(57)【要約】充電終了点を判断する圧力応答装置を備える電気化学電池を提供する。特に、可逆の圧力応答スイッチは金属水素化物二次電池の開口端のエンドキャップに配置でき、また、電池内部圧力を開放するための通気系を備えることもできる。さらに、二次電池は、定電圧、定電流、交流電流、又は最低閾値から最大閾値間を変化する電圧を供給する充電源につないで使用する。スイッチ部品は、スイッチを思った通りに動くようにする材料でできているのが好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）内部キャビティを画定する缶と、該内部キャビティ内に配置される正電極及び負電極と、
（ｂ）ｉ）２６４ｐｓｉで１００Ｃを超える熱撓み温度及び７５ＭＰａを超える引っ張り強度を有する材料からなり、電池内部圧力に応じて第１位置から第２位置へ撓む可撓性部、ｉｉ）前記正端子と電気的に接続する第１の導電性部、及びｉｉｉ）前記正電極と電気的に接続し、前記第１の導電性部と切り離しできるよう電気的に接続し、前記可撓性部と機械的に接続し、内部圧力が所定閾値を超えるのに応じて前記可撓性部が前記第２位置へ撓むと、前記第１の導電性部との電気的な接続が切り離される第２の導電性部、を含むスイッチと、
を備える正端子及び負端子を画定する電気化学二次電池。
【請求項２】
前記内部圧力が前記所定閾値まで下落すると、前記可撓性部が前記第２位置から第１位置へ戻る請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３】
前記可撓性部材料が、ガラス入りポリアミド及び芳香族ポリアミドからなる群から選択される請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項４】
前記ガラス入りポリアミドが、ガラス入りナイロン６，６、ガラス入りナイロン６，１２、及びガラス入りポリフタルアミドからなる群から選択される請求項３に記載の電気化学電池。
【請求項５】
前記ガラス入りポリアミドが、１質量％から５０質量％のガラスを含有する請求項４に記載の電気化学電池。
【請求項６】
前記ガラス入りポリアミドが、５質量％から１２質量％のガラスを含有する請求項５に記載の電気化学電池。
【請求項７】
前記可撓性部材料が、７５ＭＰａを超える引っ張り強度及び５０％未満の破断伸長を有する請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項８】
前記可撓性部材料が、２６４ｐｓｉで１２０Ｃを超える熱撓み温度を有する請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項９】
前記芳香族ポリアミドが、ポリフタルアミドからなる請求項３に記載の電気化学電池。
【請求項１０】
前記正電極および負電極の間に配置され、ポリプロピレンからなるセパレータをさらに備える請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１１】
前記正電極及び負電極の１つが不活性材料を含む請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１２】
前記不活性材料が、正電極及び負電極の少なくとも１つの中に挿入される層を構成する請求項１１に記載の電気化学電池。
【請求項１３】
前記不活性材料が、正電極及び負電極の少なくとも１つの中に混合される請求項１１に記載の電気化学電池。
【請求項１４】
正電極材料及び負電極材料の累積体積が２０％から４０％減量される請求項１１に記載の電気化学電池。
【請求項１５】
前記電気化学電池が、７００ｍＡｈから１５００ｍＡｈの放電容量を有するＡＡ型電池である請求項１１に記載の電気化学電池。
【請求項１６】
前記電気化学電池が、２００ｍＡｈから７００ｍＡｈの放電容量を有するＡＡＡ型電池である請求項１１に記載の電気化学電池。
【請求項１７】
前記電池がニッケル金属水素化物電池である請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１８】
前記電池が小型電池である請求項１７に記載の電気化学電池。
【請求項１９】
前記電池が大型電池である請求項１７に記載の電気化学電池。
【請求項２０】
前記内部キャビティが開口端を画定し、前記電池が該開口端を取り囲む端子エンドキャップをさらに備える請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項２１】
前記可撓性部が前記内部キャビティを電池内部及びエンドキャップ内部に分離し、通路が前記可撓性部を貫通して軸方向に延び、前記内部キャビティと前記電池内部を結ぶ請求項２０に記載の電気化学電池。
【請求項２２】
前記通路を介して広がる導電性のリベット、及び該リベットと前記正電極を電気的に接続する導電性のタブをさらに備え、前記リベットが前記第２の導電性部と電気的に接続する請求項２１に記載の電気化学電池。
【請求項２３】
前記リベット及び導電性タブの少なくとも一方が非鉄合金材料からなる請求項２２に記載の電気化学電池。
【請求項２４】
前記非鉄合金材料が、ベリリウム−銅、銀張り電気接点、金張り接点、及びニッケル張り接点からなる群から選択される請求項２３に記載の電気化学電池。
【請求項２５】
前記接点がスチールからなる請求項２４に記載の電気化学電池。
【請求項２６】
前記端子エンドキャップを貫通して設ける通気口をさらに備える請求項２１に記載の電気化学電池。
【請求項２７】
前記可撓性部が前記第１位置にある間、前記通路をふさぐ通気系をさらに備える請求項２６に記載の電気化学電池。
【請求項２８】
前記通気系が、所定の内部圧力閾値に対応して前記通路から取り除かれる請求項２７に記載の電気化学電池。
【請求項２９】
前記所定の内部圧力閾値が、前記可撓性部を第２位置へバイアスする内部圧力の閾値にほぼ等しい請求項２８に記載の電気化学電池。
【請求項３０】
前記所定の内部圧力閾値が、前記可撓性部を第２位置へバイアスする内部圧力の閾値より大きい請求項２８に記載の電気化学電池。
【請求項３１】
前記通気系が、前記通路の中に設けるプラグからなり、該プラグが内部圧力に応じて前記通路から取り除かれる請求項２８に記載の電気化学電池。
【請求項３２】
前記内部圧力が前記プラグを前記エンドキャップ内部中へ押し出す請求項３１に記載の電気化学電池。
【請求項３３】
前記プラグが前記端子エンドキャップに付着され、前記可撓性部が第２位置にある場合、前記プラグから前記通路を取り外す請求項３１に記載の電気化学電池。
【請求項３４】
前記通気系が、前記電池内部と前記エンドキャップ内部間の流体の流れをふさぐ横断アームをさらに備え、該横断アームが電池内部圧力に応じて裂ける請求項２８に記載の電気化学電池。
【請求項３５】
前記可撓性部が、前記電池内部圧力が所定閾値に達すると機能しなくなるネックダウン部をさらに備える請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３６】
前記可撓性部が、ほぼ横方向に延びる請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３７】
前記可撓性部が、前記缶から半径方向内側に延びる請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３８】
前記可撓性部が、前記缶に対して対称的に配置される請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３９】
正端子及び負端子を画定する複数の電気化学電池を備えるバッテリーパックであって、該電池の少なくとも１つが、
（ａ）内部キャビティを画定する缶と、該内部キャビティに配置される正電極及び負電極と、
（ｂ）ｉ）電池内部圧力に応じて第１位置から第２位置へ撓む可撓性部、ｉｉ）前記正端子と電気的に接続する第１の導電性部、ｉｉｉ）前記正電極と電気的に接続し、前記第１の導電性部と切り離しできるよう電気的に接続し、前記可撓性部と機械的に接続し、内部圧力が所定閾値を超えるのに応じて前記可撓性部が前記第２位置へ撓むと、前記第１の導電性部との電気的な接続が切り離される第２の導電性部、を含むスイッチと、
を備えるバッテリーパック。
【請求項４０】
前記電気化学電池が直列に接続される請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４１】
前記電気化学電池が並列に接続される請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４２】
直列に接続される電池のストリングを少なくとも２つさらに備え、各ストリングが並列に接続される請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４３】
前記電気化学電池がＣ型及びＤ型電気化学電池の一方を提供するよう構成される請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４４】
前記可撓性部を備える前記電池が、残りの電池より小さい充電容量を有する請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４５】
全ての電気化学電池が（ａ）及び（ｂ）の要素をさらに備える請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４６】
前記可撓性部が、７５ＭＰａを超える引っ張り強度及び５０％未満の破断伸長を有する請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４７】
前記可撓性部が、２６４ｐｓｉで１００Ｃを超える熱撓み温度及び７５ＭＰａを超える引っ張り強度を有する請求項３９に記載のバッテリーパック。
【請求項４８】
前記可撓性部材料が、２６４ｐｓｉで１２０Ｃを超える熱撓み温度を有する請求項４７に記載のバッテリーパック。
【請求項４９】
前記バッテリーパックが電気的に直列に接続される電池を含み、該電池の１つが直列に接続される残りの電池と比べ高い充電容量を有する不適合電池である請求項３９に記載のバッテリーパックを充電する方法であって、
１）前記電池の１つの前記可撓性部が前記スイッチを切断するまで、前記直列の電池を通じて電荷を印加するステップと、
２）前記可撓性部が前記第１位置に戻るまで、前記直列の電池を通る電荷を遮断するステップと、
３）前記直列の電池を通じて電荷を再度印加するステップと、
を含む充電の方法。
【請求項５０】
ステップ（３）が、前記不適合電池の充電容量を前記残りの電池の充電容量と均等にすることをさらに含む請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
ステップ（１）の間に切断する電池を予め定め、該電池に前記可撓性部を設けることをさらに含む請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記バッテリーパックが電気的に並列に接続される電池を含み、該電池の１つが残りの電池と比べ高い充電容量を有する不適合電池である請求項３９に記載のバッテリーパックを充電する方法であって、
１）前記電池の１つの前記可撓性部が前記スイッチを切断するまで、前記電池を通じて電荷を印加するステップと、
２）前記可撓性部の閉じた位置と切断位置の間で反復動作するステップと、
３）ステップ（２）の間に前記高い充電容量を有する電池に電荷を印加するステップと、
を含む充電方法。
【請求項５３】
（ａ）開口端を有する内部キャビティを画定する缶と、該内部キャビティに配置される正電極及び負電極と、前記開口端を取り囲む端子エンドキャップと、（ｂ）ｉ）前記缶から半径方向内側に延び、電池内部圧力に応じて第１位置から第２位置へ撓む可撓性部、ｉｉ）前記端子エンドキャップと電気的に接続する第１の導電性部、及びｉｉｉ）前記正電極と電気的に接続し、前記第１の導電性部と切り離しできるよう電気的に接続し、前記可撓性部と機械的に接続する第２の導電性部、を含むエンドキャップアセンブリと、を備える型の電気化学電池を充電する方法であって、
（Ａ）１．２Ｖから２Ｖ間の電圧レベル及び４Ａから１５Ａ間の電流レベルの少なくとも１つを含む電荷を供給するステップと、
（Ｂ）電池内部圧力が所定閾値を超えると、第１の導電性部と第２の導電性部の電気的接続を切り離すため、前記可撓性部を前記第２位置へ撓めるステップと、
を含む方法。
【請求項５４】
ステップ（Ａ）が、１．２Ｖから１．６５Ｖの間の電圧を供給することをさらに含む請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
ステップ（Ａ）が、１．６Ｖから１．６５Ｖの間の電圧を供給することをさらに含む請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
ステップ（Ａ）が、１．２Ｖから１．６Ｖの間の電圧を供給することをさらに含む請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
ステップ（Ａ）が、１．２Ｖから２．０Ｖ間の所定レベルの充電電圧を供給し、所定の電池特性に基づき前記充電電圧を逓減させることをさらに含む請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
前記所定特性が電池温度である請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
ステップ（Ａ）が、時間に依存しない可変電圧を供給することをさらに含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
ステップ（Ａ）が、所定時間満了後に逓減する定電圧を供給することをさらに含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
ステップ（Ａ）が、前記印加電圧を所定レベル以下に逓減するのを防ぐことをさらに含む請求項５７に記載の方法。
【請求項６２】
前記所定レベルが実質的に１．６５Ｖ程度である請求項５７に記載の方法。
【請求項６３】
所定時間の満了に基づきステップ（Ａ）を終了することをさらに備える請求項５７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）電池などのニッケル二次電池に関し、特に、自動可逆的に電池の充電処理を終了する方法及び装置に関する。また、本発明はニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池に使用することもできる。
【背景技術】
【０００２】
利便性と携帯性をより高めるため、最新の電化製品や消費者製品の多くが標準型で標準電気性能の電池から電流を取り出して動かすことができるものである。例えばニッケル金属水素化物電池など、いろいろな二次電池が利便性と経済性のため開発されている。
【０００３】
金属水素化物電池の技術は、ニッケルカドミウム電池やリチウムイオン電池の技術に比べ、妥当なコストで優れた高性能を実現する。さらに、金属水素化物電池はＮｉＣｄ電池より体積エネルギー密度が約５０％高く、リチウムイオン電池とほぼ同じである。金属水素化物二次電池の本質的な化学的性質は、この電池を充電する性能に影響を及ぼす。ニッケル二次電池の充電性能に影響を与える問題は、その電池の本質的な化学的性質が原因で生ずる。ニッケル二次電池が完全な充電状態に達すると、次のように正電極で酸素が発生する。
４ＯＨ−→Ｏ２（ガス）＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
【０００４】
その酸素ガスはガス透過性のセパレータを透過して負電極に広がり、そこで次のように結合して水酸化カドミウム又は水となる。
１／２Ｏ２（ガス）＋Ｈ２Ｏ＋Ｃｄ→Ｃｄ（ＯＨ）２＋熱＠カドミウム負電極
１／２Ｏ２（ガス）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋熱＠水素化物負電極
【０００５】
そのような電池を再充電する場合、いつその電池が完全に充電されたかを見極めるのが重要である。例えば、もし電池が長時間充電され過ぎると、電池内圧力の蓄積が電解液の漏洩を引き起こすだけでなく、電池が機能しなくなる原因ともなり、それによって充電器が潜在的なダメージを受けることにもなる。
【０００６】
金属水素化物二次電池は、定電圧ではなく定電流を加えて再充電するのが一般的である。この方式では、電池電圧はフル充電に達するまで徐々に増大し、フル充電でピークに達する。電池が過充電状態に達すると、放出熱が電池の温度を急激に増大させ、代わりに電池電圧の低下を引き起こす。また、過充電中は酸素ガスが再結合される以上に多量に生成されるため電池圧力も急激に上昇する。残念ながら、圧力の変化率が電圧や温度の変化率より桁違いに高いことは周知である。従って、既存の定電流充電の中断方法では、内部圧力の蓄積、破裂及び電解液漏洩のリスクなしには急速充電速度に対応できない。このため、金属水素化物電池に安全弁を設けても良い。
【０００７】
フル充電状態における圧力上昇を低減する一般的方法の１つは、正電極より４０−５０％大きい過剰体積を有する負電極、ガス透過性セパレータ、及びガスの実効拡散を適切にする所定の電解液を備えることである。このことは酸素が負電極材料と再結合するのを可能とする一方で、負電極における水素ガスの生成を防止する。電池がフル充電に達すると、酸素ガスは正電極で生成され続けるが、水素は負電極から生成されない。もし水素が生成されると、電池が過剰圧力により破裂するだろう。そのため、図１に示すように、酸素の再結合反応は電池圧力を支配する。酸素はセパレータを通り負電極材料と反応する。この反応の問題点は、酸化と熱を伴う過充電による負電極の分解により、電池性能が低下し、それに付随して電池のサイクル寿命が短くなることが挙げられる。
【０００８】
フル充電状態に達したときに１つ以上の電池の充電を中止することは、電池内部のガス圧が上昇することによる電池の破損又は漏損の危険性を回避するため重要である。既存の金属水素化物二次電池は、適切な充電の終了点をその電池自ら表示することはできない。充電をいつ終了すべきか決定するため、代わりに、対応する充電装置の高価かつ高度な検出回路に頼らなければならない。通常、充電の終了は（１）ピーク電池電圧、（２）ピーク電池温度（ＴＣＯ）、（３）充電継続時間、（４）−ｄＶ、及び（５）ｄＴ／ｄｔに基づき検出回路で決定される。既存の定電流充電の終了方法にはそれぞれ短所がある。例えば、時間に基づく終了は、終了前に過充電となる場合があるため充電速度が非常に遅い場合を除き信頼できない。
【０００９】
ピーク電圧に基づく充電の終了は、終了前に過電圧状態が生ずる場合があるため、充電時間の終わりにおいて信頼できない。電圧降下（−ｄＶ）に基づく終了は、酸素の再結合及びそれに伴い生ずる悪影響をもたらす温度上昇と必然的な関係があり、このことは実際問題として、電圧検出が正確かつ高速でなければならないことを意味する。だがもし周囲温度が安定していなければ、電圧変化を正確に測定するのが困難な場合もある。さらに、充電速度が０．３Ｃより遅い場合、測定する電圧降下値が小さすぎて正確に検出することができない。定義上、１Ｃの充電速度は、一定充電電流１時間で、電気化学電池又はバッテリーの定格放電容量とほぼ同程度（例えば、８０％以内）を引き込む。また、ピーク温度だけを基準に終了する場合も、周囲温度の変化に影響され易い。
【００１０】
時間に対する温度変化率（ｄＴ／ｄｔ）に基づく終了は、依然として電池性能やサイクル寿命に弊害をもたらす熱に基づくものであるが、周囲温度の変化に起因する影響を受けにくいため、また、サイクル寿命への悪影響が少ないため、絶対温度変化を検出するより幾分信頼性がある。これは、実際、電圧の低下より先に、温度がより高速で増大するためである。従って、上述の他の方法により電池の破損や漏損のリスクが幾分少ない。この方法が今日使用される最も一般的な充電終了方法になっているのはこのことによる。
【００１１】
当業者は、圧力が所定値レベルを超える場合、電極と電池端子間の接続を切断する圧力に基づくメカニズムを検討している。例えば、米国特許第５０２６６１５号は、導電性バネ部、非導電性支持部、及び移動可能な導電性部を備えるエンドキャップアセンブリ中の圧力応答スイッチを開示している。その導電性バネ部は、一方の端で電池端子と電気的に接続し、もう一方の端で移動可能な導電性部と電気的に接続する。移動可能な導電性部は同様に電極と電気的に接続する。電池内部圧力が増大するにつれ、その移動可能な導電性部がバネ部に力を及ぼし、そのバネ部が非導電性支持部を軸にして回転しバネ部を端子から切り離す。従って、当該特許では第１と第２のコンタクトが必要で、その一方は他方に対して移動可能で、かつ他方のコンタクトに対して回転するため支点を軸に回転できるものである必要がある。この構成は必要以上に必須部品が必要で、さらに厳しい精度で構成される組立体が必要で、そのため生産コストだけでなく複雑性も増大する。
【００１２】
これら技術の他の例は、米国特許第５７４７１８７号、第５４０５７１５号、第５７４１６０６号、第５６０９９７２号、第６０１８２８６号、第６０７８２４４号及び第６０６９５５１号があり、そこに記載の全部を本明細書に引用して援用する。そのような手段のいくつかは、圧力が引き起こす電池の破損を防止し、そうすることで電池が永久に使用できなくならないようにするものである。他の場合では、可逆のスイッチ装置が電池の破損を防止するが、熱の蓄積を避けるため、及び優れた電池性能とサイクル寿命を確保するために充電終了状態を早期に検出するものではない。
【００１３】
一方、定電圧充電の場合、電池が高電流に対応するなら充電電流は充電の初めで高く、その後、フル充電に近づくにつれて低電流に減少する。定電圧充電の場合、電池がフル充電状態に達すると電池電圧が一定で、電池温度が不変になるため、上述した定電流充電処理における終了判断方法は使えない。電池や充電器にダメージを与える圧力は取り除かれるため、充電速度が０．３Ｃより高いと、定電流充電方法のように充電時間に基づく判断方法を定電圧充電に用いることができない。このような欠点のため、有効な終了判断方法を特定するのは困難で、そのため金属水酸化物電池の定電圧充電は、一般に実用的でないと考えられている。
【００１４】
交流電流充電の場合、充電電流は電池を充電できるようにする正味正電流を生成するため所定周波数又は所定合成周波数に調整される。交流電流充電では、定電流充電又は定電圧充電に比べ、少ない圧力蓄積と低い温度上昇で高速充電が実現できる。しかしながら、交流電流充電を用いる場合、電池がフル充電状態に達すると、電池電圧の変化は、印加される交流電流に対応する電圧を超えて検出するのが困難であるため、上述した定電流充電処理における終了判断方法は使用できない。結果として有効な終了判断方法を特定するのは困難で、金属水酸化物電池を交流電流で充電することも、一般に実用的でないと考えられている。当然のことであるが、交流電流充電は、本明細書全体に渡って変調交流電流などの正味正電荷を生成するさまざまな電流を意味するものとして用いている。例えば、交流電流は連続する電流パルスを生成する半波整流又は全波整流でも良いし、所望のＤＣ電流でオフセットされても良い。
【００１５】
既公開の豪州国特許出願第１９９９２６９７１  Ａ１号は、外部の電力送信部から埋め込まれた電力受信部に皮膚を通して電力を送信し、埋め込まれたニッケル金属水素化物電池を高速充電する方法を開示している。当該特許出願では、電池内部抵抗が低い場合の初期の急速高電流充電段階、続いて、電池が過剰にガスの発生又は熱の発生をしないように、電気化学状態が許容できる程度のエネルギーだけが充電されるよう確保する第２の低電流で定電圧の充電段階の有効性について検討している。電池への悪影響を排除すると同時に、充電速度を高く維持する。ここで開示された方法では、２つの充電段階の第１段階は、電池電圧が所定の限界充電電圧に到達するまで上昇するものの、比較的高い定充電電流を電力受信部に流すことのできるステップを含む。第２の充電段階では、充電電流は第１段階終わりの電流レベルより低いが、電池電圧は所定の一定電圧値に少なくともほぼ維持される。この豪州国特許出願では、第２の充電段階は、関連するマイクロ電子制御機器が充電電流の変化率が時間がたっても所定勾配に達しないことを決定したとき終了する。この煩雑な２段階の定電流／定電圧技術は、典型的な先行技術である。
【００１６】
要約すれば、金属水素化物二次電池が完全な充電状態に達すると、その正電極から酸素が発生し、そのため、電池内部圧力が増大し、発熱の酸素再結合反応が促進される。通常１時間以内の非常に高い定電流充電速度のとき、充電電流は充電が終わった時でもまだ非常に高い。このことは電池に厳しい熱を与え、サイクル寿命を短くする結果をもたらす。使用できる定電流充電の終了方法は、電池温度が高い場合にはあまり信用できない。その上、電池の発熱は弊害をもたらし、電池内で損傷を与える圧力上昇が始まる段階の深刻な発熱の前に充電を終了するのが望ましい。
【００１７】
従って、定電圧、定電流、及び交流電流／交流電圧充電のもとで完全に再充電可能な電池のために、充電終了点をもっと正確に決定する方法及び装置が必要である。
【００１８】
現在使用できる技術より複雑でなく、悪影響の少ない充電終了点の決定に対し瞬時に応答する可逆の調整スイッチであることが望ましい。
【００１９】
また、現存技術より費用対効果が高くまた信頼性も高い充電終了検出装置であり、既存の二次電池と互換性あるものが望ましい。
【特許文献１】米国特許第５０２６６１５号明細書
【特許文献２】豪州国特許出願公開第１９９９２６９７１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の一実施形態では、開口端を有し内部キャビティを画定する外装缶、内部キャビティに配置される正電極及び負電極、及び開口端を取り囲む端子エンドキャップ、を備える軸方向に延びる電気化学二次電池を提供する。その電池は２６４ｐｓｉで１００Ｃを超える熱撓み温度及び７５ＭＰａを超える引っ張り強度の材料からなる可撓性部を備えるエンドキャップアセンブリを有する。その可撓性部は缶から内部に半径方向に延び、電池内部圧力に応じて第１位置から第２位置へ撓む。さらにエンドキャップアセンブリは、端子エンドキャップと電気的に接続する第１の導電性部を備える。またエンドキャップアセンブリは、正電極と電気的に接続し、かつ第１の導電性部と切り離しできるように電気的に接続する第２の導電性部を備える。第２の導電性部は可撓性部と機械的に接続する。所定閾値を超える内部圧力に応じて可撓性部が第２位置へ撓むと、第１と第２の導電性部の電気的な接続が切断される。
【００２１】
本発明の前述及び他の態様は、以下の記載から明らかとなるであろう。当該記載では、本明細書の一部を構成する添付図面を参照するが、それは限定的でなく例示的に本発明の好ましい実施形態を示すものである。このような実施形態は必ずしも本発明の範囲全てを表すものではなく、従って、本発明の範囲を解釈するに当たっては特許請求の範囲を参照されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に図２を参照すると、軸方向に延びる電池は、閉端（図示せず）と、該閉端に対抗してそこから軸方向下流に配置される開口端１３を有する缶１２を備える。エンドキャップアセンブリ１０は、電池を密閉するため負極缶１２の開口端に固定される正端子エンドキャップ１８を備える。特に、エンドキャップアセンブリ１０及び缶１２の開口端は、エンドキャップアセンブリ１０が円筒型の金属水素化物二次電池を組立てる際に、負極缶１２を圧着することで開口端に密封して収納するように大きさと形が合わされる。缶の閉端は既存のもので図示してない。
【００２３】
以下記載から明らかなように、正電極１４（例えば、水酸化ニッケル）は正端子エンドキャップ１８と電気的に切り離しできるように接続される。さらに電池は、缶１２と電気的に接続する負電極２１（例えば、水素化物電極）、及びアルカリ性電解液（例えば、水酸化カリウム）単独或いは他のアルカリ金属水酸化物と組合せたものを備える。両電極は電池内部１５に配置され、セパレータ１６によって分離される。更に、缶１２と本発明のエンドキャップアセンブリ１０を備える電池は、既存の正１４及び負２１の巻線型電極をその内部に構成できるが、これら電極の相対的な大きさは電池の物理的仕様や電気的仕様に合わせて調整できる。
【００２４】
正端子エンドキャップ１８は、本発明に従って構成される圧力応答スイッチ１１を有する電池の正端子を規定する大きさ及び形にされる突起２０を有する。圧力応答スイッチ１１は、開口端１３にしっかりとフィットする大きさ及び形に合わせた可撓性で非導電性の単安定グロメット２２を備える。グロメットは、放射状に外部シール２５と、内部ハブ２７と、ほぼ半径方向に延びて外部シールをハブに接続するアーム２９とを備える。当然のことであるが、アーム２９は電池全体に渡って半径方向に延びているため、本明細書全体を通して「アーム」と「ディスク」の用語を同義的に使用する。さらにグロメット２２は、ハブ２７を貫通して軸方向に延びる中央に設けた開口１９を備え、そこには一対の対向配置された半径方向に延びる外部フランジ２３を有する導電性の糸巻き状コネクタ２４が据え付けられる。グロメット２２の外面と端子エンドキャップ１８の内面との間の空間は、エンドキャップアセンブリ１０内のキャビティ１７を画定する。
【００２５】
コネクタ２４は、導電性コネクタがグロメットに合わせて移動するように、グロメット２２の開口１９にしっかり固定される。図示した実施形態では金属ワッシャーである第１の環状導電性コンタクト２６は、コネクタ２４のハブを取り囲み、上部フランジ２３と電気的に接続する上面を有している。第２の環状導電性コンタクト２８（これも金属ワッシャーで良い）はグロメットを取り囲み、第１のコンタクト２６に隣接して軸方向上流に配置される。第１および第２のコンタクト２６、２８は、図２Ａでは円形プレートであるが、例えば図３から５に示したように、別の形状で構成することもできる。以下の記載からより明らかとなるように、コンタクト２８は正端子エンドキャップと電気的に接続する上面２９を有し、第１のコンタクト２６の底面と機械的に（その結果電気的に）切り離しができるよう接続される。
【００２６】
グロメット２２は、電池の化学的性質に悪影響を及ぼさない十分に可撓性があり非導電性の任意の不活性材料で形成することができる。以下より詳細に記載するように、適当な材料には、これに限定されないが、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ガラス入りナイロンを含むナイロン及び他のガラス入りポリマーが挙げられる。
【００２７】
グロメット２２の外部シール２５は、上方および半径方向内側に延びる外周リップ３８を含み、その外周リップが電池の内部と外部との間を仕切る境界を与えるように、缶の開口端と緊密なシールを形成する形状および大きさにされる。また、リップ３８は外部シール２５でキャビティ形状を部分的に画定し、そこには端子エンドキャップ１８の外端および第２のコンタクト２８が配置される。リップ３８は、電池の組立中にグロメット２２を覆って缶１２を圧着できるように半径方向に凸状外面を与える。組立中に缶１２の軸方向下流端がグロメット２２に圧着されると、グロメット２２と、第２のコンタクト２８と、端子エンドキャップ１８との間に緊密なシールが形成され、電池内部が周囲環境から分離される。アスファルトやタールのような任意の密封材をエンドキャップアセンブリ１０と缶１２の間に使用してシールを強化することもできる。
【００２８】
可撓性の導電性タブ３０は、電池内部で導電性コネクタ２４を正電極１４に電気的に接続する。グロメット２２のハブ２７と第１のコンタクト２６を固定するフランジ２３を設けるため、導電性コネクタ２４は、その端で圧着することにより中央開口１９に固定されるアイレット又はリベットにできる。導電性コネクタ２４は第１のコンタクト２６と電気的かつ物理的に接続し、それによって導電性コネクタ２４を所定位置に固定する働きをしている。
【００２９】
図２Ａは、グロメット２２がその安定位置にある低圧状態でエンドキャップアセンブリを示す。この低圧状態では、正電極１４は導電性タブ３０、コネクタ２４、第１のコンタクト２６、および第２のコンタクト２８を介して端子エンドキャップ１８と電気的に接続する。従って、電池は再充電電流又は再充電電圧を電池に印加することにより充電することができる。電池内の内部圧力が所定閾値を超えて蓄積すると、有利なことに、グロメット２２が矢印Ａの方向に沿って軸方向下流に撓み（可逆に）、図２Ａに示した第１の位置から図２Ｂに示した第２の位置へ圧力応答スイッチをバイアスする。当然のことであるが、その所定閾値は、使用されている充電形式（例えば、一定電流、一定電圧など）に依存する場合があり、またグロメット用に選定される材料、アーム２９の厚み及び可撓性によって決定される場合がある。
【００３０】
次に図２Ｂを参照すると、電池内の内部圧力がグロメット２２を曲げるのに十分なほど所定閾値を超えると、ハブ２７が軸方向下流に移動し、それにより第１のコンタクトも第２のコンタクトに対して軸方向下流に移動し、両者間の電気的接続を切り離す。結果的に、突起２０における電気的接続が電池内の電極１４へ伝達されず、過圧状態が正常なレベルに戻るまで更なる充電は防止される。
【００３１】
状況に応じて、突起２０によりその形状が画定される内部キャビティに絶縁過圧ストッパー３２を設けることもできる。その過圧ストッパー３２は、必要に応じてコンタクトに圧力を予めかけるのに使用することもでき、電池内部圧力が高いときに突起２０の方向への導電性コネクタ２４の移動を制限できる。また、第２のコンタクト２８と端子エンドキャップ１８の間に任意でストップワッシャー３４を設置して、グロメット２２が撓む際の第２コンタクトの移動を抑制することもでき、それによって、高圧状態の間、２つのコンタクト間で電気的接続が切断されるのを更に確実にすることができる。
【００３２】
当然のことであるが、複数の電池がバッテリーパックに取り付けでき、また電池に定電圧充電又は定電流充電を与えるよう構成される充電器内で直列に接続できる。その複数電池の少なくとも１つが、本発明に基づく圧力応答スイッチを備える限り（それぞれの電池内で同じように圧力が蓄積すると仮定して）、一旦、その電池内圧力が端子エンドキャップ１８と電極１４間の電気的接続を切断するためスイッチを作動すると、充電が終了する。また、いったん複数電池の１つが許容される最大内部圧力に達すると、全ての電池の充電が終了するように、それぞれの電池にスイッチを設けることもできる。或いはまた、電池を充電電源に並列に接続でき、この場合それぞれの電池が本発明に基づく圧力応答スイッチを備えることとなる。
【００３３】
また図２Ａ−Ｂは、過圧状態にあるときに電池から過剰圧力（ガス）を放出するため任意で設ける通気系も示す。具体的には、導電性コネクタ２４は、それを貫通して軸方向に延び中央に設けられる圧力開放通路３６の形状を画定できる。従って、電極で発生されるガスは、軸方向下流に、電池内部１５から通路３６を通ってエンドキャップ内部１７へ流すことができる。また端子エンドキャップ１８は、ガスをエンドキャップアセンブリ１０から外部環境へ流すことができるように、それを貫通して設ける１つ以上の通気口３５の形状も画定する。ガスを電池から開放するため予め選択された圧力レベルで応答するよう引っ張り強度を調整したシール（図示せず）で、その通気口を不要な漏れがないよう固定することができる。そのシールは可逆にも非可逆にもできる。
【００３４】
さらに、通気口３５は常に環境へと開いていても良く、この場合には、圧力開放通路３６を塞ぐことで電池内部の可逆の気密シールが維持される。特に、過圧ストッパー３２は、圧力開放通路３６及び通気口３５（環境へと開いていない場合）をシールするためゴムのように適切に変形可能なプラスチック材料で形成されれば過圧開放制御器としても機能できる。開示した変形可能材料の他に、圧力開放通路を開放できるように塞ぐための他の構造は、これに限定されないが、プラグ又はスプリングがある。電池内部圧力が十分高いレベルに上昇すると、閉塞部が通路３６および通気口３５から除去されるよう促進され、電池内部から外部環境への圧力開放通路ができる。通気系が電池内部圧力を開放する圧力は、電池がどれだけの内部圧力に耐え得るかに依存し、過圧ストッパー３２のプラスチック材料は、排気を要する圧力には応答するが、低圧ではしっかり定位置に保持されるように選択される。一般的に言うと、金属水素化物二次電池用の安全通気系は、スイッチを作動するのに必要な圧力と電池の圧着を分離するのに必要な圧力の間の電池内部圧力に応答する、例えば、電池のサイズにもよるが４００ｐｓｉｇ以上、２０００ｐｓｉｇ未満である。例えば、ＡＡＡ型の電池は１４００から２０００ｐｓｉｇの圧力で排気するよう構成でき、一方、ＡＡ、Ｃ及びＳｕｂ−Ｃ型の電池は４００から１２００ｐｓｉｇの圧力で排気するよう構成できる。
【００３５】
通路３６及び通気口３５を通る圧力開放通路の開閉は可逆に行うことができるが、最初の圧力上昇の後、圧力開放通路を有効に塞ぐことのできる閉塞部に、形状又はサイズ又は位置がもとに戻らない材料で作ったものを使用することで非可逆とすることもできる。以下詳細記載するように、ここで開示した以外の閉塞部を可逆及び非可逆のいずれの通気系においても使用できるのは当然のことである。
【００３６】
次に図３を参照すると、非可逆の通気口を有するエンドキャップアセンブリの一実施例を示しており、そこでは図２Ａ及び図２Ｂに示したものと同様の部品は同じ参照番号で特定している。図５は、缶１２の中に組み込む前におけるこれら部品を示す。
【００３７】
本実施形態によれば、第１のコンタクト２６は平面ではなく、正確には平面の中心部と４つのアームを備え、各アームが末端部分と、その部分と中心部分とを結ぶ移行部分を有し、それらは同一平面上にない。その中心部分は導電性コネクタ２４及び第２のコンタクト２８と電気的に接続する。第２のコンタクト２８は正端子エンドキャップ１８と電気的に接続する。コンタクト２６の各末端部分と正端子エンドキャップ１８は、それらの間に配置されコンタクト２６の末端部分と揃えて配置される電気的絶縁体４０によって、電気的に絶縁される。
【００３８】
電池内の内部圧力が上昇すると、グロメット２２が撓み、それによってコンタクト２６とワッシャー２８との電気的な接続が分断される。その結果、端子エンドキャップ１８と電極間の電気的な接続も分断される。絶縁体４０はコンタクト２６の軸方向の移動を制限し、さらにコンタクト２６の末端部分と端子エンドキャップ１８間の電気的な接続を防止する。このように第１のコンタクト２６は、電池内部圧力を変えるためグロメットに合わせて適切に応答し、内部圧力が正常なレベルに戻ると、低圧状態までスイッチを戻すよう促すものとして適している。
【００３９】
また、図３から５の通気系は、図２のものと比べ多少異なって構成され、圧力開放通路が付着又は擦りつけるようにはめ込んだ円錐台形プラグ４２で塞がれ、高い内部圧力、例えば、ＡＡ、Ｃ又はＳｕｂ−Ｃ型電池で４００と１２００ｐｓｉｇの間、ＡＡＡ型電池で４００と２０００ｐｓｉｇの間の時に、そのプラグ４２を圧力開放通路から非可逆で追い出すよう構成される。図４を参照すると、絶縁体４０は正端子エンドキャップ１８からプラグ４２に半径方向に延びている。
【００４０】
充電中、コンタクト２６と２８間の電気的な接続が切断されると、電流量がゼロまで落ちる。このゼロの電流量は既存の充電器回路（図示せず）で検出でき、電池が十分に充電されていることの合図であると判断することができる。そのため充電器回路は充電状態終了を信号で伝えることができる。これら回路は既存のものでできると考える。重要なことは、既存の金属水素化物再充電装置において標準的な圧力、電圧、温度又は電流量率における微妙な変化を検出するより、むしろただ電流量の下落を完全に検出することが必要であるということである。
【００４１】
圧力応答スイッチが低圧状態から高圧状態（「バイアス圧力」）へバイアスされる電池内部圧力は、電池のサイズや形、充電速度及び周囲温度などの他の充電条件に従って変化する可能性がある。例えば、電池の負電極の体積が正電極よりずっと大きい場合、低速で過充電状態にある電池内部圧力は、３０から５０ｐｓｉｇのような比較的低いレベルで安定化される場合もある。同様に、電池がフル充電状態に達する場合、又は過充電状態に達する場合、充電速度が速ければ速いほど電池内部圧力は高くなるであろう。従って、負電極の体積が非常に大きい電池用にスイッチを形成する場合、及び／又は電池が非常に低速で充電される場合、圧力応答スイッチのバイアス圧力は、電池がフル充電状態又は過充電状態に達すると確実に充電が終了されるように十分低くすべきである。一方、負電極と正電極の体積が同じ電池にスイッチを使用する場合、或いは電池が高速で充電される場合、問題なく電池内部圧力がバイアス圧力に達することができるので、バイアス圧力は電池の安全上の条件を満たす任意のレベルに設定できる。
【００４２】
しかしながら、オーバーヒートなどの問題を避けるため、フル充電状態に電池が達した時、できれば圧力応答スイッチはほぼ内部圧力に近いスイッチ圧力を有すべきである。当業者はフル充電間際又は過充電間際の電池内部圧力を判断する方法を知っている。一般的に言えば、高速ニッケル金属水素化物二次電池用の圧力応答スイッチは約５０ｐｓｉｇから５００ｐｓｉｇのバイアス圧力であればよい。スイッチ圧力は排気圧力より低いことが望ましく、例えば１００ｐｓｉｇから４００ｐｓｉｇである。特に、スイッチ圧力はＡＡ、Ｃ又はＳｕｂ−Ｃ型電池で１５０ｐｓｉｇから３００ｐｓｉｇの間、ＡＡＡ型電池で２５０ｐｓｉｇから４００ｐｓｉｇの間が望ましい。
【００４３】
次に、図６Ａを参照すると、本発明の別の実施形態に従って構成される可逆の圧力応答スイッチ１００が、ニッケル二次電池１０４の開口端での正端子エンドキャップ１０２内に配置される。電池１０４は、正端子エンドキャップ及びその端子エンドキャップと電池電極の電気的な接続を除いて既存のものでよい。本発明に従って構成される電池は、電池内部に正１０６及び負１０８の巻線型電極を備えても良く、負電極（例えば水素化物電極など）は開口端及び閉端を有する缶１１０と電気的に接続し、正電極（例えば水酸化ニッケル）は、負極缶１１０の開口端に固定される正端子エンドキャップ１０２と電気的に接続される。電池は電解液、通常は水酸化カリウムを含む。
【００４４】
電池１０４の開口端は、好ましい実施形態に従って構成され缶１１０の開口端に配置されたるエンドキャップアセンブリ１１２を収容する。負極缶１１０の開口端は、製造中開口端にエンドキャップアセンブリ１１２が密閉して収容するように形成される。電池の缶の閉端は示していないが既存のものである。エンドキャップアセンブリ１１２は正端子エンドキャップと、本発明に従って構成される圧力応答スイッチ１００を備える。
【００４５】
圧力応答スイッチ１００は、自由度のある密封性と主要な弾力性を実現するグロメット１１４からなり、そこを貫通して軸方向に延びる中心に配置される導電性コネクタ１１６、つまり「リベット」又は「ピン」を有する。グロメット１１４は、電池の化学的性質と否定的に相互作用することなく、上記の如く、本発明のスイッチにバイアスをかけるため、圧力上昇に応じて移動するよう十分に撓む任意の材料で形成できる。さらにグロメット１１４は、外側かつ上方に延びているリップ１１５を含み、そのリップは外部から電池内部を分離するため、缶１１０の開口端としっかり密封して形成する形状及びサイズにされる。以下より詳細に記載するように、リップにはエンドキャップアセンブリの部品によって使用される空間１１７を半径方向に内側に向けて作る。図示の実施形態において、リップ１１５は缶１１０の凹状の内面に適合する凸状の外面を有し、電池の組立中に缶を所定位置に圧着できる。また、開口端をさらに密閉するため、アスファルトやタールなどの任意のシール材をエンドキャップアセンブリ１１２と缶１１０の間に使用することもできる。
【００４６】
電池の内部に向かって、導電性タブ１１８は正電極１０６を中央の導電性ピン１１６に電気的に接続する。また電池の外部に向かって、中央の導電性ピン１１６は、その所定位置に中央の導電性ピンを固定する働きもするコンタクトリング１２０と電気的に接続する。コンタクトリング１２０は中央の導電性ピン１１６を取り囲むワッシャーであり、コンタクトプレート１２２と並んで、正端子エンドキャップ１０２及び可撓性グロメット１１４によって画定される内部キャビティ１２６に配置される。このように、コンタクトリング１２０は中央の導電性ピン１１６と電気的に接続する。円形の導電性コンタクトプレート１２２、及び電池１０４用の標準正端子を規定するサイズ及び形にされる突起１２４を有する正端子エンドキャップ１０２が空間１１７に固定される。従って電池１０４が図６Ａに示す低圧状態の場合、コンタクトプレート１２２は前述の正端子エンドキャップ１０２及びコンタクトリング１２０の両方と電気的に接続する。その結果、突起１２４は、正端子エンドキャップ１０２、コンタクトプレート１２２、コンタクトリング１２０、中央の導電性ピン１１６、及び導電性タブ１１８を介して電極１０６と電気的に接続する。
【００４７】
作動中グロメット１１４は高い電池内部圧力に応じて外側に撓む。電池内部圧力が十分に上昇しグロメット１１４を曲げると、中央の導電性ピン１１６が過圧ストッパー１２８の方へ押し進められ、それによってコンタクトリング１２０にバイアスがかかり、コンタクトプレート１２２から軸方向に離れる（図示せず）。コンタクトリング１２０とコンタクトプレート１２２間の電気的な接続を分断し、それによって、突起１２４と電極１０６間の電気的接続を分断している。このようにして更なる充電が回避される。有利なことに、スイッチ１００は可逆であり、いったん過圧状態が正常な状態に戻るとコンタクトリング１２０とコンタクトプレート間の接続が回復される。また、エンドキャップアセンブリ１１２のキャビティ内で正端子エンドキャップの突起１２４の内面に設けられるのは、非導電性の過圧ストッパー１２８であり、これは、必要があれば、コンタクトに予め圧力をかけるのに使用することもできる。
【００４８】
上記のように、いったん電池１０４内で過圧状態が生じると、コンタクト１２０と１２２間の電気的接続は分断され、電池１０４内の電流量はゼロに落ちる。このゼロの電流量は既存の充電器回路で検出でき、電池が十分に充電されていることの合図と判断できる。このため充電器回路は充電終了を信号で伝えることができる。これらの回路は既存のものでできると考えられる。上記のように、電池内でのガス化が引き起こす圧力上昇は、電池のサイクル寿命を短命とするダメージを与える温度上昇に先行して起こる。
【００４９】
さらに、グロメット１１４は、上記の如く、電池内部圧力がグロメットを外側に曲げるのに必要な圧力以上である排気圧力に達すると機能しなくなるよう設計されるネックダウン部１２１を有するグロメットアームを備える。ネックダウン部１２１が一旦機能しなくなると、加圧された電池の内部空気は、正端子エンドキャップ１０２を貫いて設ける通気口１２３を介して電池から抜け出すことができる。
【００５０】
次に図７を参照すると、本発明の別の実施形態による可逆の圧力応答スイッチ１５０を示す。具体的には、電池１５４は開口端を有する負極缶１５２を備え、その開口端は組立中に開口端にエンドキャップアセンブリ１７２を収容し密閉するよう形成される。電池缶の残りの部分は既存のものである。エンドキャップアセンブリ１７２は、電池の正端子を規定するサイズ及び形とされる突起１５７を有する正端子エンドキャップ１５６を備える。
【００５１】
図７に示す調整スイッチ１５０は可撓性グロメット１５８を備え、このグロメットは開口端にしっかりと適合するサイズ及び形状に構成され、それを貫通する中央の開口１１９を有する。導電性コネクタ１６０は、それが可撓性グロメット１５８に合わせて移動するように中央の開口にしっかり固定される。第１の導電性コンタクト１６２はコネクタ１６０を取り囲み、そこで常に電気的に接続する。第２の導電性コンタクト１６４は、その上面の少なくとも一部分がコンタクト１６２の下面と軸方向にそろえられ分離可能に接続するように、グロメット１５８の放射状の外壁から内側に半径方向に延びる。
【００５２】
グロメット１５８は、スイッチを切断するために必要な圧力より高いが、電池１５４の圧着を分離するのに必要な圧力未満である所定圧力で機能しなくなるよう制御できるネックダウン部１５９を有する上述した形のグロメットアームを含む。ストッパー１６６はコンタクト１６２から軸方向下流に配置され、グロメット１５８の軸方向の移動を制限する。ストッパー１６６は湾曲した環形で、その外周は正端子エンドキャップ１５６と接触する１対の場所を含む。ストッパー１６６の残りの外周は、グロメットアーム１５９のネックダウン部が機能しない場合、加圧された電池の内部空気が通路１７６に流れ込めるようにする。コンタクト１６２とストッパー１６６の間には絶縁層１６８が配置される。従って、ストッパー１６６は電気回路の一部分を構成しない。
【００５３】
グロメット１５８は、電池の化学的性質に悪影響がなく、本明細書に記載した十分に可撓性で非導電性の任意の不活性材料で形成できる。以下の記載からより明らかとなるように、スイッチ部品の形態次第でスイッチ１５０は圧力、温度、又はその両方に反応するようにできる。
【００５４】
端子エンドキャップ１５６及び可撓性グロメット１５８は、エンドキャップアセンブリ１７２内のキャビティ１７０を画定し、そこには第１及び第２のコンタクト１６２及び１６４、並びにストッパー１６６が設けられる。図７に示したように第１及び第２のコンタクト１６２及び１６４は円形のワッシャープレートであるが、上述のように別の形状又はサイズで構成しても良い。第２のコンタクト１６４は、その半径方向の内側の端に近接した３つの突起部１７４を含み、この突起部は第１のコンタクト１６２に向かって軸方向に延び、半径方向に互いに１２０°の間隔がある。内部圧力が、主にグロメット１５８の可撓性によって決まる所定閾値より低い場合、突起部１７４は第１のコンタクト１６２の下面と接続し、それにより電気的な回路が完成し電池が充電されるのを可能としている。
【００５５】
電池の内部に向かって、導電性タブ（図示せず）は、上記の方法で中央の導電性ピン１６０を正電極に電気的に接続する。さらに、グロメット１５８のハブは中央のピン１６０を適切な位置に固定する役目をする。グロメット１５８の外周リップに固定されるのは、円形の導電性コンタクトプレート１６４と正端子エンドキャップ１５６である。コンタクトプレート１６４は、前述の正端子エンドキャップ及びコンタクトリング１６２の両方と電気的に接続するが、高温状態又は高圧状態が生ずると後者の接続は切断される。
【００５６】
上記のように、エンドキャップアセンブリ１７２は電池から圧力を排気するための通気系を備えることもできる。エンドキャップアセンブリが通気系を備える場合、導電性コネクタ１６０は、そこを貫通するガス用の圧力開放通路を、図３及び図４に記載したのと同じように、可撓性グロメット１５８の第１の側の電池内部を経て第２の側のエンドキャップアセンブリ１７２に流れ出るように定めることができる。また正端子エンドキャップ１５６は、ガスがエンドキャップアセンブリ１７２から外部環境へ流れ出るように、エンドキャップを貫通して設ける１以上の通気口１７６の形状も画定する。通気系は可逆にも非可逆にもできる。記載した通気系を用いない場合には、他の排気手段を設けることもできる。
【００５７】
動作中、グロメット１５８は、高い電池内部圧力に応じて正端子エンドキャップ１５６に向けて軸方向下流に、ストッパー１６６のバネの力に逆らって撓む（可逆に）。このように、調整スイッチ１５０は閉じた状態（図７に示す）から切断した状態（図示せず）にバイアスされ、その切断した状態では中央のピン１６０がグロメット１５８に合わせて軸方向下流に移動する。従って、第１のコンタクト１６２は第２のコンタクト１６４から離され、突起部１７４がなくなる。コンタクトリング１６２とコンタクトプレート１６４間の電気的な接続はこのようにして分断され、過圧状態が治まり、グロメットが図７に示した位置に戻り、そしてコンタクト１６２と１６４間の電気的な接続が再構築されるまで、更なる充電が回避される。
【００５８】
さらに、図７に示したストッパー１６６は、所定温度に達した時に形状が変形する温度応答材料で構成しても良い。この場合には、ストッパーは特定の電池内部温度で可逆に歪む又は変形するよう構成でき、それによって、中央のピンに予め加える負荷が減り又は不要にでき、コンタクトリングとコンタクトプレート間の電気的な接続を分断するのに必要な圧力を低減できる。この場合、たとえ電池内で過圧状態が生じていなくとも、場合によっては害を及ぼす温度上昇が回避される。動作中、電池が所定温度に達すると、ストッパー１６６は可逆的に歪み又は変形し、導電性コネクタ１６２をコンタクトプレート１６４から引き離し、コンタクトリングとコンタクトプレート間の電気的な接続を切断する。また、ストッパー１６６は、導電性コネクタ又は中央のピン１６０、及び正端子エンドキャップ１５６と接続されても良い。
【００５９】
任意の温度応答材料が使用できるものの、ストッパーは金属又は合金又は熱膨張係数の異なる他の材料の２層からなるバイメタルで形成されるのが望ましい。一方の層が高い熱膨張を有し、他方の層が低い熱膨張を有する。このことは各層に使用する金属又は合金を選択することである程度調整できる温度に応じてバイメタルに歪みや変形を引き起こす。また代案として、例えばニッケルチタン合金などの形状記憶材料が温度応答ストッパー１６６を形成するのに使用できる。
【００６０】
さらに、温度応答ストッパー１６６は圧力応答ストッパーとして機能できる。形状記憶材料には、ニッケルチタン合金、銅亜鉛アルミニウム合金又は銅アルミニウムニッケル合金を含む。これらの材料は、バネのように機能するため、かつ電気的に結合するよう導電性コンタクト１６２とコンタクトプレート１６４をともに固定する所定量の力を加えるため、図のように凹形のディスク形状１６６に予め形成される。これらの材料は、所定温度まで加熱されると変形し平らになる性能、或いは内部圧力が所定値に達すると同じように平らになる性能を有する。ニッケル金属水素化物電池又はニッケルカドミウム電池で機能するこれら材料の最も好適な温度範囲は７０°Ｃから１００°Ｃの間であることが解っている。
【００６１】
さらに、前述の実施形態で示したストッパーのいずれに於いても温度及び／又は圧力に応答するよう構成しても良いことは当然のことである。
【００６２】
上記のように、充電器は、電池内の電流量がゼロであることに基づき、或いは充電時間が所定時間に達したときに充電の終了を判断できる。そのため圧力応答スイッチが開閉を続ける場合、充電器は充電を中止するか又は充電をつづけることができるかのいずれかである。従って、充電はタイマーが予めセットした終了時間に達するまで続くであろう。この充電形態は、３０分より高速で充電する場合である電池がフル充電状態に達していると圧力が急激に上昇するという場合に特に効果的で、その圧力応答スイッチの切り替えにより供給される電流のＯＮ／ＯＦＦは最大の充電状態に至るまで電荷を補給し続ける。電池が非常に速い充電速度（３０分以内に充電完了）で、定電圧、定電流、又は交流電流の下で充電されている場合、充電中、電池のフル充電に達するより前に電池内部圧力が上昇することが知られているように、電池が約７０−９０％までしか充電されない場合もある。本発明者は、非常に速い充電速度（３０分以内に充電完了）を達成する場合、定電圧充電が定電流充電又は交流電流充電より有利であることを割り出した。というのは、定電圧を用いた充電では充電電流が充電の終了に向かって減少し続け、その結果、定電流を用いた充電と比較して圧力や温度が急速に上昇しないためである。例えば、交流電流で８０−８５％、定電流で６５−７０％であるのに比較して、定電圧ではスイッチの切断前に８５−９０％までの充電を達成できる。本発明に従って構成されるスイッチを使用して実行される高速充電は、場合によって電池の不完全充電に関連する欠点を解消する。
【００６３】
場合によっては、電池が完全に充電されるのを確実にするため時間を犠牲にするのが望ましいこともある。この場合、一旦充電器がゼロ電流を検出すると、電池内部圧力が正常な状態に戻るまで待ち、それから電池のＯＣＶを測定する（このような電池では、圧力開放通気口は電池の徐圧時間を最小限に留めるのに特に有効である）。そのＯＣＶに基づいて充電器は電池が十分充電されているかどうかを判断できる。
【００６４】
例えば、十分に充電された金属水素化物電池は１．４２ＶのＯＣＶを有することが知られている。従って、充電されている電池のＯＣＶが１．４２−１．４８Ｖの所定閾値を超えていれば、充電器は電池が十分充電されていると判断するであろう。そうでなければ、充電器は電池がまだ十分充電されていないと判断するだろう。従って、両コンタクト間の電気的な接続が確立されるようにいったん電池内部圧力を排気すると、電池内部圧力が電気的な接続を切断するまで、充電器は再度電池に交流充電又は定電流充電を加えるであろう。この反復処理は電池が所定のＯＣＶに達するか、又は所定の反復回数に達するまで続き、その時点で充電器はユーザーに対して、例えば表示器を点灯するなどの適当なメッセージを表示するだろう。あるいは、ユーザーが充電終了（例えば８０％容量）を選択することもでき、充電終了時点に対応するＯＣＶを充電器が計算し、ユーザーが選択した充電終了基準に電池が達していれば充電を終了する。
【００６５】
圧力は電池が完全に充電される前に急激に上昇することが知られているので、この処理工程は定電流又は交流電流を用いて充電する場合により好ましい。電池に定電圧電荷が印加される場合には、１回の反復処理の後で電池がほぼ完全に充電されることが期待でき、その結果、充電器はゼロ電流を検出し電池が完全に充電されていることを表示する。一方、上述した電流量ゼロを検出する方法は、定電流充電や交流電流充電に組み込んで使用することもできるが、１回の反復処理で終了するなら電池が完全に充電されない場合もある。
【００６６】
本発明に従って図示し説明した可逆スイッチの１つの利点は、充電終了の検出が酸素の再結合反応に左右されないことである。このため、もはや過剰の負電極体積を設ける必要が全くない。正電極で酸素そして負電極で水素を発生でき、両者のガスが圧力に影響を及ぼす。この場合、正味の電池容量を増加するため、負電極の体積を正電極の体積と等しくしても良い。充電電流を中断する時、酸素は水素と再結合して水を生成する：１／２Ｏ２＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ。
【００６７】
もう一つの利点は、ガス不透過性のセパレータが使用できることである。これによって、セパレータが乾燥して駄目になる原因となり、サイクル寿命を劣化させる原因となっていた、ガスを負電極と再結合させるための開口流路をセパレータ内に設ける必要が無くなる。本発明の圧力応答スイッチに加え、開口流路を電解液で満たすこともできる。そのため、サイクル寿命や放電効率が改善されるであろう。
【００６８】
もう一つの利点は、充電の終了状態を検出するために高度な解析回路を使用せず、それによってそれ専用の充電器のコストを低く抑えることである。
【００６９】
もう一つの利点は、従来の電池より高速で充電が行えることである。例えば、本発明に基づく金属水素化物二次電池は、ＡＡ型ＮｉＭＨ電池の１．３Ａｈに対し４５分以内で充電でき、好ましくは３０分以内、より好ましくは２０分以内、１０−１５分でさえあり、これに対して従来の電池は充電（１．２Ｃ）に対し約１時間以上必要である。本発明では充電終了時の過圧状態や高温状態に関する問題がないため、充電速度を加速できる。このため、高速充電が１時間未満の速度で達成できる。
【００７０】
もう一つの利点は、本発明の電池が既存の金属水素化物二次電池より容量を高くできることである。これは、本発明に従って構成される電池が、正電極材料と負電極材料のバランスをより優れたものにできるためである。負電極が正電極より４０−５０％だけ大きい過剰体積を有する従来技術の電池とは違い、本発明の電池では、好ましい実施形態による負電極材料対正電極材料の重量の差を０．９：１−１．５：１間のいずれの割合にもできる。
【００７１】
もう一つ利点は、従来技術より薄くかつ高密度に形成できるガス不透過性セパレータが使用でき、電池内に電解液用の空間をより広く確保できることである。それによってサイクル寿命が延び、同様に放電効率もあがる。
【００７２】
具体的に説明すると、正電極で酸素そして負電極で水素が充電中発生され、両者のガスが圧力に影響を及ぼす。この場合、正味の電池容量を増加するため、負電極の体積を正電極の体積と等しくすることができる。充電電流を中断する時、酸素は水素と再結合して水を生成する：１／２Ｏ２＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ。このような実施形態ではセパレータがガス不透過性であるため、従来技術の電池においてセパレータが全体の大部分を占めることがないようにするため使用する電解液には制限がない。
【００７３】
さらに、従来技術の金属水素化物二次電池の正電極は通常ＡＢ５系合金で構成するのに対して、過圧問題の為かかる電池ではこれまで不評であった大容量のＡＢ２系合金を使用することも可能である。
【００７４】
さらに本発明は、本発明の圧力応答スイッチを備える１以上の電池の充電方法を提供する。その方法は、例えば専用の充電器などの電源に電池を接続し、電池内部圧力が所定レベルに達するとすぐスイッチが高圧位置にバイアスされて充電回路が切断されるまで電池を充電するステップを含む。充電回路が切断されると、ゼロへの充電電流の降下は手動又は自動で検出される。電池を充電するのに使用される充電器は、ゼロ充電電流を検出する回路か、終了するため所定値にセットされるタイマー、及び充電終了を表示する表示器を備えることができる。また、上記の如く電池をフル充電するため、充電器は複数回の反復充電に耐え得るものであっても良い。
【００７５】
任意のタイプの方法が本発明による可逆スイッチを組み込んでいる電池の充電に使用できるが、電流を電池が過充電や過圧力の影響下にあるという問題に関係なく、充電を続けながらその減少レベルを検出できるため、定電圧の充電方法が好ましい。定電圧充電方法の場合、充電中電池の電圧が増大するので、充電の終了に向かって電流が自動的に減少する。従って、充電電流は充電の初めでは電池の充電受入性が高いので高く、充電の終わりでは電池の充電受入性が低下するので、それに向かって充電電流が徐々に減少する。高価でなく且つ複雑でない充電の制御が必要である。電池に流れる電流は電池内部抵抗及び電池自身の充電状態によって制限される。電池がフル充電に達すると、上昇する内部圧力は充電を中断するため圧力スイッチを作動する。従って、充電器が充電終了を表示する場合、電池はフル充電又はほぼフル充電である。
【００７６】
有利なことに、並列接続の一連の電池は同じ電圧源で充電できる。また直列接続の多数電池は、電池の開回路電圧に相当する充電電圧に加え、電池内部抵抗及び予め設けた回路抵抗により生じる過電圧を加えた電圧を受けて本発明に従って一緒に充電できる。定電圧充電では、電池がより高い電流に対応できる場合、充電の初めで充電電流を増大できるため、定電流充電よりさらに高速の充電速度を達成でき、好都合である。
【００７７】
当然のことであるが、本発明は定電流充電及び交流電流充電に対し同じように適用できる。上記のように、金属水素化物電池の内部圧力は、電池の充電がほぼ完了すると急激に上昇することが知られている。上記の如く、電池内でのガス発生に引き続き起こる圧力上昇は、電池のサイクル寿命を短くする損傷温度の上昇に先行して起こる。このため、圧力が上昇し始めたときに充電を終了すること、またダメージを与えるような過圧状態が始まる前に充電を終了することが望ましい。
【実施例】
【００７８】
１５分以内で充電できるニッケル金属水素化物電池に対して、好ましい定充電電圧は、内部抵抗が３０−４０ｍΩのＡＡ電池で約１．６Ｖから１．６５Ｖであり、それは電池の開回路電圧と６秒間隔で１０Ａ電流を流した時の電池電圧間の電圧差により決定される。低内部抵抗の電池（例えば、１０−２０ｍΩの内部抵抗を有するＣ型電池）に関しては、１．５Ｖより高いが１．６Ｖより低い充電電圧が印加できる。本発明者は、周囲温度が氷点を超えている場合は定電圧充電が望ましく、一方、周囲温度が氷点より低い場合は定電流充電が望ましいことを実験的に解明した。
【００７９】
エンドキャップアセンブリに圧力応答スイッチを備える市販の単３と単４のニッケル金属水素化物電池は、１５分から３０分内に完全に充電され、圧力応答スイッチが高圧状態にバイアスされた時に充電が終了した。圧力信号は、長期の充放電処理をしているにもかかわらず一貫性があり再生可能であった。定電圧充電方法は、周囲温度が氷点を超える場合により良好であることを示した。定電流充電方法は、周囲温度が氷点より低い場合により効果的である。単３ＮｉＭＨ消費者用電池の圧力増減の勾配は充放電処理の間比較的一定に維持された。定電圧を用いた場合の電流漸減効果は、電池が完全に充電されるように長時間にわたり圧力上昇を低減する結果を生じた。また、電流の漸減は同じ充電時間での温度上昇をより低くした。より高い電圧での充電は、より高速になることが実証されたが、このような条件では、電池温度がより高くなるのも顕著であった。
【００８０】
上述のように、金属水素化物電池内部の圧力は、電池の充電がほぼ完了すると急激に上昇することが知られている。特に、電池内でのガス発生に続いて起こる圧力上昇は、電池のサイクル寿命を短くする損傷温度の上昇より先に起こる。このため、ダメージを与えるような過圧状態又は過熱状態が生じる可能性を抑制する方法で電池を充電するのが望ましい。
【００８１】
定電流充電方法、又は定電圧充電方法、又は、例えば定電流充電の後に定電圧充電が続く組合せ方法が本発明によって使用できる。電流が調整され、従って過充電、過圧力、又は過熱の危険を低減できるため、交流電流充電方法が好まれる場合もある。安価で且つ複雑でない充電制御電子回路が必要である。
【００８２】
交流電流又は交流電圧波形の特徴は通常のものであるが正弦波に限らない。全波整流又は半波整流が交流電流又は交流電圧波形に適用できる。
【００８３】
図８は、１２０Ｈｚの交流電流周波数を発生するため全波整流された、共通の６０Ｈｚ線電源から導出された交流電流を用いて充電された１６００ｍＡｈのニッケル金属水素化物電池に関する電池圧力及び電池温度を示す。電池圧力及び電池温度の変化は、定電流充電、即ち直流充電と比べ充電の終わりでより小さい。
【００８４】
図９は、図８のように交流電流を用いて充電した１６００ｍＡｈのニッケル金属水素化物電池に関する電池圧力及び電池温度を示す。電池圧力及び電池温度の変化は、定電圧充電、即ち直流電圧充電と比べ充電の終わりでより小さい。
【００８５】
ここに示した実施例は、共通の６０Ｈｚ線電源から導出される全波整流された電流を利用する。本明細書に包含される他の実施形態には、全波整流された交流電圧又は半波整流された正弦波交流電流若しくは正弦波交流電圧を含む。別の実施形態は任意周波数の交流電流充電又は交流電圧充電である。また別の実施形態は、方形波、三角波（又は鋸波）を含むあらゆる波形、即ちあらゆる任意波形又は組合せ波形からなる交流電流又は交流電圧である。また別の実施形態は、任意周波数又は組合せ周波数、即ち任意波形又は組合せ波形からなる整流又は非整流の交流電流又は交流電圧の組合せである。好都合なことに、これら充電方法のどれもが上記した圧力応答スイッチを備える電池で利用できる。
【００８６】
次に図１０を参照し、一定電圧１．６５Ｖで充電されている１６００ｍＡｈのニッケル金属水素化物電池４つからなるグループに関する電池内部圧力対時間を示す。電池が１２分でフル充電に達すると、内部圧力は３００ｐｓｉｇまで上昇する。圧力は電池の放電の後に初期状態に戻る。これはニッケル金属水素化物電池の内部圧力が予測可能な方法で増減すること、即ちそれが高速充電を終了のための信頼性ある信号として使用できることを示している。従って、圧力が充電終了信号に使用される場合、電池のグループは確実に充電や放電ができる。
【００８７】
次に図１１を参照すると、１３００ｍＡｈのＮｉＭＨ電池の代表的な充電及び放電特性を、３Ａの定電流充電に続いて１Ｖまで１Ａの放電が続く条件のもとで測定した。圧力、温度、及び電圧を時間に対し測定し示した。これは圧力が温度や電圧より充電終了用の非常に強い信号を発するものであることを示している。圧力は温度や電圧よりずっと高速で上昇し、そのため、圧力は温度や電圧より充電終了のためのより適切な信号である。
【００８８】
次に図１２−図２１を参照すると、圧力の上昇及び下降の勾配は、図１５に示した電圧と比較すると充放電処理の間比較的一定に保たれた。これは電池の終了点を指示するものとして圧力が信頼できることをさらに明らかにしている。
【００８９】
図１６を参照すると、３つの１６００ｍＡｈニッケル金属水素化物電池を、１５０サイクルの間３．７Ａ定電流充電及び放電に曝した。電池内部圧力をサイクル１及びサイクル１５０の時点で示し、時間に対してプロットした。このことは圧力信号がサイクル寿命及び異なる電池サイズ並びに容量に対して再現可能であることをさらに明らかにした。
【００９０】
図１７を参照すると、２つの非常に小さい５５０ｍＡｈニッケル金属水素化物電池を直列に接続し、１電池につき１．６５Ｖで定電圧充電源を用いて充電した。内部圧力、温度、及びアンペア数を測定し、時間に対してプロットした。
【００９１】
図１８は、６Ａの定電流のもとで充電した第１の電池と、１．６５Ｖの定電圧のもとで充電した第２の電池に関して、容量に対する電池内部圧力を示す。図１９は、第１と第２の電池に関して、容量に対する電池電流を示す。図２０は、第１と第２の電池に関して、容量に対する電池内部温度を示す。図２１は、第１と第２の電池に関して、容量に対する電池電圧を示す。図示したように、定電流に対する定電圧の有意な利点は、印加電圧に近づき電池電圧が上昇するにつれて充電終了時に向かって徐々に減少するという充電電流の性能である。この徐々に減少する効果は、充電の終わりでの低い圧力上昇及び低い温度上昇をもたらし、それによって電池をより完全に充電できるようにする。また電流の低下は、同じ充電時間の間の正味の温度上昇をより低減もする。
【００９２】
次に図２２を参照すると、２つの異なる電圧状態のもとで充電された２つの電池に関して、電池温度及び入力充電容量を時間に対してプロットする。同じ内部抵抗を有する電池において、より高い充電電圧はより高い充電電流を生ずることが解る。従って、より高電圧での充電はより高速であるが、高充電電圧では電池もより熱くなる。更にこの図は、より高い充電電圧で、電池がより早く高い充電状態に達することを示す。またこれは、より高い充電電圧電池の場合に、圧力応答スイッチが開くと、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を受けて電池温度が下がることを示す。電池はこの状態で充電を受け続けるが、圧力スイッチによって与えられる間欠的な電流条件のため低い温度のまま充電を受け続ける。充電状態の終了を調整する手段として圧力スイッチを設けることが有効だということである。
【００９３】
上記のように、本発明の一実施形態によると、高速充電の間、約１．６−１．６５Ｖ以下の定電圧充電を与えることが望ましいが、本発明では１．２から２Ｖ間の任意の定電圧充電を本発明で用いることを検討する。
【００９４】
例えば、場合によって、１．６５Ｖを超えるレベルで制御した電圧充電を開始するのが望ましい場合もあると本発明は考える。一方１．６５Ｖは１例であり、このレベルは１．２と２．０Ｖ間、つまり０．０５Ｖ刻みで１．２と２．０Ｖの範囲に収まるレベルを含む任意の電圧レベルにできるのは当然である。これらの基準は概算であり、その基準からプラスマイナス０．０５Ｖの圧力誤差を含むことは当然である。本実施形態によると、充電継続時間、充電電流、電池温度、電池抵抗、又は電池圧力などの測定可能な１以上の変数に対して定電圧は逓減する。電池は、有り難いことに、充電初期でより大きな充電に曝され、圧力応答スイッチを切断する充電終了点に近づくと、１．６５Ｖ以下の充電を受ける。
【００９５】
例えば、最初に１．７５Ｖ（あくまで一例として）で電池を充電し、電池温度の上昇に応じて所定量だけ充電電圧が逓減する一実施形態を想定する。電圧逓減は連続的で、時間に依存せず、従って負勾配の電圧曲線を有するいろいろな電圧を生じるものにできる。曲線は電池温度の変化率次第で一定にも線形にもできる。また代わりに、逓減は予め決めた時間後に起こすことができ、それにより複数段の定電圧で、後の段が前の段より低い充電電圧の定電圧を生成できる。本発明の好ましい実施形態によれば、電池に隣接して配置されるサーミスタを使用して取得できる電池温度１度Ｃの上昇に対して、電圧は０．５％から５％の間（好ましくは２％から４％の間）のいずれかだけ逓減する。いったん印加される充電電圧が所定の基準電圧、例えば１．６５Ｖと同じになると、限界温度（例えば、約５０Ｃ）が測定されるまで、又は予め決めた時間（例えば１５分未満）を満了するまで、その充電電圧を一定に維持する、また当然であるが、圧力応答スイッチも電池の充電を調整できる。
【００９６】
従って電池は充電サイクルの間に完全充電できる。当然のことであるが、上記実施例において基準電圧として１．６５Ｖを用いているが、その基準は、０．０５Ｖ刻みで１．２Ｖから２．０Ｖの間の範囲に収まる電圧レベルを含む１．２Ｖから２．０Ｖ間の任意の電圧レベルにできるのは明らかである。
【００９７】
次に図２３を参照すると、本発明のもう一つ別の実施形態に従って構成される軸方向に延びる電池は、閉端（図示せず）、及び閉端に対向し、そこから軸方向下流に配置される開口端３１３を有する缶３１２を備える。エンドキャップアセンブリ３１０は、電池を密閉するため負極缶３１２の開口端に固定される正端子エンドキャップ３１８を備える。特に、エンドキャップアセンブリ３１０と缶３１２の開口端は、エンドキャップアセンブリ３１０が円筒型の金属水素化物二次電池を組立てる際に、負極缶３１２を圧着することで開口端に密封してはまるようにサイズと形が合わされる。缶の閉端は既存のもので、図示してない。
【００９８】
以下記載からより明らかなように、正電極３１４（例えば、水酸化ニッケル）は正端子エンドキャップ３１８と電気的に切り離しできるように接続される。さらに電池は、缶３１２と電気的に接続する負電極３２１（例えば、水素化物電極）、及びアルカリ性電解液（例えば、水酸化カリウム）単独もしくは他のアルカリ金属水酸化物と組合せたものを備える。両電極は内部キャビティ３４１に配置され、セパレータ３１６によって分離される。更に、缶３１２と本発明のエンドキャップアセンブリ３１０を備える電池は、既存の正３１４及び負３２１の巻線型電極をその内部に構成できるが、これら電極の相対的な大きさは電池の物理的仕様や電気的仕様に合わせて調整できる。
【００９９】
正端子エンドキャップ３１８は、本発明に従って構成される圧力応答スイッチ３１１を有する電池の正端子を規定するのに適当な大きさ及び形にされる突起３２０を有する。圧力応答スイッチ３１１は、開口端３１３にしっかりとフィットする大きさ及び形に合わせた可撓性で非導電性の単安定グロメット３２２状の部品を備える。グロメット３２２は、放射状に外部シール３２５と、内部ハブ３２７と、ほぼ半径方向に延びてシールをハブに接続するアーム３２９とを備える。さらにグロメット３２２は、ハブ３２７を貫通して軸方向に延びる中央に設けた開口３１５を備え、そこには一対の対向配置された半径方向に延びる外部フランジ３２３を有するアイレット３２４状の導電性コネクタが据え付けられる。グロメット３２２の外面と正端子エンドキャップ３１８の内面との間の空間は、エンドキャップアセンブリ３１０内のキャビティ３１７の形状を画定する。アーム３２９は電池の間じゅう半径方向に延び、そのためアームが半径方向に延びかつ負端子に向け軸方向に延びる電池と比べると、キャビティ３１７の体積が減少する。その結果、電池３１０の活性部が利用できる内部体積が増大され、それに相応して電池容量も増大する。本実施形態において、突起３２０の上面とグロメット３２２の下面までの間の距離は約３．８ｍｍであり、その結果、電池高さの残余部分が電極用に残っている。
【０１００】
コネクタ３２４は、この導電性コネクタがグロメットに合わせて移動するように、グロメット３２２の開口にしっかり固定される。図示した実施形態によると金属ワッシャーである第１の環状導電性コンタクト３２６は、コネクタ３２４のハブを取り囲み、上部フランジ３２３と電気的に接続する上面を有している。第２の環状導電性コンタクト３２８（これも金属ワッシャーで良い）はグロメットを取り囲み、第１のコンタクト３２６に隣接して軸方向上流に配置される。第１および第２のコンタクト３２６、３２８は、図２３では円形プレートであるが、上記の如く、別の形状で構成することもできる。以下の記載からより明らかとなるように、スプリング部３３４は、コンタクト３２８の上面３５１が正端子エンドキャップ３１８と電気的に接続し、かつ第１のコンタクト３２６の底面と機械的に（その結果電気的に）切り離し可能に接続されるようにコンタクト３２８を外側にバイアスするため、グロメットアーム３２９の上面とコンタクト３２８の下面の間に配置される。スプリング部３３４は非導電性であることが望ましい。
【０１０１】
上記のように、グロメット３２２は、電池の化学的性質に悪影響のない十分に可撓性で、非導電性の任意の不活性材料で形成できる。
【０１０２】
グロメット３２２の外部シール３２５は、上方且つ半径方向内側に延びる外周リップ３３８を含み、その外周リップが電池の内部と外部との間を仕切る境界を与えるように、缶の開口端と緊密なシールを形成する形状およびサイズにされる。また、リップ３３８は外部シール３２５でキャビティを部分的に画定し、そこには正端子エンドキャップ３１８の外端および第２のコンタクト３２８が配置される。リップ３３８は、電池の組立中にグロメット３２２を覆って缶３１２を圧着できるように半径方向に凸状外面を設ける。組立中に缶３１２の軸方向下流端がグロメット３２２に圧着されると、グロメット３２２と、第２のコンタクト３２８と、正端子エンドキャップ３１８との間に緊密なシールが形成され、電池内部が周囲環境から分離される。アスファルトやタールなどの任意の密封材をエンドキャップアセンブリ３１０と缶３１２の間に使用してシールを強化することもできる。
【０１０３】
可撓性の導電性タブ３３０は、電池内部で導電性コネクタ３２４を正電極３１４に電気的に接続する。グロメット３２２のハブ３２７と第１のコンタクト３２６を固定するフランジ３２３を設けるため、導電性コネクタ３２４は、その端で圧着することにより中央の開口に固定されるアイレット又はリベットとできる。導電性コネクタ３２４は第１のコンタクト３２６と電気的かつ物理的に接続し、それによって導電性コネクタ３２４を所定位置に固定する働きをしている。
【０１０４】
図２３は、エンドキャップアセンブリを、グロメット３２２がその安定位置にある低圧状態で示す。この低圧状態では、正電極３１４は導電性タブ３３０、コネクタ３２４、第１のコンタクト３２６、および第２のコンタクト３２８を介して正端子エンドキャップ３１８と電気的に接続する。従って、再充電電流又は再充電電圧を電池に印加することにより電池を充電できる。電池内の内部圧力が所定閾値を超えて蓄積すると、有利なことに、グロメット３２２が矢印Ｂの方向に沿って軸方向下流に撓み（可逆に）、図２３に示した第１の閉じた位置から第２の開いた位置へ圧力応答スイッチをバイアスする。当然のことであるが、その所定閾値は、使用されている充電形式（例えば、一定電流、一定電圧など）に依存する場合があり、またグロメット用に選定される材料、アーム３２９の厚みや可撓性によって決定される場合もある。
【０１０５】
電池内の内部圧力がグロメット３２２を曲げるのに十分なほど所定閾値を超えると、ハブ３２７が軸方向下流に移動し、それにより第１のコンタクト３２６も第２のコンタクト３２８に対して軸方向下流に移動し、両者間の電気的接続を切り離す。結果的に、突起３２０における電気的接続が電池内の電極３１４へ伝達されず、過圧状態が正常なレベルに戻るまで更なる充電は防止される。
【０１０６】
また図２３は、過圧状態にあるときに電池から過剰圧力（ガス）を放出するためのオプションの通気系を示す。具体的には、導電性コネクタ３２４は、それを貫通して軸方向に延びる中央に配置される圧力開放通路３４３の形状を画定する。好ましくはゴム製又は他の適当な弾性材料製のプラグ３４５は、通路３４３の中に配置され、加圧ガスが通路３４３を通って流れないように密閉する。従って、ガスが電極で発生されると電池内部３４１内に圧力が蓄積する。いったん圧力が所定閾値の上限に達すると、矢印Ｂの方向に沿ってプラグが軸方向下流にエンドキャップの内部３１７中へとバイアスされる。プラグ３４５は通路３４３を再び密閉できないので、図２３に示した通気系は非可逆である。端子エンドキャップ３１８は、ガスをエンドキャップアセンブリ３１０から外部環境へ流すことができるように、それを貫通して設ける１つ以上の通気口３５５を画定する。電池からガスを放出するため予め選択された圧力レベルで応答するよう引っ張り強度を調整したシール（図示せず）で、その通気口を不要な漏れがないよう固定することができる。そのシールは可逆にも非可逆にもできる。或いは、図示したように、通気口３３５が常に環境へと開いていても良く、この場合には、圧力開放通路３４３を塞ぐことで通常動作中における電池内部の可逆の気密シールが維持される。
【０１０７】
次に図２４を参照し、図２３に示したのと同様に圧力応答スイッチを有するが、異なる通気系を備える電池を示す。特に、プラグ３４５は、通路３４３を通って軸方向に延びるネック３５３を含み、内部の軸方向に延びている通路３５９を画定する。横断アーム３５７は、プラグ３４５の軸方向外側の端に配置され、通常動作中にガスがエンドキャップ内部３１７中に漏れないように通路を密閉する。一方、電池内部圧力が所定閾値に達すると、アーム３５７が裂け、それによって通路３５９及び通気口３５５を介して加圧ガスを電池から放出することができる。作動中アーム３５７が裂けるため、この通気系は非可逆である。
【０１０８】
次に図２５を参照し、図２３及び図２４に示したのと同様に圧力応答スイッチを有するが、異なる通気系を備える電池を示す。特に、プラグ３４５は、通路３４３内に配置され、加圧ガスがエンドキャップ内部３１７中に流れないようにするシール部３６０を備える。シール部３６０は、軸方向に延びるアーム３６２を介して突起３２０の内面に隣接するベースプレート３６４に接続される。従って、上記のように３２６部分と３２８部分の間の電気的な接続を切断するため、内部圧力が所定閾値に達してグロメット３２２が動くと、シール部３６０はグロメット３２２及びアイレット３２４に対して軸方向上流に移動する。いったんシール部３６０がアイレット３２４の下面を越えると、加圧ガスは通路３４３を通って流れ、通気口３５５を介して電池から排気できる。プラグのベースプレート３６４が単に突起３２０に隣接しているにすぎず、突起３２０に付着していない場合には、排気中に電池内でそのプラグが落下することがあり、将来の使用のためにそのプラグが使用できなくなる。また一方、その代わりとして、ベースプレート３６４を突起３２０の内面に付着しても良く、この場合にはプラグ３４５の構造的な完全性が排気中保たれ、それによってプラグ３４５が可逆となる。
【０１０９】
ＡＡ及びＡＡＡ型二次電池を高速充電する場合、通常、高電圧（概ね、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｓｕｂ−Ｃ型電池で１．２Ｖから２Ｖの範囲内）及び高電流（概ね、ＡＡＡ及びＡＡ型電池で４Ａから１５Ａの範囲内）が必要であると本発明では考える。
【０１１０】
その結果として、電池サイズ次第で２Ｃから５０Ｃの間のいずれかの速度で電池が充電される。例えば、本発明を用いれば、２０００ｍＡｈのＡＡ型電池が３Ｃ−５Ｃで、好ましくは４Ｃで充電でき、８００ｍＡｈのＡＡＡ型電池が５Ｃ−７Ｃで、好ましくは６Ｃで充電できる。当然のことであるが、本明細書に記載した任意の実施形態に従って構成される圧力スイッチを備えるＣ及びＤ型電池は、ＡＡやＡＡＡ型電池と比べ比例して大きい充電電流を使用して充電でき、その結果同程度の充電速度が達成できる。例えば、３５００ｍＡｈのＣ型電池は、１０Ａ−３０Ａ間の電流を使用して３Ｃ−５Ｃ間、好ましくは４Ｃの速度で充電できる。
【０１１１】
高速充電は電池内に熱を発生し、それによって充電中電池温度が上昇する。限度を超えた温度は汎用電池部品にダメージを与えることが分かっている。この為、高速充電できるより大きい電池の開発は、その電池が耐え得る温度に制限されている。既存の高出力アプリケーションの多くが、より大きい二次電池、例えば、電力工具やこれと同等のものに使用できるＳｕｂ−Ｃ型電池などの恩恵を受けている。
【０１１２】
鉛酸、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、リチウムイオン、亜鉛空気、及びニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）を含め、様々なバッテリー装置が、現在、電気自動車をめぐる覇権争いをしている。運転する一般市民に受け入れられるためには、バッテリー充電に要する時間を最小限に、できれば、ガソリンを使用する現在の燃料自動車に必要な時間と同じ位の時間にするのが望ましい。このことは、これまで電気自動車バッテリー装置が受け入れられるのをずっと制限している重要な課題である。
【０１１３】
上記のように、過充電を制限する圧力スイッチを備える電気化学電池、特にＮｉＭＨは、一定電圧で充電できる。圧力スイッチと定電圧充電方法の組合せは、電池を高速で充電するのを可能とする。この電池充電に要する時間の短縮は、様々な用途やデバイスにおいて大きな利点である。
【０１１４】
例えば、電池内に充電制御手段（即ち、本明細書に記載した形式の圧力応答スイッチ）を備える大きな電池は、電気自動車又はハイブリッド車のバッテリーに使用できる。本発明の範囲を制限することなく、電池内に充電制御手段を備える電池からなるバッテリーは、長さ、高さ及び幅が５ｃｍを越えるいろいろなサイズ、即ち商業用に開発されているバッテリーの一般的なサイズにできる。とはいえ、電池サイズに関係なく温度上昇に対する電池の耐性を強化するのが望ましい。
【０１１５】
本発明の一実施形態では、電池部品材料を慎重に選定することが、高速充電の悪影響を低減又は除去すると考える。高温時に機能性を備えることのできる材料は、電池をより高速で充電することを可能とする。さらに、電池抵抗が増大するにつれて高速充電の間に電池が生成する熱が増大するので、電池内部抵抗を最小に抑えるように電池の導電部品を設計することが望ましい。従って、高速充電のため、低抵抗かつ耐熱性の材料を備えることが望ましい。例えば、上述した形式の圧力応答スイッチにおいて、グロメット、プラグ、絶縁体、圧力ストッパー、及び高速充電中に上昇した温度に曝されるその他の非導電性部品を、耐熱性材料で構成するのが望ましい場合もあり、そうしなければ作動中にその部品が機能しなくなる場合もある。ポリマー材料の特定の性質が電池を高温時に機能するようにできることが解っている。極めて好ましい実施形態において、「乾式成形品」の引っ張り強度が７５ＭＰａを超え、５０％以下の破断伸長率、及び２６３ｐｓｉで１００°Ｃ以上の熱撓み温度を有するポリマーは、高速充電中に受ける可能性のある高い温度で十分な機能を発揮する。
【０１１６】
例えば、図２８Ａは引っ張り強度に対する破断伸長率を示す図であり、図２８Ｂは引っ張り強度に対する熱撓み温度を示す図である。図２８Ａ及び図２８Ｂは、例えばガラス入りナイロン６，６、ガラス入りナイロン６，１２、及びガラス入りポリフタルアミドなどのガラス入りポリアミド、並びに非ガラス入りポリフタルアミドといった芳香族ポリアミドの他、７５ＭＰａを超える引っ張り強度及び５０％未満の破断伸長を有する他のポリマーが、上記の特性を満たし、高速充電の際に高い温度に曝される非導電性の電池部品に用いるのに非常に好ましいポリマーであることを示している。ガラス含有ポリアミド材料は１質量％から５０質量％まで及び、５質量％から１２質量％の間がより好ましい。また、２６４ｐｓｉで１２０Ｃを超える熱撓み温度、より好ましくは２００Ｃを超える熱撓み温度を有するポリマーが上記の電池部品用に適していることも分かっている。さらに、場合によっては、例えば、ポリプロピレンを使用して、又は混合して、又は表面改質して、又は変性ポリプロピレン又は他の上記耐熱材料を使用して、電池のセパレータを熱的に安定にするのが望ましい場合もある。
【０１１７】
上記のように、電池抵抗を低減することは充電中の温度上昇を抑制するのに望ましい。電池抵抗を下げるため、高導電性の非鉄合金材料が電気化学二次電池の導電金属部品に使用できることが解った。例えば、ベリリウム−銅などの銅合金が使用でき、同様に、ニッケル張りスチール接点に加え、銀張り電気接点、金張り接点、ニッケル接点を含め使用できるが、これに限定されるものではなく、高熱伝導かつ高電気伝導の金属が代わりに使用できる。当然のことであるが、電池は、例えば、図２Ａ及び２Ｂの導電性タブ３０やリベット２４、図６Ａの導電性ピン１１６や導電性タブ１１８、並びに図７のコネクタ１６０などの導電部品を備え、これらはアルカリ電解液にも曝される。これらの導電部品は高い導電性に加え、腐食性溶液に対する化学的耐性も有することが望ましい。ニッケル又はニッケル合金は、それらの高熱伝導性及び高電気伝導性並びに低コストにより望まし結果を生ずることが解った。
【０１１８】
導電部品の抵抗又は導電部品と直接接続する他の部品の抵抗を低減することは、より厚いタブを設け、それによって電流が良く流れるように部品抵抗を低減し、また熱伝導を高くすることによって達成できる。例えば、図６Ｂを参照すると、Ｓｕｂ−Ｃ、Ｆ、Ｃ又はＤ型電池（基本的に、直径が１５ｍｍより大きい任意の電池）では、図示したように５／１０００インチから２０／１０００インチの間の厚いタブ１１８であることが有効である。また当然のことであるが、タブ１１８がそれぞれの電極１０８から上方へ延びリベット１１６と接続しても良い。さらに導電性ディスク１２５は、技術的に普通に行われているように、集電体の導電性を増強するため各電極１０６の底と缶１１０を接続できる。充電している電池内で発生される熱を低減すると同時に、電池内の高充電速度を調整することは、より一層電池内部圧力を下げる。圧力及び発熱を低減することは、スイッチが切断する前に電池を充電できる時間を長くし、同時に、長く高温に曝されることが原因で起こる電池の電気化学的性能の化学的劣化をいくらか低減する。
【０１１９】
また当然のことであるが、本発明は、大型の電池（例えば、ＡＡＡ、ＡＡ及びＳｕｂ−Ｃ型電池）に加えて、小型（例えばＮｉＭＨ）の電池、例えばボタン型電池、コイン型電池、Ｎ型やＡＡＡＡ型などの小さな筒型電池、及び角型電池などを含め、あらゆるＮｉＭＨ電池に同じように適用できる。小型電池は３ｃｍ３未満の体積の小型電池を含むものとする。本発明に基づく上記実施形態が大型のＮｉＭＨ電池及び小型のＮｉＭＨ電池の両方に使用できることは当業者であれば理解できるはずである。例えば、本明細書に記載した何れかの実施形態における圧力応答スイッチが小型及び大型ＮｉＭＨ電池の両方に設置できる。このことは電池の実用性を高め、特に、小型電池が、上記の圧力スイッチの何れかと組み合わせた高速充電方法を使用して２，３分で充電できるので、高速充電（１．２ＶからＶの電圧レベル、及び４Ａから１５Ａの電流レベル）が特に望まれるＧＳＭ電話、ＰＤＡ、補聴器、及びヘッドセットなどのワイヤレス機器の用途において実用性が高まる。
【０１２０】
さらに従来型のバッテリーパックの安全性と性能は、まず何よりもバッテリーパック内の各電池の容量を慎重に合わせることで発揮され、その結果バッテリーパック中の電池の過充電又は過放電を少なくとも１回防止できると本発明では認識している。バッテリーパック中の電池の過充電は、その正電極及び負電極を反転させ、それぞれを負電極及び正電極にする原因となることを当業者は認識している。従って、本発明の一実施形態では、バッテリーストリング中の個々電池の過充電や過放電を防ぎ、更に電池を慎重に合わせる必要性を無くし、またバッテリーパックをほんの数分で充電できる、少なくとも１つが圧力応答スイッチを備えている複数の二次電池（ＮｉＭＨ電池を含む）を検討する。本明細書ではバッテリーパックを広く定義し、電池１つの出力より大きい電圧出力及び／又は電流出力を生ずるために電気的に接続される複数の電池と定義する。バッテリーパックは標準型のバッテリーを提供する形状にでき（例えば、複数のＡＡ又はＡＡＡ型電池が接続されＣ又はＤ型バッテリーを提供する場合）、或いは、例えば、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ドリルやネジ回しなどの電動工具、携帯情報端末、又は携帯用コンピュータを動かすのに一般に使用されるバッテリーパックなど、標準型バッテリーより大きな電流出力及び／又は電圧出力を生じるバッテリーパックを構成できる。
【０１２１】
当然のことであるが、複数の電池がバッテリーパックに取り付けでき、また電池に定電圧又は定電流電荷を印加するよう構成される充電器内で直列に接続できる。特に、ここで図２６Ａ−図２６Ｃを参照すると、そのようなバッテリーパック３７０のいろいろな例では、１以上のストリングに配置される複数の電池３７２を含み、この各電池がストリングとの接続形態次第で、後述の実施形態のいずれかに基づく圧力応答スイッチを備えていても良い。当然であるが、バッテリーパックは、電気自動車又はハイブリット電気自動車のバッテリーなどに適した大型のバッテリーを提供でき、或いはまた、複数の小さな電池（例えばＡＡ型又はＡＡＡ型）から構成でき、接続してＣ又はＤ型電池を提供できる。
【０１２２】
図２６Ａは、充電回路３７４と直列に接続される電池３７２のストリング３７１を有するバッテリーパック３７０を示し、その場合電池のいずれか１つのスイッチの切断による充電の終了が直列の各電池の充電を終了する。本実施形態では圧力応答スイッチを直列接続の全ての電池に設ける場合を検討する。従って、充電容量の最も小さい電池が充電を終了すると、電流はストリング３７１の全ての電池を流れるのを中断する。最初の充電終了のあと充電器に電池を留め置くと、最も充電された電池のスイッチはデューティサイクルで開閉を繰り返し、それによって、バッテリーパック内の全ての電池に電荷を断続的に流すことができる。従って、より大きな充電容量を有する不適合電池は断続的な充電（定電流充電又は定電圧充電のいずれか）を受ける。不適合電池の充電容量は完全（又は、ほぼ完全）に充電された電池の充電容量より高速で減少し、それによって不適合電池の放電容量を、完全に充電された電池と比較して正常な状態に戻すことが可能となる。本発明は有利なことに、所定のバッテリーパックに適合する電池を慎重に選ぶ必要性を解消する。
【０１２３】
別の実施形態によると、ストリング３７１は相対的に低い充電容量を有する１つの電池を含むことができる。ストリング３７１中のその電池の充電容量は通常動作中（全ての電池が同じ充電電流を受け、そして同じ速度で放電されるような動作中）その他の電池より低いレベルまで下がらないことから判断すると、その電池だけが圧力応答スイッチを含むであろう。従って、最も低い充電容量の電池にスイッチを設けることは、充電器がＡ）その電池のスイッチが切断したことによって起こる開回路状態を検出し、Ｂ）１）圧力スイッチのない電池の過充電を防止するため、及び２）圧力スイッチのない電池を圧力スイッチのある電池より高いレベルまで充電するのを防止するため、充電を終了する限り、動作中どの電池も過充電とならないよう確保できる。また代わりに、ストリング３７１の電池の２つ以上（但し、全てよりは少なく）に圧力スイッチを設けても良い。本実施形態では、圧力応答スイッチが全てに必要なわけではない電池のストリングを設けることによって、コスト及びリソースが節約できると考える。
【０１２４】
次に図２６Ｂを参照すると、バッテリーパック３７０は、バッテリーパックの放電電流を増大するため、充電回路３７４に並列に接続される電池３７２のストリング３７１を備える。電池３７２が並列に接続されるため、１つの電池の充電回路における切断が全ての電池に対する充電を中止するのではなく、むしろスイッチの切断していない電池３７２が使用できる充電電流を増大できる。電池の過充電を防止するため、圧力応答スイッチは必要に応じて各電池に設けることができる。
【０１２５】
図３１Ａに示したように、図２６Ｂに示したバッテリーパック３７０は複数の電池３７２（本実施形態では４つ）を設けて構成することができる。電池３７２の正端子３７６及び負端子３７８は揃えられ、導電性ディスク３８０には、そこを貫通して広がり正端子３７６が入るよう構成される複数の開口３８２を設ける。１対の導電性円形ディスク３８４が設けられ、電池３７２の正端子及び負端子に接続（好ましくは溶接）される。そして、電池３７２の正端子及び負端子がバッテリーパック筐体のそれぞれの端子と電気的に接続されるよう電池をバッテリーパック筐体に入れ、それをＤ型電池又はＣ型電池のように構成できる。またバッテリーパック筐体は、複数のＡＡＡ型電池又はＡＡ型電池を封入することによる効果を受け、別の任意の電池を提供するよう構成できる。
【０１２６】
図２６Ｃは、直列に接続される電池３７２からなる２以上のストリング３７１及び３７３を備え、そこで各ストリング３７１が並列に接続されるバッテリーパック３７０を示す。本実施形態において、ストリング３７１の個々の電池３７２毎に設けられる圧力スイッチは、そのストリング中の全電池に対する充電を中止できる。また一方、ストリング３７１及び３７３が並列接続されるため、残りのストリング３７３中の電池３７２は、ストリング３７３の電池の１つにおける圧力応答スイッチが作動されるまで充電を続けることができる。また当然のことであるが、バッテリーパック３７０の所望の放電容量に応じて任意の数のストリングを接続できる。また当然のことであるが、上記のように、圧力応答スイッチは各ストリングの１つだけの電池に設けることもできるし、１以上のストリングの各電池に設けることもできる。
【０１２７】
図２６Ｃに示すバッテリーパック３７０の組立工程を図３２Ａ−Ｂに示す。具体的には、電池３７２の第１のストリング３７１は正端子３７６を揃えて設ける。第２のストリング３７３は、その負端子３７８を第１のストリング３７１の正端子と揃えて設ける。１対の導電性タブ３８８が用意され、一方のタブ３８８が第１のストリング３７１の正端子３７６に接続し、他方のタブが第２のストリング３７３の負端子３７８に接続する。このようにしてタブ３８８は各ストリングの電池を並列に接続する。ストリング３７１と３７３は、タブ３８８の反対側端の電池３７２に接続（好ましくは、溶接）される導電性ディスク３８４を介して直列に接続される。絶縁部３９０は、ディスク３８４がどの外部部品とも電気的に接続しないように、ディスク３８４を覆って取り付ける。その一方、本実施形態によれば、ストリング３７３の正端子３７６に対応するため、１組の開口３９２だけしか絶縁部３９０に設ける必要がないが、絶縁部３９０は４つの電池の正端子に適合する（電池の正端子３７６がはまるように）４つの開口３９２を備える。このように、タブ３８８を介してのみ電池３７２への電気的接続が構築される。その結果、電池３７２は望ましいサイズのバッテリーパック筐体に取り付けられる。
【０１２８】
ほんの数回の充電―放電サイクルのうちに容量を回復するため、あるストリング中の不適合電池に必要な性能は、最初の電池のスイッチが反復的に開閉を始める後のその電池が充電器に留め置かれる時間の長さに依存する。例えば、図２７を参照すると、１−８サイクルの間２つの適合電池が直列に接続され、バッテリーの充電容量及び放電容量は比較的一定を維持する。９サイクルの時、１対の不適合電池（その一方はわずか２５％の充電容量を有している）が直列に接続される。電池が充電される時、一方の電池は他方の電池より大きい充電容量を有するが、充電サイクルの間、充電容量の低い方の電池のスイッチが開閉を始める時が経過してもその電池が充電器に留め置かれる場合、開閉動作している電池のスイッチが閉じている時はその電池内で再結合反応（図１参照）が発生するため、充電容量が大きい方の電池は開閉動作している電池に比べ高速で充電でき、接続される電池全てに電流を流すことが可能である。十分に充電されていない残りの電池は、まだ再結合反応の影響を受けていないため、開閉動作している電池が再結合反応の影響を受けているにもかかわらず充電を続けることができる。この傾向は、２つの電池の容量が等しくなるまで、複数サイクルの間続くであろう（図示した実施形態によれば合計５サイクル）。勿論、サイクル数は、最初の電池が反復動作を開始する後、その電池に電荷が印加される時間の長さによって決まる。
【０１２９】
並列に接続される両電池の放電容量は、高い方の充電容量を有する電池の方がより高い電流出力を出すため、放電中に平衡に達することが良く知られている。また、本発明の圧力スイッチは、直列に接続される複数の不適合電池をある時間にわたって適合するものにできる。
【０１３０】
本発明の別の実施形態によると、ユーザーは、たとえ使用中電池容量を若干減らすことになるとしても、充電時間がより短くなるのを望む場合があると考える。業界動向では常に電池の容量増大を追求するものの、本実施形態では、例えば、図３３Ａ−Ｃを参照して説明するように、電極をより短く加工する、又は厚さをより薄く加工する、又は不活性（本明細書では、電池の部品又は化学物質と非反応であるものと定義する）の充填材を使うことによって電池の活性部の体積を減じ、二次電池の容量を小さくするのが望ましい場合があると考える。以下に記載するように、正電極及び負電極を含む電池の活性部を２０％から４０％除去することが、電池を充電するのに要する時間を短くでき、また電池効率を一層高くできると考える。
【０１３１】
例えば、図３３Ａを参照すると、不活性材料層１２７の両側に電極材料が配置されるように不活性材料層１２７を電極１０６の中に挿入する。これは電極１０６の全体の厚さを増大し、電極１０８の厚さを減少させる結果をもたらす。また、図３３Ｂに示すように、不活性材料層１２７を電極１０６と電極１０８の両方の中に挿入することもできる。さらにまた、不活性材料１２７をどちらか一方の電極（図３３Ｃに示すように電極１０６）中に混合し、かつ他方の電極１０８中に不活性材料層１２７を挿入することもでき、また、他方の電極の厚さを減少させることもできる。さらにまた、不活性材料を電極１０６及び電極１０８の両方に混合することもできる。さらにまた、電極厚さを減少させること、不活性層を挿入すること、及び不活性材料を混合することを一方又は両方の電極に組合せることは、活物質を減少できる。図３３Ａ−Ｃを参照して上述した実施形態では、活物質の体積を低減する一方、軸方向の長さ（従って、接触表面積）は維持する。電池効率が電池の活物質体積当たりの表面接触面積の割合によって決定されるため、図３３Ａ−Ｃに示す実施形態、及びこれと同等の形態は電池効率を高める。
【０１３２】
さらに、電極の長さを短くすることもできる。このことは、表面接触面積を減少する（従って、電池効率が高くならない）が、電池を充電するのに要する時間を短くできる。
【０１３３】
特に、二次電池内の活性部体積を減少することは（例えば、ＡＡ型電池において７００−１６００ｍＡｈの放電容量、及びＡＡＡ型電池において２００−６５０ｍＡｈを達成するため）、本明細書に記載した任意の実施形態に従って構成される圧力応答スイッチを備える電池を定電圧で高速充電（上記のように）する場合、充電時間がほんの数分に短くなることが解った。
【０１３４】
そのような充電時間は、バッテリー特有の長所を保持しつつ、ＮｉＭＨ二次電池をスーパーキャパシタの高速充電時間により対抗し得るものとする。例えば、図２９は充電時間に対する充電容量を示す。上記任意の実施形態による圧力応答スイッチを備えるＡＡ型ＮｉＭＨ電池によって受容される充電容量は、充電のほんの５分後に８００ｍＡｈまで充電され、充電のほんの７分後に１Ａｈまで充電される。ＮｉＭＨ電池の１つの利点は、スーパーキャパシタが急勾配の放電電圧曲線を示すのに対して、比較的フラットな放電電圧であることである。
【０１３５】
図３０には、ＡＡ型ＮｉＭＨ電池の他の利点を示す。スーパーキャパシタはＡＡ型が市販用に売り出されていないため、図３０はＡＡ型ＮｉＭＨ電池及び同じような体積の複数のスーパーキャパシタ（本明細書では、そのＮｉＭＨ電池及びスーパーキャパシタは明確さ及び便宜のため、まとめて「電池等」と表記する）を比較して示す。特に電池等の体積を、ファラッド単位で測定する各スーパーキャパシタの定格静電容量とともに示す。分単位で放電時間を測定するのと同様、公称起電力（Ｅ）を、全ての電池等に対してボルト（Ｖ）単位で測定する。ワット時（Ｗｈ）単位で測定する供給エネルギーと同様に、各電池に対してアンペア時（Ａｈ）単位で供給充電容量を測定する。最後に、電池等をＷｈ／Ｌ単位で測定するエネルギー密度に基づき比較し、各電池の内部抵抗をミリオーム（ｍΩ）単位で測定する。ＮｉＭＨバッテリーの内部抵抗はスーパーキャパシタと差がないが、エネルギー密度はスーパーキャパシタのエネルギー密度に比べ数桁大きいことが解り、従ってＮｉＭＨバッテリーはより高い放電速度を有すことができる。
【０１３６】
以上の記載は本発明の好ましい実施形態の記載であり、本発明の精神と範囲を逸脱することなく多様な変更をなし得ることを当業者であれば想到し得る。本発明の範囲に含むいろいろな実施形態を広く開示するため、添付の特許請求の範囲を作成する。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１】電池圧力に影響を及ぼす酸素再結合反応を説明する概略図である。
【図２Ａ】本発明の好ましい実施形態に従って構成される圧力応答スイッチ及び圧力開放通気口を備えるエンドキャップアセンブリの断面図であり、低圧状態を示すものである。
【図２Ｂ】高圧状態における図２Ａに示すエンドキャップアセンブリの断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に従って構成される圧力応答スイッチ及び圧力開放通気口を備えるエンドキャップアセンブリを等角図法で示す断面図であり、低圧状態を示すものである。
【図４】図３のエンドキャップアセンブリの正面断面図である。
【図５】図３のエンドキャップアセンブリの部品の分解組立図である。
【図６Ａ】本発明の別の実施形態に従って構成されるスイッチを組み込んでいる電池の正端子の側断面図である。
【図６Ｂ】本発明の別の実施形態に従って構成されているが、図６Ａと同様の図である。
【図７】本発明の別の実施形態に従って構成されるスイッチを組み込んでいる電池の正端子の側断面図である。
【図８】交流電流充電中及び定電流充電中のニッケル金属水素化物電池における容量（Ａｈ）対△Ｐ（ｐｓｉｇ）を示すグラフである。
【図９】交流電流充電中及び定電圧充電中のニッケル金属水素化物電池における容量（Ａｈ）対△Ｐ（ｐｓｉｇ）を示すグラフである。
【図１０】好ましい実施形態に従って構成される複数の電池における電池内部圧力（ｐｓｉｇ）対時間（ｍｉｎ）を示すグラフである。
【図１１】定電流充電で充電中及びその後の放電中の電池における圧力、温度、電圧対時間（ｍｉｎ）を示すグラフである。
【図１２】定電流充電で充電中及びその後の放電中のいろいろなサイクルにおける電池内部圧力（ｐｓｉｇ）対時間（ｍｉｎ）を示すグラフである。
【図１３】充電中の図１２に示す電池における圧力上昇を示すグラフである。
【図１４】充電中の図１２に示す電池における圧力低下を示すグラフである。
【図１５】定電流充電でのサイクルの異なる電池における圧力、温度対時間を示すグラフである。
【図１６】定電流充電でのサイクルの異なる複数電池における圧力対時間を示すグラフである。
【図１７】定電圧充電での複数電池における圧力、温度、電流対時間を示すグラフである。
【図１８】定電流充電対定電圧充電中の内部圧力対印加充電容量を比較して示すグラフである。
【図１９】定電圧対定電流で充電する間の２つの電池の電流特性を比較して示すグラフである。
【図２０】定電流対定電圧で充電した２つの電池それぞれにおける電池温度対容量を比較して示すグラフである。
【図２１】図２０に示す２つの電池における電圧特性対時間を比較して示すグラフである。
【図２２】様々な定電圧の下で充電する間の温度及び容量対時間を比較して示すグラフである。
【図２３】本発明の別の実施形態に従って構成される圧力応答スイッチ及び圧力開放通気口を備えるエンドキャップアセンブリの側断面図であり、低圧状態を示すものである。
【図２４】本発明のもう一つ別の実施形態に従って構成される圧力応答スイッチ及び圧力開放通気口を備えるエンドキャップアセンブリの側断面図であり、低圧状態を示すものである。
【図２５】本発明の更にもう一つ別の実施形態に従って構成される圧力応答スイッチ及び圧力開放通気口を備えるエンドキャップアセンブリの側断面図であり、低圧状態を示すものである。
【図２６Ａ】本発明の一実施形態に従って構成されるバッテリーパックの概略図である。
【図２６Ｂ】本発明の別の実施形態に従って構成されるバッテリーパックの概略図である。
【図２６Ｃ】本発明のもう一つ別の実施形態に従って構成されるバッテリーパックの概略図である。
【図２７】適合電池及び不適合電池を設置しているバッテリーパックにおける充電容量及び放電容量を示すグラフである。
【図２８Ａ】本発明の好ましい実施形態による二次電池で使用できるポリマーにおける破断伸長％対引っ張り強度を示すグラフである。
【図２８Ｂ】本発明の好ましい実施形態による二次電池で使用できるポリマーにおける熱撓み温度対引っ張り強度を示すグラフである。
【図２９】本発明の別の実施形態による活性部体積を減らしたＮｉＭＨ二次電池における充電容量対充電時間を示すグラフである。
【図３０】同様の容積を有するスーパーキャパシタと比較して、図２９を参照して示す実施形態に従って構成されるＡＡ型ＮｉＭＨ電池の特性を比較する表である。
【図３１Ａ】本発明の一実施形態に従って構成されるバッテリーパックの組立部品を説明する図である。
【図３１Ｂ】本発明の一実施形態に従って構成されるバッテリーパックの組立部品を説明する図である。
【図３２Ａ】本発明の別の実施形態に従って構成されるバッテリーパックの組立部品を説明する図である。
【図３２Ｂ】本発明の別の実施形態に従って構成されるバッテリーパックの組立部品を説明する図である。
【図３３Ａ】電極体積を減少した電池電極を実現するいろいろな実施形態を示す図である。
【図３３Ｂ】電極体積を減少した電池電極を実現するいろいろな実施形態を示す図である。
【図３３Ｃ】電極体積を減少した電池電極を実現するいろいろな実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３３Ｃ】
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【国際調査報告】
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