(57)【要約】  アルカリ電池などの電気化学電池のためのエンドキャップ封止組立体（１４）が開示される。エンドキャップ組立体（１４）は、金属支持ディスク（４０）と、その下にある絶縁封止ディスク（２０）と、金属支持ディスク（４０）の上にある金属エンドキャップ（６０）とを備える。エンドキャップ（６０）及び金属支持ディスク（４０）の縁部は、絶縁封止ディスク（２０）のクリンプされた縁部によって捕捉される。支持ディスクは下方延在壁部を有し、少なくとも１つの開口部（４８）は、それを貫通する。絶縁ディスク（２０）は、支持ディスク（４０）の下方延在壁部の内面の下にありかつ接している破裂可能な膜（２３）を形成する、傾斜した下方延在壁部を有する。破裂可能な膜（２３）は、支持ディスク（４０）の下方延在壁部内の開口部（４８）の下にありかつその開口部（４８）と接している。電池内のガス圧力が所定のレベルを超えると、破裂可能な膜（２３）は前記開口部（４８）を突き抜けて破裂して、ガスをそこから環境へ逃がす。
2010508634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開放端部、その反対側の閉鎖端部、及びその間の円筒形側壁を有するハウジングと、前記ハウジングの開放端部に挿入されて前記ハウジングを閉鎖するエンドキャップ組立体と、を含む電気化学電池であって、前記電池が正端子と負端子とを有し、
エンドキャップ組立体が、電池が前記エンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から観察された場合に、絶縁封止ディスクと、前記絶縁封止ディスクの上にある金属を含む支持ディスクと、前記金属支持ディスクの上にある金属を含むエンドキャップと、前記エンドキャップと電気接触する細長い集電体とを含み、前記絶縁封止ディスクが電池のハウジングから支持ディスク及びエンドキャップを電気的に絶縁し；前記ハウジングが、その開放端部に縁部を有し、前記絶縁封止ディスク、金属支持ディスク及びエンドキャップがそれぞれ周囲縁部を有し；前記支持ディスクが、一体成形の金属構造及びそれを貫通する少なくとも１つの開口部からなり；その開放端部における前記ハウジングの縁部が、前記絶縁封止ディスクの周囲縁部の上でクリンプされて、前記絶縁封止ディスクを前記ハウジング内の定位置に固定し；絶縁封止ディスクの周囲縁部が、前記エンドキャップと前記金属支持ディスクの周囲縁部の双方の周囲縁部上でクリンプされて、それによって前記金属支持ディスク及び前記エンドキャップを前記絶縁封止ディスク内の定位置に固定し；前記絶縁封止ディスクが、電池がエンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から観察された場合に、前記支持ディスク内の前記開口部の下にある表面の一部を有し、表面の片面上に溝を有する前記開口部の下にある前記絶縁ディスクの前記部分が電池の内部に面し、前記溝が開放端部とその反対側の閉鎖基底部を有し、前記溝の基底部が、前記支持ディスク内の前記開口部に接する薄肉の破裂可能な膜を形成し、それにより電池内のガス圧力が上昇すると、前記破裂可能な膜が前記金属支持ディスク内の前記開口部を突き抜けて破裂し、それによりガスを電池内部から前記開口部を通じて放出する、電気化学電池。
【請求項２】
エンドキャップが、前記破裂可能な膜と並置され、かつ離間し、それにより前記エンドキャップと前記膜との間に空間が生じ、その空間内に前記膜が破裂し得る、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記エンドキャップが、前記膜が破裂すると、電池内からのガスが、エンドキャップと膜との間の前記空間に運ばれ、次いで前記ガス抜き開口部を通って、外部環境へ出ることができるように、それを貫通する少なくとも１つのガス抜き開口部を備える、請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記絶縁ディスク表面上の前記溝が、前記封止ディスクの中心を包囲する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池。
【請求項５】
前記溝により形成される前記破裂可能な膜の、幅と厚さとの比が、２．５：１と１２．５：１との間である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池。
【請求項６】
前記溝の基底部における破裂可能な膜の厚さが０．０８ｍｍと０．２５ｍｍとの間である、請求項５に記載の電池。
【請求項７】
ハウジングが鋼を含み、前記ハウジングの壁厚が４ミルと８ミル（０．１０ｍｍと０．２０ｍｍ）との間である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池。
【請求項８】
ハウジングが鋼を含み、前記ハウジングの壁厚が１０ミルと１２ミル（０．２５ｍｍと０．３０ｍｍ）との間である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電池。
【請求項９】
絶縁ディスクの一部が、前記開口部に直接隣接する前記支持ディスクの表面領域内で前記支持ディスクと接触する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電池。
【請求項１０】
金属支持ディスクが前記支持ディスクの中央に位置する中央開口部を有し、細長い集電体の少なくとも一部が前記中央開口部を貫通し、前記集電体の頭部が前記エンドキャップに溶接される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学電池、特にアルカリ電池の封止用エンドキャップ組立体に関する。本発明は、ガスを電池の内部から環境へと逃すエンドキャップ組立体内の破裂可能なデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ電池のような従来の電気化学電池は、開放端と、開放端に挿入されてハウジングを封止するエンドキャップ組立体とを有する円筒形ハウジングから形成される。従来のアルカリ電池は典型的には、亜鉛を含むアノード、二酸化マンガンを含むカソード、及び水性水酸化カリウムを含むアルカリ電解質を含む。電池の内容物が供給された後、電池はハウジング縁部をエンドキャップ組立体の上にクリンプすることによって閉鎖されて、電池に密閉をもらたす。エンドキャップ組立体は、電池端子として機能する露出したエンドキャップと、典型的にはプラスチックの絶縁プラグとを備え、これは電池ハウジングの開放端を封止する。各種電気化学電池、とりわけアルカリ電池の設計に関わる問題は、電池が一定の限界点、通常は電池の有効容量に近い点を超えても放電を続けると、ガスが発生する傾向がある点にある。
【０００３】
電気化学電池、特にアルカリ電池は、破裂可能な隔膜又は破裂可能な膜をエンドキャップ組立体内に有する、破裂可能なガス抜き機構を備えることが可能である。破裂可能な隔膜又は破裂可能な膜は、例えば米国特許第３，６１７，３８６号に記載されているプラスチック絶縁部材内に設けることもできる。こうした隔膜は、電池内のガス圧力が、所定のレベルを超える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は、隔膜又は薄膜の破裂時に、ガスが逃げるためのガス抜き穴を備えていてもよい。米国特許第３，６１７，３８６号に開示されたエンドキャップ組立体は、溝付き破裂可能封止隔膜と、エンドキャップと封止隔膜との間の別個の金属接触ディスクとを開示している。参考文献中に開示されたエンドキャップ組立体は、径方向の圧縮力に耐えるように設計されておらず、電池が極度に暑い気候及び冷たい気候にさらされると、漏れる傾向がある。
【０００４】
密封をもたらす目的で、最新の先行技術では、エンドキャッププレートと絶縁部材との間に挿入された金属支持ディスクを有するエンドキャップ組立体が開示されている。電池ハウジング縁部がエンドキャップ組立体の上にクリンプされるとき、別個の金属支持ディスクは、径方向に圧縮される場合がある。絶縁プラグは、典型的にはプラスチック絶縁ディスクの形態であり、これは電池の中心から電池ハウジングに向かって延び、金属支持ディスクを電池ハウジングから電気的に絶縁する。金属支持ディスクは、米国特許第５，７５９，７１３号又は同第５，０８０，９８５号に示されるように、大きく回旋状の表面を有する場合があり、これは、エンドキャップ組立体の周りへの電池ハウジング縁部のクリンプ中に、エンドキャップ組立体が、高い径方向の圧縮力に確実に耐えられるようにしている。この結果、エンドキャップ組立体の周りに恒常的な機械的封止が得られる。
【０００５】
先行技術は、エンドキャップ組立体内に含まれる絶縁ディスク内の薄肉区域として一体形成される、破裂可能なガス抜き膜を開示している。そのようなガス抜き膜は、例えば、米国特許第５，５８９，２９３号に示されるような、電池の長手方向軸に対して垂直である平面の中に存在するように、通常は配向される。米国特許第４，２２７，７０１号では、破裂可能な膜は、電池の長手方向軸に対して傾斜する絶縁ディスクのアームの中に位置する環状の「スリット又は溝」で形成されている。絶縁ディスクは、それを通る細長い集電器上に摺動可能に取り付けられる。電池内のガス圧力が増加するに従って、絶縁ディスクの中心部分は、電池エンドキャップに向かって上方に摺動し、それによって薄肉膜の「溝」を、それが破裂するまで引き伸ばす。米国特許第６，１２７，０６２号及び同第６，８８７，６１４  Ｂ２号には、絶縁封止ディスクと、その内部に一体形成された、傾斜した破裂可能な膜とが開示されている。封止ディスク内の破裂可能な膜の部分は、その上にある金属支持ディスク内の開口部に接している。電池内のガス圧力が上昇すると、膜は、金属支持ディスク内の開口部を貫通して破裂し、それによって、外部環境に進むガスの圧力を解放する。
【０００６】
米国特許第６，８８７，６１４号において、破裂可能な膜は、その上にある金属支持ディスク内の孔と接している。米国特許第６，８８７，６１４号においては、膜の下側にアンダーカット溝がある。その溝は、電池の長手方向軸を包囲している。その溝は、薄肉の膜の一部を基底部に形成しており、この膜の一部は、電池の内部ガス圧力が所定のレベルに達すると、上にある金属支持ディスク内の孔を貫通して破裂する。米国特許第６，８８７，６１４号に示されている設計においては、露出したエンドキャップを電池ハウジングから分離する絶縁ワッシャがある。そのような設計には、更なる構成要素、つまり、エンドキャップ組立体に挿入される必要のある絶縁ワッシャが要求されるという欠点を有している。エンドキャップの縁部は、電池ハウジングの肩部の上に位置し、ワッシャによってハウジングから分離される。これによって、エンドキャップの不正開封が可能となり、つまり、エンドキャップが電池から容易に引き離され、より容易に電池の内容物が触れられる可能性がある。
【０００７】
破裂可能な膜は、米国特許第４，５３７，８４１号、同第５，５８９，２９３号、及び同第６，０４２，９６７号に示されるように、絶縁ディスク内の薄い材料の１つ以上の「アイランド」の形態であり得る。あるいは、破裂可能な膜は、米国特許第５，０８０，９８５号及び同第６，９９１，８７２号に示されているように、電池の長手方向軸を包囲する薄肉の部分の形態をなすことができる。破裂可能な膜を形成する、包囲する薄肉部分は、米国特許第４，２３７，２０３号及び同第６，９９１，８７２号に示されるように、絶縁ディスク内のスリット又は溝の形態であることができる。破裂可能な膜はまた、米国特許出願公開２００２／０１２７４７０  Ａ１号に示されるように、金属支持ディスクと絶縁ディスクとの間に挟まれ、その中の開口部に面する、高分子フィルムの別個の片であってもよい。米国特許第３，３１４，８２４号に示されるように、先の尖った又は他の突出した部材が、破裂可能な薄膜の上方に配向されて、薄膜の破裂を補助できる。電池内のガス圧力が過剰になるとき、薄膜が膨張し、先の尖った部材と接触することで破裂し、それによってガスを電池内から、上に存在する端子エンドキャップ中の開口部を通って環境へと逃すことができる。
【０００８】
典型的に米国特許第５，０８０，９８５号及び同第５，７５９，７１３号に示されているような回旋状の表面を備える別個の金属支持ディスクが、エンドキャップ組立体内に含められてきた。金属支持ディスクは、プラスチック絶縁封止のための支持をもたらし、エンドキャップ組立体の周りへのハウジング縁部のクリンプ中に、エンドキャップ組立体に適用されることがある、高い径方向の圧縮力に耐える。高い径方向の圧縮力は、エンドキャップ組立体及び電池のハウジングの周囲縁部に沿った封止が、電池内のガス圧力が高いレベルまで、非常に高いレベルまで、例えば、６８９．４×１０４ＰａＧ（１０００ｐｓｉｇ）を超えるまで増加したとしても、維持され得ることを確実とする。
【０００９】
米国特許第４，５３７，８４１号では、円筒形アルカリ電池の開放端を閉鎖するためのプラスチック絶縁封止が示される。絶縁封止の上には金属支持ディスクが存在する。プラスチック絶縁封止は、中心ハブと、ハブから電池のケーシング壁まで径方向に延びる一体形成されたラジアルアームとを有する。「アイランド」型の破裂可能な膜が、絶縁封止の径方向に延びるアームの中に一体形成される。「アイランド」型の破裂可能な膜は、絶縁封止の径方向に延びるアームの一部分を型押しするか又は圧縮し、それによって小さな円形の薄肉のアイランド部分を形成することにより設けられ、このアイランド部分は、電池内のガス圧力が所定のレベルに達すると破裂するように設計される。この参考文献に示されるアイランド型の破裂可能な膜は、絶縁封止の径方向に延びるアームと同じ高さであり、即ち、それは電池の中心長手方向軸に対して垂直である平面の中に配向される。薄肉の破裂可能な膜の上表面（電池の開放端部に面する）は、径方向に延びる絶縁アームの上表面とほぼ同じ高さにある。この設計は、有効であるが、破裂可能な薄膜と金属支持ディスクとの間に小さい限られた空間のみを提供する。電池が、火炎にさらされるなど、意図的に過酷な条件にさらされると、結果として、電池内部の温度及びガス発生が非常に急速に高まることがある。そのような極限状況下では、膜が軟化するため、膜が破裂せずに膨らむことがあり、膜と金属支持ディスクとの間の空間が小さなものとなる可能性がある。
【００１０】
ガス発生抑制剤の改善、特に複数のガス発生抑制剤の使用を鑑みて、現在のアルカリ電池は、過去よりも幾分低い圧力でガス抜きするように設計することができる。つまり、アルカリ電池内のガス抜き機構に対して設計上の作動圧力を低下させる傾向があった。設計上のガス抜き作動圧力の低下により、設計に難題が課せられる。「アイランド」型の破裂可能な膜が、ガス抜き機構を始動させるために使用される場合、射出成形などの従来の成形技法を使用して、そのような膜をいかに薄く成形し得るかに関して、事実上限界が存在する。また、電池のサイズによっては、そのような膜に利用可能な表面積に制限がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第３，６１７，３８６号
【特許文献２】米国特許第５，７５９，７１３号
【特許文献３】米国特許第５，０８０，９８５号
【特許文献４】米国特許第５，５８９，２９３号
【特許文献５】米国特許第４，２２７，７０１号
【特許文献６】米国特許第６，１２７，０６２号
【特許文献７】米国特許第６，８８７，６１４  Ｂ２号
【特許文献８】米国特許第６，８８７，６１４号
【特許文献９】米国特許第４，５３７，８４１号
【特許文献１０】米国特許第６，０４２，９６７号
【特許文献１１】米国特許第６，９９１，８７２号
【特許文献１２】米国特許第４，２３７，２０３号
【特許文献１３】米国特許出願公開２００２／０１２７４７０  Ａ１号
【特許文献１４】米国特許第３，３１４，８２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、電池が温暖な気候と寒冷な気候の双方において極限にさらされ得る場合でさえも、電池を密封するエンドキャップ組立体を有することが望ましい。
【００１３】
電池が過酷な条件にさらされたときにも、適切に作動し機能する信頼性のある破裂可能なガス抜き機構を、エンドキャップ組立体内に有することが望ましい。
【００１４】
電池が追加量のアノード及びカソード材料で満たされ、それにより電池の容量が増加し得るように、破裂可能なガス抜き機構が電池内で最小量の空間を占めることが望ましい。
【００１５】
エンドキャップは、不正開封防止をなし得る、つまり、容易にエンドキャップ組立体から引き離される可能性がないことが望ましい。
【００１６】
絶縁封止ディスクの周囲縁部が、絶縁封止ディスクとその上にある金属支持ディスクの下方延在壁部の間に面一又はほぼ面一な配向を維持しながら、金属支持ディスクとエンドキャップとの双方の縁部上で同時にクリンプし得ることが望ましい。
【００１７】
破裂可能なガス抜き機構が容易に製造され、信頼性を有し、その結果、特定の予め定められた圧力レベルでガス抜きが起こることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、電池用の円筒形ハウジング（ケーシング）の開放端部に挿入されたエンドキャップ封止組立体を備える電気化学電池、例えばアルカリ電池に関する。一態様において、電池が金属支持ディスクを上にして垂直な位置から観察された場合に、エンドキャップ組立体は、金属支持ディスクと、その金属支持ディスクの下にある絶縁封止ディスク（絶縁グロメット）とを備えている。また、エンドキャップ組立体は、金属支持ディスクの上に配置された端子エンドキャップを備えている。
【００１９】
金属支持ディスクは、好ましくは、回旋状の表面とその表面を貫通する少なくとも１つの開口部とを有する、一体成形の金属構造のディスクで形成されている。電池がエンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から観察された場合に、絶縁封止ディスクは回旋状の表面を有しており、その表面の一部分は、金属支持ディスク内の開口部の下にある。前記開口部の下にある前記絶縁封止ディスクの一部は、好ましくは電池内部に面するその内側表面上に溝を有している。その溝は、開放端部とその反対側の閉鎖基底部とを有しており、溝の基底部は、薄肉の破裂可能な膜を形成している。破裂可能な膜は、金属支持ディスク内の開口部と接している。電池内のガス圧力が上昇すると、前記破裂可能な膜は、前記開口部を突き抜けて破裂し、それにより前記開口部を通じて直接周囲環境にガスを放出する。
【００２０】
絶縁封止ディスクは、下方延在壁部を有するプラスチック材料を含んでおり、その下方延在壁部は、電池の中心長手方向軸から９０度未満の角度で傾斜し、前記縦軸線とは平行ではない。電池がエンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から観察された場合に、前記絶縁ディスクの下方延在壁部は、絶縁ディスクの表面上の高点から、電池内部により近い、絶縁ディスクの表面上の低点に向かって下方に延びている。金属支持ディスクもまた、電池の中心長手方向軸から９０度未満の角度で傾斜した下方延在壁部を有している。電池がエンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から観察された場合に、金属支持ディスクの下方延在壁部は、その表面上の高点から下方に延びている。破裂可能な膜が接する金属支持部材の前記下方延在壁部内に、少なくとも１つの開口部がある。好ましくは、絶縁封止ディスクの下方延在壁部は、電池の中心長手方向軸から約３５度と８０度との間の角度で傾斜し得る。上にある金属支持ディスクの下方延在壁部は、絶縁封止ディスクの下方延在壁部と望ましくは同じ角度、好ましくは電池の中心長手方向軸から約３５度と８０度との間の角度で傾斜している。これによって、絶縁封止ディスクの下方延在壁部の破裂可能な膜の部分は、金属支持部材の下方延在壁部内の開口部に接し、かつ、その開口部と面一である。絶縁封止ディスクの下方延在壁部は、上にある前記金属支持ディスクの下方延在壁部に対して面一であるか又はほぼ面一である。
【００２１】
破裂可能な膜の部分を形成する絶縁封止ディスクの下方延在壁部の内側表面上の溝は、好ましくは、絶縁ディスクの中心を包囲するように作られている。そのような包囲する破裂可能な膜の、少なくとも金属支持ディスク内の前記開口部に接する部分は、電池の圧力が所定のレベルに上昇すると破裂する。破裂可能な膜は、好ましくはナイロン又はポリプロピレンからなる。本発明のエンドキャップ組立体では、金属支持ディスクの下方傾斜アームの向きが傾いているため、破裂開口部を大きくすることができる。破裂可能な膜内のアンダーカット溝により、破裂位置、つまり溝の基底部において、膜がより薄肉となる。次いで、これによって、設計上の破裂圧力が低下し、それに伴って電池ハウジングの壁厚を薄く、例えば約４ミルと１２ミル（０．１０ｍｍと０．３０ｍｍ）との間にすることができ、それによって、アノード及びカソードの活物質に利用可能な電池内容積が増加する。例えば、本発明のエンドキャップ組立体により、電池のハウジングの壁厚が、ＡＡ及びＡＡＡサイズの電池に関しては４ミルと８ミル（０．１０ｍｍと０．２０ｍｍ）との間に、Ｃ及びＤサイズの電池に関しては１０ミルと１２ミル（０．２５ｍｍと０．３０ｍｍ）との間にあることを可能にする。
【００２２】
金属支持ディスクは、好ましくは、中央に位置する開口部を有する実質的に平坦な中央部分を有している。好ましくは、直径方向に対向する一対の同じ寸法の開口部が、金属支持ディスクの下方延在壁部に位置する。電池の活性要素が挿入された後、エンドキャップ組立体が、電池のハウジングの開放端部に挿入される。金属支持ディスクの周囲縁部及びその上にあるエンドキャップの周囲縁部は、絶縁封止ディスクの周囲縁部２８内にある。次いで、ハウジングのその開放端部における縁部が、絶縁封止ディスクの周囲縁部の上にクリンプされる。次に、絶縁封止ディスクの縁部が、金属支持ディスクの周囲縁部と上にあるエンドキャップの周囲縁部との双方の上に同時にクリンプされ、エンドキャップと金属支持ディスク４０が、絶縁封止ディスクの上の定位置にしっかりと固定される。したがって、絶縁封止ディスク、金属支持ディスク４０、及びその上にあるエンドキャップは、ハウジングの開放端部１５内で固定され、それによって電池のハウジングが閉鎖される。驚くべきことに、絶縁封止ディスクの周囲縁部が、金属支持ディスクの縁部とエンドキャップの縁部の双方の上にクリンプされ、双方の縁部をその内部に永続的に保持するようにするために、十分なクリンプ力がクリンプの間に加えられなければならないが、絶縁ディスクの下方延在壁部は、上にある金属支持ディスクの下方延在壁部と面一であるか又はほぼ面一である（隣接する）状態に維持される。つまり、絶縁封止ディスクの下方延在壁部が、その上にある金属支持ディスクの下方延在壁部に対して面一又はほぼ面一であるのを、クリンプ力が妨害することはない。
【００２３】
本発明のエンドキャップ組立体は、細長いアノード集電体を有し、そのアノード集電体は、エンドキャップの下側表面に直接溶接することができるように金属支持ディスク内の中央開口部を貫通する頭部を有している。アノード集電体の頭部は、好ましくは、直接エンドキャップの下側に電気抵抗溶接によって溶接される。エンドキャップ組立体の構成要素の溶接は、その他には不要である。電池組立体のいかなる箇所にもレーザー溶接が用いられる必要はなく、したがって、電池の組み立てプロセスがより効率的となる。
【００２４】
金属支持ディスク内の開口部に接する破裂可能な膜の向き、及び、破裂可能な膜の部分を形成するための、絶縁封止体内の好ましいアンダーカット溝の使用に関して、本発明のエンドキャップ組立体と、同一出願人による米国特許第６，８８７，６１４  Ｂ２号（デュプレイ（Duprey））に示されている設計のエンドキャップ組立体には、いくつかの共通する特徴がある。しかしながら、本発明のエンドキャップ組立体は、デュプレイ（Duprey）の特許に優る改善を表している。本発明のエンドキャップ組立体では、デュプレイ（Duprey）の特許の図３に示されているような、またその特許の９段、３６〜５１行に記載されているような、エンドキャップと電池のハウジングの肩部との間における絶縁ワッシャの使用は排除されている。これによって、より少数の構成要素を有する改善されたエンドキャップ組立体となる。代わりに、本発明においては、絶縁封止ディスクの周囲縁部は、エンドキャップの縁部とその下にある金属支持ディスクの縁部の上にクリンプされ、金属支持ディスクとエンドキャップの双方を電池ハウジング内の定位置に緊密に固定した状態に維持する。これによって、エンドキャップは不正開封防止がなされ、つまり、エンドキャップは、エンドキャップの縁部が絶縁ワッシャによってハウジングから分離されているときのように、その縁部を電池から引き離すことによって容易に取り外されることができない。また、本発明のエンドキャップ組立体は、デュプレイ（Duprey）の特許における図３のように、まずアノード集電体を金属支持ディスクに溶接し、次いでその金属支持ディスクをエンドキャップに溶接する必要をなくす。本発明のエンドキャップ組立体において、アノード集電体の頭部は、直接エンドキャップに溶接される。金属支持ディスクと他のいかなる構成要素との間にも溶接は不要であり、したがって、電池の組み立てが単純化される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明は、以下の図面を参照すれば更なる理解が得られるであろう。
【図１】本発明のエンドキャップ組立体の表面を一部切りとった透視図。
【図１Ａ】電池の底面部分の立断面図。
【図２】本発明のエンドキャップ組立体の構成要素を示す分解図。
【図３】絶縁封止ディスクの上面斜視図。
【図４】金属支持ディスクの上面斜視図。
【図５】エンドキャップの上面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明のエンドキャップ組立体１４の好ましい構造が、図１に図解されている。本発明のエンドキャップ組立体１４は、開放端部１５とその反対側の閉鎖端部１７とを有する円筒形ハウジング７０を備える電気化学電池に対して特に応用性を有しており、ここで、エンドキャップ組立体１４は前記開放端部１５に挿入されて、電池を封止する。エンドキャップ組立体１４は、標準的なＡＡＡ（４４×９ｍｍ）、ＡＡ（４９×１２ｍｍ）、Ｃ（４９×２５ｍｍ）、及びＤ（５８×３２ｍｍ）サイズの円筒形アルカリ電池に特に応用可能である。エンドキャップ組立体１４は、ＡＡＡ及びＡＡサイズの電池など、より小さなサイズのアルカリ電池に特に有用であるが、Ｃ及びＤサイズの電池においても同様に、有利に使用することができる。電池１０（図１及び１Ａ）などのアルカリ電池は、望ましくは、亜鉛を含むアノード１４０と、ＭｎＯ２を含むカソード１２０とを有し、それらの間に、電解質浸透性のセパレータ１３０を備えている。アノード１４０及びカソード１２０は、典型的には、水性水酸化カリウム電解質を含んでいる。アノード１４０は、亜鉛を含んでいてもよく、カソード１２０は、オキシ水酸化ニッケルを含んでいてもよく、また、アノード及びカソードは、水性水酸化カリウム電解質を含んでもよい。
【００２７】
本発明のエンドキャップ組立体１４は、金属支持ディスク４０と、その下にある封止ディスク２０と、封止ディスク２０の中央開口部２４を突き抜けてアノード１４０と接触する集電体８０とを備えている。金属製の別個の端子エンドキャップ６０が、図１及び図２に示すように、金属支持ディスク４０の上に積み重ねられている。カソード１２０、セパレータ１３０、及びアノード１４０がハウジング７０の内部に挿入された後、エンドキャップ組立体１４がハウジングの開放端部１５の内部に挿入される。ハウジング７０の周囲縁部７２が、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の上にクリンプされる。次いで、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８が、エンドキャップ６０の周囲縁部６６と金属支持ディスク４０の縁部４９との双方の上にクリンプされる。クリンププロセスでは、径方向の力が加えられて、端部キャップ６０の縁部６６が絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８に確実に嵌合することが可能である。また、金属支持ディスク４０の縁部４９が、絶縁封止ディスク２０の縁部２８に嵌合することが可能である。
【００２８】
金属支持ディスク４０（図１及び４）は、好ましくは、中央に位置する開口部４１をその内部に備える、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４０は、好ましくは、回旋状の表面を有する一体成形の金属構造のディスクで形成されている。金属支持ディスク４０の一部分は、下方傾斜壁部４５を有しており、その下方傾斜壁部４５を貫通する少なくとも１つの破裂開口部４８がある。金属支持体４０は、ニッケルメッキされた冷間圧延鋼、ステンレス鋼、又は低炭素鋼など、良好な機械的強度及び耐食性を有する導電性金属で構成されている。金属支持ディスク４０は、好ましくは、約０．５０ｍｍの厚さの、回旋状の表面を有する炭素鋼からなる。好ましくは、図４に最も良く示されているように、直径方向に対向する同じ寸法の一対の開口部４８が、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５に位置する。電池がエンドキャップ組立体１４を上にして垂直な位置から観察された場合に、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、前記支持ディスク４０の壁部４５上の高点４５ａから前記壁部４５上の低点４５ｂへと、電池内部に向かって下方に延びている。支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、下向きの傾斜の方向において直線状であることが好ましいが、電池の外側から見てわずかに凸状の表面輪郭（外向きの隆起）を有することもできる。下方延在表面４５は、周囲縁部４９で終端している。
【００２９】
電池がエンドキャップ組立体１４を上にして垂直な位置から観察された場合に、絶縁封止ディスク２０（図１及び３）は、下方延在壁部２６を有する回旋状の表面を有しており、その表面の一部分は、金属支持ディスク４０内の開口部４８の下にありかつその開口部４８と接している。電池がエンドキャップ組立体１４を上にして垂直な位置から観察された場合に、封止ディスク２０の壁部２６は、その表面上の高点２６ａからその表面上の低点２６ｂへと下方に延びている。絶縁ディスク２０の表面２６は、下向きの傾斜方向において直線状である（即ち、内にも外にも隆起しない）のが好ましいが、電池の外側から見てわずかに凸状の表面輪郭を有していてもよい。下方延在表面２６は、上方に延在する周囲縁部２８で終端している。
【００３０】
下方延在表面２６の、金属支持ディスク４０（図１）の前記開口部４８の下にある部分は、その内側表面上に、電池内部に面するアンダーカット溝２１０を有している。溝２１０は、開放端部と、その反対側の閉鎖基底部とを有している。溝の基底部は、薄肉の破裂可能な膜２３を形成する。破裂可能な膜２３は、金属支持ディスク４０の開口部４８と接する。電池内のガス圧力が上昇すると、前記破裂可能な膜２３は、前記開口部４８を突き抜け、破裂し、それによって、膜２３の上の頭部空間１８、つまり膜２３とその上にあるエンドキャップ６０との間の空間にガスを放出する。ガスは次いで、エンドキャップ６０（図１及び５）内のガス抜き開口部６５を通じて外部環境に進む。好ましくは、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６は、組立の間、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５の内側表面に対して面一である。驚くべきことに、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８が、金属支持ディスクの縁部４９とエンドキャップの縁部６６の双方との上に緊密にクリンプされるようにするために、十分な力がクリンプの間に加えられなければならないが、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６は、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５と面一又はほぼ面一である状態に維持される。つまり、クリンプ力は、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６が、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５に対して実質的に面一である状態を解除することがない。クリンプ力は、下方延在壁部２６と４５との間に平均して約０．５０ｍｍを超える空間を生じさせることがなく、典型的には、クリンプ力は、下方延在壁部２６と４５との間に平均して約０．３５ｍｍを超える空間を生じることがない。クリンプ力は、典型的には、下方延在壁部２６と４５との間に平均して約０．１ｍｍと約０．５ｍｍとの間の空間を生じることがある。
【００３１】
溝２１０は、好ましくは、図１及び３に最も良く示されるように、下方延在壁部２６の内側部２２０に沿って周囲方向に広がっている。溝２１０は、好ましくは、周囲方向に絶縁封止ディスク２０（図１）の下方延在壁部２６の内側部（下面）に沿って走る薄肉の部分２３を形成している。包囲する溝２１０（図１）は、薄肉の部分、つまり包囲する膜２３を溝２１０の基底部に形成している。薄肉の部分２３は、図１に示されるように、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５に面し、かつ、好ましくは接する破裂可能な膜を形成している。１つ以上の開口部４８が、金属支持ディスク４０（図１及び４）の下方延在壁部４５に存在し得る。好ましくは、図４に示すように、２つの開口部が、下方延在壁部４５の表面に存在する。２つの開口部４８が用いられる場合、それらは、ほぼ同じ寸法のものであるのが望ましく、また下方延在壁部４５上にそれぞれ直径方向に対向して位置する（図４）。包囲する薄肉の膜２３の、開口部４８のすぐ下を走る部分は、破裂可能な部分を形成する。電池内のガスが所定レベルに増すと、膜２３の、開口部４８のすぐ下の部分は、開口部の内部へと伸張し、ついには、電池内からガスを放出する張力下で破裂する。電池の内部圧力は、上にあるエンドキャップのガス抜き開口部６５を通じて環境へとガスが逃れると、直ちに減じられる。
【００３２】
アンダーカット溝２１０の深さを規定する、対向する溝の壁部２１２ａ及び２１２ｂは、特定の形状の曲線をなす必要はない。しかしながら、製造を容易にする観点から、溝の壁部２１２ａ及び２１２ｂは、垂直に配向されることが可能であり、又は、溝２１０の口部が溝の基底部（破裂可能な膜部分２３）よりも幅広となるように傾斜していてもよい。膜は好ましくは、剪断ではなく引張で破裂するように意図されているので、２１２ａの角度は、膜２３の破裂性の要因とはならない。壁部２１２ａ及び２１２ｂは、好都合にも、溝２１０の基底部において破裂可能な膜２３に対して直角をなすことができ、又は、図１に示されているように、破裂可能な膜２３と鈍角を形成することができる。あるいは、溝の壁部２１２ａ及び２１２ｂは、平坦な又は湾曲した表面で形成されることができる。望ましくは、壁部２１２ａ及び２１２ｂは各々、破裂可能な膜２３と、望ましくは約１２０度と１３５度との間の鈍角を形成する平坦な表面を形成し、したがって、溝２１０の開放端部は、膜２３を形成する溝の基底部よりもわずかに幅広となる。そのような好ましい実施形態により、包囲する溝２１０は、図１に示すような台形の形状が与えられる。そのような外形は、射出成形による製造を容易にする観点から望ましく、また膜２３の破裂性に影響を及ぼすことがない。
【００３３】
下方延在壁部２６及びその中の破裂可能な膜部分２３は、望ましくは、図１に示すように、電池の中心長手方向軸１９０から鋭角（９０°未満の角度）で傾斜している。そのような外形において、下方延在壁部２６及びその中の膜部分２３は、電池の中心長手方向軸と平行ではない。好ましくは、下方延在壁部２６は、中心長手方向軸１９０から約３５度と８０度との間の鋭角で傾斜している（図１）。同様に、支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、好ましくは、封止ディスク２０の下方延在壁部２６と同じ鋭角で、つまり中心軸１９０から約３５度と８０度との間で傾斜している。したがって、支持ディスク４０が封止ディスク２０の上に置かれると、支持ディスク４０の下方延在壁部４５は、封止ディスク２０の下方延在壁部２６と接して面一な状態になり、破裂可能な膜２３が開口部４８と接する。上に示したように、エンドキャップ縁部６６及び金属支持縁部４９の双方の上に同時に封止縁部２８をクリンプさせるために、より大きなクリンプ力が必要となるにも関わらず、金属支持ディスクの下方延在壁部４５が、封止ディスクの下方延在壁部２６に対して面一（又はほぼ面一）であることが維持されると判断された。金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５が傾斜して配向されることで、支持ディスク４０の所与の全高に対して、より大きな直径の開口部４８を下方延在壁部４５に作ることが可能となる。このことにより、所与の薄い厚さの膜２３が、より低い閾値圧力で破裂することが可能となり、それによって、電池ハウジング７０の壁厚を減じることが可能となる。ハウジング７０の壁厚が減じられると、アノード及びカソード活物質に利用可能な電池の内容積が増加し、それによって電池の容量が増加する。
【００３４】
絶縁封止ディスク２０は、一体成形のプラスチック絶縁材料で形成することができ、好ましくは、耐久性及び耐食性があるナイロンを射出成形することにより成形される。図１及び図３に最も良く示されているように、絶縁ディスク２０は、中心に開口部２４を有する中央ボス又はハブ２２を有している。ボス２２は、ディスク２０のうちの最も厚くかつ最も重量のある部分を形成している。電池がエンドキャップ組立体を上にして垂直な位置から観察された場合に、ボス２２の周囲縁部は、下方延在壁部２６において終端しており、この下方延在壁部２６は、前記壁部２６上の高点２６ａから前記壁部２６上の低点２６ｂへと下方に延びている（図１及び３）。同様に、支持ディスク４０の中央部分４３の周囲縁部は、下方延在壁部４５において終端しており、この下方延在壁部４５は、前記壁部４５上の高点４５ａから前記壁部４５上の低点４５ｂへと下方に延びている（図１及び４）。
【００３５】
また、上述の絶縁封止ディスク２０の構成により、破裂可能な膜２３がエンドキャップ６０に、より近接して配置される。つまり、活物質用に利用可能な電池内の内部空間が増加する。絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６上の破裂可能な膜２３の位置により、ガス及び他の内部成分は、膜２３が破裂した後、電池内部から金属支持ディスク内の開口部４８を通じ、次いでエンドキャップ６０内の開口部６５を通じて直接環境へと、妨げられることなく進むことが可能となる。電池内部から環境へのガスのそのような通過は、電池が別の電池又は給電されている装置に接続されているときにも妨げられることがない。
【００３６】
破裂可能な膜を封止体内に形成する溝がない場合、つまり、下方に傾斜する壁部２６の、開口部４８に接する部分全体が、均一で一定の厚さであり、破裂可能な膜を形成している場合、所望の破裂圧力ＰＲと、破裂開口部４８の半径「Ｒ」と、結果として得られる一定な厚さの膜の厚さ「ｔ」との間に以下の関係を近似的に適用することが決定されている。ここで、「Ｓ」は、破裂可能な材料の極限引張強さである。
【００３７】
Ｐｒ＝ｔ／Ｒ×Ｓ              （Ｉ）
【００３８】
複数のガス発生抑制剤の使用により、電池のガス発生を減じることが可能であった。開口部４８の半径を大きくし、一定の膜の厚さを可能な限り薄くすることが望ましい。これによって、所望により、電池内で高まったガスの、より低い閾値圧力Ｐで、膜を破裂させることが可能となる。したがって、所与の電池のサイズに対し、達成可能な最大の開口部半径及び最小の膜の厚さによって決まる破裂圧力に、事実上の下限が存在する。破裂可能な膜を形成するアンダーカット溝２１０を加えることで、溝の深さ及び幅など、破裂圧力をより低いレベルへと操作するための更なる変数が得られる。
【００３９】
エンドキャップ組立体１４において、破裂可能な膜の幅（つまり、溝２１０の基底部の幅）と破裂可能な膜２３の厚さとの比は、典型的には、約２．５：１と１２．５：１との間である。エンドキャップ組立体１４のこの設計では、ＡＡＡサイズの電池とＤサイズの電池との間の電池の一般的な電池サイズに対し、典型的には約１．８ｍｍと１０ｍｍ（円の直径）との間の大きさの開口部４８を金属支持ディスク４０の下方傾斜壁部４５に備えることができる。
【００４０】
以下の膜２３のより低レベルな破裂圧力が、本発明のエンドキャップ組立体１４に関して望ましい。ＡＡＡのアルカリ電池に関しては、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約９００ｐｓｉｇと１８００ｐｓｉｇ（６．２１ＭＰａと１２．４１ＭＰａＧ）との間である。ＡＡのアルカリ電池に関しては、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約５００ｐｓｉｇと１５００ｐｓｉｇ（３．４５ＭＰａと１０．３４ＭＰａＧ）との間である。Ｃサイズのアルカリ電池に関しては、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約３００ｐｓｉｇと５５０ｐｓｉｇ（２．０７ＭＰａと３．７９ＭＰａＧ）との間である。Ｄサイズのアルカリ電池に関しては、膜２３の目標破裂圧力は、望ましくは約２００ｐｓｉｇと４００ｐｓｉｇ（１．３８ＭＰａと２．７６ＭＰａＧ）との間である。このような破裂圧力の範囲は、非限定的な例として意図されたものである。本発明のエンドキャップ組立体１４は、より高い、そしてまた、より低い破裂圧力でも同様に用いられ得るため、エンドキャップ組立体１４が、これらの破裂圧力の範囲に限定されることを意図しないことが理解されよう。
【００４１】
所与の電池サイズに対する上に示した破裂圧力の範囲では、ニッケルメッキされた鋼のハウジング７０は、典型的には、ＡＡ及びＡＡＡに関しては望ましくは約０．００６インチと０．０１２インチ（０．１５ｍｍと０．３０ｍｍ）との間、好ましくは約０．００６インチと０．００８インチ（０．１５ｍｍと０．２０ｍｍ）との間、また、Ｃ及びＤに関しては約０．０１０インチと０．０１２インチ（０．２５ｍｍと０．３０ｍｍ）との間の薄い壁厚を有することができる。ハウジング７０の壁厚はより薄いことが望ましいが、これは、その結果として、電池の内容積が増加して、より多くのアノード及びカソード材料を使用することができ、それによって電池の容量が増加するからである。エンドキャップ組立体１４は、所与の電池のサイズに対して上述の破裂圧力を達成することができ、また、エンドキャップ６０が「不正開封防止」をなすという更なる機能を有する。つまり、エンドキャップ６０の縁部６６は、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の下にクリンプされるので、エンドキャップ組立体から容易に引き離されることはできない。したがって、本発明のエンドキャップ組立体１４の設計においては、電池の内容物も同様にしっかりと確保され、悪意による不正開封に対して十分に保護される。加えて、本発明のエンドキャップ組立体１４において、アノード集電体用の釘８０の頭部８７は、エンドキャップ６０の下面に直接溶接される。これは、単純な電気抵抗溶接によって達成され得る。本発明のエンドキャップ組立体１４においては、他のいかなる電池構成要素の溶接の必要もなく、またレーザー溶接の必要もなく、したがって電池の構造が単純化される。
【００４２】
より大きなサイズの開口部４８を、本明細書で説明されているエンドキャップ組立体の状況において使用するという要望を踏まえて、このことは、破裂可能な膜２３を備える絶縁封止壁部２６を傾斜させて、つまり長手方向軸１９０に非平行に配向することによって、最良に達成され得ると判断された。好ましくは、封止壁部２６及びそれに接する金属支持表面４５は、中心長手方向軸１９０から好ましくは約３５度と８０度との間の角度で下方に傾斜している。これによって、開口部４８を形成するための利用可能な表面積がより大きくなる。
【００４３】
電池の破壊圧力を低下させるこという要望を踏まえて、このことは、アンダーカット溝２１０を封止ディスク２０の下方傾斜壁部２６の内側表面上に形成することによって達成され得ると判断された。そのようなアンダーカット溝２１０は、例えば、封止ディスク２０を形成するときの射出成形の間に、封止ディスク２０の中心を包囲して形成することができる。
【００４４】
非限定的な例として、ＡＡサイズのアルカリ電池を用いる好ましい実施形態において、破裂可能な膜２３は、電池内のガスが、約５００ｐｓｉｇと１５００ｐｓｉｇ（３．４５ＭＰａと１０．３４ＭＰａＧ）との間のレベルに高まったときに破裂するように設計することができる。金属支持ディスク４０内で開口部４８の下にある破裂可能な膜の部分２３は、ナイロン、好ましくはナイロン６６又はナイロン６１２で形成されるのが望ましいが、ポリプロピレンのような他の材料からなってもよい。溝２１０は、約０．０８ｍｍと１ｍｍとの間、望ましくは約０．０８ｍｍと０．８ｍｍとの間の幅を有することができる。溝２１０は、好ましくは、絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６の内側表面２２０の周りで円周方向に走る。円周方向の溝２１０の、ある区分は、金属支持ディスク４０内の開口部４８のすぐ下を走る。あるいは、溝２１０は、包囲する必要はないが、個々の溝が開口部４８のすぐ下でカットされ、それらの間の壁部２６の内側表面の一部が滑らかでカットされずに残るように形成され得る。ＡＡＡサイズの電池とＤサイズの電池との間の電池の一般的な電池サイズに関して、開口部４８は、約２．５ｍｍ２と７８．５ｍｍ２との間の面積に対応する約１．８ｍｍと１０ｍｍとの間の直径、典型的には、約３．１ｍｍ２と６３．６ｍｍ２との間の面積に対応する２ｍｍと９ｍｍとの間（円の直径）の直径を有する円形形状のものであり得る。開口部４８が、長方形又は楕円形などの他の形状のものであり得ることは理解されるべきである。また、開口部４８は、矩形若しくは多角形形状、又は真っ直ぐな表面と湾曲した表面との組み合わせを含んだ不規則な形状のものであり得る。また、そのような長方形若しくは多角形形状、又は他の不規則な形状の有効径は、望ましくは約２ｍｍと９ｍｍとの間である。そのような形状の有効径は、このようないずれかの開口部を横切る最小距離として定義することができる。
【００４５】
目標とする破裂可能な圧力が、ＡＡ電池に関して約５００ｐｓｉｇと１５００ｐｓｉｇ（３．４５ＭＰａと１０．３４ＭＰａＧ）との間、又は、ＡＡＡサイズの電池に関して約９００ｐｓｉｇと１８００ｐｓｉｇ（６．２１ＭＰａと１２．４１ＭＰａＧ）との間である場合、溝の幅（溝の基底部における膜２３の幅）と破裂可能な膜２３の厚さとの比は、望ましくは約２．５：１と１２．５：１との間である。この比の範囲を踏まえて、溝の基底部における溝の幅は、望ましくは約０．１ｍｍと１ｍｍとの間、好ましくは約０．４ｍｍと０．７ｍｍとの間であり、破裂可能な膜２３の厚さは、約０．０８ｍｍと０．２５ｍｍとの間、望ましくは約０．１０ｍｍと０．２０ｍｍとの間である。開口部４８は、約２．５ｍｍ２と１６ｍｍ２との間の面積に対応する、典型的には約１．８ｍｍと４．５ｍｍとの間の直径を有することができる。
【００４６】
Ｃ及びＤのアルカリ電池が用いられる場合、破裂可能な膜２３は、望ましくは、より低い圧力で破裂するように設計される。例えば、Ｃサイズの電池に関しては、目標破裂圧力は、約３００ｐｓｉｇと５５０ｐｓｉｇ（２．０７ＭＰａと３．７９ＭＰａＧ）との間であってよい。Ｄサイズの電池に関しては、目標破裂圧力は、約２００ｐｓｉｇと４００ｐｓｉｇ（１．３８ＭＰａと２．７６ＭＰａＧ）との間であってよい。望ましくは約２．５：１と１２．５：１との間である、溝の幅（溝の基底部における膜２３の幅）と破裂可能な膜２３の厚さとの同じ比も、また適用可能である。
【００４７】
通常、電池のサイズに関わりなく、破裂可能な膜２３の厚さと膜２３に直接隣接する下方延在封止壁部２６の厚さとの比を、１：２以下、望ましくは約１：２と１：１０との間、より典型的には約１：２と１：５との間に維持することが望ましい。このような実施形態では、破裂可能な膜２３の厚さは、望ましくは約０．０８ｍｍと０．２５ｍｍとの間、好ましくは約０．１ｍｍと０．２ｍｍとの間である。膜２３がそれを通じて破裂する開口部４８の直径は、望ましくは、約１．８ｍｍと１０ｍｍとの間である。
【００４８】
組み立てにおいて、アノード１４０、カソード１２０、及びセパレータ１３０が電池のハウジング７０内に挿入された後、エンドキャップ組立体１４がハウジングの開放端部１４内に挿入される。金属支持ディスク４０は、まず、封止ディスク２０のボス２２の上面４３が金属支持ディスク４０の中央開口部４１へと侵入するように、絶縁封止ディスク２０に押し付けてよい。絶縁ディスク２０の下方延在壁部２６は、上にある金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５の内側表面に対して面一である。金属支持ディスク４０を中に含む絶縁封止ディスク２０は、次いで、ハウジング７０の開放端部１５に挿入されることができる。絶縁封止体の周囲縁部２８の下部分は、電池ハウジングの側壁７４内の円周方向のビーズ７３上に載置されている。集電体用の釘８０の頭部８７は、好ましくは電気抵抗溶接によって、エンドキャップ６０の下側に溶接される。
【００４９】
次いで、集電体８０は、金属支持ディスク４０内の開口部４１を通じ、次いでその下の絶縁封止ディスク２０内の中央開口部２４を通じて挿入されて、ついには、集電体の先端部８４がアノード１４０の材料内に侵入する。取り付けられたエンドキャップ６０の下側は、金属支持ディスク４０の開口部４１を囲む平坦な上面４３に載置される。金属支持ディスク４０の縁部４９と、その上にあるエンドキャップ６０の縁部６６の双方は、図１に示すように、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の内側にある。次いで、ハウジング７０の縁部７２が、絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８の上にクリンプされる。次に、絶縁封止ディスクの縁部２８が、金属支持ディスク４０の縁部４９とエンドキャップ６０の縁部６６の双方との上にクリンプされ、エンドキャップ６０とその下にある金属支持ディスク４０が、絶縁封止ディスク２０の上の定位置にしっかりと固定される。したがって、絶縁封止ディスク２０、金属支持ディスク４０、及びその上にあるエンドキャップ６０は、ハウジングの開放端部１５内で固定され、それによって電池のハウジングが閉鎖される。エンドキャップ６０の周囲縁部６６が絶縁封止ディスク２０の周囲縁部２８に確実に嵌合されるために、及び金属支持ディスクの縁部４９が径方向に圧縮され、それによって密封の達成を確実に補助するために、径方向の圧縮力が、クリンプの間にハウジング７０に加えられてもよい。エンドキャップ６０の縁部６６は、手で触れることができず、したがって、エンドキャップ６０は、不正開封防止をなすと見なされる、つまり、電池組立体から容易に引き離すことはできない。
【００５０】
封止ディスク２０の別の実施形態において、ディスクの構成は、ディスクが形成された後に、熱ジグを用いて又は用いずに、ダイ又はナイフエッジを封止ディスク２０の下方延在壁部２６の下側２２０に打抜き又は型押しすることによって、溝２１０が形成され得るという点を除いて、図１及び図３に示すものと同じであり得る。そのような実施形態において、封止ディスク２０は、まず、均一な厚さの、つまり溝２１０のない下方延在壁部２６を得るように成形することによって形成され得る。次いで、環状の刃先を有するダイを、封止ディスクの下方延在壁部２６の下側表面２２０に適用することができる。環状又は円弧状の切り込みを形成する、幅１ｍｍ未満、望ましくは約０．０８ｍｍと１ｍｍとの間、好ましくは０．０８ｍｍと０．８ｍｍとの間の溝２１０が、このようにして、封止ディスク２０の下方延在壁部２６の下側表面２２０に作られ得る。溝２１０は、破裂可能な膜２３を溝の基底部に形成する。溝２１０によって形成された破裂可能な膜２３は、封止ディスクの下方延在壁部２２０の表面に、弱い領域を形成する。溝２１０は、打抜きダイ、例えば、下方延在壁部２６の下側に押し付けられる隆起縁部（刃先）を有するダイを使用することによって作られ得る。このようにして溝２１０が作られることにより、溝２１０の基底部の膜２３は、溝２１０が下方延在壁部２６の内部に成形される場合よりも薄く形成されることが可能となる。打抜きダイによって形成された溝２１０は、したがって、幅が非常に狭くかつ厚さが非常に薄い破裂可能な膜２３となり得る。溝の切り込み２１０（図１）によって形成された膜２３は、切り込みの深さを調節し、次いでこれによって所望の厚さの破裂可能な膜２３を切り込みの基底部に形成することによって、所望の目標圧力で破裂するように設計することができる。
【００５１】
溝の切り込み２１０によって形成された膜２３は、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５の下側に接する。膜２３の一部分は、図１に示した実施形態に関連して説明した方式と同じ方式で、金属支持ディスク４０の下方延在壁部４５内の１つ又は複数の開口部４８の下にあることができる。溝の切り込み２１０（図１及び３）は、連続的な閉じた円の形状でなくてもよいが、好ましくは、開口部４８の下にある溝２１０の部分が、開口部４８の全幅にわたって連続的となるように十分に長い円弧状の区分であり得ることが理解されよう。つまり、溝２１０は、開口部４８が上にない下方延在壁部２６の部分２２０（図１）まで延びていなくてもよい。
【００５２】
特定の実施形態において、非限定的な例として、電池のサイズにかかわりなく、封止ディスク２０は、ナイロンからなることができ、溝の切り込み２１０は、典型的には約０．０８ｍｍと１．０ｍｍとの間、好ましくは約０．０８ｍｍと０．８ｍｍとの間の幅を有することができる。溝の切り込みの基底部に形成された膜２３は、膜２３の厚さと溝２１０に直接隣接する下方延在壁部２６の厚さとの比が、約１：１０と１：２との間、好ましくは約１：５と１：２との間であるような厚さを有することができる。そのような実施形態において、破裂可能な膜２３の厚さは、典型的には約０．０８ｍｍと０．２５ｍｍとの間、望ましくは約０．１ｍｍと０．２ｍｍとの間であり得る。
【００５３】
ナイロンは、絶縁ディスク２０及びそれと一体の破裂可能な膜の部分２３に好ましい材料であるが、他の材料、好ましくは水素透過性、耐食性、耐久性のある、ポリスルホン、ポリプロピレン、又はタルク充填ポリプロピレンなどのプラスチック材料もまた好適であることも理解されるべきである。膜２３の厚さと開口部４８の寸法との組み合わせは、用いられる材料の極限引張強さ、及び破裂が意図されるガス圧力のレベルに応じて調節され得る。開口部４８を１つのみと、それに対応する１つの破裂可能な膜２３とを用いることが十分であると判断された。しかしながら、金属支持ディスク４０内の下方延在壁部４５は、１つ又は複数が下にある破裂可能な膜の部分２３と接する同等の寸法の複数の開口部を設けることも可能である。好ましくは、金属表面４５内の、直径方向に対向する２つの開口部４８を、図４に示すように用いることができる。これによって、膜が破裂し、ガス抜きが所望のガス圧力で起こることが、更に確実となる。
【００５４】
電池のサイズにかかわりなく用いられ得る、アルカリ電池１０用のアノード１４０、カソード１２０、及びセパレータ１３０の代表的な化学的組成を以下に説明する。以下の化学組成は、本発明のエンドキャップ組立体１４を有する電池で使用するための代表的な基礎的組成であり、そのようなものとして限定することを意図していない。
【００５５】
上述の実施形態において、代表的なカソード１２０は、二酸化マンガン、黒鉛、及び水性アルカリ電解質を含むことができ、アノード１４０は、亜鉛及び水性アルカリ電解質を含むことができる。水性電解質は、従来のＫＯＨ、酸化亜鉛、及びゲル化剤の混合物を含む。アノード材料１４０は、水銀を含まない（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であることができる。即ち、電池は、電池総重量の約５０ｐｐｍ未満、好ましくは電池総重量の２０ｐｐｍ未満の総水銀含有量を有し得る。電池はまた、好ましくは、いかなる鉛添加量も含有せず、したがって本質的に無鉛であり、即ち、総鉛含有量は、アノードの総金属含有量の３０ｐｐｍ未満、望ましくは１５ｐｐｍ未満である。このような混合物には、典型的には、ＫＯＨ電解質水溶液、ゲル化剤（例えば、Ｂ．Ｆ．グッドリッチ（B.F. Goodrich）から商標名カーボポール（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・プーラン社（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）を含有させることができる。このような混合物は、単に実例として与えられるにすぎず、本発明を制限しようとするものではない。亜鉛アノード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。
【００５６】
カソード１１０は、望ましくは、８７〜９３重量％の電解二酸化マンガン（例えば、カー・マギー社（Kerr-McGee）によるＴｒｏｎａ  Ｄ）、２〜６重量％（合計）の黒鉛、約３０〜４０重量％の濃度のＫＯＨを有する５〜７重量％の７〜１０ＮのＫＯＨ水溶液、及び０．１重量％〜０．５重量％の任意のポリエチレン結合剤という組成を有することができる。電解二酸化マンガンは、典型的には、約１〜１００ミクロン、望ましくは約２０〜６０ミクロンの平均粒径を有する。黒鉛は典型的には、天然若しくは膨張黒鉛、又はこれらの混合物の形態である。また、黒鉛には、黒鉛状炭素ナノ繊維を単独で、又は天然若しくは膨張黒鉛との混合で含めることもできる。そのようなカソード混合物は、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。
【００５７】
アノード材料１５０は、６２重量％〜６９重量％の亜鉛合金粉末（２００〜５００ｐｐｍのインジウムを合金及びメッキされた材料として含有する９９．９重量％の亜鉛）と、３８重量％のＫＯＨ及び約２重量％のＺｎＯを含むＫＯＨ水溶液と、Ｂ．Ｆ．グッドリッチ社（B.F. Goodrich）から「カーボポールＣ９４０」の商品名で市販されている架橋アクリル酸ポリマーゲル化剤（例えば、０．５重量％〜２重量％）と、グレイン・プロセッシング社（Grain Processing Co.）から「Ｗａｔｅｒｌｏｃｋ  Ａ−２２１」の商品名で市販されている、デンプン骨格にグラフト化された加水分解ポリアクリロニトリル（０．０１重量％と０．５重量％との間）と、ローヌ・プーラン社（Rhone-Poulenc）から「ＲＭ−５１０」の商品名で市販されているジオニルフェノールリン酸エステル界面活性剤（５０ｐｐｍ）とを含む。亜鉛合金の平均粒径は、望ましくは約３０ミクロンと３５０ミクロンとの間である。アノードにおける亜鉛の嵩密度（アノード空隙率）は、アノード１立方センチメートル当たりの亜鉛が約１．７５ｇと２．２ｇとの間である。アノード中の電解質水溶液の体積％は、好ましくはアノードの約６９．２体積％と７５．５体積％との間である。電池は、従来の方式で、ＭｎＯ２のミリアンペア−時間の容量（ＭｎＯ２  １グラム当たり３０８ミリアンペア−時間に基づく）を亜鉛合金のミリアンペア−時間の容量（亜鉛合金１グラム当たり８２０ミリアンペア−時間に基づく）で除した値が約１になるように平衡化され得る。
【００５８】
セパレータ１３０は、セルロース系材料からなる従来のイオン多孔質セパレータであり得る。セパレータは、セルロース系繊維及びポリビニルアルコール繊維の不織布材料の内層と、セロハンの外層とを有していてもよい。このような材料は実例を示すためのものであり、本発明を限定するものではない。ガス発生の抑制を助けるために、集電体８０は、黄銅、好ましくはスズメッキされた又はインジウムメッキされた黄銅である。
【００５９】
本発明は、具体的な実施形態に関して記載されてきたが、本発明の概念の範囲内で変更が可能であることが理解されるべきである。それ故に、本発明は本明細書に記載された具体的な実施形態に限定されることを意図せず、請求項及びその等価物によって定義される。
【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４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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