(57)【要約】  装置から取り外すことなく充電することができる二次電池が提供される。いくつかの実現例では、電池のカソードは活性物質としてＬｉＦｅＰＯ４を包含する。いくつかの実現例では、電池は炭素アノードを包含する。そのような電池を含有する補聴器、及び補聴器内の電池を再充電するための充電器も提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
補聴器本体と、
前記本体内に配置された補聴器構成要素と、
前記補聴器構成要素と電気的に連通しており、ボタンセルの形態であって、前記補聴器本体から取り外すことなく再充電されるように構成された二次電池と、を備え、
前記補聴器本体が、電池充電器上の対応する電気接点と電気的に接続するように構成された電気接点を含む、補聴器。
【請求項２】
前記二次電池が、アノードと、Ｌｉ（１−ｘ）ＦｅＰＯ４（０≦ｘ≦１）を包含するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間のセパレータと、を含む、請求項１に記載の補聴器。
【請求項３】
前記補聴器本体が、カバーが前記補聴器本体上の前記電気接点を覆う第１の通常位置と、接触のために前記電気接点が露出される第２の偏向位置との間で可動であるように構成されたカバーを更に含む、請求項１又は請求項２に記載の補聴器。
【請求項４】
前記電池が約０．５ｍＡｈ超過の容量を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の補聴器。
【請求項５】
前記電池が５分以下の充電能力を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の補聴器。
【請求項６】
前記アノードが炭素を含む、請求項２に記載の補聴器。
【請求項７】
前記カソード及び前記アノードが折返し電極アセンブリの形態である、請求項２に記載の補聴器。
【請求項８】
前記カソード及び前記アノードがリボン型巻回電極（ribbon wound electrode）の形態である、請求項２に記載の補聴器。
【請求項９】
前記ボタン型ハウジングが約５ｃｍ３未満の体積を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の補聴器。
【請求項１０】
（ａ）補聴器であって、
（ｉ）電気接点を含む補聴器本体と、
（ｉｉ）前記本体内に配置された補聴器構成要素と、
（ｉｉｉ）前記補聴器構成要素と電気的に連通しており、ボタンセルの形態であって、前記補聴器本体から取り外すことなく再充電されるように構成された二次電池と、を含む補聴器と、
（ｂ）前記補聴器本体上の前記接点と電気的に接続するように構成された接点を含む電池充電器と、
を備える、補聴器システム。
【請求項１１】
前記電池充電器が、充電のために前記補聴器を中に位置付けることができるウェルを規定する本体を含む、請求項１０に記載の補聴器システム。
【請求項１２】
前記電池充電器が２つの補聴器を同時に充電するように構成された、請求項１０に記載の補聴器システム。
【請求項１３】
前記二次電池が、アノードと、Ｌｉ（１−ｘ）ＦｅＰＯ４（０≦ｘ≦１）を含むカソードと、前記アノードと前記カソードとの間のセパレータと、を含む、請求項１０に記載の補聴器システム。
【請求項１４】
前記補聴器本体が、カバーが前記補聴器本体上の前記電気接点を覆う第１の通常位置と、接触のために前記電気接点が露出される第２の偏向位置との間で可動であるように構成されたカバーを更に含む、請求項１０に記載の補聴器システム。
【請求項１５】
前記電池充電器が、前記補聴器本体が前記電池充電器に挿入されたときに、前記カバーを前記第１の位置から前記第２の位置へ偏向させるように構成された部分を含む、請求項１４に記載の補聴器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補聴器用の二次電池、そのような電池のカソード、及びそのような電池を再充電するための充電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、一般に使用される電気エネルギー源である。電池は、通常アノードと呼ばれる負電極と、通常カソードと呼ばれる正電極と、を含有する。アノードは、酸化し得る活性物質を含有し、カソードは、還元し得る活物質を含有又は消費する。アノード活性物質は、カソード活性物質を還元することができる。
【０００３】
電池が装置における電気エネルギー源として用いられるとき、アノード及びカソードに対する電気接点が形成され、それによって電子が装置を貫流することができるとともに、酸化及び還元それぞれの反応を生じさせることで電力が供給される。アノード及びカソードと接触している電解質は、電極間のセパレータを貫流するイオンを含有することで、放電中における電池全体の荷電平衡を維持する。
【０００４】
二次電池としても知られる充電式電池は、充電によって再生する活性物質を含有する。これらの電池によって生成されたエネルギーが最適効率未満に降下したとき、電池は、それらの構造に応じて、多数のやり方の任意の１つで再充電され得る。充電式電池は、電池の化学組成に基づいて２つの主要な分類に分けられる。アルカリ二次及びリチウム二次というこれらの分類は両方とも、多種多様な組み合わせの電池様式を含有する。
【０００５】
二次電池とは対照的に、一次電気化学セルは、例えば消耗するまで１回のみ放電させ、その後廃棄することが意図されている。一次セルは再充電することを意図されていない。一次セルは、例えば、デヴィッド・リンデン（David Linden）、「電池ハンドブック（Handbook of Batteries）」（マグロウ−ヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５年）に記載されている。二次電気化学セルは、多数回、例えば５０回超過、１００回超過、又はそれ以上再充電することができる。場合によっては、二次セルは、多層を有するもの及び／又は比較的厚いものなど、比較的頑丈なセパレータを包含することができる。二次セルはまた、膨張など、セルに発生し得る変化に適応するように設計され得る。二次セルは、例えば、フォーク・アンド・サルキンド（Falk & Salkind）の「アルカリ蓄電池（Alkaline Storage Batteries）」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社（John Wiley & Sons, Inc.）、１９６９年、米国特許第３４５，１２４号、及びフランス特許第１６４，６８１号に記載されており、これらをすべて本明細書に参照により組み込む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
標準的な補聴器は、亜鉛・空気の化学的構造に基づくボタンセル型一次（非充電式）電池を使用する。亜鉛・空気の化学的構造は、小さな体積で高いエネルギー密度をもつことから、広く採用されてきた。残念なことに、亜鉛・空気には、ユーザーの満足を妨げる傾向をもつ制限がある。セルは、性能の期限切れ及び貯蔵寿命の両方の問題により、月に一度から二度交換しなければならない。亜鉛・空気セルは、空気に晒されており、電解質の乾燥とカソード膜上への炭酸化の蓄積という問題を抱えているため、アノード内への空気の運搬が阻害される。ボタンセルは小型であって、目で見て掴むことが困難なので、高齢者にとっては頻繁に交換することが困難な傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、カソードがＬｉＦｅＰＯ４を含有するボタンセル型のリチウムイオン二次電池を開発した。これらの電池は、補聴器及び他の用途に使用するのに望ましい性質を有する。例えば、補聴器に使用するとき、これらの電池を補聴器から取り外すことなく充電することができる。
【０００８】
いくつかの実現例では、本明細書に記載されるリチウムイオン二次電池は、補聴器に使用されて、より低コストの補聴器の生産を可能にしている。場合によっては、本明細書に記載される電池は、交換が必要になる前に１００サイクル超過、典型的には数百又は数千サイクルを提供することができる、急速充電可能な充電式セルである。いくつかの好ましい電池は、約５ｍＡｈ超過の容量を有し、一定消費電力で１２ｈ／日超過の稼働を可能にしている。
【０００９】
ＬｉＦｅＰＯ４系の充電式電池は十分な容量を有し、充電ごとに少なくとも１日の稼働、及び１〜３年間の毎日の使用を提供する。セルはまた、１５分以下、好ましくは５分以下の充電能力を有する。それに加えて、ＬｉＦｅＰＯ４カソードを使用して作られた好ましいセルは、一般に、良好な安全性、急速充電（例えば、５分以下）、良好な電力密度、一貫した性能、及び環境受容性を呈する。５分以下の急速充電能力によって、ユーザーの不便（例えば、補聴器用途の場合、充電中は補聴器を使用できない）を最小限に抑える。装置内のセルを充電できることによって、定期的な取外し及び挿入の必要性が排除される。好ましい電池はまた、優れたサイクル寿命（１０００超過）及び貯蔵寿命（３年）を提供する。
【００１０】
いくつかの実現例では、カソード及びアノードは、折返し電極アセンブリ、あるいは別の方法としてリボン型巻回電極（ribbon wound electrode）の形態である。ボタン型ハウジングは、約０．５ｃｍ３未満の体積、例えば０．２５ｃｍ３以下の体積を有してもよい。ボタン型ハウジングは、１を超える直径対高さの比を有する。
【００１１】
カソード及びアノードをボタン型ハウジングに収めることができるようにするため、カソード及びアノードは、折返す前は（折返し電極アセンブリの場合）好ましくは非常に薄い。いくつかの実現例では、カソードは、折返す前は１００マイクロメートル未満の合計厚さを有し、アノードは、折返す前は７５マイクロメートル未満の合計厚さを有する。
【００１２】
１つの態様では、本発明は、補聴器本体と、本体内に配置された補聴器構成要素と、補聴器構成要素と電気的に連通しており、ボタンセルの形態であって、補聴器本体から取り外すことなく再充電されるように構成された二次電池と、を含む、補聴器を特徴とする。補聴器本体は、電池充電器上の対応する電気接点と電気的に接続するように構成された電気接点を包含する。
【００１３】
いくつかの実現例では、二次電池は、アノードと、Ｌｉ（１−ｘ）ＦｅＰＯ４（０≦ｘ≦１）を包含するカソードと、アノードとカソードとの間のセパレータと、を含む。補聴器本体はまた、カバーが補聴器本体上の電気接点を覆う第１の通常位置と、接触のために電気接点が露出される第２の偏向位置との間で可動であるように構成されたカバーも包含してよい。
【００１４】
別の態様では、本発明は、（ａ）補聴器であって、（ｉ）電気接点を包含する補聴器本体と、（ｉｉ）本体内に配置された補聴器構成要素と、（ｉｉｉ）補聴器構成要素と電気的に連通しており、ボタンセルの形態であって、補聴器本体から取り出すことなく再充電されるように構成された二次電池と、を含む、補聴器と、（ｂ）補聴器本体上の接点と電気的に接続するように構成された接点を含む電池充電器と、を備える、補聴器システムを特徴とする。
【００１５】
更に別の態様では、本発明は、（ａ）補聴器構成要素と、（ｂ）補聴器構成要素と電気的に連通している、アノードと、Ｌｉ（１−ｘ）ＦｅＰＯ４（０≦ｘ≦１）を包含するカソードと、アノードとカソードとの間のセパレータと、を含む、ボタンセルの形態の二次電池と、を備える、補聴器を特徴とする。
【００１６】
本発明はまた、二次電池用のカソードであって、基材が折返されるとカソードがほぼ円形の形状を有するように、２つ又はそれ以上の接続された弓状部分を含む基材を含み、基材の両面がリチウムを含む活性物質でコーティングされた、カソードを特徴とする。いくつかの実現例では、活性物質はＬｉＦｅＰＯ４を含む。本発明はまた、ほぼ円形の折返し電極アセンブリを形成するように積み重ねられ折返されたアノード、カソード、及びセパレータを含む、折返し電極アセンブリと、ボタンセルと、そのような電極アセンブリを包含する補聴器と、を特徴とする。
【００１７】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付図面及び以下の説明に示す。本発明の他の特徴及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】折返し電極アセンブリに使用される折返す前の積層体の概略図。
【図２】補聴器から取り外すことなく電池を充電することができるように構成された補聴器の斜視図。
【図２Ａ】補聴器から取り外すことなく電池を充電することができるように構成された補聴器の斜視図。
【図３】それぞれ、図２及び２Ａに示される補聴器の電池を再充電するのに使用することができる充電器の斜視図、平面図、及び側面図。
【図３Ａ】それぞれ、図２及び２Ａに示される補聴器の電池を再充電するのに使用することができる充電器の斜視図、平面図、及び側面図。
【図３Ｂ】それぞれ、図２及び２Ａに示される補聴器の電池を再充電するのに使用することができる充電器の斜視図、平面図、及び側面図。
【図４】図３〜３Ｂに示される充電器に挿入される一対の補聴器の斜視図。
【図４Ａ】図４に示される電池充電器の１つのウェルの超拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
電池は、公称組成のＬｉＦｅＰＯ４をその活性物質として包含するカソードと、炭素アノードと、セパレータと、電解質と、を包含する。一部の好ましい電池はボタンセルの形態である。電池は二次電池であり、言い換えれば充電式である。
【００２０】
カソードはまた、結合剤も包含してよい。カソードの厚さは、セル設計及び必要とされる性能特性に応じて変わる。
【００２１】
アノードは一般に炭素アノードである。他の好適なアノード材料としては、合金系アノード（例えば、Ａｌ、Ｓｉ、又はＳｎで合金化したＬｉ金属）及び様々な金属酸化物を挙げることができる。
【００２２】
電池はまた、電池分野において周知であるように、セパレータ及び電解質を包含する。本明細書に記載されるセルでは、電解質は一般に充電及び放電中に消費されない。したがって、電解質の量は、電極中で利用可能な多孔性体積によって決定される。
【００２３】
電池は、図１に示されるように、表面積を増加させるため、カソード及びアノードの間隔を空けた折返し電極設計を使用する。この例では、カソード９はアノード１１に積層され、セパレータ（図示なし）はアノード及びカソードの上に噴霧されるか、又はそれらの間に積層される。図１に示されるように、電極は、積層体が折返されたとき、結果として得られる折返し電極アセンブリが特定の種類のセルを、図１の場合はボタンセルを包含するような所望の形状を有するように切断される。したがって、図１に示されるように、各電極は、ウェブ１２によって接続された複数の弓状部分１０を包含してもよい。したがって、弓状部分が互いの上に折返されると、結果として得られる折返し電極はほぼ円形であり、ボタン型ハウジングに収まる。
【００２４】
各電極（カソード及びアノード）は、基材を提供し、基材の両面を適切な材料で、例えばアノードの場合は炭素で、カソードの場合は結合剤、導電性炭素、及び活性物質の混合物でコーティングすることによって、作製することができる。好ましくは、カソードの場合、折返す前のカソードの合計厚さが約７０〜９０マイクロメートルであるように、各面のコーティングは約３０〜４５マイクロメートルの厚さである。アノードの場合、折返す前のアノードの合計厚さが約４５〜５５マイクロメートルであるように、各面のコーティングは約１５〜２０マイクロメートルの厚さであることが好ましい。カソードの基材は、例えばアルミホイルであってもよく、約８〜約３５マイクロメートルの厚さを有してもよい。アノードの基材は、例えばアルミホイルであってもよく、約４〜約３５マイクロメートルの厚さを有してもよい。
【００２５】
電極（カソード及びアノード）は、個別に、必要とされる形状に打ち抜かれ、互いに積層されるか又は組み立てられ、その後折返されて、円筒体の形に積み重ねられてもよい。積み重ねられた電極アセンブリの最上片及び最下片は、反対の極性を有し、それらの外表面上に電気接続及び適切なセル平衡のための無質量領域（mass free zone）を有する。無質量領域（mass free zone）は、あらゆる所望の技術を使用して、例えば基材の断続的コーティングによって、マスキングによって、又は質量を有さない領域に望ましい場所からコーティングの部分を除去することによって、形成されてもよい。セパレータは、組立てを容易にするため、電極の一方若しくは両方のいずれかの上に噴霧されてもよいし、又はカソード及びアノードの間に積層される別個の構成要素であってもよい。
【００２６】
類似の方策を、従来の化学的構造に大表面積電極を包含するように拡張することができる。ＬｉＣｏＯ２／Ｃの化学的構造は、同じ体積で２倍の容量をもたらすことができるが、充電率は制限され、充電制御に電子部品が必要となる。
【００２７】
あるいは、積み重ねられた折返し電極設計の代わりにリボン型巻回セルが使用されてもよい。場合によっては、許容誤差のため、この設計を高さ３ｍｍ未満のセルに利用するのは困難なことがある。しかしながら、リボンセルの１つの利点は、電極アセンブリに必要な特別な形状を何も用いることなく高速巻回が使用されてもよいことである。リボンセルは、アスペクト比が典型的には約２．３未満と低く、いくつかの実現例では１．０未満、例えば０．４〜０．８であるという点で他の巻回セルとは異なる。アスペクト比は、セルの高さと巻回セルの直径との比として規定される。リボンセルは、高さが非常に低いことから、低いアスペクト比を有する。リボンセルは、電極の大きな表面積が被覆の表面（can surface）と近接し得るため、良好な熱放散を提供する。
【００２８】
これらの電池の性能特性により、有利には、装置内、例えば補聴器内にある状態で電池を充電することができる。装置内充電に適した補聴器１００の一例が、図２及び２Ａに示される。補聴器１００は本体１０２を包含し、本体はユーザーの耳の中に定置されるように構成された部分１０４を包含する。電池区画ドア１０６（図２Ａ）は本体の基部１０８に位置付けられる。電池区画ドアに隣接して、一対の電気接点（図示なし）を覆って保護する一対の滑動する接点ドア１１０がある。滑動する接点ドア１１０は、電池充電器の協働する部分によって偏向されて、充電器の対応する接点と接続させるために電気接点を露出させるように設計される。
【００２９】
図３及び３Ａは、補聴器１００などの２つの補聴器を同時に充電することができる補聴器充電器１２０を示す。補聴器充電器１２０は、２つの補聴器の基部１０８を中に定置することができる２つのウェル１２２を包含する。図４Ａで最もよく分かるように、各ウェルは側壁１２４を包含し、側壁は、傾斜した上部１２１と、平面状の中央部１２３と、底面１２７で終端する傾斜した下部１２５と、を包含する。上部１２１の幾何学形状は、補聴器をウェル１２２内へと案内する助けとなる一方、中央部１２３及び下部１２５の幾何学形状は、補聴器の本体の形状に対応する。各ウェル１２２は、補聴器の電気接点との接触のため、ウェルの基部に位置付けられた一対の電気接点１２６を包含する。図４で分かるように、電気接点１２６は、側壁１２４の下部１２５から突出し、充電器の電気接点１２６と係合させるために補聴器の下にある接点を露出させる方向に、補聴器の滑動する接点ドア１１０を押しやるように構成される。
【００３０】
補聴器から取り外すことなく短期間（例えば、５分以下）で電池を充電できることにより、補聴器のユーザーが自身の補聴器を適切に機能させ続けることが著しく容易になる。
【実施例】
【００３１】
ＬｉＦｅＰＯ４の化学的構造を、３つのボタンセル外被（envelope）（デュラセル（Duracell）の亜鉛・空気生産ラインからの＃３１２、＃１３、及び＃６７５）での使用について評価した。最初に、ＬｉＦｅＰＯ４／Ｃ系の化学的構造のカソード容量、充電率、及びサイクル寿命を、単三形及び単四形の円筒形電池について測定した。その結果は次の表１に示す通りである。
【表１】
2010521882.tif 000003
【００３２】
このデータに基づいて、以下の表２に示されるように、様々なサイズのボタンセルにおける化学的構造の性能を予測した。
【表２】
2010521882.tif 000004
【００３３】
補聴器装置における稼働時間の概算
ＬｉＦｅＰＯ４／Ｃ充電式セルの稼働時間を、一定消費電力が２．５Ｖまで低下するという仮定に基づいて概算した。様々な種類のセルの概算稼働時間及び充電時間を以下の表３に示す。
【表３】
2010521882.tif 000005
【００３４】
表３の概算から、３つの形式全ての充電式セルが、一定電力基準で１日１２時間の放電時間という要件を満たすことは明白である。更に、これらの充電式は、数百回から数千回使用することができ、サイクル間の充電時間は非常に短い。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正が可能であることが理解されるであろう。
【００３６】
例えば、本明細書に開示されるセルを補聴器用途に関して上述してきたが、これらのセルは、例えば、温度、圧力、及び他のパラメータを監視するための低エネルギー装置、保安装置、送信器、遠隔制御装置、並びにＬＥＤに基づく機械的クランク式懐中電灯であるが、これらに限定されない他の多数の用途に使用することができる。
【００３７】
本明細書に記載されるセルは、ＬｉＦｅＰＯ４カソード及びチタン酸リチウムアノードを包含してもよく、ほとんどの現行の補聴器に使用されている電圧との適合性のため、低電圧ボタンセルの形態であってもよい。
【００３８】
したがって、他の実施形態は特許請求の範囲に包含されるものである。
【図１】
2010521882.tif 000006
【図２】
2010521882.tif 000007
【図２Ａ】
2010521882.tif 000008
【図３】
2010521882.tif 000009
【図３Ａ】
2010521882.tif 000010
【図３Ｂ】
2010521882.tif 000011
【図４】
2010521882.tif 000012
【図４Ａ】
2010521882.tif 000013
【国際調査報告】
2010521882.tif 000014
2010521882.tif 000015
2010521882.tif 000016