカソード・ローディングを有し、前記セパレータは、７５％より大きい多孔率を有する、一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【請求項２】
２２℃で約２２ｍΩ未満の統合されたセル内電子抵抗（Ｒｅ）を更に備える、請求項１に記載の一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【請求項３】
２２℃で約５７ｍΩ未満のオーム抵抗（Ｒｔ）を更に備える、請求項１に記載の一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【請求項４】
前記電解二酸化マンガンは、約２２ｍ２／ｇから約３２ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有する、請求項１に記載の一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【請求項５】
前記カソードは炭素添加物を備え、前記炭素添加物は、前記カソードの約３．２５重量パーセントから約４．２５重量パーセントを備える、請求項１に記載の一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【請求項６】
前記セパレータは、約１．３３ｇ／ｃｍ３から約１．３７ｇ／ｃｍ３の密度を備える、請求項１に記載の一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【請求項７】
前記電気化学的活性アノード材料は亜鉛を備え、前記亜鉛は、約１０μｍから約３００μｍの粒子サイズを有する、請求項１に記載の一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【請求項８】
前記亜鉛は、約０．０４５ｍ２／ｇから約０．０５５ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有する、請求項７に記載の一次ＡＡサイズ・アルカリ電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、統合されたセル内抵抗を有する一次アルカリ電池およびこのようなセル内の統合された抵抗を決定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学的セルまたは電池は、電気エネルギー源として一般に使用されている。電池は、典型的にはアノードと呼ばれる負電極と、典型的にはカソードと呼ばれる正電極とを含む。アノードは、酸化されることができる電気化学的活性アノード材料を含む。カソードは、還元されることができる電気化学的活性カソード材料を含む。電気化学的活性アノード材料は、電気化学的活性カソード材料を還元することができる。セパレータがアノードとカソードとの間に配置される。電池の構成要素は、典型的は金属から作られる缶または筐体内に配置される。
【０００３】
電池が電子装置内で電気エネルギー源として使用されるとき、アノードおよびカソードへの電気的接触がなされ、電子が装置を通って流れることを許容し、それぞれの酸化および還元反応が起こって電子装置に電力を供給することを可能にする。電解質は、アノード、カソード、およびセパレータと接触している。電解質は、放電中に電池全体の電荷のバランスを維持するために、アノードとカソードとの間のセパレータを通って流れるイオンを含む。
【０００４】
玩具、リモコン、オーディオ装置、懐中電灯、デジタルカメラおよび周辺撮像機器、電子ゲーム、歯ブラシ、ラジオ、ならびに時計などの現代の電子装置への給電により適する電池を作成する必要性が高まってきている。この必要性に応えるために、電池は、容量および耐用寿命を増加させるために、電気化学的活性アノードおよび／またはカソード材料のより高いローディング（ｌｏａｄｉｎｇ）を含むことができる。しかしながら、電池は、一定の外部寸法および制約された内部体積を有するＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、およびＤの電池サイズなどの共通サイズとしても供給される。より性能のよい電池を達成するために電気化学的活性材料のローディングだけを増加させることは、したがって限定されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
給電能力および耐用寿命などの全体的な電池性能を実質的に上昇させるために最適化された統合されたセル内抵抗を有するアルカリ電池を提供する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、本発明は、一次ＡＡサイズ・アルカリ電池を対象とする。一次ＡＡサイズ・アルカリ電池は、アノードと、カソードと、電解質と、アノードとカソードとの間のセパレータとを含む。アノードは、電気化学的活性アノード材料を含む。カソードは、電気化学的活性カソード材料を含む。電解質は、水酸化カリウムを含む。一次ＡＡサイズ・アルカリ電池は、２２℃で約３９ｍΩ未満の統合されたセル内イオン抵抗（Ｒｉ）を有する。電気化学的活性カソード材料は電解二酸化マンガンを含む。電解二酸化マンガンは、約２．９ｇ／ｃｍ３から約３．４５ｇ／ｃｍ３の固有のカソード・ローディングを有する。セパレータは、７５％より大きい多孔率を有する。
【０００７】
別の実施形態において、本発明は、電池の統合されたセル内抵抗を決定するための方法を対象とする。この方法は、電解質を用意するステップを含む。この方法は、温度ｔｉにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｉ）を測定するステップも含む。この方法は、温度ｔｊにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｊ）を測定するステップを更に含む。この方法は、温度ｔｉにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｉ）の、温度ｔｊにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｊ）に対する比率を、式６によって計算するステップも含む。この方法は、電解質を含む電池を用意するステップを更に含む。この方法は、温度ｔｉにおける電池のオーム抵抗Ｒｉを測定するステップも含む。この方法は、温度ｔｊにおける電池のオーム抵抗Ｒｊを測定するステップを含む。更に、この方法は、電池の統合されたセル内電子抵抗Ｒｅを式７によって計算するステップを含む。この方法は、温度ｔｉにおける電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ（ｔｉ）を式８によって計算するステップも含む。この方法は、温度ｔｊにおける電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ（ｔｊ）を式８によって計算するステップを含む。
【０００８】
本明細書は、本発明を形成すると考えられる主題を詳しく指摘して明瞭に請求する特許請求の範囲によって結ばれるが、本発明は、添付の図面と併せてなされる下記の説明によって、よりよく理解されると確信される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の統合されたセル内抵抗を有する一次アルカリ電池の断面図である。
【図２】本発明の統合されたセル内抵抗を計算するための方法の実施形態のプロセスフロー図である。
【図３】本発明の電圧インジケータを含み統合されたセル内抵抗を有する一次アルカリ電池の透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
電気化学的セルまたは電池は、一次または二次であってよい。一次電池は、例えば空になるまで１回だけ放電し、その後に廃棄されると意味される。一次電池は、例えば、Ｄａｖｉｄ  Ｌｉｎｄｅｎ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（４ｔｈ  ｅｄ．２０１１）に説明されている。二次電池は、再充電されるように意図される。二次電池は、多数回、例えば、５０回以上、１００回以上、またはそれ以上の放電および再充電が可能である。二次電池は、例えば、Ｄａｖｉｄ  Ｌｉｎｄｅｎ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（４ｔｈ  ｅｄ．２０１１）に説明されている。したがって、電池は、様々な電気化学的対および電解質の組み合わせを含むことができる。本明細書において提供される説明および実施例は、概して、一次アルカリ電気化学的セル、または電池を対象とするが、本発明は、水性系、非水性系、イオン液体系または固体系の一次電池および二次電池の両方に適用されることを理解されたい。したがって、前述の系の一次電池および二次電池は、本出願の範囲内にあり、本発明は、任意の特定の実施形態に限定されない。
【００１１】
図１を参照すると、カソード１２と、アノード１４と、セパレータ１６と、ハウジング１８と含む一次アルカリ電気化学的セルまたは電池１０が図示されている。電池１０は、集電体２０と、シール２２と、端部キャップ２４とも含む。端部キャップ２４は、電池１０の負端子として機能する。正ピップ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｐｉｐ）２６が、電池１０の端部キャップ２４とは他端に位置している。正ピップ２６は、電池１０の正端子として機能することができる。電解質溶液が、電池１０の全体に分散されている。カソード１２、アノード１４、セパレータ１６、電解質、集電体２０、およびシール２２は、ハウジング１８内に収容されている。電池１０は、例えばＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、またはＤサイズのアルカリ電池であってよい。
【００１２】
ハウジング１８は、一次アルカリ電池において広く使用されている任意の従来の種類のハウジングであってよく、例えば、冷間圧延鋼またはニッケルめっき冷間圧延鋼などの任意の適切な母材で作られてよい。ハウジング１８は、円筒形状を有してよい。ハウジング１８は、任意の他の適切な非円筒形状であってよい。例えば、ハウジング１８は、長方形、正方形または角柱形状などの少なくとも２つの平行な板部を備える形状を有してよい。ハウジング１８は、冷間圧延鋼またはニッケルめっき鋼などの母材のシートから、例えば、深絞りされてよい。ハウジング１８は、例えば、円筒形状に絞られてよい。ハウジング１８は、少なくとも１つの開放端部を有してよい。ハウジング１８は、それらの間に側壁を有する閉鎖端部および開放端部を有してよい。ハウジング１８の側壁の内面は、ハウジング１８の側壁の内面とカソード１２などの電極との間に低電気接触抵抗を提供する材料により処理されてよい。ハウジング１８の側壁の内面は、例えばハウジング１８の側壁の内側面とカソード１２との間の接触抵抗を減少させるように、例えば、ニッケル、コバルトでめっきされてもよく、および／または炭素含有塗料で塗布されてもよい。
【００１３】
集電体２０は、当技術分野における任意の既知の方法によって特定の電池設計のための任意の適切な形状に作られてよい。集電体２０は、例えば、爪のような形状を有してよい。集電体２０は、柱状本体と柱状本体の一方の端部に位置するヘッドとを有してよい。集電体２０は、金属、例えば亜鉛、銅、真ちゅう、銀、または任意のその他の適切な材料で作られてよい。集電体２０は、任意に、集電体２０と例えばアノード１４との間に低電気接触抵抗を提供する、スズ、亜鉛、ビスマス、インジウム、または別の適切な材料でめっきされてよい。めっき材料は、集電体２０がアノード１４によって接触されたときにガス形成を抑制する能力を呈してもよい。
【００１４】
シール２２は、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエーテルウレタンなどのポリマー、ポリマー複合体、およびこれらの混合物を所定の寸法の形状に射出成形することによって作成されてよい。シール２２は、例えば、ナイロン６，６、ナイロン６，１０、ナイロン６，１２、ナイロン１１、ポリプロピレン、ポリエーテルウレタン、コポリマー、複合体、およびこれらの混合物から作られてよい。例示的な射出成形方法は、コールドランナー法およびホットランナー法の両方を含む。シール２２は、可塑剤、結晶性核剤、酸化防止剤、離型剤、潤滑剤、および帯電防止剤などの他の既知の機能材料を含有してよい。シール２２はまた、シーラントで被覆されてもよい。シール２２は、電池１０内での使用の前に加湿されてよい。シール２２は、例えば、シール材料に応じて約１．０重量パーセントから約９．０重量パーセントの湿分含量を有してよい。集電体２０は、シール２２に挿入され、シール２２を貫通してよい。
【００１５】
端部キャップ２４は、それぞれの電池を閉鎖するのに十分な任意の形状に形成されてよい。端部キャップ２４は、例えば、円筒形状または角柱形状を有してよい。端部キャップ２４は、適切な寸法を有した所望の形状に材料をプレス加工することによって形成されてよい。端部キャップ２４は、電池１０の放電中に電子を伝導するであろう任意の適切な材料から作られてよい。端部キャップ２４は、例えば、ニッケルめっき鋼またはスズめっき鋼から作られてよい。端部キャップ２４は、集電体２０に電気的に接続されてよい。端部キャップ２４は、例えば、集電体２０に溶接されることによって、集電体２０に電気的に接続することができる。端部キャップ２４は、例えば、装置内の電池１０の深放電または逆転中などに通気口の断裂をもたらすことのある電池１０内でのガス発生イベント中に端部キャップ２４の下で起こる可能性がある任意のガス圧力を排出させるために、穴などの１つまたは複数の開口も含んでよい。
【００１６】
カソード１２は、１つまたは複数の電気化学的活性カソード材料を含む。電気化学的活性カソード材料として、酸化マンガン、二酸化マンガン、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、化学二酸化マンガン（ＣＭＤ）、ハイパワー電解二酸化マンガン（ＨＰＥＭＤ）、ラムダ二酸化マンガン、ガンマ二酸化マンガン、ベータ二酸化マンガンおよびこれらの混合物を挙げることができる。他の電気化学的活性カソード材料として、酸化銀、酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、酸化銅、ヨウ素酸銅などの銅塩、酸化ビスマス、高原子価ニッケル化合物、高原子価鉄化合物、酸素、およびこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。酸化ニッケルは、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケル、脱リチウム化（ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ）された層状リチウムニッケル酸化物、部分的に脱リチウム化された層状酸化ニッケル、およびこれらの組み合わせを含んでよい。水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルは、ベータ−オキシ水酸化ニッケル、ガンマ−オキシ水酸化ニッケル、ならびに／またはベータ−オキシ水酸化ニッケルおよび／もしくはガンマ−オキシ水酸化ニッケルの連晶（ｉｎｔｅｒｇｒｏｗｔｈ）を含んでよい。オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたベータ−オキシ水酸化ニッケル、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたガンマ−オキシ水酸化ニッケル、ならびに／またはオキシ水酸化コバルトでコーティングされたベータ−オキシ水酸化ニッケルおよびガンマ−オキシ水酸化ニッケルの連晶を含んでよい。高原子価ニッケル化合物は、例えば、四価ニッケルを含んでよい。高原子価鉄化合物は、例えば、六価鉄を含んでよい。
【００１７】
カソード１２は、炭素粒子などの導電性添加物およびバインダーを含んでよい。炭素粒子がカソードに含まれることで、電子がカソード中を流れることが可能になる。炭素粒子は、膨張黒鉛および天然黒鉛などの黒鉛、グラフェン、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、炭素繊維、炭素ナノ繊維、およびこれらの混合物であってよい。カソード内の炭素粒子の量は比較的少ない、例えば、約１０％未満、約７．０％未満、約４．２５％未満、約３．７５％未満、約３．５％未満、または更には約３．２５％未満、例えば約２．０％から約３．２５％であることが好ましい。炭素レベルが低いほど、カソード１２の体積を増やすことなく、または完成品の電池１０の空隙の体積（セル内でガスが生成されたときに内圧が過度に上昇することを防止するために、特定のレベル以上に維持されなければならない）を減らすことなく、カソード１２内の電気化学的活性材料のより高いローディングを含むことができる。適切な膨張黒鉛は、例えば、ＴＩＭＣＡＬ  Ｃａｒｂｏｎ  ＆  Ｇｒａｐｈｉｔｅ（ボディオ、スイス）から入手できるＢＮＢ−９０黒鉛でよい。
【００１８】
カソード１２内で使用されることができるバインダーの例として、ポリエチレン、ポリアクリル酸、またはＰＶＤＦもしくはＰＴＦＥなどのフッ化炭素樹脂が挙げられる。ポリエチレン・バインダーの例が、ＣＯＡＴＨＹＬＥＮＥ  ＨＡ−１６８１（ＨｏｅｃｈｓｔまたはＤｕＰｏｎｔから入手可能）という商標名で販売されている。その他のカソード添加剤の例は、例えば、米国特許第５，６９８，３１５号、米国特許第５，９１９，５９８号、米国特許第５，９９７，７７５号、および米国特許第７，３５１，４９９号に記載されている。
【００１９】
カソード１２内の電気化学的活性カソード材料の量は、カソード・ローディングと称されることができる。カソード１２のローディングは、電池１０内で使用される電気化学的活性カソード材料および電池１０のセル・サイズに応じて、変化してよい。例えば、ＥＭＤ電気化学的活性カソード材料を有するＡＡサイズ電池は、少なくとも約９．０グラムのＥＭＤのカソード・ローディングを有することができる。カソード・ローディングは、例えば少なくとも約９．５グラムのＥＭＤであってよい。カソード・ローディングは、例えば約９．７グラムから約１１．５グラムのＥＭＤであってよい。カソード・ローディングは、約９．７グラムから約１１．０グラムのＥＭＤであってよい。カソード・ローディングは、約９．８グラムから約１１．２グラムのＥＭＤであってよい。カソード・ローディングは、約９．９グラムから約１１．５グラムのＥＭＤであってよい。カソード・ローディングは、約１０．４グラムから約１１．５グラムのＥＭＤであってよい。ＡＡＡサイズ電池については、カソード・ローディングは、約４．０グラムから約６．０グラムのＥＭＤであってよい。ＡＡＡＡサイズ電池については、カソード・ローディングは、約２．０グラムから約３．０グラムのＥＭＤであってよい。Ｃサイズ電池については、カソード・ローディングは、約２５．０グラムから約２９．０グラムのＥＭＤであってよい。Ｄサイズ電池については、カソード・ローディングは、約５４．０グラムから約７０．０グラムのＥＭＤであってよい。
【００２０】
電気化学的活性カソード材料などのカソード成分、炭素粒子、およびバインダーは、水性水酸化カリウム電解質などの液体と組み合わされ、ブレンドされ、完成品の電池の製造において使用するペレットにプレス加工されてよい。最適なカソードペレット処理のためには、概して、カソード材料が、約２．５％から約５％、より好ましくは約２．８％から約４．６％の範囲の水分レベルを有することが好ましい。ペレットは、電池製造プロセス中にハウジング内に配置された後で、典型的には、均一なカソードを形成するために再圧縮される。
【００２１】
概して、カソード１２は、非膨張黒鉛を実質的に含まないことが好ましい。非膨張黒鉛粒子は、カソードペレット形成機器に潤滑性を提供することができる。しかしながら、非膨張黒鉛は、膨張黒鉛よりも著しく導電性が低く、膨張黒鉛を含有するカソードと同じカソード導電性を得るために、より多くの非膨張黒鉛を使用する必要がある可能性がある。好ましくはないが、カソードは、低レベルの非膨張黒鉛を含んでもよいが、これは、特定のカソード導電性を保ちつつ得ることができる黒鉛の濃度の低減を損なうであろう。
【００２２】
カソード１２は、カソードの製造時点において計算されることができる多孔率を有するであろう。電池１０内のカソード１２の多孔率は、とりわけカソードの電解質湿潤および電池放電に関連するカソードの膨潤に起因して時間とともに変化するため、カソードの多孔率は、製造時点において、例えば、カソードペレット処理の後で、計算されてよい。カソードの多孔率は、以下のようにして計算されることができる。各固体カソード成分の実密度は、参考図書、例えば、Ｌａｎｇｅ’ｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（１６ｔｈ  ｅｄ．  ２００５）から得ることができる。固体カソード成分それぞれの固体重量は、電池設計によって規定される。各カソード成分の固体重量を各カソード成分の実密度で除算することでカソードの固体体積を求めることができる。電池内においてカソードによって占められる体積もまた、電池設計によって規定される。カソードによって占められる体積は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムによって計算されることができる。多孔率は、下記の式によって求められることができる。
【００２３】
カソード多孔率＝［１−（カソード固体体積÷カソード体積）］×１００
例えば、ＡＡサイズ電池のカソード１２は、カソード１２内の固体として、約１０．９０グラムの二酸化マンガンおよび約０．４０１グラムの黒鉛（ＢＮＢ−９０）を含むことができる。二酸化マンガンおよび黒鉛の実密度は、それぞれ、約４．４５ｇ／ｃｍ３および約２．１５ｇ／ｃｍ３であってよい。固体の重量をそれぞれの実密度で除算すると、二酸化マンガンによって占められる体積約２．４５ｃｍ３および黒鉛によって占められる体積約０．１９ｃｍ３が得られる。総固体体積は約２．６４ｃｍ３である。設計者は、カソード１２によって占められる体積を、約３．４７３ｃｍ３となるように選択することができる。上記の式［１−（２．６４ｃｍ３÷３．４７３ｃｍ３）］によってカソード多孔率を計算すると、約０．２４すなわち２４％のカソード多孔率が得られる。カソード多孔率は、約１５％から約４５％でよく、好ましくは約２２％から約３５％の間である。
【００２４】
所与の体積のカソード１２内の電気化学的活性カソード材料の量は、固有のカソード・ローディングと称されることができる。電池１０内のカソード１２によって占められる体積は、上述のように、電池設計によって規定されてよい。カソード１２によって占められる体積は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムによって計算されることができる。固有のカソード・ローディングは、例えば、カソード体積の立方センチメートルあたり約２．９グラムのＥＭＤより大きくてよい。固有のカソード・ローディングは、例えば、カソード体積の立方センチメートルあたり約２．９グラムのＥＭＤからカソード体積の立方センチメートルあたり約３．４５グラムのＥＭＤであってよい。固有のカソード・ローディングは、例えば、カソード体積の立方センチメートルあたり約３．０グラムのＥＭＤからカソード体積の立方センチメートルあたり約３．３６グラムのＥＭＤであってよい。固有のカソード・ローディングは、例えば、カソード体積の立方センチメートルあたり約３．１０グラムのＥＭＤからカソード体積の立方センチメートルあたり約３．２５グラムのＥＭＤであってよい。
【００２５】
電気化学的活性カソード材料は、粒子から構成されることができる。電気化学的活性カソード材料の粒子は、表面積を有することができる。電気化学的活性カソード材料の粒子の表面積は、当技術分野において既知の任意の方法で決定されてよい。例えば、電気化学的活性カソード材料の粒子の表面積は、Ｂｒａｕｎｅｒ−Ｅｍｍｅｔ−Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）法を使用して決定されてよい。電気化学的活性カソード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、１５ｍ２／ｇよりも大きくてよい。電気化学的活性カソード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、約１５ｍ２／ｇから約３５ｍ２／ｇでよい。電気化学的活性カソード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、約１８ｍ２／ｇから約２８ｍ２／ｇでよい。電気化学的活性カソード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、約２０ｍ２／ｇから約２５ｍ２／ｇでよい。
【００２６】
アノード１４は、少なくとも１つの電気化学的活性アノード材料、ゲル化剤、およびガス発生防止剤などの微量の添加剤で形成されることができる。電気化学的活性アノード材料は、亜鉛、カドミウム、鉄、金属水素化物、例えばＡＢ５、ＡＢ２、およびＡ２Ｂ７など、これらの合金、ならびにこれらの混合物を含むことができる。
【００２７】
アノード１４内の電気化学的活性アノード材料の量は、アノード・ローディングと称されることができる。アノード１４のローディングは、電池１０内で使用される電気化学的活性アノード材料および電池１０のセル・サイズに応じて、変化してよい。例えば、亜鉛の電気化学的活性アノード材料を有するＡＡサイズ電池は、少なくとも約３．３グラムの亜鉛のアノード・ローディングを有することができる。アノード・ローディングは、例えば、少なくとも約４．０、約４．３、約４．６グラム、約５．０グラム、または約５．５グラムの亜鉛であってよい。例えば、亜鉛の電気化学的活性アノード材料を有するＡＡＡサイズ電池は、少なくとも約１．９グラムの亜鉛のアノード・ローディングを有することができる。例えば、アノード・ローディングは、少なくとも約２．０または約２．１グラムの亜鉛を有することができる。例えば、亜鉛の電気化学的活性アノード材料を有するＡＡＡＡサイズ電池は、少なくとも約０．６グラムの亜鉛のアノード・ローディングを有することができる。例えば、アノード・ローディングは、少なくとも約０．７から約１．０グラムの亜鉛を有することができる。例えば、亜鉛の電気化学的活性アノード材料を有するＣサイズ電池は、少なくとも約９．５グラムの亜鉛のアノード・ローディングを有することができる。例えば、アノード・ローディングは、少なくとも約１０．０から約１５．０グラムの亜鉛を有することができる。例えば、亜鉛の電気化学的活性アノード材料を有するＤサイズ電池は、少なくとも約１９．５グラムの亜鉛のアノード・ローディングを有することができる。例えば、アノード・ローディングは、少なくとも約２０．０から約３０．０グラムの亜鉛を有することができる。
【００２８】
電気化学的活性アノード材料は、粒子から構成されることができる。電気化学的活性アノード材料の粒子は、表面積を有することができる。電気化学的活性アノード材料の粒子の表面積は、当技術分野において既知の任意の方法で求められてよい。例えば、電気化学的活性アノード材料の粒子の表面積は、Ｂｒａｕｎｅｒ−Ｅｍｍｅｔ−Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）法を使用して求められてよい。電気化学的活性アノード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、０．０４０ｍ２／ｇよりも大きくてよい。電気化学的活性アノード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、約０．０４１０ｍ２／ｇから約０．０６００ｍ２／ｇでよい。電気化学的活性アノード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、約０．０４５０ｍ２／ｇから約０．０５５０ｍ２／ｇでよい。電気化学的活性アノード材料の粒子のＢＥＴ表面積は、例えば、約０．０４９０ｍ２／ｇから約０．０５１０ｍ２／ｇでよい。
【００２９】
電気化学的活性アノード材料の粒子は、粒子サイズを有することができる。電気化学的活性アノード材料は、粒子サイズのガウス分布を備えてよい。例えば、電気化学的活性アノード材料の平均粒子サイズは、約１０μｍより大きく約３００μｍ未満でよい。電気化学的活性アノード材料の平均粒子サイズは、約５０μｍより大きく約３００μｍ未満でよい。電気化学的活性アノード材料の平均粒子サイズは、約６０μｍより大きく約２５０μｍ未満でよい。電気化学的活性アノード材料の平均粒子サイズは、約７５μｍより大きく約１５０μｍ未満でよい。電気化学的活性アノード材料の平均粒子サイズは、約１０μｍより大きく約７０μｍ未満でよい。電気化学的活性アノード材料の平均粒子サイズは、約２０μｍより大きく約６０μｍ未満でよい。電気化学的活性アノード材料の平均粒子サイズは、約３０μｍより大きく約５０μｍ未満でよい。電気化学的活性アノード材料は、粒子サイズのマルチモーダル分布、例えば、粒子サイズのバイモーダル分布またはトリモーダル分布を備えてよい。マルチモーダル分布とは、少なくとも２つの明白なピークを有する分布のことをいう。したがって、粒子サイズのマルチモーダル分布を有する電気化学的活性アノード材料についての粒子サイズの関数としての粒子の相対的割合の線図は、少なくとも２つの明白なピークを有するであろう。粒子サイズ分布の１つのモードは、このモードにおける約１０μｍから約７０μｍの範囲の平均粒子サイズを有する約１０％から約９０％のサンプルを備えてよい。粒子サイズ分布の第２のモードは、このモードにおける約５０μｍから約３００μｍの範囲の平均粒子サイズを有する約１０％から約９０％の同一のサンプルを備えてよい。電気化学的活性アノード材料粒子サイズ分布としての亜鉛についての例示的マルチモーダルは、バイモーダル分布であってよく、そこでは、約１０％から約３５％の混合物は約１０μｍから約７０μｍの間の平均粒子サイズを有してよく、残りの約６５％から約９０％の混合物は約５０μｍから約３００μｍの間の平均粒子サイズ分布を有してよい。
【００３０】
使用可能なゲル化剤の例として、ポリアクリル酸、グラフト化デンプン材料、ポリアクリル酸の塩、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースの塩（例えば、カルボキシメチルセルロースナトリウム）、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。アノードは、ビスマス、スズ、またはインジウムなどの無機材料を含むことができるガス発生防止剤を含むことができる。または、ガス発生防止剤として、リン酸エステル、イオン性界面活性剤、または非イオン性界面活性剤などの有機化合物を挙げることができる。
【００３１】
電解質は、カソード１２、アノード１４およびセパレータ１６の全体に分散されてよい。電解質は、水溶液中にイオン伝導性成分を備える。イオン伝導性成分は、水酸化物であってよい。水酸化物は、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化セシウム、およびこれらの混合物であってよい。イオン伝導性成分は、塩を含むこともできる。塩は、例えば、塩化亜鉛、塩化アンモニウム、過塩素酸マグネシウム、臭化マグネシウム、およびこれらの混合物であってよい。イオン伝導性成分の濃度は、電池設計およびその所望の性能に応じて選択されることができる。水性アルカリ電解質は、水を有する溶液において水酸化物をイオン伝導性成分として含むことができる。電解質内の水酸化物の濃度は、電池１０内の全電解質の重量に基づいて約０．２５から約０．４０すなわち約２５％から約４０％であってよい。例えば、電解質の水酸化物の濃度は、電池１０内の全電解質の重量に基づいて約０．２５から約０．３２すなわち約２５％から約３２％であってよい。水性アルカリ電解質はまた、その中に溶解された酸化亜鉛（ＺｎＯ）も含むことができる。ＺｎＯは、アノード内の亜鉛の腐食を抑えるように機能することができる。電解質に含まれるＺｎＯの濃度は、電池１０内の全電解質の約３重量％未満であってよい。例えば、ＺｎＯ濃度は、電池１０内の全電解質の約１重量％から約３重量％であってよい。
【００３２】
ＡＡサイズ・アルカリ電池内の水性アルカリ電解質の総重量は、例えば、約３．０グラムから約４．０グラムであってよい。ＡＡサイズ電池内の電解質の総重量は、好ましくは、例えば、約３．３グラムから約３．８グラムであってよい。ＡＡサイズ電池内の電解質の総重量は、例えば、約３．４グラムから約３．６５グラムであってよい。ＡＡＡサイズ・アルカリ電池内の水性アルカリ電解質の総重量は、例えば、約１．０グラムから約２．０グラムであってよい。ＡＡＡサイズ電池内の電解質の総重量は、例えば、約１．２グラムから約１．８グラムであってよい。ＡＡＡサイズ電池内の電解質の総重量は、例えば約１．４グラムから約１．６グラムであってよい。
【００３３】
セパレータ１６は、電解質によって濡らすことができるまたは電解質によって濡らされた材料を備える。材料は、液体と表面との間の接触角度が９０°未満である場合、または液体が自発的に表面全体に広がる傾向がある場合に、液体によって濡らされると言われ、これら両条件は通常は共存する。セパレータ１６は、織られた紙もしくは布または不織の紙もしくは布を備えてよい。セパレータ１６は、例えば、不織布材料の層と組み合わせられたセロハンの層を含んでよい。セパレータは、更なる不織布材料の層を含んでもよい。セパレータの材料は、薄くてよい。セパレータは、例えば、１５０マイクロメートル（ミクロン）未満の乾燥厚さを有してよい。セパレータは、例えば、１００ミクロン未満の乾燥厚さを有してよい。セパレータは、好ましくは、約７０ミクロンから約９０ミクロン、より好ましくは、約７０ミクロンから約７５ミクロンの乾燥厚さを有する。セパレータは、例えば、１８５マイクロメートル（ミクロン）未満の湿潤厚さを有してよい。セパレータは、例えば、約９０ミクロンから約１８０ミクロンの湿潤厚さを有してよい。セパレータは、例えば、約１００ミクロンから約１７０ミクロンの湿潤厚さを有してよい。セパレータは、例えば、約１１０ミクロンから約１３０ミクロンの湿潤厚さを有してよい。セパレータは、４０ｇ／ｍ２以下の坪量（ｂａｓｉｓ  ｗｅｉｇｈｔ）を有する。セパレータは、好ましくは、約１５ｇ／ｍ２から約４０ｇ／ｍ２、より好ましくは約２０ｇ／ｍ２から約３０ｇ／ｍ２の坪量を有する。セパレータは、例えば、約１．３０ｇ／ｃｍ３より大きい密度を有してよい。セパレータは、約１．３２ｇ／ｃｍ３から約１．４０ｇ／ｃｍ３の密度を有してよい。セパレータは、約１．３４ｇ／ｃｍ３から約１．３８ｇ／ｃｍ３の密度を有してよい。セパレータは、例えば、約７０％より大きい多孔率を有してよい。セパレータは、約７１％から約８５％の多孔率を有してよい。セパレータは、約７３％から約８０％の多孔率を有してよい。セパレータは、約７５％から約７９％の多孔率を有してよい。
【００３４】
セパレータ１６は、透気度値を有することができる。セパレータの透気度値は、ＩＳＯ２９６５に定められるようにＳｏｄｉｍ透気度試験器によって、その特性を示されることができる。Ｓｏｄｉｍ透気度試験器は、紙および不織材料の透気度を測定するように設計されている。試験器は、１ｋＰａの圧力において１分間に材料の所定の断面を通過するガスの体積を測定する。セパレータ１６の透気度値は、約２０００ｃｍ３／ｃｍ２・ｍｉｎ＠１ｋＰａから約５０００ｃｍ３／ｃｍ２・ｍｉｎ＠１ｋＰａであってよい。セパレータ１６の透気度値は、約３０００ｃｍ３／ｃｍ２・ｍｉｎ＠１ｋＰａから約４０００ｃｍ３／ｃｍ２・ｍｉｎ＠１ｋＰａであってよい。セパレータ１６の透気度値は、約３５００ｃｍ３／ｃｍ２・ｍｉｎ＠１ｋＰａから約３８００ｃｍ３／ｃｍ２・ｍｉｎ＠１ｋＰａであってよい。
【００３５】
面積比抵抗（ａｒｅａ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）は、組み合わされたセパレータと電解質との測定された特性であり、組成、厚さ、透気度、坪量、および湿潤性などのセパレータ特性、ならびに水酸化物および亜鉛酸塩の濃度などの電解質特性に影響される。アルカリ電解質内のセパレータの組み合わせの面積比抵抗は、約１００ｍＯｈｍ−ｃｍ２から約８００ｍＯｈｍ−ｃｍ２であってよい。面積比抵抗は、約２００ｍＯｈｍ−ｃｍ２から約５００ｍＯｈｍ−ｃｍ２であってよい。
【００３６】
電池放電性能は、概して、いくつかの要因に依存する。１つの重要な要因は、電池のオーム抵抗であり、これは他の要因とともに、電池の放電率能力および放電効率に影響を与えることができる。電池のオーム抵抗Ｒは、電池内の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉおよび統合されたセル内電子抵抗Ｒｅの組み合わせである。統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、セパレータの孔内の電解質のイオン抵抗Ｒｉｓおよびセパレータに近接するカソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｐを含むことができる。カソードおよびアノードの多孔質母材（ｐｏｒｏｕｓ  ｍａｔｒｉｘ）内に配置されたカソードおよびアノードの電極材料の孔内の電解質の抵抗は、統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉに影響を与えることができる。統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、セパレータの孔内およびカソードおよびアノードの多孔質母材の孔内の電解質の有効イオン抵抗を表すことができる。カソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｐは、カソードおよびアノードの多孔率、孔の湿潤性、孔の分布、粒子サイズ、モフォロジ（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）、湿潤表面積、および電解質の導電性に依存する。統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ、統合されたセル内電子抵抗Ｒｅ、オーム抵抗Ｒは、特に高ドレイン状態において、電池放電性能に影響する。電池の放電性能は、例えば、電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ、統合されたセル内電子抵抗Ｒｅ、およびオーム抵抗Ｒを最小化することによって、向上されることができる。
【００３７】
例えば、アノードとカソードとの間の静圧はセパレータの両側に力を及ぼすことができ、その結果として厚さが圧縮されるので、組み立てられた電池内のセパレータの実際の厚さは不明である。更に、電池放電に伴ってカソード活性材料およびアノード活性材料の密度が変化するので、アノードとカソードとの間の静圧は、電池放電の間に変化する。また、カソード成分およびアノード成分の粒子サイズおよび粒子サイズ分布も組み立てられた電池内のセパレータの厚さに影響することがある。更に、カソード成分およびアノード成分の粒子は、このような状態で、セパレータ内に埋め込まれることがある。セパレータの湿潤性および圧縮性もまた、組み立てられた電池内のセパレータの厚さに影響する。このような状態を考慮して、有効セパレータ厚さＴｃｅｌｌは、統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉおよびセパレータの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｓにおける差を反映する。有効セパレータ厚さＴｃｅｌｌは、電池内でアノードがいかに有効に分配されるか、およびアノード分配プロセスの間にアノード内にどのくらいの空間が生成されるかを反映することもできる。有効セパレータ厚さは、カソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｐも備える。有効セパレータ厚さＴｃｅｌｌは、特に高ドレイン状態において、電池放電性能に影響する。電池の放電性能は、例えば、有効セパレータ厚さＴｃｅｌｌを最小化することによって、向上されることができる。
【００３８】
統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、電池１０内の成分および電池１０のサイズに応じて変化することができる。統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、温度に伴って変化することもできる。例えば、一次アルカリＡＡサイズ電池は、２２℃で約３９ｍΩ未満の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉを有してよい。２２℃における統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、約１５ｍΩから約３９ｍΩであってよい。２２℃における統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、約２０ｍΩから約３６．５ｍΩであってよい。
【００３９】
統合されたセル内電子抵抗Ｒｅは、電池１０内の成分および電池１０のサイズに応じて変化することができる。統合されたセル内電子抵抗Ｒｅは、温度に伴って変化することもできる。例えば、一次アルカリＡＡサイズ電池は、２２℃で約２２ｍΩ未満の統合されたセル内電子抵抗Ｒｅを有してよい。２２℃における統合されたセル内電子抵抗Ｒｅは、約１０ｍΩから約１９ｍΩであってよい。
【００４０】
オーム抵抗Ｒは、電池１０内の成分および電池１０のサイズに応じて変化することができる。オーム抵抗Ｒは、温度に伴って変化することもできる。例えば、一次アルカリＡＡサイズ電池は、２２℃で約５７ｍΩ未満のオーム抵抗Ｒを有してよい。２２℃におけるオーム抵抗Ｒは、約２５ｍΩから約５６ｍΩであってよい。
【００４１】
セパレータの孔内の電解質のイオン抵抗Ｒｉｓは、電池内で使用される特定の電解質に含浸されたセパレータの面積比抵抗を測定し、電池内のセパレータの界面面積に対する面積比抵抗を調整することによって推定されることができる。しかしながら、カソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｓを測定する方法は、存在することを知られていない。同様に、有効セパレータ厚さＴｃｅｌｌを求める方法もまた、存在することを知られていない。
【００４２】
電池の統合されたセル内電子抵抗Ｒｅは、電池の放電中に電子が流れることのできる組み合わされた電流路の電子抵抗を含むことができる。電流路は、電池の内部および外部両方の全ての金属−金属接触、ハウジング、任意の金属基板、ハウジングと電気的に接触する任意の導線、例えば黒鉛または亜鉛の粒子−粒子接触、などを含むことができる。
【００４３】
場合によっては、様々な電池の構成要素の電子抵抗が推定されることができる。例えば、集電体の電子抵抗が測定されることができる。他の電池の構成要素の電子抵抗は、容易には求められない。例えば、カソードおよびアノードの電子抵抗の測定は、困難で不正確である。カソードおよびアノードの電子抵抗は、カソードおよびアノードにわたる電圧低下の２つまたは４つの電極プローブ測定を使用して完了されることができる。しかしながら、この技法は、測定値の大きなばらつきを含み、このばらつきは、例えば、測定値における約２０％から約３０％の間の誤差を含むことがある。したがって、この技法は、この技法が適用される電池の構成要素の電子抵抗の推定のためにのみ使用されることができる。
【００４４】
電池のオーム抵抗Ｒは、短期間の直流電流（ＤＣ）パルスを電池に印加し、ＤＣ電流の印加に対応する電池電圧の低下を測定することによって測定されることができる。電池の内部抵抗Ｒは、オームの法則に従って印加された電流に対応する電池の電圧を計算することによって求められることができる。電池の内部抵抗Ｒの全体的な値は、一般に電気化学的インピーダンスと呼ばれるものを利用して測定されることもできる。しかしながら、どちらの技法も、電池の全体的なインピーダンスＲを求めることができるだけであり、様々な電池の構成要素に関連づけられた固有の抵抗を区別することはできない。
【００４５】
電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉおよび統合されたセル内電子抵抗Ｒｅを個別に測定する必要性が存在する。カソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｐを抽出する必要性もまた存在する。更に、組み立てられた電池内のセパレータの有効厚さＴｃｅｌｌを推定する必要性も存在する。電池内のこれらのパラメータの個別の特性測定は、最適化された電池設計および向上された電池放電性能をもたらすことができる。
【００４６】
上述のように、電池のオーム抵抗Ｒは、統合されたセル内イオン抵抗成分Ｒｉおよび統合されたセル内電子抵抗成分Ｒｅを含む。電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉおよび統合されたセル内電子抵抗Ｒｅは、温度に影響されることがある。電池の動作範囲は、約０℃から約４５℃であってよい。この動作範囲内での電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、温度における変化によって大きく影響されることがある。しかしながら、電池のこの動作範囲内での電池の統合されたセル内電子抵抗Ｒｅは温度における変化によって大きく影響されることはない。
【００４７】
統合されたセル内イオン抵抗の温度への依存性は、電池内の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉを評価するために利用されることができる。所与の温度範囲内での電池の統合されたセル内電子抵抗Ｒｅは、以下の式１に従って、一定のままであると仮定されることができ、
Ｒｅ（ｔｉ）＝Ｒｅ（ｔｊ）＝Ｒｅ（１）
ここで、Ｒｅ（ｔｉ）は、摂氏温度（℃）での温度ｔｉにおけるオーム単位（Ω）での電池の統合されたセル内電子抵抗であり、Ｒｅ（ｔｊ）は、摂氏温度（℃）での異なる温度ｔｊにおけるオーム単位（Ω）での電池の統合されたセル内電子抵抗であり、Ｒｅは、ｔｉからｔｊの範囲での任意の温度におけるオーム単位（Ω）での電池の一定の統合されたセル内電子抵抗である。
【００４８】
また、異なる温度における電池の統合されたセル内イオン抵抗の比率は、以下の式２に従って、２つの異なる温度における電池の２つの電解質の抵抗の比率に等しいと仮定されることができ、
【数１】
0006734788.tif 000002
ここで、Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｉ）は、摂氏温度（℃）での温度ｔｉにおけるオーム単位（Ω）での電池内の電解質の固有抵抗（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）であり、Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｊ）は、摂氏温度（℃）での異なる温度ｔｊにおけるオーム単位（Ω）での電池内の電解質の固有抵抗であり、Ｒｉ（ｔｉ）は、摂氏温度（℃）での温度ｔｉにおけるオーム単位（Ω）での電池の統合されたセル内イオン抵抗であり、Ｒｉ（ｔｊ）は、摂氏温度（℃）での異なる温度ｔｊにおけるオーム単位（Ω）での電池の統合されたセル内イオン抵抗である。
【００４９】
温度ｔｉおよびｔｊそれぞれにおける電池のオーム抵抗Ｒは、以下の式３および式４に従って表されることができ、
Ｒｔｉ＝Ｒｅ（ｔｉ）＋Ｒｉ（ｔｉ）（３）
Ｒｔｊ＝Ｒｅ（ｔｊ）＋Ｒｉ（ｔｊ）（４）
ここで、Ｒｔｉは、摂氏温度（℃）での温度ｔｉにおけるオーム単位（Ω）での電池内のオーム抵抗であり、Ｒｔｊは、摂氏温度（℃）での異なる温度ｔｊにおけるオーム単位（Ω）での電池内のオーム抵抗である。
【００５０】
式２は、式１、式３および式４を利用して、以下の式５のように書き換えられることができる。
【数２】
0006734788.tif 000003
【００５１】
温度ｔｉにおける電池内の電解質の固有抵抗の、温度ｔｊにおける電池内の電解質の固有抵抗に対する比率は、Ｘと定義され、以下の式６のように記述されることができる。
【数３】
0006734788.tif 000004
【００５２】
式５は、式６を利用して、以下の式７のように書き換えられることができる。
【数４】
0006734788.tif 000005
【００５３】
電池のオーム・インピーダンスは、所与の温度範囲内の特定温度において、例えばＳｏｌａｒｔｒｏｎ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して測定されてよい。更に、所与の温度における電解質の固有抵抗は、例えば導電率セル（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｃｅｌｌ）を使用して、実験的に求められることができる。特定温度における電池の統合されたセル内電子抵抗は、上記の式（７）を、実験的に求められた特定温度における電池のオーム・インピーダンスおよび固有抵抗とともに使用することによって求められることができる。所与の温度範囲内の特定温度における電池の統合されたセル内イオン抵抗は、以下の式（８）のように記述されることができる。
Ｒｉ（ｔｉ）＝Ｒｔｉ−Ｒｅ（８）
【００５４】
所与の温度における電池の容量Ｃｐもまた、上記の分析に含まれることができる。所与の温度における電池の容量Ｃｐは、例えばＳｏｌａｒｔｒｏｎ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して測定されてよい。所与の温度における電池の容量は、このような分析からもたらされたナイキスト線図から抽出されてよい。所与の温度における電池の容量Ｃｐは、カソードおよびアノードの電気化学的活性表面積に比例する。所与の温度における電池の容量Ｃｐは、セパレータに近接するカソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗を補完するものとして取り扱われてよい。
【００５５】
式８を使用して計算された電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉは、電池のアノード−カソード間界面面積に対して正規化されたセパレータ／電解質の組み合わせの面積比抵抗と比較されることができる。電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉと、セパレータ／電解質の組み合わせの正規化された面積比抵抗との間の差は、セパレータに近接するカソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｐの特性測定のための情報、または電池内のセパレータの有効厚さＴｃｅｌｌを求めるための情報を提供することができる。電池の設計者は、統合されたセル内電子抵抗Ｒｅ、統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ、セパレータの孔内の電解質の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉｓまたは面積比抵抗、セパレータに近接するカソードおよびアノードの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｐ、電池設計のセパレータの有効厚さＴｃｅｌｌ、および電池の容量を、個別にまたは組み合わせて測定および調整することで、電池設計および組み立て電池組み立てプロセスを最適化して、その後、電池の放電性能を向上させ、またはアノード分配プロセスの効率を求めることができる。
【００５６】
電池の設計を評価および最適化するための上記の技法は、電池の放電または充電の様々な状態において完了されてよい。上記の技法は、貯蔵の様々な状態において電池の設計を評価および最適化するためにも適用される。上述された様々なパラメータを、電池放電、電池充電および電池貯蔵の様々な状態において求めることは、電池放電性能および電池の信頼性を最適化することを助けることもできる。
【００５７】
図２を参照すると、電池の統合されたセル内抵抗を決定するための方法（２００）が示されている。この方法は、電解質を用意するステップ（２０５）を含む。この方法は、温度ｔｉにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｉ）を測定するステップ（２１０）も含む。この方法は、温度ｔｊにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｊ）を測定するステップ（２１５）も含む。この方法は、温度ｔｉにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｉ）の、温度ｔｊにおける電解質の抵抗Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔｊ）に対する比率を、式６によって計算するステップ（２２０）も含む。この方法は、電解質を含む電池を用意するステップ（２２５）も含む。この方法は、温度ｔｉにおける電池のオーム抵抗Ｒｉを測定するステップ（２３０）も含む。この方法は、温度ｔｊにおける電池のオーム抵抗Ｒｊを測定するステップ（２３５）も含む。この方法は、電池の統合されたセル内電子抵抗Ｒｅを式７によって計算するステップ（２４０）も含む。この方法は、温度ｔｉにおける電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ（ｔｉ）を式８によって計算するステップ（２４５）も含む。この方法は、温度ｔｊにおける電池の統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ（ｔｊ）を式８によって計算するステップ（２５０）も含む。
【００５８】
図３を参照すると、電池３１０は、その内部に組み込まれた電圧インジケータまたはテスタ３３０を有するラベル３２０を含んで示されている。ラベル３２０は、透明または半透明な層がラベルの図柄およびテキストを載せた積層多層フィルムであってよい。ラベル３２０は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、および他の同様のポリマー材料から作られてよい。電池に配置される既知の種類の電圧テスタとして、サーモクロミック（ｔｈｅｒｍｏｃｈｒｏｍｉｃ）およびエレクトロクロミック（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ）インジケータを挙げることができる。サーモクロミック電池テスタにおいては、インジケータは、電池のアノード電極とカソード電極との間に配置されてよい。消費者は、スイッチを手で押すことによってインジケータを作動させる。ひとたびスイッチが押されると、消費者が電池のアノードをサーモクロミック・テスタを介して電池のカソードに接続したことになる。サーモクロミック・テスタは、幅が可変の銀導体を含むことができ、したがって導体の抵抗もその長さに沿って変化する。電流は、銀導体を通って流れるときに、銀導体の上のサーモクロミック・インク・ディスプレイの色を変化させる熱を生成する。サーモクロミック・インク・ディスプレイは、電池の相対容量を示すためのゲージとして配置されることができる。電流が大きいほど、生成される熱も多くなり、ゲージがより大きく変化して、電池が良好であることを知らせる。
【００５９】
実験試験
電解質抵抗の測定
電解質の抵抗の測定は、ポテンシオスタットおよび周波数応答分析器に結合された抵抗セル（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ  ｃｅｌｌ）内で、様々な温度において行われる。抵抗セルは、ＹＳＩ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手できるＭｏｄｅｌ３４０３であり、約１．０のセル定数Ｋを有している。抵抗セルのセル定数は、例えば、Ｇ．Ｊｏｎｅｓ  ａｎｄ  Ｂ．Ｃ．Ｂｒａｄｓｈａｗ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｅｃ．，５５，１７８０（１９３３）に従って求められてよい。周波数応答分析器は、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ  Ｇｒｏｕｐから入手できるＳｏｌａｒｔｒｏｎ１２８７  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅソフトウェアを有したＳｏｌａｒｔｒｏｎ１２６０である。電解質は、水に溶解した、水溶液の３１重量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）および水溶液の２重量％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる水性アルカリ電解液である。電解質は、温度調節室内で抵抗セル内に配置され、およそ１時間にわたって測定温度に到達することが可能となっている。約１００ｋＨｚから約０．０１Ｈｚのインピーダンス掃引が、温度において電解質を有する抵抗セルに行われる。インピーダンス掃引からもたらされたデータは、Ｓｃｒｉｂｎｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，  Ｉｎｃ．から入手できるＺ−Ｐｌｏｔ／Ｚ−Ｖｉｅｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅによって分析される。電解質抵抗の測定は、約５℃の温度ｔ１、約１５℃の温度ｔ２、約３０℃の温度ｔ３、および約４０℃の温度ｔ４において完了される。電解質抵抗の測定の結果であるＲｅｌ−ｔｅ（ｔ１）、Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔ２）、Ｒｅｌ−ｔｅ（ｔ３）、およびＲｅｌ−ｔｅ（ｔ４）は、以下の表１に含まれている。
【００６０】
オーム抵抗の測定
オーム抵抗の測定は、異なる設計の組み立てられた電池上で、様々な温度において行われる。４点電池接点固定具（ｆｏｕｒ−ｐｏｉｎｔ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｆｉｘｔｕｒｅ）がポテンシオスタットおよび周波数応答分析器に結合される。周波数応答分析器は、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ  Ｇｒｏｕｐから入手できるＳｏｌａｒｔｒｏｎ１２８７  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅソフトウェアを有したＳｏｌａｒｔｒｏｎ１２６０である。電池は、温度調節室内で４点電池接点固定具に挿入され、およそ１時間にわたって測定温度に到達することが可能となっている。約６０ｋＨｚから約０．１Ｈｚのインピーダンス掃引が、温度において電池を含む固定具に行われる。インピーダンス掃引からもたらされたデータは、Ｓｃｒｉｂｎｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，  Ｉｎｃ．から入手できるＺ−Ｐｌｏｔ／Ｚ−Ｖｉｅｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅによって分析される。電池のオーム抵抗の測定は、ＡＣ電位を電池に印加し、次いで電池内の電流を測定することによって測定される。次いで、インピーダンスが、実部と虚部とからなる複素数として表される。ナイキスト線図は、測定されたインピーダンスの実部をＸ軸に、虚部をＹ軸に含む。インピーダンスのＸ軸の切片が電池のオーム抵抗の値である。オーム抵抗の測定は、約５℃の温度ｔ１、約１５℃の温度ｔ２、約３０℃の温度ｔ３、および約４０℃の温度ｔ４において完了される。固定具のバックグラウンド抵抗（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が、得られたオーム抵抗値から減算される。オーム抵抗の測定の結果であるＲｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３、およびＲｔ４は、以下の表１に含まれている。
【００６１】
組み立てられたＡＡサイズ・アルカリ一次電池の試験
表１中で電池Ａと称される電池は、本発明の効果を評価するために組み立てられている。アノードは、４．６５グラムの亜鉛、水に溶解した約３１重量％のＫＯＨおよび２重量％のＺｎＯを有する１．３５立方センチメートルの水酸化カリウムアルカリ電解質、０．０２７グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．０２グラムの腐食防止剤を含有するアノード・スラリを含む。カソードは、ＥＭＤ、黒鉛、および水酸化カリウム水性電解液の混合物を含む。カソードは、１０．７４グラムのＥＭＤのローディング、および０．４グラムのＴｉｍｃａｌ  ＢＮＢ−９０黒鉛のローディングを含む。電池Ａはまた、カソード−アノード間界面面積を有する。電池Ａのカソード−アノード間界面面積は１１．２５３ｃｍ２である。セパレータは、外側層と内側層とを有し、アノードとカソードとの間に挿入される。セパレータの外側層は、約５７ｇ／ｍ２の坪量と約９０ミクロンの厚さ（乾燥）とを有する不織布材料に積層されたセロハンを含む。セパレータの内側層は、約２５ｇ／ｍ２の坪量と約１１０ミクロンの厚さ（乾燥）とを有する不織布材料である。アノード、カソード、およびセパレータは、円筒形状のハウジングに挿入される。次いで、ハウジングは、シールされて電池組み立てプロセスを終了する。次いで電池Ａのオーム抵抗が、上述されたように測定される。電池Ａについてのオーム抵抗の測定の結果であるＲｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３、およびＲｔ４は、以下の表１に含まれている。
【００６２】
表１中で電池Ｂと称される別の電池は、本発明の効果を評価するために組み立てられている。アノードは、４．８グラムの亜鉛、水に溶解した約３１重量％のＫＯＨおよび２重量％のＺｎＯを有する１．３９立方センチメートルの水酸化カリウムアルカリ電解質、０．０２７グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．０２グラムの腐食防止剤を含有するアノード・スラリを含む。カソードは、ＥＭＤ、黒鉛、および水酸化カリウム水性電解液の混合物を含む。カソードは、１０．９２グラムのＥＭＤのローディング、および０．４グラムのＴｉｍｃａｌ  ＢＮＢ−９０黒鉛のローディングを含む。電池Ｂはまた、カソード−アノード間界面面積を有する。電池Ｂのカソード−アノード間界面面積は１１．３５２ｃｍ２である。セパレータは、外側層と内側層とを有し、アノードとカソードとの間に挿入される。セパレータの外側層および内側層は両方とも、約２３ｇ／ｍ２の坪量と約７５ミクロンの厚さ（乾燥）とを有する不織布材料セパレータを含む。アノード、カソード、およびセパレータは、円筒形状のハウジングに挿入される。次いで、ハウジングは、シールされて電池組み立てプロセスを終了する。次いで電池Ｂのオーム抵抗が、上述されたように測定される。電池Ｂについてのオーム抵抗の測定の結果であるＲｔ１、Ｒｔ２、Ｒｔ３、およびＲｔ４は、以下の表１に含まれている。
【００６３】
電池Ａおよび電池Ｂについて、全ての選択された温度の組み合わせについての電解質の抵抗の比率が式６によって計算される。電池Ａおよび電池Ｂについて、統合されたセル内電子抵抗Ｒｅが、全ての選択された温度の組み合わせについて式７によって計算される。各統合されたセル内電子抵抗Ｒｅの平均は、以下の表１に含まれている。電池Ａおよび電池Ｂについて、統合されたセル内イオン抵抗Ｒｉ（ｔ１）、Ｒｉ（ｔ２）、Ｒｉ（ｔ３）、およびＲｉ（ｔ４）が式８によって計算される。計算された統合されたセル内イオン抵抗は、以下の表１に含まれている。
【００６４】
面積比抵抗の測定
面積比抵抗の測定は、抵抗セル内で、室温、例えば約２１℃において行われる。抵抗セルは、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）に入れられた２つのステンレス鋼電極からなる。下側電極は、電解質の小さな液だめがセル内に維持されることができるように構成される。上部電極組立体は、取り外し可能で、２つの金属ピンを介して下部組立体に位置合わせされている。上部電極組立体は、分析されている材料サンプルの上部に力（およそ４から５ポンド）が印加されることができるようにバネ負荷をかけられる。下側電極組立体は固定具ベースにねじ留めされ、各電極に導線が取り付けられる。次いで、この導線は、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒなどのインピーダンス分析器の導線に接続され、インピーダンス分析器はセルまたはサンプル材料の抵抗を決定するためのインピーダンス掃引を完了するために使用される。
【００６５】
抵抗セルのバックグラウンド抵抗が、電極を短絡されたときの電解質で満たされた固定具にインピーダンス掃引を行うことによって決定される。掃引は、計測器を制御するためにＳｃｒｉｂｎｅｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによるソフトウェア・プログラムＺＰｌｏｔを使用し、１０ｍＶの振幅を使用して１００，０００ｋＨｚで開始され、１００Ｈｚで終了する。固定具の抵抗（ＲＣＥＬＬ）は、ステンレス鋼電極の状態に応じて、１０から１５０ｍΩの間の標準値（ｔｙｐｉｃａｌ  ｖａｌｕｅ）を有することができる。得られる値が比較的一定になることを保証するために、何回かの掃引が完了されることができる。
【００６６】
セパレータおよび電解質の組み合わせの抵抗は、セパレータ・サンプルにインピーダンス掃引を行うことによって求められる。固定具は、セパレータ・サンプルが配置されることができる中央ディスクを含む。電解質は、１分間にわたってセパレータ・サンプルの両側が十分に湿潤されることを保証するようなレベルまで抵抗セルの空隙内に配置される。上述されたものと同一のインピーダンス掃引が行われる。得られる値が比較的一貫したものになることを保証するために、ここでも、何回かの掃引が完了されることができる。掃引から得られたデータは、ナイキスト線図上にプロットされる。セパレータおよび電解質の組み合わせのオーム抵抗（ＲＲＥＡＬ）は、ナイキスト線図上のＺ’’＝０の位置において求められる。しかしながら、この値は、抵抗セルの抵抗を含む。抵抗セル・インピーダンスを含むセパレータおよび電解質の組み合わせサンプルについて求められた抵抗（ＲＲＥＡＬ）から、抵抗セルの抵抗値（ＲＣＥＬＬ）を減算することで、セパレータおよび電解質の組み合わせについての調整された抵抗値［ＲＲＥＡＬ（ＡＤＪ）］を計算することができる。
【００６７】
セパレータ／電解質の組み合わせの面積比抵抗（ＡＳＲ）は、抵抗セルの作用電極の幾何学的な表面積に調整されたセパレータ−電解質の組み合わせの抵抗値を乗算することによって求められる。これらの実験において使用された抵抗セルの作用電極の表面積は、３．８３ｃｍ２である。ＡＳＲの単位は、ｍＯｈｍ・ｃｍ２である。
【００６８】
上述された、電池Ａおよび電池Ｂの、セパレータおよび電解質の組み合わせについての面積比抵抗が測定される。先ず、室温における抵抗セルのインピーダンスが、上述されたように各特定の電解質によって求められる。次いで、室温におけるセパレータ／電解質の組み合わせのインピーダンスが、それぞれの特定の電解質によって求められる。次いで、セパレータ／電解質の組み合わせの調整された抵抗が求められ、ＡＳＲの計算において使用される。電池Ａおよび電池ＢについてのＡＳＲは表１に含まれている。
【００６９】
結果考察
表１は、上述された全ての分析からもたらされるデータを含む。
【表１】
0006734788.tif 000006
【００７０】
電池Ａおよび電池Ｂの両方の統合されたセル内イオン抵抗および統合されたセル内電子抵抗は、上記のデータから、０℃から４０℃の範囲内の任意の温度について、外挿されることができる。例えば、電池Ａの２２℃における統合されたセル内イオン抵抗および統合されたセル内電子抵抗は、それぞれ０．０４１Ωおよび０．０１７Ωである。更に、電池Ｂの２２℃における統合されたセル内イオン抵抗および統合されたセル内電子抵抗は、それぞれ０．０３４Ωおよび０．０１９Ωである。電池Ａおよび電池Ｂの両方について、２２℃における統合されたセル内イオン抵抗は、セパレータの孔内の電解質の抵抗Ｒｉｓよりも大きい。これは、電池Ａおよび電池Ｂの両方のアノード体積内での、界面内に空隙を生成する可能性があるアノード・スラリの不十分な分配を示すことができる。
【００７１】
電池Ａのセパレータの外側層の湿潤厚さは約２００μｍである。電池Ａの内側セパレータの湿潤厚さは１６０μｍである。電池Ａの２２℃におけるセパレータの有効厚さＴｃｅｌｌは３８８μｍ［（０．０４１Ω／０．０３８Ω）・（０．２００μｍ＋０．１６０μｍ）］である。電池Ｂのセパレータの外側層の湿潤厚さは約１２０μｍである。電池Ｂの内側セパレータの湿潤厚さは１２０μｍである。電池Ｂの２２℃におけるセパレータの有効厚さＴｃｅｌｌは２８１μｍ［（０．０３４Ω／０．０２９Ω）・（０．１２０μｍ＋０．１２０μｍ）］である。電池Ａおよび電池Ｂのセパレータの有効厚さは、電池Ａおよび電池Ｂのセパレータの湿潤厚さよりも大きい。これもまた、電池Ａおよび電池Ｂの両方のアノード体積内での、界面内に空隙を生成する可能性があるアノード・スラリの不十分な分配を示すことができる。
【００７２】
本明細書に開示された寸法および値は、記載された正確な数値に厳密に限定されるものとして理解されるべきではない。むしろ、特に指定されない限り、そのような各寸法は、記載された値およびその値の周辺の機能的に同等な範囲の両方を意味するように意図される。例えば、「４０ｍｍ」として開示される寸法は、「約４０ｍｍ」を意味すると意図される。
【００７３】
任意の相互参照された、または関連した特許もしくは出願、および本出願がその優先権または利益を主張する任意の特許出願または特許を含む本明細書に引用される文献は全て、明らかに除外されるかまたは別の方法で限定されない限り、参照によってそれらの全体を本明細書に援用される。いずれの文献の引用も、こうした文献が本明細書で開示または特許請求される任意の発明に対する先行技術であることを容認するものではなく、または、こうした文献が、単独で、または任意の他の１つまたは複数の参照文献との任意の組み合わせにおいて、こうした発明のいずれかを教示、示唆または開示していることを容認するものでもない。更に、本文書内の用語のいずれかの意味または定義が、参照によって援用される文書内の同じ用語のいずれかの意味または定義と矛盾する場合、本文書においてその用語に付与される意味または定義が優先するものとする。
【００７４】
本発明の特定の実施形態が示され説明されたが、様々な他の変更および修正が本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなされることができることは、当業者にとって自明であろう。したがって、本発明の範囲内にある全てのそのような変更および修正を添付の特許請求の範囲に含むと意図される。
【図１】
0006734788.tif 000007
【図２】
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【図３】
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