(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた容器と、
第１の極性を備えていて、容器内に設けられた第１の電極と、
第１の電極と接触関係をなして設けられた第１の集電体と、
第２の極性を備えていて、容器内に位置した状態で第１の電極の一方の側部上に設けられた第２の電極と、
第２の極性を備えていて、第１の電極の別の側部上に設けられた外側の電気化学的に活性の層と、
第１の電極と第２の電極との間に配置され、更に第１の電極と外側の電気化学的に活性の層との間に配置されたセパレータと、
第２の電極と接触関係をなして設けられた第２の集電体と、
容器の開放頂端部に取り付けられたカバー組立体とを有しており、
第１の集電体は、導電性グリッドから成り、
導電性グリッドは、第１の電極に埋め込まれており、
第１の電極は、内側の第１の層及び外側の第２の層を有し、導電性グリッドは、第１の層と第２の層との間に一体に成形されている、
ことを特徴とする電気化学電池。
【請求項２】
外側の電気化学的に活性の層を第２の電極と第２の集電体のうち少なくとも一方に接続する導電体を更に有することを特徴とする請求項１記載の電気化学電池。
【請求項３】
導電性グリッドは、バスケットの形をしている導電性グリッドであることを特徴とする請求項１記載の電気化学電池。
【請求項４】
第１の電極の第１の層及び第２の層は、それぞれ、１又は２以上のリングで構成されることを特徴とする請求項１記載の電気化学電池。
【請求項５】
外側の電気化学的に活性の層と容器との間に設けられた誘電体層を更に有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電気化学電池。
【請求項６】
第１の電極は、円筒形キャビティが形成された円筒形ボビンとして形成され、第２の電極は、円筒形キャビティの中央に配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電気化学電池。
【請求項７】
第１の電極は、カソードであり、第２の電極は、アノードであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電気化学電池。
【請求項８】
外側の電気化学的に活性の層は、セパレータに巻きつけられた導電性ストリップであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電気化学電池。
【請求項９】
導電性ストリップは、亜鉛を含むことを特徴とする請求項８記載の電気化学電池。
【請求項１０】
容器と、
容器内に設けられた第１の電極と、
第１の電極と接触関係をなして設けられた第１の集電体と、
容器内に設けられた第２の電極と、
第２の電極と接触関係をなして設けられた第２の集電体と、
第１の電極と第２の電極との間に設けられた第１のセパレータと、
容器内に位置した状態で第２の電極に電気的に接続された第３の電極と、
第３の電極と第１の電極との間に設けられた第２のセパレータと、
第１の集電体と第２の集電体のうち一方に接続された正極端子と、
第１の集電体と第２の集電体のうち他方に接続された負極端子とを有しており、
第１の電極は、円筒形キャビティが形成された円筒形のボビンとして形成され、第２の電極は、円筒形キャビティ内に中央に設けられ、第３の電極は、円筒形ボビンの外面上に形成されており、
前記第１の集電体は、バスケットの形をしている導電性グリッドを含む、
ことを特徴とする高利用率電気化学電池。
【請求項１１】
第１の電極は、カソードであり、第２の電極は、アノードであることを特徴とする請求項１０記載の電気化学電池。
【請求項１２】
導電性グリッドは、第１の電極に埋め込まれており、第１の電極は、内側の第１の層及び外側の第２の層を有し、導電性グリッドは、第１の層と第２の層との間に一体に成形されていることを特徴とする請求項１０記載の電気化学電池。
【請求項１３】
電気化学電池を組み立てる方法であって、
導電性グリッドと接触関係をなす第１の電極を、キャビティが形成されたボビンとして形成する工程と、
外側の電気化学的に活性の層を第１の電極の周りに設ける工程と、
第１の電極と外側の電気化学的に活性の層との間にセパレータを設ける工程と、
閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた容器内にボビンを設ける工程と、
第２の電極をキャビティ内に設ける工程と、
セパレータを第１の電極と第２の電極との間に設ける工程と、
集電体を第２の電極と接触関係をなして設ける工程と、
カバー組立体を容器の開放頂端部に取り付ける工程と、
を含むことを特徴とする組立方法。
【請求項１４】
導電性グリッドは、バスケットの形をしている導電性グリッドであることを特徴とする請求項１３記載の組立方法。
【請求項１５】
外側の電気化学的に活性の層の周りに誘電体層を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１３記載の組立方法。
【請求項１６】
外側の電気化学的に活性の層と、第２の電極と集電体のうち一方との間に電気接続部を設ける工程を更に含むことを特徴とする請求項１３又は１５記載の組立方法。
【請求項１７】
第１の電極は、リング状成形体を備えていることを特徴とする請求項１３〜１６のうち何れか１項に記載の組立方法。
【請求項１８】
第１の電極を形成する工程は、導電性グリッドをダイ内に配置する工程と、第１の電極材料の合剤を導電性グリッドの両側に配置する工程と、ラムロッドを合剤内へ押し込んで第１の電極を衝撃成形する工程とを含むことを特徴とする請求項１３〜１７の何れか１項に記載の組立方法。
【請求項１９】
第１の電極を形成する工程は、第１の電極材料の１又は２以上の外側成形リングをダイ内に配置する工程と、導電性グリッドを１又は２以上の外側リングの内側に配置する工程と、第１の電極材料の１又は２以上の内側リングを導電性グリッドの内面上に設けてリング成形の第１の電極を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１３〜１７の何れか１項に記載の組立方法。
【請求項２０】
ラムロッドを内側リングによって形成された内容積部内へ押し込んで設け、それによりリングを互いに押しつける工程を更に含むことを特徴とする請求項１９記載の組立方法。
【請求項２１】
第１の電極を形成する工程は、第１の電極材料の１又は２以上の外側リングをダイ内に配置する工程と、導電性グリッドを外側リングの内面中に配置する工程と、第１の電極材料の合剤を導電性グリッドの内容積部内に配置する工程と、ラムロッドを内容積部内へ押し込んで設け、それにより第１の電極材料の合剤を衝撃成形して第１の電極を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１３〜１７の何れか１項に記載の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は一般に、電気化学電池に関し、特に、アノードとカソードのインタフェース表面積を増大させた高利用率（high rate：ハイレート：高率）電気化学電池に関する。
【０００２】
（背景技術）
電気化学的電池は、電動式の機器、特に携帯用電動式機器への給電に常用されている。現在、全体として筒型の多くの普及型アルカリ電池が業界標準サイズで市販されており、かかる電池としては、Ｄ−、Ｃ−、ＡＡ−、ＡＡＡ−及びＡＡＡＡ−の各サイズの電池や他のサイズ及び形態のものがある。例えば上述したようなタイプの電気化学電池は通例、所定の開回路用電圧電源となっている。
【０００３】
従来型円筒形アルカリ電池は一般に、円筒形のスチール缶を有し、このスチール缶は、一端に正極カバーを、これと反対側の端に負極カバーをそれぞれ備えている。円筒形電池は、円筒形スチール缶の内部側面の周りに形成されたカソードと通称されている正電極を有し、これは、二酸化マンガン、黒鉛、水酸化カリウム溶液、脱イオン水及びテフロン（Teflon：登録商標）溶液の混合物で作られる場合が多い。カップの形をしたセパレータがカソードの内面の周りで缶の円筒形内容積部のほぼ中央に設けられる。アノードと通称されている負電極が代表的には、亜鉛粉末、ゲル化剤及び他の添加物で作られ、この負電極は、セパレータ内に配置される。電解液も又、缶内に設けられる。従来型円筒形電池の一例が、米国特許第５，５０１，９２４号に開示されている。
【０００４】
上述の円筒形の従来型電池は一般に、スチール缶内に収納された単一のアノード及び単一のカソードを有し、セパレータがこれら２つの電極相互間のインタフェースをとっている。ボビン形電池構造では、カソードは、スチール缶の内壁に隣接して設けられ、アノードはカソード内の中央に形成された円筒形容積部内に配置される。したがって、セパレータは、一般にアノード及びカソードの寸法形状によって定まるアノードとカソードのインタフェース表面領域を有している。従来型ボビン形電池では、アノードとカソードのインタフェース表面領域は、円筒形アノードの周囲を画定する表面にほぼ等しい。
【０００５】
ジェリーロール（jelly-roll）形電池構造と通称されるもう一つの電池構造は、シート状のアノードとシート状のカソードとの間にセパレータを介在させた状態でこれらを緊密に巻いたものである。従来型ジェリーロール形巻き電池は、アノードとカソードのインタフェース領域が広いので性能的に高利用率を発揮するが、かかる電池は固有の欠点を持っている。例えば、ジェリーロール形電池の形成方法は、時間がかかり、しかも比較的高価である。さらに、ジェリーロール用のセパレータは、比較的多量の有効容積部を占めるので電池の活物質のための容積部が少なくなる。
【０００６】
アルカリ電池を設計する際の主要な目的は、電池が所定の負荷の下でその所期の目的にとって有用な程度に達しない特定の電圧に至るまでの放電持続時間の長さとしての放電性能を向上させることにある。市販のアルカリ電池の外形寸法は、業界の標準によって定められているので利用可能な活物質の量を増加するのは可能性として制限がある。放電性能としての高利用率を向上させる従来の取組では、内部電池物質の効率の向上に的が絞られていた。高利用率電池の必要性は、ハイテクハイドレインの電子機器を用いる消費者からの要望の高まりにつれますます重要になっている。この要望に応えるため、高利用率放電性能を高める方法を開発する必要性が依然として電池設計者の主要な目的となっている。
【０００７】
現時点における本発明者の知見によれば、電気化学電池の高利用率放電性能を向上させるには、アノードとカソードの界面間又はインタフェース表面領域を広くして向上した高利用率放電性能を実現するようにした製造が容易な電池構造を提供するのがよい。
【０００８】
（発明の開示）
したがって、第１の観点によれば、本発明は、閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた容器と、第１の極性を備えていて、容器内に設けられた第１の電極と、第１の電極と接触関係をなして設けられた第１の集電体と、第２の極性を備えていて、容器内に位置した状態で第１の電極の一方の側部上に設けられた第２の電極と、第２の極性を備えていて、第１の電極の別の側部上に設けられた外側の電気化学的に活性の層と、第１の電極と第２の電極との間に配置され、更に第１の電極と外側の電気化学的に活性の層との間に配置されたセパレータと、第２の電極と接触関係をなして設けられた第２の集電体と、容器の開放頂端部に取り付けられたカバー組立体とを有することを特徴とする電気化学電池を提供する。
【０００９】
第１の観点の変形例によれば、本発明は、容器と、容器内に設けられた第１の電極と、第１の電極と接触関係をなして第１の集電体と、容器内に設けられた第２の電極と、第２の電極と接触関係をなして設けられた第２の集電体と、第１の電極と第２の電極との間に設けられた第１のセパレータと、容器内に位置した状態で第２の電極に電気的に接続された第３の電極と、第３の電極と第１の電極との間に設けられた第２のセパレータと、第１の集電体と第２の集電体のうち一方に接続された正極端子と、第１の集電体と第２の集電体のうち他方に接続された負極端子とを有することを特徴とする高利用率電気化学電池を提供する。
【００１０】
第２の観点によれば、本発明は、電気化学電池を組み立てる方法であって、導電性グリッドと接触関係をなす第１の電極を、キャビティが形成されたボビンとして形成する工程と、外側の電気化学的に活性の層を第１の電極の周りに設ける工程と、第１の電極と外側の電気化学的に活性の層との間にセパレータを設ける工程と、閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた容器内にボビンを設ける工程と、第２の電極をキャビティ内に設ける工程と、セパレータを第１の電極と第２の電極との間に設ける工程と、集電体を第２の電極と接触関係をなして設ける工程と、カバー組立体を容器の開放頂端部に取り付ける工程とを有することを特徴とする組立方法を提供する。
【００１１】
第３の観点によれば、本発明は、電極材料の内側層及び外側層を備え、導電性グリッドが埋め込まれた第１の電極ボビンを形成する方法であって、導電性グリッドをダイ内に配置する工程と、第１の電極材料の合剤を導電性グリッドの両側部上に設ける工程と、ラムロッドを合剤内へ押し込んで第１の電極を衝撃成形する工程とを有することを特徴とする方法を提供する。
【００１２】
第３の観点の変形例によれば、本発明は、電極材料の内側層及び外側層を備え、導電性グリッドが埋め込まれた第１の電極ボビンを形成する方法であって、第１の電極材料の１又は２以上の外側成形リングをダイ内に配置する工程と、導電性グリッドを１又は２以上の外側リングの内側に配置する工程と、第１の電極材料の１又は２以上の内側リングを導電性グリッドの内側に配置してリング成形の第１の電極を形成する工程とを有することを特徴とする方法を提供する。
【００１３】
第３の観点のもう一つの変形例によれば、本発明は、電極材料の内側層及び外側層を備え、導電性グリッドが埋め込まれた第１の電極ボビンを形成する方法であって、第１の電極材料の１又は２以上の外側リングをダイ内に配置する工程と、導電性グリッドを外側リングの内面中に配置する工程と、第１の電極材料の合剤を導電性グリッドの内容積部内に配置する工程と、ラムロッドを内容積部内に押し込んで第１の電極材料の合剤を衝撃成形して第１の電極を形成する工程とを有することを特徴とする方法を提供する。
【００１４】
本発明は、閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた容器を有する電気化学電池を提供する。電池は、好ましくは集電体としての導電性グリッドが埋め込まれた状態でこれと一体に形成された第１の電極を有している。第１の電極及び第２の電極は、セパレータによって互いに離された状態で容器内に設けられる。加うるに、外側の電気化学的に活性の層が、セパレータによって第１の電極から離された状態で第１の電極の周りに形成される。外側の電気化学的に活性の層は、第２の電極と電気的に接触状態にあり、集電体が第２の電極と接触関係をなして設けられる。カバー組立体が、容器の開放頂端部に取り付けられる。
【００１５】
電気化学電池は、正電極と負電極との間の界面間又はインタフェース表面領域を広くして電流伝送容量を高め、それにより良好な容量効率で高利用率放電性能を達成した状態で製造される。本明細書では電気化学電池を主として円筒形アルカリ亜鉛／二酸化マンガン（ＭｎＯ2  ）電池に関して説明するが、本発明の電池構造は、リチウム電池、アルカリ空気電池、空気利用電池を含む種々の電池に利用でき、種々の電池サイズ及び形態で構成できる。
【００１６】
電気化学電池は、閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた好ましくは円筒形の缶、好ましくはスチール缶を有する。缶は、閉鎖底端部内に一体的に形成されていて、電池の正極接点端子として役立つこぶ状突起を有するのがよい。変形例として、缶は、平らな底端部を備えていてもよく、この場合、こぶ状突起をその外部に溶接又は他の方法で取り付けて正極接点端子を形成すればよい。さらに、缶の端部を除き、缶の外面の周りにぐるりとラベル、例えば金属化プラスチックフィルムを施すのがよい。
【００１７】
本発明の電気化学電池は好ましくは、カソードと呼ばれる正極及びアノードと呼ばれる負極を備えたボビン形電池構造を採用する。好ましくは、カソードは、缶内に配置された状態でボビン形構造内に成形され、アノードは、カソードの円筒形内容積部内に注ぎ込まれる。
【００１８】
本発明によれば、電気化学的に活性の物質から成る外側層も又、缶内に設けられる。電気化学的に活性の物質の層は、電気化学的に活性の物質を含む薄いシート又は金属箔のストリップであるのがよい。ストリップは好ましくは薄く、その厚さは約２５ミクロン（１ミル）台である。ただし、これとは異なる厚さのストリップを用いてもよい。
内側の第２の電極及び電気化学的に活性の物質の外側層は、第１の電極の両側部を被覆し、アノードとカソードのインタフェース表面領域を増大させ、それにより、電流密度が減少すると共に高利用率放電性能が向上する。
【００１９】
好ましくは、第１の電極は、カソードから成り、第２の電極及び電気化学的に活性の物質の外側層は、アノードから成る。したがって、外側の電気化学的に活性の層は好ましくは、負極を構成するようアノード材料、好ましくは亜鉛から成る。変形例として、外側の電気化学的に活性の層を、たとえばリチウム、カドミウム、金属水酸化物のようなアノード材料又は他のアノード材料で作ってもよい。外側アノードの形態としては、フォーム、結合粉末、網状金属又はエキスパンデッドメタル等が挙げられる。
【００２０】
カソードは好ましくは、二酸化マンガン、黒鉛、４５％水酸化カリウム溶液、脱イオン水、テフロン（Teflon：登録商標）水溶液及び任意の添加物から成る混合物で作られる。カソードボビンは、例えばニッケルで作られた導電性グリッドが内側のカソード層と外側のカソード層との間に埋め込まれるようにして成形される。
導電性グリッド（これは好ましくは、バスケットの形をしている）は好ましくは、内側のカソード層と外側のカソード層との間に一体に形成される。導電性グリッドは例えば、炭素の導電性皮膜で覆われた金網又は金属箔で作られ、接触面積の広い接触カソードを有する電流伝送路を構成する。
【００２１】
第１の電極の内側と外側の両方には、任意適当なセパレータ材料、例えば不織布又は他の材料で作られたセパレータ材料が被着される。セパレータ材料は、第１の電極の内壁を覆う内側の、好ましくはカップ状のセパレータと、カソードの外壁を被覆するシートで作られた外側のセパレータとを有するのがよい。セパレータ材料は、第１の電極の内壁を被覆する第１のカップ状のセパレータ及び第１の電極の外壁の周りにぐるりと巻きつけられた第２の外側セパレータを有するのがよいが、単一のセパレータ部品を同一の全体構造を生じさせるよう形成してもよいことは理解されよう。変形例として、セパレータ材料を本明細書で説明するように液体セパレータとして塗布してもよい。いずれの場合においても、セパレータは、第１の電極の内面及び外面を被覆する。
【００２２】
アノードは好ましくは、カソードの円筒形内容積部内に、内側セパレータを介してこれから離された状態で設けられている。アノードは好ましくは、一実施形態によれば亜鉛粉末、ゲル化剤及び他の添加物で作られる。しかしながら、アノードは、粉末状又はゲルマトリックスアノード、例えば亜鉛粉末／カーボポール（Carbopol：登録商標）ゲルを有していてもよく、或いは変形例として、テフロン（Teflon：登録商標）で覆われたリチウム粉末を含んでいてもよい。
【００２３】
加うるに、外側の電気化学的に活性の層を缶から電気的に絶縁するために収縮包装誘電体層を外側の電気化学的に活性の層の外面上に形成することが好ましい。一例によれば、外側セパレータの好ましい厚さは、０．０５０２mm（２ミル）以下であり、外側の電気化学的に活性の層の好ましい厚さは、０．０７５３mm（３ミル）以下であり、収縮包装誘電体層の好ましい厚さは、０．０５０２〜０．０７５３mm（２〜３ミル）である。
【００２４】
負極集電体が好ましくは、アノードと接触した状態で缶の開放端部内に設けられる。負極集電体は、スチール缶の開放端部を封止するシール組立体と一体形成されるのがよい。シール組立体は、ナイロンシール及び好ましくは負極集電体に溶接される負極カバーを更に有するのがよい。ナイロンシールは、缶に対する密封クロージャとなる。カバーが、ナイロンシールによって缶から電気的に絶縁され、このカバーは好ましくは、電池の負極接点端子として役立つ。
【００２５】
第１の観点による好ましい実施形態では、閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた缶又は容器と、正の極性を有していて容器内に設けられたカソードと、負の極性を有していて、カソードの一方の側部で容器内に設けられたアノードと、正極集電体を形成するようカソード内に一体形成された導電性グリッドと、負の極性を備えていて、カソードの別の側に被着された外側の電気化学的に活性の層と、カソードとアノードとの間に設けられ、更にカソードと外側の電気化学的に活性の層との間に設けられたセパレータと、アノードと接触関係をなして設けられた負極集電体と、外側の電気化学的に活性の層をアノードと負極集電体のうち少なくとも一方に接続する電気コネクタと、外側の電気化学的に活性の層と容器との間に設けられた誘電体層と、容器の開放頂端部に取り付けられたカバー組立体とを有する高利用率電気化学電池が提供される。
【００２６】
好ましくは、導電性グリッドは、正極端子を形成するよう容器に接続され、負極集電体は、負極端子に接続される。さらに、導電性グリッドは好ましくは、カソード内に一体成形される。カソードは円筒形キャビティが形成された円筒形ボビンとして形成され、アノードは円筒形キャビティ内に中央に配置されることが好ましい。外側の電気化学的に活性の層は好ましくは、セパレータに巻きつけられた導電性ストリップから成る。導電性ストリップは好ましくは亜鉛を含む。
【００２７】
本発明の組立方法によれば、導電性グリッド集電体が一体的に埋め込まれた第１の電極を形成する。外側セパレータで第１の電極の外面を被覆する。外側の電気化学的に活性の層を外側セパレータの頂部上に被着し、したがってこの外側の電気化学的に活性の層は、第１の電極の外部に巻きつく。第１の電極、外側の電気化学的に活性の層及びセパレータをボビン組立体として閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた容器内に配置する。内側セパレータを、第１の電極内の円筒形内容積部内に配置する。第２の電極を内側セパレータに当てた状態で第１の電極の円筒形内容積部内に配置する。集電体を、第１の電極及び外側の電気化学的な活性の層と接触して設ける。カバー組立体を容器の開放端部に取り付ける。
【００２８】
本発明に従って構成された電気化学電池は、組み立てやすい電池構造で界面間又はインタフェース表面領域接触性を向上させることができる。これにより、電極の総電流伝送容量が大きくなり、しかも電流密度が減少すると共に電極の厚さが減少し、その結果、放電効率が良好になると共に性能的に高利用率が達成される。加うるに、上記の組立体の構造では、カソード成形が缶内で行われないので一層薄手の缶を使用することができる。
【００２９】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、以下の説明及び図面を参照すると一層よく理解されよう。
図１を参照すると、本発明に従って構成された円筒形アルカリ電気化学電池１０の断面図が示されている。電気化学電池１０は、正電極と負電極との間の界面間又はインタフェース表面領域を広くして電流伝送容量を高め、それにより良好な容量効率で高利用率放電性能を達成した状態で製造されている。
【００３０】
電気化学電池１０は、閉鎖底端部及び開放頂端部を備えた円筒形の形をしたスチール缶１２を有する。スチール缶１２は、閉鎖底端部内に一体形成されていて、電池の正極接触端子として役立つこぶ状の突起１４を有している。スチール缶１２の端部を除き、その外面の周りにぐるりと金属化プラスチックフィルムラベル（図示せず）を施すのがよい。
【００３１】
本発明の電気化学電池１０は、本明細書においてカソード１６という正極及び本明細書においてアノード２０という負極を備えたボビン形の電池構造を採用している。カソード１６は、ボビン形構造内に成形され、スチール缶１２内に配置され、アノード２０はカソード１６の円筒形内容積部内に注ぎ込まれる。本発明によれば、亜鉛ストリップ２４と称する電気化学的に活性の物質から成る外側層も又、スチール缶１２内に設けられる。亜鉛ストリップ２４は、電気化学的に活性の物質を含み、特に、負極を形成する亜鉛を含む金属箔の薄いシートである。内側のアノード２０及び亜鉛ストリップ２４は、カソード１６の両側部を被覆し、アノードとカソードのインタフェース表面領域を増大させており、それにより、電流密度が減少すると共に高利用率放電性能が向上する。
【００３２】
カソードは、外側カソード層１６Ａ及び内側カソード層１６Ｂで構成されたボビン１６内に形成される。カソードボビン１６は、導電性グリッド１８が内側カソード層を１６Ａと外側カソード層を１６Ｂとの間に埋め込まれるようにして成形される。したがって、好ましくはバスケットの形をした導電性グリッド１８は、内側カソード層１６Ａと外側カソード層１６Ｂとの間に一体形成される。導電性グリッド１８は、接触面積の広い接触カソード１６を備えた電流伝送路を形成する。
【００３３】
カソードの内面上と外面上の両方にはセパレータ材料が設けられている。セパレータ材料は、内側セパレータ２２Ｂを有し、この内側セパレータは、カソード１６Ｂの円筒形内面を被覆するカップ状の形態に形成された不織布で作られたものであるのがよい。また、カソード１６Ａの外壁を被覆する不織材料のシートで構成されるのがよい外側セパレータ２２Ａが設けられている。変形例として、セパレータ材料を、本明細書で説明するように液体セパレータ２２′として塗布してもよい。いずれの場合においても、セパレータは、カソードの外面だけでなく内面をも被覆する。
【００３４】
アノード２０は好ましくは、カソード１６の円筒形内容積部内に、内側セパレータ２２Ｂを介してこれから離された状態で設けられている。アノード２０は好ましくは、一実施形態によれば亜鉛粉末、ゲル化剤及び他の添加物で作られる。
【００３５】
アノードとカソードのインタフェース表面領域を増大させるために、電気化学的に活性の物質の層が亜鉛ストリップ２４として設けられ、これはセパレータ２２Ａの外面上でカソード１６Ａの外面の周りにぐるりと配置されている。亜鉛ストリップの外側層２４は、別の負極として働く電気化学的に活性のアノード材料となっている。亜鉛ストリップ２４は、導電性タブ２８を介してアノード２０と導電接触関係をなすよう取り付けられている。亜鉛ストリップ２４は、アノード２０、負極集電体３６又は電池の負極端子と電気的接触状態にあるのがよい。加うるに、亜鉛ストリップ２４をスチール缶１２から電気的に絶縁するために収縮包装誘電体層２６が、亜鉛ストリップ層２４の外面上に形成されている。
【００３６】
負極集電体３６が好ましくは、アノード２０と接触した状態で缶１２の開放端部内に設けられる。負極集電体３６をスチール缶１２の開放端部を封止するシール組立体３０と一体形成するのがよい。シール組立体３０は、ナイロンシール及び好ましくは負極集電体３６に溶接される負極カバー３４を更に有するのがよい。ナイロンシール３２は、金属ワッシャ３８に接触するのがよく、スチール缶１２に対する密封クロージャとなる。負極カバー３４は、ナイロンシール３２によってスチール缶１２から電気的に絶縁され、このカバーは好ましくは、電池の負極接点端子として役立つ。
【００３７】
図２を参照すると、本発明の高利用率電気化学電池１０の組立方法４０が示されている。電池組立方法４０は、導電性グリッド１８をカソード成形ダイ内に挿入する工程４２を含む。導電性グリッド１８を、ニッケル又は他の適当な導電性物質で作られていてバスケットの形をした炭素被覆グリッドで構成し、これがカソード内の中央に形成されるようダイ内に正確に配置する。工程４４に進み、カソードを、カップ状の導電性グリッド１８が中央に埋め込まれた状態の円筒形ボビンの形状に形成する。これは、カソード合剤を導電性グリッド１８の両側に配置し、本明細書において説明する３種類のカソード成形法のうち一つにより円筒形カソードボビンを形成することによって達成される。
【００３８】
カソードを導電性グリッドに１８を埋め込んだ状態でいったん成形すると、工程４６に示すように、セパレータ材料を円筒形カソードの外壁と内壁の両方を被覆するように付着させる。セパレータを、本明細書で説明するように不織材料又は液体セパレータとして付着するのがよい。工程４８では、電気化学的に活性の亜鉛ストリップ２４を、外側セパレータを直接覆った状態で円筒形カソードボビンの外面に巻きつける。亜鉛ストリップ２４は好ましくは、延長部としての亜鉛タブ２８を有している。亜鉛タブ２８をカソードボビンの開放端部上に折り返し、カソードボビン内に形成された円筒形内側キャビティ内へ位置させる。工程５０に示すように、誘電体収縮管を亜鉛ストリップ２４の外面上に形成してカソードボビンの形成を完了させる。カソードボビンの形成がいったん完了すると、電池組立方法４０は工程５２に進み、この工程において、カソードボビンをスチール缶１２内に配置する。これは、カソードボビンをスチール缶１２の開放端部内に配置してボビンのカップ状底部がスチール缶の閉鎖底端部と形状が一致するようにする工程を含む。ボビンをいったんスチール缶１２内に完全に配置すると、好ましくは導電性グリッド１８をスチール缶の底端部に溶接してこれらが適当な導電接触関係をなすようにする。
【００３９】
カソードボビンをスチール缶１２に組み付けた状態で、工程５６に従い、アノード及び電解液を含む残りの内部電池材料をスチール缶１２内に注ぎ込む。アノード２０は、カソードボビン内に設けられた円筒形内容積部内に注ぎ込まれた粉末状又はゲルタイプのアノードを含むのがよい。アノード２０は、円筒形内容積部のこの形状と形状が一致し、内側セパレータ２２Ｂに当接し、この内側セパレータは、カソード１６の内面に当てて配置される。アノード２０が亜鉛タブ２８に接触するようにアノード２０を挿入すると外側の亜鉛ストリップ２４がアノード２０と導電接触関係をなすようになることは理解されるべきである。最後に、全ての内部構成部品をいったん組み立てると、電池組立方法４０は工程５８に進み、負極集電体とシール組立体を互いに組み立ててスチール缶１２の開放端部を閉じる。負極集電体をアノード２０内の亜鉛粉末又は他の活物質と接触させる。シール組立体３０は、缶１２の開放端部に対する密封クロージャとなると共に電池の負極接点端子を構成するのに役立つ。加うるに、スチール缶１２の両端部を除き、その外面の周りに金属化プラスチックフィルムラベルを施すと、電池組立体を完成させることができる。
【００４０】
図３〜図５を参照すると、３つの実施形態の各々について成形カソードボビンを形成する工程の順序が示されている。特に図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、第１の実施形態のフルモールド方式衝撃成形法を用いるカソードボビン成形方法が示されている。まず最初に、バスケット状の導電性グリッド１８を、図３Ａに示すように円筒形カソード成形ダイ６０内に配置する。導電性グリッド１８を、ダイ６０の円筒壁から等間隔を置いた状態で正確に位置決めする。次に、図３Ｂに示すように、カソード合剤１５をダイ６０と導電性グリッド６４との間に注ぎ込むと共にダイ６０の残りの内容積部を実質的に満たすようダイ６０内に注ぎ込む。次に、ラムロッド６２をダイ６０の中央円筒形容積部内にぎゅっと押し込んでカソード合剤１５を突き固め、それにより内側カソード層１６Ｂ、外側カソード層１６Ａ及び導電性グリッド１８が一体に埋め込まれた剛性カソードボビン構造を形成する。図３Ｃに示すように、カソードボビン１６を突出棒６４によってダイから突き出す。すると、カソードボビン１６はいつでもセパレータ材料、亜鉛ストリップ及び収縮管を受け入れることができる状態にあり、その後これをスチール缶１２内に入れる。
【００４１】
図４Ａ〜図４Ｅを参照すると、リング成形法を用いるカソードボビン成形方法の第２の実施形態が示されている。図４Ａで始まり、一連の４つのカソードリングをダイ６０内に挿入し、次々に上に積み重ねて外側カソード層１６Ａを形成する。カソードリングを成形する方法は一般に、計量された量のカソード合剤をリングの形をしたダイセット内に添加する工程と、ダイプレスを用いてカソード合剤をリングの形状に成形する工程を含む。ダイ６０内へのカソードリングの挿入は、カソードリングを互いに上に次々と圧入することにより達成できる。単層リング成形カソードを形成する方法は当該技術分野で広く知られている。
【００４２】
特に図４Ｂを参照して説明すると、導電性グリッド１８をダイ６０内の外側カソード層１６Ａの円筒形内容積部内に挿入する。次に、４つの小径カソードリングを導電性グリッド１８の円筒形内容積部内に配置し、次々と上に積み重ねて図４Ｃに示すような内側カソード層１６Ｂを形成する。したがって、導電性グリッド１８は、外側リング成形カソード層１６Ａと内側リング成形カソード層１６Ｂとの間に埋め込まれる。図４Ｄに示すように、ラムロッド６２をカソード１６の円筒形内容積部内へ中央に押し込んでカソードリングを互いに更に突き固めて導電性グリッド１８が埋め込まれた中実２層カソードリングを形成する。次に、図４Ｅに示すようにカソードボビン１６を突出棒６４を用いて突き出す。
【００４３】
図５Ａ〜図５Ｅを参照して説明すると、リング成形法と衝撃成形法の組み合わせを用いる更に別の実施形態に従ってカソードボビンを成形する。図５Ａに示すように、次々に上に積み重ねられた状態の４つのカソードリングをダイ６０内に挿入することにより外側カソード層１６Ａを形成する。次に、図５Ｂに示すように導電性グリッド１８を外側カソード層１６Ａの内面上に挿入する。図５Ｃでは、残りのカソード合剤１５をダイ６０内に配置して導電性グリッド１８の容積部を含むダイ６０の残りの容積部を実質的に満たす。図５Ｄでは、ラムロッド６２をカソード合剤１５の円筒形内容積部内に押し込んで内側カソード層１６Ｂを突き固めてこれを形成する。図５Ｅに示すようにラムロッド６２をダイ６０から引き抜き、突出棒６４で成形カソードボビン１６をダイ６０から突き出す。
【００４４】
したがって、図３〜図５にそれぞれ示しこれと関連して説明した３つの成形技術のうち一つに従って成形カソードボビンを形成する。次に、カソードボビン組立体を図６〜図８に示すように完成させる。特に図６を参照すると、カップ状の内側セパレータ２２Ｂをカソードボビン１６内に形成された円筒形内部キャビティ内に挿入し、セパレータ２２Ｂが内側カソード１６Ｂの内壁に当接するようにする。変形例として、カソードボビンをスチール缶１２内に配置した後にカップ状のセパレータ２２Ｂを挿入してもよく、このようにすると、導電性グリッド１８をスチール缶１２の内部からスチール缶１２の底部に溶接することが容易に行える。
【００４５】
不織セパレータの代替例として、図７に示すようにカソードボビン１６を液体セパレータ２２′で被覆してもよい。液体セパレータ２２′としては、例えば米国特許第４，３１５，０６２号に開示されているようなポリスチレンセパレータが挙げられ、かかる米国特許の内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに援用する。カソードボビン１６を液体セパレータ２２′の容器内に浸漬することによって液体セパレータ２２′を塗布し、次にカソードボビン１６を液体セパレータから取り出してセパレータ皮膜を乾燥させるようにする。また、別の被覆法として液体セパレータ２２′を吹きつけてもよいことは理解されるべきである。
【００４６】
図８を参照すると、外側セパレータ材料２２Ａのシートを外側カソード層１６Ａの外面に巻き付ける。外側セパレータ２２Ａと内側カップ状セパレータ２２Ｂは一緒になって、カソード外壁、カソード内壁及びカソードボビン１６の開放頂端部を完全に被覆することが好ましい。次に、亜鉛ストリップ２４を外側セパレータ２２Ａの外面に巻き付ける。亜鉛ストリップ２４は、導電性媒体を含む電気化学的に活性のアノード材料となる。亜鉛ストリップ２４は好ましくは、これに一体形成され又は取り付けられた延長部としての亜鉛タブ２８を有する。亜鉛ストリップ２４をスチール缶１２から電気的に絶縁する誘電体収縮管２６を、亜鉛シート２４の外部に巻きつける。収縮管２６、亜鉛シート２４及び外側セパレータ２２Ａの隣り合う層の任意の組み合わせを、一巻きでカソード１６の外面に付着してこれに接合できる多層材料の状態に構成してもよいことは理解されるべきである。
【００４７】
図９を参照すると、完成状態のカソードボビン１６が、スチール缶１２内へ挿入中の状態で示されている。図示のように、亜鉛ストリップ２４から延びる延長部としてのタブ２８をカソードボビン１６の開放頂端部を横切ってこの上に折り重ね、さらにその円筒形内容積部内へ下方に折り込む。カソードボビン１６をスチール缶１２の閉鎖底端部に当接状態で圧入すると、導電性グリッド１８及びカップ状セパレータ２２Ｂの底面は、一体形こぶ状突起１４の形状と一致するよう形を変えることができる。次に、導電性グリッド１８をスチール缶の底端部に溶接する。
【００４８】
カソードボビン１６をスチール缶１２内にいったん完全に組み込むと、残りの電池内部材料をスチール缶１２内に配置する。これは、アノード２０を、カソードボビン１６内の円筒形内部キャビティ内に注ぎ込む工程を含む。加うるに、電解液をスチール缶１２内に注ぎ込む。内部材料をいったんスチール缶１２の内部に配置すると、負極集電体３６及びシール組立体３０をスチール缶１２の開放端部に組み付ける。負極集電体３６をアノード２０と接触状態にしてこの中に収容された亜鉛粉末と接触させる。負極集電体３６は延長部としてのタブ２８を介して亜鉛ストリップ２４とも接触状態にあることは理解されるべきである。シール組立体３０は、スチール缶１２の開放端部を閉鎖密封し、電気化学電池１０の負極接点端子となる。加うるに、金属化ラベルをスチール缶１２の外部側壁の周りに形成するのがよいことは理解されるべきである。
【００４９】
本発明に従って構成された電気化学電池１０は、組み立てやすい電池構造で界面間又はインタフェース表面領域接触性を向上させることができる。これにより、電極の総電流伝送容量が大きくなり、しかも電流密度が減少すると共に電極の厚さが減少し、その結果、放電効率が良好になると共に性能的に高利用率が達成される。加うるに、上記の組立体の構造では、カソード成形が缶内で行われないので一層薄手の缶を使用することができる。
【００５０】
当業者であれば、開示した発明思想の精神から逸脱することなく本発明の種々の設計変更例及び改造例を想到できることは理解されよう。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の記載及びその均等範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って構成された高利用率電気化学電池の断面図である。
【図２】  本発明に従って電気化学電池を組み立てる方法を示す流れ図である。
【図３Ａ】  一実施形態によるフルモールド方式衝撃成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図３Ｂ】  一実施形態によるフルモールド方式衝撃成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図３Ｃ】  一実施形態によるフルモールド方式衝撃成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図４Ａ】  第２の実施形態としてのリング成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図４Ｂ】  第２の実施形態としてのリング成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図４Ｃ】  第２の実施形態としてのリング成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図４Ｄ】  第２の実施形態としてのリング成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図４Ｅ】  第２の実施形態としてのリング成形法を用いるカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図５Ａ】  第３の実施形態としての衝撃成形法とリング成形法の組み合わせを用いてカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図５Ｂ】  第３の実施形態としての衝撃成形法とリング成形法の組み合わせを用いてカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図５Ｃ】  第３の実施形態としての衝撃成形法とリング成形法の組み合わせを用いてカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図５Ｄ】  第３の実施形態としての衝撃成形法とリング成形法の組み合わせを用いてカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図５Ｅ】  第３の実施形態としての衝撃成形法とリング成形法の組み合わせを用いてカソードボビンの組立手順を示すダイ組立体の断面図である。
【図６】  第１の実施形態としてのカップ状のセパレータの組立手順を示す部分的に組み立てられた状態のカソードボビンの断面図である。
【図７】  第２の実施形態としての液体セパレータの付着の仕方を示す部分的に組み立てられた状態のカソードボビンの略図である。
【図８】  外面への外側セパレータ、電気化学的に活性の亜鉛ストリップ及び収縮包装皮膜の被着の仕方を示すカソードボビンの斜視図である。
【図９】  スチール缶内へのカソードボビンの挿入の仕方を示す部分的に組み立てられた状態の電気化学電池の組立断面図である。
【図１０】  スチール缶内への集電体及びシール組立体の挿入の仕方を示す電気化学電池の組立断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
0004564663.tif 000004
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
0004564663.tif 000006
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0004564663.tif 000008
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ−Ｅ】
0004564663.tif 000010
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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