(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部が開放している円筒状のハウジングと、前記ハウジングの内部に挿入されてこれを閉じるエンドキャップ組立体とを備えた電気化学電池であって、
前記エンドキャップ組立体は、金属で構成された支持ディスクと、当該電池をその頂部に前記エンドキャップ組立体があるように垂直状態で見たときに下側に位置する電気絶縁密封ディスクとを有し、
前記支持ディスクが下方に延びる表面を有し、
前記下方に延びる表面はその表面上の高い地点から低い地点へと下方に延び、
前記下方に延びる表面は、当該電池をその頂部に前記エンドキャップ組立体があるように垂直状態で見たときに、前記高い地点が前記低い地点よりも電池の中心縦軸線に近くなるように当該電池の中心縦軸線に対して４０〜８０度の角度で傾斜し、
前記下方に延びる表面が、そこを貫通する少なくとも一つの開口を有しており、
前記密封ディスクは、プラスチック材料から成り、前記支持ディスクの下方に延びる表面のうち電池内部に面する側に当接して下方に延びる壁を有しており、
前記密封ディスクにおける当接する壁が、電池内部に面する内側表面上に溝を有しており、
前記溝は、前記開口に当接する開裂可能な薄膜を形成しており、
電池内のガス圧力が上昇したときに、前記開裂可能な薄膜が前記開口に入り込んで開裂し、それによって前記開口を介してガスを周囲の環境に放出することを特徴とする電気化学的電池。
【請求項２】
前記ハウジングが鋼から成り、かつ前記ハウジングが０．１０〜０．２０ｍｍの壁厚を有していることを特徴とする請求項１に記載した電池。
【請求項３】
前記密封ディスクの下方に延びる壁のうち前記溝の直ぐ隣りにある部分が前記開裂可能な薄膜よりも大きな厚みを有しており、
前記下方に延びる壁のうち前記溝の直ぐ隣りにある部分の厚みに対する、前記溝によって形成されている開裂可能な薄膜の厚みの比率が１／２未満であることを特徴とする請求項１に記載した電池。
【請求項４】
前記密封ディスクの下方に延びる壁のうち前記溝の直ぐ隣りにある部分が前記開裂可能な薄膜よりも大きな厚みを有しており、
前記下方に延びる壁のうち前記溝の直ぐ隣りにある部分の厚みに対する、前記溝によって形成されている開裂可能な薄膜の厚みの比率が１／２〜１／１０であることを特徴とする請求項１に記載した電池。
【請求項５】
前記溝によって形成されている前記開裂可能な薄膜の厚みが０．０８〜０．１５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載した電池。
【請求項６】
前記支持ディスクにある前記開口が７〜６０平方ミリメートルの面積を有していることを特徴とする請求項１に記載した電池。
【請求項７】
正極および負極の端子をさらに有し、
前記絶縁密封ディスクは、それを貫通する細長い集電体と、回旋状の表面とを有し、
前記集電体が前記電池端子と電気的に接触し、
前記支持ディスクは、回旋状の表面を有する単一部品の金属構造であることを特徴とする請求項１に記載した電池。
【請求項８】
前記絶縁ディスク表面の前記溝が前記密封ディスクの中心部を迂回していることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項９】
前記溝によって形成される前記開裂可能な薄膜の厚みに対する幅の比率が２．５〜１２．５であることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１０】
前記絶縁ディスクの表面上の前記溝が０．１〜１ｍｍの幅を有していることを特徴とする請求項９に記載した電池。
【請求項１１】
前記絶縁ディスクの一部が、前記支持ディスクの表面のうち前記開口の直ぐ隣にある領域において前記支持ディスクに接触していることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１２】
前記エンドキャップ組立体が、前記支持ディスク上に絶縁ワッシャを、かつ前記絶縁ワッシャ上に端子エンドキャップをさらに有し、
前記端子エンドキャップが前記支持ディスクに溶接されていることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１３】
前記支持ディスクの表面が実質的に平坦な中央部分を有していることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１４】
前記集電体が前記支持ディスクに溶接されていることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１５】
前記集電体が前記エンドキャップに溶接されていることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１６】
前記支持ディスクが、前記ディスクの下方に延びる表面に面する一組の開口を有していることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１７】
前記支持ディスクが外周縁部および実質的に平坦な中央部分を有しており、
前記中央部分が電池の中心縦軸線に対して直角であり、かつ前記支持ディスクの下方に延びる表面が前記中央部分から前記外周縁部へと下方に延びることを特徴とする請求項７に記載した電池。
【請求項１８】
前記支持ディスクの中央部分が、その開放端において前記円筒ハウジングの縁部を越えて外側に延びており、
前記支持ディスクの外周縁が、前記絶縁密封ディスクの外周縁に噛み込んで前記密封ディスク上に半径方向の圧縮力を作用させていることを特徴とする請求項１７に記載した電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的電池（単電池）、特にアルカリ電池を密封するためのエンドキャップ組立体に関する。本発明は、電池の内部からガスが流出できるようにする、エンドキャップ組立体内部の開裂可能な装置に関する。
【０００２】
通常の電気化学的電池、例えばアルカリ電池は、開放端を有している円筒ハウジングとその内部に挿入されるエンドキャップ組立体とから形成されている。電池の内容物が供給されると、電池は、ハウジングの縁部をエンドキャップ組立体上にかしめることによって閉じられる。エンドキャップ組立体は、電池の端子として機能する露出したエンドキャッププレートと、電池ハウジングの開放端を密封する一般的にプラスチック製の絶縁部材とを有している。様々な電気化学的電池、特にアルカリ電池の設計に結びつく問題点は、電池の有効な容量を完全に使い尽くすあたりを越えて放電し続けるときにガスを生じさせるという電池の性質である。電気化学的電池、特にアルカリ電池には、開裂可能なダイヤフラムないし薄膜が一般的エンドキャップ組立体の内部に設けられている。
【０００３】
開裂可能なダイヤフラムないし薄膜は、例えば米国特許第３，６１７，３８６号に記載されているように、プラスチック製の絶縁部材に形成することができる。そのようなダイヤフラムは、電池内のガス圧が予め定められたレベル上回ったときに破裂するように設計されている。エンドキャップ組立体には、ダイヤフラムないし薄膜が破裂したときにガスを排出するための通気孔を設けることができる。米国特許第３，６１７，３８６号に開示されているエンドキャップ組立体は、開裂可能なダイヤフラムの上方にかなりのスペースを使用しており、電池の内部で利用可能な活物質のための空間の総量を減少させている。また、当該参考文献に開示されているエンドキャップ組立体は半径方向の圧縮力に耐えるように設計されておらず、極端に高温若しくは低温の環境に電池が曝されると漏れを生じさせる傾向がある。
【０００４】
タイト（緊密）な密封を提供するために、従来技術は金属支持ディスクを有したエンドキャップ組立体を開示しているが、この金属支持ディスクは、これを電池ハウジングから電気的に絶縁するための一般的にプラスチック製の絶縁ディスクである絶縁部材とエンドキャッププレートとの間に挿入されている。この金属支持ディスクは、米国特許第５，５３２，０８１号ないし第５，０８０，９８５号に示されているように回旋状の表面（convoluted surface）を持つことができ、電池のハウジング縁部をエンドキャップ組立体の周りにかしめる間にエンドキャップ組立体が半径方向の高い圧縮力に確実に耐えることができるようにしている。そのような支持ディスクは、半径方向の力が維持されるようにしている。このことは、エンドキャップ組立体の周りの機械的な密封が常にタイトであることに結びついている。
【０００５】
また、従来技術は、エンドキャップ組立体に包含されている絶縁ディスクの一部として一体的に形成された、開裂可能なガス抜き薄膜を開示している。そのようなガス抜き薄膜は一般的に、例えば米国特許第４，５３７，８４１号またはＰＣＴ特許出願公開ＷＯ００／４６８６４号に開示されているように、電池の縦軸線に対して垂直な平面内に位置する開裂可能なディスクの形をとっている。絶縁部材内の開裂可能な薄い部分はまた、米国特許第５，０８０，９８５号に開示されているように、円周ガス抜き薄膜の形をとることができる。これらの３つの参考文献に示したように、開裂可能な薄膜は電池の縦軸線に対して垂直な平面内にある。また、これらの参考文献に示したように、ディスクが明瞭に破裂するとともにそこを通ってガスが流出することが求められている。そのような設計の不利な点は、開裂可能な薄膜より上にあるかなりの自由空間が、アノードおよびカソードの活物質のために用いることができない無駄なスペースとなることである。したがって、そのような自由空間の量によって潜在的な電池容量が減少してしまう。
【０００６】
米国特許第６，１２７，０６２号は、垂直に、すなわち電池の中心縦軸線と平行に向きを定められている絶縁密封ディスクと一体的に形成された開裂可能な薄膜を開示している。開裂可能な薄膜は真っ直ぐな壁として形成され、すなわち、切欠きが設けられておらず、かつその上に重なっている金属支持部材の開口に対向して配設されている。電池内のガス圧が予め定められたレベルまで上昇すると、薄膜は開口内に入り込んで開裂しそれによってガス圧を解放する。薄膜が開裂したときに良好なガスの流出を達成するための、その上に重なっている開口の寸法は、薄膜の垂直方向の配向によって制限されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、電池が極端に高温若しくは低温の環境に曝されたときでも電池のためにタイトな密封を提供するエンドキャップ組立体を持つことが望ましい。
【０００８】
追加される量のアノードおよびカソード活物質で電池を満たすことができ、それによって電池の容量を高めることができるように、開裂可能な排気機構が電池内において占めるスペースが最小であることが望ましい。
【０００９】
ある所定の圧力レベルにおいて排気が生じるように開裂可能な排気機構を容易に製造できることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、その円筒ハウジング（ケーシング）の開放端に挿入されるエンドキャップ密封組立体を備えた電気化学的電池、例えばアルカリ電池に向けられている。一つの態様において、エンドキャップ組立体は、金属支持ディスクと、この金属支持ディスクが上部にあるように電池を垂直位置から見たときに金属ディスクの下側にある絶縁密封ディスク（絶縁グロメット）とを備える。エンドキャップ組立体はまた、金属支持ディスク上に配置された端子エンドキャップを備える。好ましくは、端子エンドキャップは、その間に絶縁ワッシャがあるように金属支持ディスク上に積層することができる。エンドキャップは金属支持ディスクに溶接することができる。
【００１１】
金属支持ディスクは、好ましくは、回旋状の表面およびその表面を貫通する少なくとも一つの開口を有した単一部品の金属構造ディスクとして形成される。絶縁密封ディスクは、その頂部にエンドキャップ組立体があるように電池を垂直状態でみたときに、その表面の一部が金属支持ディスクの開口の下にある回旋状の表面を有している。絶縁密封ディスクのうち開口の下にある部分は、電池の内部に面するその内側表面上に溝を有している。溝は開放端および対向する閉じた底部を有しており、かつ溝の底部が薄くて開裂可能な薄膜を形成している。開裂可能な薄膜は、金属支持ディスクの開口に当接している。電池内のガス圧が上昇すると、開裂可能な薄膜が開口内に入り込んで開裂し、それによってこの開口を介して周囲の環境へとガスを直接放出する。
【００１２】
絶縁密封ディスクは、プラスチック材料から成り、かつ電池の中心縦軸線に対して９０度より少ない角度で傾斜するがこの軸線とは平行ではなく下方に延びる壁を有している。絶縁ディスクの下方に延びる壁は、その頂部にエンドキャップ組立体があるように電池を垂直状態で見たときに、絶縁ディスクの表面上の高い地点から、電池の内部により近いその表面上の低い地点へと下方に延びる。金属支持ディスクもまた、電池の中心縦軸線に対して９０度より小さい角度で傾斜して下方に延びる壁を有している。金属支持ディスクの下方に延びる壁は、その頂部にエンドキャップ組立体があるように電池を垂直状態で見たときに、その表面上の高い地点から下方に延びる。金属支持部材の下方に延びる壁には少なくとも一つの開口があり、開裂可能な薄膜がそれに当接している。好ましくは、絶縁密封ディスクの下方に延びる壁は、電池の中心縦軸線に対して約４０〜８０度の角度で傾斜することができる。その上に重なっている金属支持ディスクの下方に延びる壁は、絶縁密封ディスクの下方に延びる壁と同じ角度で、好ましくは電池の中心縦軸線に対して約４０度〜８０度の角度で傾斜する。このことは、絶縁密封ディスクの下方に延びる壁の開裂可能な薄膜部分が、金属支持部材の下方に延びる壁にある開口に当接して同一表面上で横たわるようにする。
【００１３】
絶縁密封ディスクの下方に延びる壁の内側表面上にあって開裂可能な薄膜部分を形成している溝は、好ましくは絶縁ディスクの中心部を迂回するように作られる。金属支持ディスクの開口に当接しつつ迂回している開裂可能な薄膜の少なくとも一部分は、電池の内部圧力が予め定められたレベルに上昇すると開裂する。開裂可能な薄膜は好ましくはナイロンないしポリプロピレンである。本発明のエンドキャップ組立体は、開裂開口を大きくするとともに開裂可能な薄膜の厚みを小さくできるようにし、それによって限界破壊圧力を低下させる。このことは、翻って、電池ハウジングの壁厚を減少できるようにし、それによってアノードおよびカソード活物質のために利用可能な電池の内側容積の総量を増加させる。
【００１４】
金属支持ディスクは、好ましくは、その中央に配置された小さな凹みを具備した実質的に平坦な中央部分を有する。好ましくは、直径方向に対向する同じ寸法の２つの開口が、金属支持ディスクの下方に延びる壁に配置される。電池の活物質を挿入した後、エンドキャップ組立体を電池ハウジングの開口端に挿入する。ハウジングの外周縁を絶縁密封ディスクの縁部上にかしめると、金属支持ディスクの縁部が密封ディスクに噛み込む。金属支持ディスクの下方に傾斜する壁は、金属支持ディスクの縁部が半径方向に圧縮されるようにし、それによってタイトな密封の達成を助ける。
【００１５】
本発明の突出しているエンドキャップ組立体１０は、鋼製のハウジング７０の壁厚を、例えば約４〜８ｍｉｌ（ミル）（０．１０〜０．２０ｍｍ）のレベルに減少させるとともに、エンドキャップ組立体１０自身が占める電池の内部容積を従来の電池よりも少なくする。これらの要因は、翻って、より多くのアノードおよびカソード活物質を電池に挿入できるようにし、それによって電池の容量を増加させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のエンドキャップ組立体１０の好ましい構造が、図１に示されている。本発明のエンドキャップ組立体１０は、開放端７３および対向する閉鎖端１７０を有した円筒状のハウジング７０を備え、密封のためにエンドキャップ組立体１０が開放端７３に挿入される電気化学的電池に特に適用可能である。このエンドキャップ組立体１０は、ＡＡＡ（４４×９ｍｍ）、ＡＡ（４９×１２ｍｍ）、Ｃ（４９×２５ｍｍ）およびＤ（５８×３２ｍｍ）サイズの標準的な円筒状アルカリ電池に特に適用可能である。そのようなアルカリ電池は、電池５（図３）として、望ましくは亜鉛で構成されたアノード１５０、二酸化マンガンで構成されたカソード１１０、およびそれらの間の電解液透過性のセパレータ１４０を備える。アノード１５０およびカソード１１０は一般的に、水酸化カリウム水溶液の電解質を含んでいる。
【００１７】
本発明のエンドキャップ組立体１０は、金属支持ディスク４０、その下にある絶縁密封ディスク２０、および絶縁密封ディスク２０の中心を貫通してアノード１５０に接触している集電体６０とを備えている。図３に示したように、別個の端子エンドキャップを金属支持ディスク４０上に積み重ねることができる。金属支持ディスク４０は、好ましくは、その中央に配置された小さな寸法の凹み４１を具備した、実質的に平坦な中央部分４３を有している。金属支持ディスクは、好ましくは、回旋状の表面およびその表面を貫通する少なくとも一つの開口４８を有した単一部品金属構造のディスクとして形成される。
【００１８】
好ましくは、直径方向に互いに対向する一組の同一寸法の開口４８が、金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５に配設される。金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５は、その頂部にエンドキャップ組立体１０があるように電池を垂直状態で見たときに、金属支持ディスク４０の壁４５上の高い地点４５ａから壁４５上の低い地点４５ｂへと電池の内部に向かって下方に延びる。金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５は、好ましくは下向きの傾斜の方向に真っ直ぐであり（すなわち、凹むことも膨らむこともなく）、あるいは電池の外側から見たときに僅かに凸面の表面輪郭を有することができる。下方に延びる壁４５は外周縁４９で終端している。
【００１９】
絶縁密封ディスク２０は、下方に延びる壁２６を含む回旋状の表面を有しており、その表面の一部は、その頂部にエンドキャップ組立体があるように電池を垂直状態で見たときに、金属支持ディスク４０の開口４８の下に位置して当接している。絶縁密封ディスク２０の壁２６は、その頂部にエンドキャップ組立体があるように電池を垂直状態で見たときに、その表面上の高い地点２６ａからその表面上の低い地点２６ｂへと下方に延びる。絶縁密封ディスク２０の壁２６は好ましくは下方への傾斜の方向に真っ直ぐ（すなわち、凹むことも膨らむこともない）であるが、電池の外側から見たときに僅かに凸面の表面輪郭を有することもできる。下方に延びる壁２６は外周縁２８に終端している。
【００２０】
金属支持ディスク４０の開口４８の下にあって下方に延びる壁２６の一部は、電池の内部に面するその内側表面上にアンダカットされた溝２１０を有している。この溝２１０は、開放端と対向する閉じた底部とを有している。この溝底部は、薄くされた開裂可能な薄膜２３を形成している。開裂可能な薄膜２３は、金属支持ディスク４０の開口４８に当接している。電池内のガス圧が上昇したときに、開裂可能な薄膜２３は開口４８に入り込んで開裂し、それによって周囲の環境へとガスを放出する。好ましくは、絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６は、組み立ての間、金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５の内側表面と同一平面上にある。しかしながら、絶縁密封ディスク２０の縁部２９上にハウジング７０の外周縁７２をかしめた後に、壁２６，４５のいくつかの部分の間に非常に小さい空間が存在することができる。
【００２１】
溝２１０は、図２Ａに最も良く示されているように、好ましくは下方に延びる壁２６の内側表面２２０に沿って円周方向に走っている。この溝２１０は、下方に延びる壁２６の内側（下側）に沿って円周方向に走っている、薄くなった部分を形成している（図１および図２Ａ）。迂回している溝２１０（図１および図２Ａ）は、薄くなった部分、すなわち溝２１０の底部に迂回している薄膜２３を形成している。薄くなった部分は、図１に示したように、金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５に対向し、好ましくは当接する開裂可能な薄膜を形成している。金属支持ディスク４０（図１）の下方に延びる壁４５には、一つ若しくは複数の開口４８を設けることができる。好ましくは、下方に延びる壁４５の表面に２つの開口を設ける。２つの開口４８を用いる場合、好ましくは、それらを下方に延びる壁４５上にそれぞれ設ける。迂回している薄くされた薄膜２３のうち開口４８の直下を走っている部分が、開裂可能な部分を形成している。電池内のガスが予め定められたレベルに高まると、薄膜２３のうち開口４８の直下にある部分が、引張力を受けて開裂するまで伸びつつ開口内に入り込み、それによって開口を介してガス圧を放出する。
【００２２】
アンダカットされた溝２１０の深さを定めつつ対向している溝壁２１２ａおよび２１２ｂは、特定の湾曲形状である必要はない。しかしながら、製造の容易さの観点から、溝２１０の口部が溝の底部（開裂可能な薄膜２３）よりも広くなるように、溝壁２１２ａおよび２１２ｂを垂直に向きを定めあるいは傾斜させることもできる。溝壁２１２ａの角度は薄膜２３の開裂可能性の要因にはならない。薄膜は、好ましくは剪断力ではなく引張力によって開裂することが意図されているからである。溝壁２１２ａおよび２１２ｂは、便利には溝２１０の底部でおいて開裂可能な薄膜２３に対して直角であり、若しくは開裂可能な薄膜２３に対して鈍角を成すことができる。あるいは、溝壁２１２ａおよび２１２ｂは、平坦なあるいは湾曲した表面から形成することができる。望ましくは、溝壁２１２ａおよび２１２ｂはそれぞれ、開裂可能な薄膜２３に対して望ましくは約１２０〜１３５度、一般的には約１２６度の鈍角をなす平坦な表面を形成し、溝２１０の開放端は薄膜２３を形成している溝底部より僅かに広い。そのような好ましい実施例は、図１に示したように迂回している溝２１０に台形形状を与えている。そのような形状は、射出成形による製造の容易さの観点から望ましく、かつ薄膜２３の開裂可能性に影響しない。
【００２３】
下方に延びる壁２６およびその開裂可能な薄膜２３は、図１および図３に示したように、電池の中心縦軸線１９０に対して望ましくは鋭角（９０より少ない角度）をなして傾斜する。そのような構成において、下方に延びる壁２６およびその薄膜２３は電池の中心縦軸線に対して平行ではない。好ましくは下方に延びる壁２６は、中心縦軸線１９０に対して約４０〜８０度の鋭角αで傾斜する（図１）。同様に、金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５は、絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６と同じ鋭角、すなわち中心縦軸線１９０に対して約４０〜８０度で傾斜する。したがって、金属支持ディスク４０を絶縁密封ディスク２０上に配置すると、金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５が絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６に当接して面一となり、かつ開裂可能な薄膜２３が開口４８に当接する。金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５を傾斜させたことは、金属支持ディスク４０の所与の全高において、下方に延びる壁４５により大きな直径の開口４８を作れるようにしている。このことは、翻って、所与の薄い厚みの薄膜２３がより低い限界圧力で開裂できるようにし、それによって電池のハウジングの壁厚を減少できるようにしている。ハウジング７０の壁厚の減少はアノードおよびカソードの活物質のために利用可能な電池の内部容積を増加させ、それによって電池の容量を増加させる。
【００２４】
絶縁密封ディスク２０はプラスチック製絶縁材料から単一部品構造として形成することができ、好ましくは耐久性かつ耐食性のある射出成形ナイロンからモールド成形する。図１および図２に最も良く示されているように、絶縁密封ディスク２０は、その中心を貫通する開口９２を具備した中央ボス２２を有している。この中央ボス２２は、絶縁密封ディスク２０の最も厚くて最も重い部分を形成している。中央ボス２２の外周縁は、その頂部にエンドキャップ組立体があるように電池を垂直状態で見たときに、壁２６上の高い地点２６ａから低い地点２６ｂへと下方に延びる壁２６に終端している。同様に、金属支持ディスク４０の中央部分４３の外周縁は、壁４５上の高い地点４５ａから低い地点４５ｂへと下方に延びる壁４５に終端している。
【００２５】
このように、そこを貫通する開口４８を具備して下方に傾斜して延びる壁４５を有した本発明のエンドキャップ組立体の金属支持ディスク４０の設計が、米国特許第６，１２７，０６２号に示されている垂直方向に向きを定められた支持壁に対する改善を示す。それがより大きな表面積をもたらし、翻って、金属支持ディスク４０の所与の全高においてより大きいな直径の開口４８をもたらすからである。より大きな直径の開口４８は、厚みの薄い薄膜２３と共に薄膜２３の開裂が生じる圧力限界を減少させるように機能する。このことは、翻って、電池のハウジング７０が減少した壁厚、例えば約４〜８ｍｉｌの壁厚を持つことができるようにし、それによってアノードおよびカソードの活物質のための大きな内側容積をもたらす。
【００２６】
本発明の密封設計もまた、陰極のエンドキャップ１２０のより近くに開裂可能な薄膜２３を配置する。このことは、電池の内側で活物質のために利用可能なより多くのスペースがあることを意味している。それは、本発明の密封組立を使用したときに、ＡＡアルカリ電池の全体容量が（米国特許第５，５３２，０８１号および第５，０８０，９８５号に記載の従来技術の密封設計に比較して）約３〜８パーセント増加することが確認された。絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６上における開裂可能な薄膜２３の位置はまた、電池が他の電池あるいは電力を供給する装置に接続されているときにおいても、薄膜が開裂した後にガスおよび他の内部要素が邪魔されることなく電池の内部から周囲の環境へと通過できるようにしている。
【００２７】
密封に開裂可能な薄膜を形成する溝がない場合、すなわち、下方に傾斜している壁２６のうち開口４８に当接している全ての部分の厚みが一様で開裂可能な薄膜を形成している場合には、所望の開裂圧力をＰｒ、開口４８の半径をＲ、結果として得られる一定厚さの薄膜の厚をｔ、開裂可能な材料の極限引張強さをＳとすると、Ｐｒとｔとの間に以下の関係がほぼあてはまることが確認された。
【００２８】
Ｐｒ＝ｔ／Ｒ  ×  Ｓ        (Ｉ)
開口４８の半径をできる限り大きくしつつ、一定厚さの薄膜の厚みをできる限り小さくすることが望ましい。このことは、電池内に蓄積したガスのより低い限界圧力（Ｐ）において薄膜が開裂できるようにする。このようにして所与の電池サイズには、達成可能な最大開口半径および最小の薄膜の厚みによって決まる実際的な破壊圧力の下限がある。開裂可能な薄膜を形成しているアンダカットされた溝２１０の追加は、溝の深さや幅といった、それによって破壊圧力をより低いレベルに操作する追加の変数をもたらす。
【００２９】
本発明のエンドキャップ組立体１０において、開裂可能な薄膜の幅（すなわち、溝２１０の底部の幅）と開裂可能な薄膜２３の厚みとの比率は一般的に約２．５〜１２．５である。非限定的な実施例として、本発明のエンドキャップ組立体１０の設計は、金属支持ディスク４０の下方に傾斜する壁にある一般的に約３〜４．５ｍｍの大きさの開口４８を収容することができる。
【００３０】
アルカリＡＡ電池における約５００〜７００ｐｓｉｇ（３．３８×１０６〜４．８３×１０６パスカル）、およびアルカリＣおよびＤ電池における３００〜４００ｐｓｉｇ（２．０３×１０６〜２．７０×１０６パスカル）というより低い圧力における薄膜２３の開裂は、望ましく約０．００６〜０．００８インチ（０．１５〜０．２０ｍｍ）、好ましくは約０．００６〜０．００７インチ（０．１５〜０．１８ｍｍ）というより小さな壁厚のニッケルメッキ鋼製のハウジング７０を使用できるようにすることが確認された。ハウジング７０の壁厚はより小さいことが望ましい。結果として電池の内部容積が増加してより多くのアノードおよびカソード活材料の使用が可能となり、それによって電池の容量が増加するからである。（ハウジング７０の従来の壁厚は、一般的に約０．１０インチ（０．２５ｍｍ）のレベルである）。
【００３１】
薄膜２３がより低い破壊圧力で開裂するように設計された場合、ハウジング７０の壁厚が約０．００６〜０．００８インチ（０．１５〜０．２０ｍｍ）である電池が最も良く機能することが確認された。これは、例えば壁厚が４ｍｉｌのＡＡ電池において、１０００ｐｓｉｇを上回るより高い破壊圧力が電池のハウジング７０を早期に開裂させ、あるいはそのような圧力に近づくとかしめられた外周縁７２に早期の緩みを生じさせ得るからである。本発明のエンドキャップ組立体１０の設計は、低い破壊圧力を達成できるようにする。
【００３２】
要するに、本発明の突出したエンドキャップ組立体１０はハウジング７０の壁厚を減少できるようにするとともに、エンドキャップ組立体１０自体が電池の内部容積を占める量が従来の電池よりも少ない。これらのファクタは、翻って、より多くのアノードおよびカソード活物質を電池に挿入できるようにし、それによって電池の容量を増加させる。
【００３３】
本発明の突出したエンドキャップ組立体１０の状況においてより大きな寸法の開口４８を使用したいという願望については、開裂可能な薄膜２３およびその上に重なっている金属支持ディスク４０の壁４５の表面を傾斜させる、すなわち中心縦軸線１９０と平行でないようにすることによって最も良く達成し得ることが確認された。好ましくは、薄膜２３およびその上に重なっている金属支持ディスク４０の壁４５の表面は、ある角度で、好ましくは中心縦軸線１９０に対して約４０〜８０度の角度で傾斜する。このことは、金属支持ディスク４０の所与の全高において開口４８を形成するために利用可能なより大きな表面積を提供する。
【００３４】
電池の破壊圧力を減少させたいという願望については、絶縁密封ディスク２０の下方に傾斜した壁２６の内側表面上にアンダカットされた溝２１０を形成することによって達成できることが確認された。そのようなアンダカットされた溝２１０は、絶縁密封ディスク２０を射出成形する間に、例えば絶縁密封ディスク２０の中心部を迂回するように形成することができる。
【００３５】
ＡＡサイズのアルカリ電池に用いる好ましい実施例においては、非限定的な実施例として、開裂可能な薄膜２３は、電池内のガスが約５００〜７００ｐｓｉｇ（３．３８×１０６〜４．８３×１０６パスカル）の圧力レベルに高まったときに開裂するように設計することができる。開口４８の下にある開裂可能な薄膜２３は、望ましくはナイロンから形成されるが、ポリプロピレンのような他の材料とすることもできる。溝２１０は、約０．０８〜１ｍｍ、望ましくは０．０８〜０．８ｍｍの幅を有することができる。溝２１０は、絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６の内側表面２２０の辺りを好ましくは円周方向に走る。円周方向に走る溝２１０のある部分は、金属支持ディスク４０の開口４８の直下に延びる。あるいは、溝２１０を迂回させる必要はなく、壁２６の内側表面のうちそれらの間の部分が滑らかで切られていないように各溝を開口４８の直下に切り込むこともできる。
【００３６】
開口４８は、約７〜６０平方ミリメートルの面積に合わせて約３〜８．７ｍｍ、一般的には約７〜１６平方ミリメートルの面積に合わせて３〜４．５ｍｍの直径を有した円形とすることができる。開口４８を他の形状、例えば長方形ないし楕円形状とすることができることは認められなければならない。開口４８はまた、真っ直ぐおよびカーブした表面の組合せから構成することができる。そのような長方形、多角形ないし他の不規則な形状の有効直径は、望ましくは約３〜４．５ｍｍである。そのような形状に関する有効直径は、そのような任意の開口を横切る最小距離として概算することができる。これは、約７．０７〜１５．９０平方ミリメートル（概ね約７〜１６平方ミリメートル）の面積の開口４８に対応する。しかしながら、約７〜６０平方ミリメートルの面積を有するように開口をより大きく作ることもできる。
【００３７】
目標とする開裂可能圧力が５００〜７００ｐｓｉｇ（３．３８×１０６〜４．８３×１０６パスカル）のときに、開裂可能な薄膜２３の厚みに対する溝幅（溝の底部における薄膜２３の幅）の比率は、望ましくは２．５〜１２．５である。この比率に合わせて、溝の底部における溝幅は望ましくは０．４〜０．７ｍｍ、かつ開裂可能な薄膜２３の厚みは０．０８〜０．１５ｍｍである。開口４８は、７〜１６平方ミリメートルの面積に対応して、望ましくは３〜４．５ｍｍの直径を有することができる。しかしながら、本発明による開口４８の直径は、７〜６０平方ミリメートルの面積に対応してより大きく、例えば３〜８．７ｍｍとすることができる。
【００３８】
ＣおよびＤサイズのアルカリ電池を用いるときには、開裂可能な薄膜２３は望ましくはより低い圧力、例えば約３００〜４００ｐｓｉｇ（２．０３×１０６〜２．７０×１０６パスカル）の圧力で破裂するように設計される。開裂可能な薄膜２３の厚みに対する溝幅（溝の底部における薄膜２３の幅）の比率である約２．５〜１２．５の同じ値を適用することができる。さらに、下方に延びる壁２６の厚みに対する開裂可能な薄膜２３の厚みの比率を、望ましくは約１／２〜１／１０、より一般的には約１／２〜１／５に維持することが望ましい。そのような実施例において、開裂可能な薄膜２３厚みは望ましくは０．１〜０．２ｍｍである。薄膜２３がそこを通じて開裂する開口４８は、約３〜８ｍｍの直径を有する。
【００３９】
電池の活物質を電池のハウジング７０に挿入した後、エンドキャップ組立体１０をハウジングの開口端に挿入する。ハウジングの外周縁７２を絶縁密封ディスク２０の外周縁２８上にかしめると、金属支持ディスクの外周縁４９が絶縁密封ディスクに噛み込む。金属支持ディスク４０の下方に傾斜する壁４５は、金属支持ディスクの外周縁４９が半径方向に圧縮されるようにし、それによってタイトな密封の達成を助ける。
【００４０】
アルカリ電池８に一体化されたエンドキャップ組立体１０の特定の実施例が、図３に示されている。エンドキャップ組立体１０は、電池のハウジング７０の開口端のための密封を提供するとともに、本発明の露出した金属支持ディスク４０をその内部に組み込んでいる。金属支持ディスク４０は、好ましくは約０．５０ｍｍの厚みの回旋状の表面を有した炭素鋼製のディスクである。この金属支持ディスク４０は、約０．５０ｍｍ厚の冷間圧延鋼とすることができる。
【００４１】
金属支持ディスク４０は、その中心に小さく窪んだ凹み４１を具備した平坦な中央部分４３を有している。一体的に形成された下方に延びる壁４５は、平坦な中央部分４３の縁部から下方に延びる。この壁４５は外周縁４９に終端している。壁４５は、好ましくは真っ直ぐな表面、すなわち凹むことも膨らむこともないが、エンドキャップ組立体１０を上部に見たときにわずかに凸面の輪郭とすることができる。ＡＡ電池ハウジング（ハウジング７０の長さが約４７ｍｍ）における金属支持ディスク４０の全体の高さは約２〜３ｍｍであり、かつハウジングの肩部７２ａから約１．０ｍｍ突出している。金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５は、望ましくは電池の中心縦軸線１９０に対して鋭角（角度が９０未満）の角度αで傾斜し、したがって好ましくは電池の中心縦軸線とは平行でない。好ましくは、下方に延びる壁４５は、約４０〜８０度の鋭角において中心縦軸線１９０に対し傾斜する。
【００４２】
傾斜して下方に延びる壁４５を有した金属支持ディスク４０は、それを半径方向ばねとして機能させる。このことは、電池ハウジングの外周縁７２をエンドキャップ組立体の周りにかしめるときに、エンドキャップ組立体１０が半径方向の高い圧縮力に耐えることができるようにし、金属支持ディスク４０の外周縁４９が外周縁２８に噛み込んでタイトな密封を生み出すようにする。外周縁４９は、望ましくは電池の中心縦軸線１９０に対して垂直に向きが定められた平坦な縁部である（図１）。密封は、電池が極端に低温若しくは高温の環境温度にさらされたときでも、半径方向に圧縮されたままである。
【００４３】
金属支持ディスク４０はまた、電池の端子のうちの１つ（アルカリ電池においては負極端子）として機能する。しかしながら、図３に示したように金属支持ディスク４０上に別個の端子としてのエンドキャップ１２０を積み重ねることが好ましい。そのような実施例においては、その上面がエンドキャップ１２０に溶接されあるいは接着されるとともにその底面がハウジングの肩部７２ａ上に当接するように（図３）、プラスチック、厚紙ないしボール紙の絶縁ワッシャ１３０を挿入することができる。薄膜２３が開裂したときに、電池の内部からのガスは、開口４８および絶縁ワッシャ１３０の下方を通って外部環境へと流出することができる。エンドキャップ１２０の平坦な中央部分１２２は、それから金属支持ディスク４０の平坦な中央部分４３に溶接することができる。本発明のエンドキャップ組立体１０は、アルカリ電池のための従来の高圧縮エンドキャップ組立体よりも少ない電池内スペースを占める。これは、電池容量を増加するために追加のアノードおよびカソード活物質を封入できるようにする。
【００４４】
本発明のエンドキャップ組立体１０は、図１〜図３に最も良く示されているように、金属支持ディスク４０、電気的に絶縁する絶縁密封ディスク２０、細長い集電体６０、および金属支持ディスク４０の上に積み重ねられた別個の端子としてのエンドキャップ１２０を備えている。金属支持ディスク４０、絶縁密封ディスク２０、集電体６０およびハウジング７０の開口端７３は、組み立て前の状態で図２に個々の部品として示されている。絶縁密封ディスク２０は、好ましくは絶縁ディスク（グロメット）の形である。絶縁密封ディスク２０は、金属製の集電体６０を受け入れる開口９２を有している。好ましくは、集電体の頭部６７は、金属支持ディスク４０の中央部分４３に対する座面として作用するフランジ６５を有している。
【００４５】
したがって、エンドキャップ組立体を組み立てるときには、集電体６０は開口９２を通して挿入することができる。次いで、集電体６０の頭部６７は、金属支持ディスク４０の中央部分４３の下面に溶接することができる。次いで、金属支持ディスク４０、絶縁密封ディスク２０および集電体６０で構成された半組立体はハウジングの開口端７３に挿入することができる。次いで、電池のハウジング７０の外周縁７２は、金属支持ディスク４０の外周縁４９が絶縁密封ディスクの外周縁２８に噛み込むことによって金属支持ディスク４０を半径方向に圧縮するように、絶縁密封ディスク２０の外周縁２８上にかしめることができる。次いで、絶縁ワッシャ１３０を電池の肩部７２ａ上に配置することができる。エンドキャップ１２０を絶縁ワッシャ１３０上に挿入し、エンドキャップ１２０の中心部を金属支持ディスク４０に溶接することができる。あるいは、集電体の頭部６７を最初に負極のエンドキャップ１２０に溶接することができる。次いで、集電体６０を金属支持ディスクの中央部分４３を通して絶縁密封ディスク２０の開口９２内に挿入することができる。このことはハウジング７０の肩部７２ａを絶縁密封ディスク２０の外周縁２８上にかしめて絶縁ワッシャ１３０を肩部７２ａ上に配置した後に行うことができる。
【００４６】
絶縁密封ディスク２０および一体的に形成された壁２６を好ましくはナイロンから形成したときに、開裂可能な薄膜２３の厚みは、有利には約０．０８〜０．１５ｍｍ、開口４８の直径が約３〜８．７ｍｍ、あるいは開口４８の断面積が約７〜６０平方ミリメートルであることが確認された。約３００〜８００ｐｓｉｇ（２．０３×１０６〜５．５１×１０６パスカル）の範囲の開裂圧力を達成するためには、開裂可能な薄膜の厚みに対する幅の比率は望ましくは約２．５〜１２．５である。具体的な実施例においては、電池がＡＡサイズの円筒形アルカリ電池（４９ｍｍ×１２ｍｍ）である場合、ナイロン製の薄膜２３が望ましく約０．０８ｍｍの厚みおよび約０．６ｍｍの幅を有し、かつ円形の開口４８の直径が約３．４ｍｍである。そのような組合せにおいては、電池内のガス圧が約５００〜７００ｐｓｉｇ（３．３８×１０６〜４．８３×１０６パスカル）に達すると薄膜２３が開裂する。ハウジング７０は、４〜８ｍｉｌ（０．１０〜０．２０ｍｍ）、好ましくは４〜７ｍｉｌ（０．１０〜０．１８ｍｍ）の壁厚を有したニッケルメッキの鋼から成っている。
【００４７】
絶縁密封ディスク２０の他の実施例においては、絶縁密封ディスクを形成した後に、絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６の内側表面２２０をカットしあるいは型を押圧することにより溝２１０を形成することができる点を除いて、ディスクの構成は図１に示したものと同じである。そのような実施例においては、まず最初に絶縁密封ディスク２０をモールド成形によって形成することにより厚みが一様な、すなわち溝２１０のない下方に延び壁２６を得ることができる。次いで、絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６の下側の内側表面２２０に円周方向の切れ刃を有した型をあてることができる。幅が１ｍｍ未満、望ましくは約０．０８〜１ｍｍ、好ましくは０．０８〜０．８ｍｍの円周方向の、あるいは円弧状に切り込まれた溝２１０（図２Ｂ）を、このようにして絶縁密封ディスク２０の下方に延びる壁２６の下側の内側表面２２０に形成することができる。
【００４８】
溝２１０は、その底部に開裂可能な薄膜２３を形成する。溝２１０によって形成された開裂可能な薄膜２３は（図２Ｂ）、絶縁密封ディスクの下方に延びる壁２６の内側表面２２０に弱い領域を形成する。溝２１０は、下方に延びる壁２６の下面に押圧される切断型、例えば隆起した縁部（ナイフエッジ）を有する型を使用することによって作ることができる。このように作られた溝２１０は、溝２１０の底部の薄膜２３が、下方に延びる壁２６に溝２１０をモールド成形した場合よりも薄く形成することができるようにする。切断ダイによって形成された溝２１０は、このようにして非常に小さい幅および非常に小さい厚み（図２Ｂ）の開裂可能な薄膜２３に結びつけることができる。溝２１０の切り込みによって形成された薄膜２３（図２Ｂ）は、切り込みの深さを調整することにより、翻って切り込みの底部に所望の厚みの開裂可能な薄膜２３を形成することにより、所望の限界圧力で開裂するように設計することができる。
【００４９】
溝２１０の切り込みによって形成された薄膜２３は（図２Ｂ）、金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５の下面に当接する。薄膜２３の一部は（図２Ｂ）、図１に示した実施例に関して説明したのと同様に、金属支持ディスク４０の下方に延びる壁４５の一つ若しくは複数の開口４８の下にあることができる。理解されるべきことは、切り込まれた溝２１０（図２Ｂ）が連続的に閉じた円形である必要はなく、開口４８の下にある溝２１０の部分が開口４８の幅全体にわたって連続的であるように好ましくは十分に長い円弧状の部分とすることができることである。すなわち、溝２１０（図２Ｂ）は、下方に延びる壁２６のうち開口４８と重なっていない部分に延びている必要はない。
【００５０】
具体的な実施例においては、非限定的な例示として、絶縁密封ディスク２０はナイロン製とすることができ、かつ切り込まれた溝２１０（図２Ｂ）は、一般的に約０．０８〜１．０ｍｍ、好ましくは約０．０８〜０．８ｍｍの幅を有することができる。切り込まれた溝の底部に形成された薄膜２３（図２Ｂ）は、溝２１０に直ぐ隣で下方に延びる壁２６の厚みに対する薄膜２３の厚みの比率が約１／１０〜１／２、好ましくは約１／５〜１／２となるような厚みを有することができる。そのような実施例においては、切り込まれた溝２１０（図２Ｂ）によって形成された薄膜２３は、電池内のガス圧が約５００〜７００ｐｓｉｇ（３．３８×１０６〜４．８３×１０６パスカル）の下側レベルに高まったときに開裂する。このことは、翻って、電池のハウジング７０がより薄い、例えば約４〜８ｍｉｌ（０．１０〜０．２０ｍｍ）の壁厚を有するように設計できるようにする。
【００５１】
理解されるべきことは、開口４８が何らかの特定な形状および他の形状、例えば正方形、楕円形、長方形、平行六面体あるいは平行でない対向部分を有している不規則な形状に限定されることは意図されていないということであり、例えば星形、あるいは三角形形状もまた開口４８のために適している。開口４８のためのそのような他の形状は、上述した円形形状に相当する有効直径ないし断面領域を有することができる。理解されるべきことは、絶縁密封ディスク２０および一体な開裂可能な薄膜２３にとってナイロンが好ましい材料であるが、他の材料、好ましくは水素透過性で、耐食性、耐久性のプラスチック材料もまた好ましい。薄膜２３の厚みと開口４８の寸法との組合せは、使用する材料の引張強さおよび開裂を意図しているガスの圧力レベルに応じて調整することができる。一つの開口４８およびそれに対応する一つの開裂可能な薄膜２３のみを使用すれば十分であることが確認された。しかしながら、下方に延びる壁４５には、上述した寸法および厚みの壁２６と一体なその下に位置する開裂可能な複数の薄膜２３に匹敵する寸法の、複数の開口を設けることができる。好ましくは、直径方向に対向する２つの開口４８を金属支持ディスク４０の壁４５の表面に設けることができる。このことは、所望のガス圧において薄膜が開裂して排気が生じるという追加の保証をもたらす。
【００５２】
本発明のエンドキャップ組立体１０は、好ましくはアルカリ電池の開放端７３に挿入される。代表的なアルカリ電池の断面図が図３に示されている。そのようなアルカリ電池は、閉鎖端１７０において一端が閉じているとともに対向する端部が開いているように最初に形成された円筒状のハウジング（ケーシング）を備えている。アルカリ電池は、亜鉛で構成されたアノード１５０、二酸化マンガンで構成されたカソード１１０、水酸化カリウム水溶液の電解質、一般的にレーヨンないしセルロース、望ましくはレーヨンとポリビニールアルコール繊維の組合せで構成されたセパレータ１４０を備えている。電池にアノード１５０およびカソード１１０材料を充填した後、電池を密封するためにエンドキャップ組立体１０を直ちに開放端に挿入し、上述したとおりに所定の位置にかしめる。電池のためにプリントされた樹脂フィルム、例えばポリ塩化ビニルのフィルムラベルをハウジング７０の周りに熱収縮させ、あるいは接着剤により接着する。エンドキャップ１２０が負極端子として機能し、閉じられている閉鎖端１７０の中央部分１７２が正極端子として機能する。
【００５３】
ハウジング７０のための構造材料は、好ましくはニッケルメッキ鋼とすることができる。金属支持ディスク４０は、良好な機械的強度および耐食性を有している、例えばニッケルメッキ冷間圧延鋼ないしステンレス鋼、好ましくは低炭素鋼のような導電性金属から構成される。絶縁密封ディスク２０および一体型の開裂可能な薄膜２３は、水素透過性であるとともに適切な厚みで開裂可能な薄膜を形成する、耐久性がある、耐食性のプラスチックから構成することができる。絶縁密封ディスク２０および一体の開裂可能な薄膜２３は、ポリアミド（ナイロン）から構成することができる。あるいは、絶縁密封ディスク２０および薄膜２３は、ポリプロピレン、タルク充填ポリプロピレン、スルホン酸塩ポリエチレン、あるいは他のポリエチレンから構成することができる。集電体６０は、電流集電体の材料として有用であることが見出されている種々の公知の導電性の金属、例えば真鍮、スズメッキ真鍮、青銅、銅またはインジウムメッキ真鍮から選択することができる。
【００５４】
本発明を具体的な実施例に関連して説明してきたが、本発明の概念の範囲内において変更が可能であることは理解されなければならない。したがって、本発明は本願明細書に記載した特定の実施例によって限定されることは意図されず、請求の範囲およびその均等物によって画定される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のエンドキャップ組立体の要部破断斜視図。
【図２Ａ】開裂可能な薄膜を示す、図１の密封ディスクの下側から見た平面図。
【図２Ｂ】開裂可能な薄膜のもう１つの実施例を示す、密封ディスクの下側から見た平面図。
【図２】エンドキャップ組立体の部品の好ましい実施例を示している分解図。
【図３】本発明のエンドキャップ組立体を含んでいるアルカリ電池の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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